鐘震聲，盧桂萍，黃鍵坤，冼華龍，李東欽

（北京理工大學(xué)珠海學(xué)院工業(yè)自動(dòng)化學(xué)院，廣東珠海 519088）

0 引言

在瓷磚磨邊輪的金剛石合金刀頭和刀基的人工焊接過(guò)程中有許多問(wèn)題，例如粘結(jié)劑毒性對(duì)焊接工人的傷害、銀焊片管理上的糾紛、金剛石合金刀頭焊接的效率低下等問(wèn)題，為解決諸如此類的問(wèn)題，響應(yīng)國(guó)家提出的中國(guó)制造2025發(fā)展計(jì)劃，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化轉(zhuǎn)型升級(jí)，針對(duì)磨邊輪的焊接[1-3]自動(dòng)化設(shè)計(jì)了專用夾具[4-10]。并在此研究基礎(chǔ)上，研發(fā)一款可以一次性焊接一個(gè)磨邊輪刀頭數(shù)量的全自動(dòng)焊接機(jī)，一方面保證了金剛石合金刀頭的焊接效果，提高生產(chǎn)效率；另一方面，由于融入自動(dòng)化技術(shù)，使得整個(gè)過(guò)程無(wú)需人工干預(yù)，提高了產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)安全性，改善了磨具行業(yè)的工藝規(guī)程和改善生產(chǎn)環(huán)境。

1 工藝分析

圖1 瓷磚磨邊輪圖

金剛石合金刀具——磨邊輪如圖1所示，它由1個(gè)刀基和29個(gè)金剛石合金刀頭通過(guò)銀焊片和焊劑在高頻感應(yīng)高溫（1 000℃）的環(huán)境下焊接而成。刀基放置于焊接機(jī)工作臺(tái)上，銀焊片和焊劑放置在刀頭和刀基之間的配合面，29個(gè)刀頭按照正確的位置排列在刀基上，然后專用夾具對(duì)工件進(jìn)一步定位和夾緊。

2 專用夾具設(shè)計(jì)

文中僅以焊接前一道工序進(jìn)行夾具設(shè)計(jì)。工件的焊接面為29個(gè)金剛石合金刀頭和刀基的配合面，且每一個(gè)金剛石合金刀頭和刀基焊接的牢固

程度對(duì)工件質(zhì)量有著決定性的影響，金剛石合金刀頭的焊接位置以刀基的外圓柱面為基準(zhǔn)。

圖2 專用夾具整裝結(jié)構(gòu)示意圖

2.1 工件的定位方式及定位元件

根據(jù)工件定位基面的形狀和定位元件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)選擇定位元件。工件的定位面分別為底面平面和外圓柱面，

選擇底平面的定位元件為支承板，限制自由度X?，Y?，Z?；選擇外圓柱面的定位元件為定位套，限制自由度X→，Y→ ；自由度 Z?對(duì)工件定位無(wú)影響，故不用限制該自由度。

圖3 專用夾具爆炸結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 定位元件的主要技術(shù)要求

對(duì)定位元件的要求有：

（1）足夠的精度，保證工件的定位精度；

（2）足夠的強(qiáng)度和剛度，定位元件在受工件重力、夾緊力和高溫?zé)崃Φ淖饔脮r(shí)，不應(yīng)變形和損壞，否則會(huì)影響工件的定位精度；

（3）較好的工藝性，定位元件應(yīng)便于制造、裝配和維修。

基于上述元件要求，外圓柱面限位裝置和內(nèi)徑輔助定位夾緊裝置利用非感應(yīng)銅材料螺栓加裝陶瓷墊片，實(shí)現(xiàn)隔熱和耐高溫等效果，阻隔熱量從工件向氣缸方向傳遞而損害氣缸，減短氣缸使用壽命。

2.3 定位誤差的分析與計(jì)算

定位誤差是由于工件在夾具上的定位不準(zhǔn)確而引起的加工誤差ΔD。定位誤差的主要來(lái)源有兩個(gè)方面，分別是基準(zhǔn)不重合誤差ΔB和基準(zhǔn)移動(dòng)誤差ΔY。

