長條形箱體結(jié)構(gòu)變形問題分析與研究

武紅斌，吳香清

（中聯(lián)重科股份有限公司，湖南長沙 410205）

長條形箱型結(jié)構(gòu)變形一直是結(jié)構(gòu)件生產(chǎn)中的難點，其返工率較高，不僅給生產(chǎn)帶來了極大的困擾和額外的工作量，而且嚴(yán)重影響了產(chǎn)品的使用性能，比如容易造成箱體構(gòu)件上軸套孔單邊嚴(yán)重，受力不均，影響零件互換性，降低母材強度，造成后續(xù)焊縫開裂等[1-2]。

為減少生產(chǎn)中返工率高帶來的各種非增值勞動，提高生產(chǎn)效率，有必要對該種結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)質(zhì)量進行控制、改善。本文通過對長條形箱體結(jié)構(gòu)變形的原因進行了分析，并提出相應(yīng)的預(yù)防措施和解決方案。

1 變形問題分析

1.1 箱體長度誤差超出工藝允許范圍

1.1.1 立板拼焊誤差

一方面，板材下料尺寸與下料圖尺寸不一致，需在結(jié)構(gòu)件制作時修割立板，而修割時采用的是火焰切割，對接處的坡口鈍邊會被切割掉，而切割后的斜邊與實際斜邊不平行，導(dǎo)致鉚焊時難以控制板與板之間的間隙。

另一方面，鉚焊時立板總長控制一定，但板與板之間間隙（1～3 mm）的差異，導(dǎo)致焊接后收縮量不同而產(chǎn)生長度變化。

1.1.2 組箱拼焊的工序問題

結(jié)構(gòu)類型相同的箱體，當(dāng)工序一定時，彎曲變形規(guī)律是相同的。對于常規(guī)箱體，正常焊接順序（先自動焊，后首尾焊）時，箱體變形趨勢往如圖1中1所示方向，可導(dǎo)致總長變短。當(dāng)生產(chǎn)任務(wù)較大時，部分箱體是按非正常工序，即先首尾焊，后自動焊。當(dāng)首尾焊接完畢后，箱體中間部分4條主焊縫焊接時不能自由收縮，不僅變形量不一樣，而且變形方向也沒有規(guī)律：可能是按圖1中1所示方向變形，也可能按圖1中2所示方向變形（此變化會使箱體總長變長）

圖1 長條形箱體結(jié)構(gòu)焊接變形示意圖

1.2 箱體中線、立板垂直度超出工藝允許范圍

1.2.1 左右立板不對稱易引起箱體扭曲

箱體立板長寬比較大，下料時立板的旁彎量較大（其中有的旁彎量超過5 mm的概率高達10%以上）。理論上左右立板是對稱的，但若左立板是往上面板方向旁彎，而右立板是往下面板方向旁彎(反之亦然)，如果不經(jīng)過修磨或其他處理就組箱，將會造成箱體在Z軸方向（箱體高度方向）的扭曲變形，因為組箱是以下面板為定位基準(zhǔn)。

1.2.2 下面板旁彎+箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計緊湊引起的彎曲

（1）根部面板下料時中心線偏移，如圖2所示。完全對稱的零件，下料后，會出現(xiàn) A1≠A2，B1≠B2 且 C1≠C2的情況。

（2）根部面板（如圖3所示）折彎時，模具與零件理論折彎線不完全重合，且折彎后有一定的回彈，結(jié)果導(dǎo)致折彎后的零件彎曲部分存一定扭曲。

圖2 根部面板尺寸示意

（3）部分面板較長（如部分面板長度超過了10米），下料時存在較大的旁彎。

圖3 根部面板折彎示意圖

（4）組箱體時，由于工人技能水平各異，面板局部存在扭曲、旁彎，加之箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計較為緊湊：大部分產(chǎn)品的立板外側(cè)到面板邊緣的距離僅為10 mm，而對應(yīng)的角焊焊腳≥7 mm，當(dāng)面板不旁彎（即箱體中線不偏移）時，左、右立板理論對稱中心與下面板焊件實際對稱中心重合，如圖4（a）所示；當(dāng)面板旁彎時，為了保證箱體不彎曲變形，必須保證組箱時左、右立板以箱體中線兩側(cè)分中，當(dāng)下面板局部范圍內(nèi)旁彎量超過5 mm時，就會出現(xiàn)圖4（b）所示的情況：由于一側(cè)焊角不夠（≤5 mm），已不能保證焊接強度要求。

