基于高頻焊接技術的磨邊輪專用夾具設計與研究*

2018-05-07 05:40:30鐘震聲盧桂萍黃鍵坤冼華龍李東欽

機電工程技術 2018年3期

鐘震聲，盧桂萍，黃鍵坤，冼華龍，李東欽

（北京理工大學珠海學院工業自動化學院，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程中有許多問題，例如粘結劑毒性對焊接工人的傷害、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題，為解決諸如此類的問題，響應國家提出的中國制造2025發展計劃，實現自動化轉型升級，針對磨邊輪的焊接[1-3]自動化設計了專用夾具[4-10]。并在此研究基礎上，研發一款可以一次性焊接一個磨邊輪刀頭數量的全自動焊接機，一方面保證了金剛石合金刀頭的焊接效果，提高生產效率；另一方面，由于融入自動化技術，使得整個過程無需人工干預，提高了產品質量和生產安全性，改善了磨具行業的工藝規程和改善生產環境。

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個刀基和29個金剛石合金刀頭通過銀焊片和焊劑在高頻感應高溫（1 000℃）的環境下焊接而成。刀基放置于焊接機工作臺上，銀焊片和焊劑放置在刀頭和刀基之間的配合面，29個刀頭按照正確的位置排列在刀基上，然后專用夾具對工件進一步定位和夾緊。

2 專用夾具設計

文中僅以焊接前一道工序進行夾具設計。工件的焊接面為29個金剛石合金刀頭和刀基的配合面，且每一個金剛石合金刀頭和刀基焊接的牢固

程度對工件質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。

圖2 專用夾具整裝結構示意圖

2.1 工件的定位方式及定位元件

根據工件定位基面的形狀和定位元件的結構特點選擇定位元件。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?對工件定位無影響，故不用限制該自由度。

圖3 專用夾具爆炸結構示意圖

2.2 定位元件的主要技術要求

對定位元件的要求有：

（1）足夠的精度，保證工件的定位精度；

（2）足夠的強度和剛度，定位元件在受工件重力、夾緊力和高溫熱力的作用時，不應變形和損壞，否則會影響工件的定位精度；

（3）較好的工藝性，定位元件應便于制造、裝配和維修。

基于上述元件要求，外圓柱面限位裝置和內徑輔助定位夾緊裝置利用非感應銅材料螺栓加裝陶瓷墊片，實現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算

定位誤差是由于工件在夾具上的定位不準確而引起的加工誤差ΔD。定位誤差的主要來源有兩個方面，分別是基準不重合誤差ΔB和基準移動誤差ΔY。

（1）產生定位誤差的原因

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

對底平面的定位誤差分析：

工件以平面定位時，由于定位副容易制造得準確，可視ΔY1=0，故只計算ΔB1即可。

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

對外圓柱面的定位誤差分析：

工件以外圓柱面作為定位基準時的定位誤差，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及工序基準與定位基準是否重合等因素有關。

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

針對外圓柱面作為定位元件，結合類彈性可漲心軸機構，進行復合定位，保證金剛石合金刀頭的外圓柱面和套筒內孔圓柱面無相對位移，因此ΔY2=0。

（2）定位誤差的計算

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

為消除ΔB1對焊接加工的影響，讓感應線圈的軸向長度與工件工序基準面進行適配，使工件工序基準面始終處于感應線圈的良好工作范圍內。

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程中，在粘結劑的浮力、慣性力、重力等的作用下不產生位移或振動，影響焊接質量。

2.5 夾緊裝置的組成和基本要求

夾緊裝置由力源裝置、中間傳力機構和夾緊裝置三大部分組成。（1）力源裝置，采用氣動裝置作為力源裝置。（2）中間傳力機構，采用彈性定位機構，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行元件，它與工件直接接觸，把工件夾緊。由于高頻感應焊接過程中的高溫環境，采用陶瓷材料制成陶瓷壓頭作為夾緊件，這樣就可以達到耐高溫和在一定程度上阻隔熱傳導。夾緊裝置采用各個刀頭夾緊的方案，使用29個陶瓷壓頭配合銅套、自制氣缸和機米螺絲，在作用力和反作用力的基礎上改變夾緊裝置的受力面，延長夾緊力的行程，實現每個金剛石合金刀頭進貼在刀基上頂面，使焊接質量得到保障，避免產生類似砂輪脫粒的現象，即刀頭焊接不穩固。

2.6 夾具的使用

刀基在焊接機的工作臺上，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個刀頭，使之按照正確的位置排列于刀基上。此時，專用夾具位于工件正上方，夾具垂直向下移動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面——外圓柱面，對工件進行限位。然后，刀頭內徑輔助定位機構對刀頭進一步定位，使29個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向下夾緊工件等待焊接。在焊接的過程中，通過焊接機工作臺的正反轉和專用夾具的壓頭軸向上下微量移動擠出銀焊片和焊劑中的氣泡，提升焊接質量。

3 有限元分析

由(2)和(3)解得： F≥4 N （4）

Ff（摩擦力），G（重力），F（夾緊力）， μ（摩擦系數）

根據受力分析結果，和夾具實際應用，進行有限元分析中的靜應力分析。

選用實體網格類型，具體信息見表2和表3；解算器類型為FFEPlus；自動結合不兼容選項；打開計算自由實體力。

對單個金剛石合金刀頭進行受力分析，計算夾緊力。查表得金剛石和金屬的摩擦系數為0.1～0.15，取0.1計算。

表1 材料屬性表

表2 網格信息表

表3 網格信息-細節表

有限元分析結果如圖5所示。

靜態應變最大值為ε1max=0.000 001 782。

靜態位移（URES：合位移）最大值為S1max=0.003 801mm。

最小安全系數為n1min=860。

為縮小感應線圈內徑，提高感應器的效率；與此同時，降低靜態應變和位移的最大值，提高安全系數，減輕機身重量，特進行優化設計，優化設計結果見圖6。

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

應變（ESTRN:對等應變），最小ε2min=6.425 26 e-012，單元： 8326；最大ε2max=8.575 13 e-008，單元：5508。

最小安全系數為n2min=24000，節：4593；最大n2max=2.46599e+008，節：3542。

合力情況見表4和表5。

如表5所示，優化設計不僅減輕了機身重量，還大大提高了位置精度。

4 結束語

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三組驅動氣缸分別連接焊接夾具外圓柱面限位裝置、內徑輔助定位裝置和夾緊裝置施加徑向力和軸向力，實現金剛石合金刀具的外圓柱面定位和軸向定位夾緊，且在29個陶瓷彈性夾緊機構下壓緊29個金剛石合金刀頭，讓每個金剛石合金刀頭的焊接質量得到保證。根據高頻感應焊接原理，通過感應線圈在工件工序基準面上加熱，使銀焊片和焊劑在1 000℃環境下焊接刀基和金剛石合金刀頭，實現磨邊輪的自動化焊接加工。