（1）產(chǎn)生定位誤差的原因

在磨邊輪的金剛石合金刀頭和刀基的高頻感應(yīng)焊接中，對(duì)工件的定位誤差有兩個(gè)，一個(gè)是底平面的定位，另一個(gè)是外圓柱面的定位。

對(duì)底平面的定位誤差分析：

工件以平面定位時(shí)，由于定位副容易制造得準(zhǔn)確，可視ΔY1=0，故只計(jì)算ΔB1即可。

工件的工序基準(zhǔn)為刀基與金剛石合計(jì)刀頭的接觸面，即為刀基的頂面，而工件的定位基準(zhǔn)為刀基的底面，此時(shí)工件的工序基準(zhǔn)與定位基準(zhǔn)不重合，故存在基準(zhǔn)不重合誤差ΔB1。

對(duì)外圓柱面的定位誤差分析：

工件以外圓柱面作為定位基準(zhǔn)時(shí)的定位誤差，與工件外圓的制造精度、定位元件的放置形式、定位基面與限位基面的配合性質(zhì)及工序基準(zhǔn)與定位基準(zhǔn)是否重合等因素有關(guān)。

工件以外圓柱面在套筒上定位，定位基準(zhǔn)為工件外圓柱面，定位套筒的內(nèi)孔圓柱面為限位基面，工序基準(zhǔn)也是工件外圓柱面。工件的工序基準(zhǔn)和定位基準(zhǔn)重合，故ΔB2=0。

針對(duì)外圓柱面作為定位元件，結(jié)合類彈性可漲心軸機(jī)構(gòu)，進(jìn)行復(fù)合定位，保證金剛石合金刀頭的外圓柱面和套筒內(nèi)孔圓柱面無(wú)相對(duì)位移，因此ΔY2=0。

（2）定位誤差的計(jì)算

如圖，工件以底面定位焊接機(jī)工作臺(tái)面，工序基準(zhǔn)為工件頂面，定位基準(zhǔn)為底面，焊接機(jī)的感應(yīng)線圈位置不變，由于一批工件中尺寸15±0.05的公差使工件頂面（工序基準(zhǔn)）位置在一定范圍內(nèi)變動(dòng)，從而使焊接平面偏移感應(yīng)線圈工作最佳平面。

為消除ΔB1對(duì)焊接加工的影響，讓感應(yīng)線圈的軸向長(zhǎng)度與工件工序基準(zhǔn)面進(jìn)行適配，使工件工序基準(zhǔn)面始終處于感應(yīng)線圈的良好工作范圍內(nèi)。

圖4 刀基零件圖

2.4 工件的夾緊

工件定位之后，在高頻感應(yīng)焊接加工之前，必須采用夾緊裝置將其夾緊，以保證工件在加工過(guò)程中，在粘結(jié)劑的浮力、慣性力、重力等的作用下不產(chǎn)生位移或振動(dòng)，影響焊接質(zhì)量。

2.5 夾緊裝置的組成和基本要求

夾緊裝置由力源裝置、中間傳力機(jī)構(gòu)和夾緊裝置三大部分組成。（1）力源裝置，采用氣動(dòng)裝置作為力源裝置。（2）中間傳力機(jī)構(gòu)，采用彈性定位機(jī)構(gòu)，使力的大小和方向不變，改變力的作用面。

（3）夾緊元件，即為夾緊裝置的最終執(zhí)行元件，它與工件直接接觸，把工件夾緊。由于高頻感應(yīng)焊接過(guò)程中的高溫環(huán)境，采用陶瓷材料制成陶瓷壓頭作為夾緊件，這樣就可以達(dá)到耐高溫和在一定程度上阻隔熱傳導(dǎo)。夾緊裝置采用各個(gè)刀頭夾緊的方案，使用29個(gè)陶瓷壓頭配合銅套、自制氣缸和機(jī)米螺絲，在作用力和反作用力的基礎(chǔ)上改變夾緊裝置的受力面，延長(zhǎng)夾緊力的行程，實(shí)現(xiàn)每個(gè)金剛石合金刀頭進(jìn)貼在刀基上頂面，使焊接質(zhì)量得到保障，避免產(chǎn)生類似砂輪脫粒的現(xiàn)象，即刀頭焊接不穩(wěn)固。