1.2.3 端部上、下面板相對箱體中線往相反方向偏移

組箱后，端部上、下面板出現(xiàn)錯位，上面板往箱體中線一側(cè)偏移，而下面板往箱體中線另一側(cè)偏移，當(dāng)兩者偏移之和較大時，最終只能打磨面板邊緣，嚴(yán)重時，需刨除端部立板與面板的焊縫，重新進行焊接，嚴(yán)重影響板材質(zhì)量。

1.2.4 機加工與結(jié)構(gòu)件制作的基準(zhǔn)不一致

由于箱體立板內(nèi)側(cè)與下面板間是間斷焊，組箱時為了保證左、右立板與下面板的垂直度，只能以下面板為基準(zhǔn)，但將誤差累積在上面板上，而機加工以上面板為基準(zhǔn)，最終將導(dǎo)致校正上面板后，不能保證立板的垂直度。

圖4 立板與蓋板的裝配示意圖

2 預(yù)防措施及效果分析

2.1 模型分析及建立

表1為影響箱體返工的因素及對應(yīng)的分析。

為了分析表1中的影響因素對箱體返工率的影響，可引用來進行分析。

表1 長條形箱體結(jié)構(gòu)變形影響因素分析

由于k2、c為常數(shù)，而K1（箱體質(zhì)量及標(biāo)準(zhǔn)要求）、a（工人熟練程度及操作水平）及X1（箱體產(chǎn)量）是比較客觀的因素；因此，為了提高箱體質(zhì)量，最有效的方式就是從b（提前采取的預(yù)防措施）和X2（工人的責(zé)任心、品質(zhì)對箱體質(zhì)量的要求和把關(guān)程度）兩方面來進行改善。

2.2 預(yù)防措施

針對上述問題，表2列出了相應(yīng)問題的預(yù)防措施。

2.3 效果分析

圖5分別為不同時間段對應(yīng)的返工率及月產(chǎn)量。

表2 長條形箱體結(jié)構(gòu)變形問題預(yù)防措施

圖5 不同時間段對應(yīng)的返工率及箱體產(chǎn)量

通過抽檢2011年月份的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，從圖5中可以看出兩個重要的拐點，一個出現(xiàn)在11年10月份，一個出現(xiàn)在12年2月份。

（1）從2011年10月開始，隨著箱體的質(zhì)量提升項目的開展，返工率迅速增大，但提出了相應(yīng)預(yù)防措施，同時將結(jié)構(gòu)吊線過程控制納入日常質(zhì)檢、抽檢作業(yè)范疇；隨著時間的推移，工人技術(shù)水平逐步得到了提高，質(zhì)量也得到改善，當(dāng)產(chǎn)量在一定范圍內(nèi)增大時，返工率并沒有增加，反而有所下降，說明改善效果較明顯。

（2）2012年2月開始，在生產(chǎn)場地和工人數(shù)量一定的前提下，生產(chǎn)量提高了50%以上，在巨大的生產(chǎn)壓力下，工人不再進行吊線和其他檢測，品質(zhì)檢測力度也相應(yīng)的下降，這使得返工率又有所上升，但較2011年10月之前還是有所改善的。

（3）為了降低返工率，必須在生產(chǎn)場地、人員配置等與產(chǎn)量相匹配，同時，必須加大質(zhì)檢力度。

3 結(jié)論及展望

3.1 結(jié)論

（1）通過一系列預(yù)防的提出，箱體質(zhì)量得到了較好的控制，到2011年12月止，箱體的返工率已從23%降低到了8%以下；

（2）要真正能控制好產(chǎn)品質(zhì)量，降低返工率，必須保證生產(chǎn)場地、人員配置及品質(zhì)檢測力度與生產(chǎn)量相匹配。

3.2 展望

（1）車間實行責(zé)任制；

（2）品質(zhì)加大檢測力度；

（3）工藝應(yīng)運用好PFMEA（過程失效模式影響與分析）工具，在產(chǎn)品試制之前進行失效分析，并提出相應(yīng)的預(yù)防措施，同時在焊接和裝配過程中盡量采用工裝，減少人為因素的影響；

（4）設(shè)計進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

［1］付榮柏.焊接變形的控制與矯正［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2006.

［2］陳祝年.焊接工程師手冊［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2002.