2.6 夾具的使用

刀基在焊接機(jī)的工作臺(tái)上，底平面定位完成，銀焊片和焊劑已放置于刀頭于刀基之間的配合面，夾具夾持29個(gè)刀頭，使之按照正確的位置排列于刀基上。此時(shí)，專用夾具位于工件正上方，夾具垂直向下移動(dòng)到指定平面后焊接夾具外圓柱面限位裝置徑向合攏至工件工序基準(zhǔn)面——外圓柱面，對(duì)工件進(jìn)行限位。然后，刀頭內(nèi)徑輔助定位機(jī)構(gòu)對(duì)刀頭進(jìn)一步定位，使29個(gè)刀頭的外圓柱面緊貼外圓柱面限位面，外圓柱面定位完成。最后夾緊裝置在氣缸的推動(dòng)向下夾緊工件等待焊接。在焊接的過(guò)程中，通過(guò)焊接機(jī)工作臺(tái)的正反轉(zhuǎn)和專用夾具的壓頭軸向上下微量移動(dòng)擠出銀焊片和焊劑中的氣泡，提升焊接質(zhì)量。

3 有限元分析

由(2)和(3)解得： F≥4 N （4）

Ff（摩擦力），G（重力），F(xiàn)（夾緊力）， μ（摩擦系數(shù)）

根據(jù)受力分析結(jié)果，和夾具實(shí)際應(yīng)用，進(jìn)行有限元分析中的靜應(yīng)力分析。

選用實(shí)體網(wǎng)格類型，具體信息見(jiàn)表2和表3；解算器類型為FFEPlus；自動(dòng)結(jié)合不兼容選項(xiàng)；打開(kāi)計(jì)算自由實(shí)體力。

對(duì)單個(gè)金剛石合金刀頭進(jìn)行受力分析，計(jì)算夾緊力。查表得金剛石和金屬的摩擦系數(shù)為0.1～0.15，取0.1計(jì)算。

表1 材料屬性表

表2 網(wǎng)格信息表

表3 網(wǎng)格信息-細(xì)節(jié)表

有限元分析結(jié)果如圖5所示。

靜態(tài)應(yīng)變最大值為ε1max=0.000 001 782。

靜態(tài)位移（URES：合位移）最大值為S1max=0.003 801mm。

最小安全系數(shù)為n1min=860。

為縮小感應(yīng)線圈內(nèi)徑，提高感應(yīng)器的效率；與此同時(shí)，降低靜態(tài)應(yīng)變和位移的最大值，提高安全系數(shù)，減輕機(jī)身重量，特進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果見(jiàn)圖6。

靜態(tài)位移（URES：合位移）最大值為S2max=0.000 011 79 mm，節(jié)：4605；最小值為S2min=0 mm，節(jié)：1238。

應(yīng)變（ESTRN:對(duì)等應(yīng)變），最小ε2min=6.425 26 e-012，單元： 8326；最大ε2max=8.575 13 e-008，單元：5508。

最小安全系數(shù)為n2min=24000，節(jié)：4593；最大n2max=2.46599e+008，節(jié)：3542。

合力情況見(jiàn)表4和表5。

如表5所示，優(yōu)化設(shè)計(jì)不僅減輕了機(jī)身重量，還大大提高了位置精度。

4 結(jié)束語(yǔ)

圖5 有限元分析1圖

本文中的金剛石合金刀具專用夾具通過(guò)三組驅(qū)動(dòng)氣缸分別連接焊接夾具外圓柱面限位裝置、內(nèi)徑輔助定位裝置和夾緊裝置施加徑向力和軸向力，實(shí)現(xiàn)金剛石合金刀具的外圓柱面定位和軸向定位夾緊，且在29個(gè)陶瓷彈性?shī)A緊機(jī)構(gòu)下壓緊29個(gè)金剛石合金刀頭，讓每個(gè)金剛石合金刀頭的焊接質(zhì)量得到保證。根據(jù)高頻感應(yīng)焊接原理，通過(guò)感應(yīng)線圈在工件工序基準(zhǔn)面上加熱，使銀焊片和焊劑在1 000℃環(huán)境下焊接刀基和金剛石合金刀頭，實(shí)現(xiàn)磨邊輪的自動(dòng)化焊接加工。

圖6 有限元分析2圖

表4 反作用力表

表5 反作用力矩表

表6 優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果表

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