裝載機(jī)后車架扭曲變形控制

丁大狀

（徐工集團(tuán)工程機(jī)械股份有限公司科技分公司，徐州 221004）

后車架是裝載機(jī)中最關(guān)鍵的部件之一，上面安裝有駕駛室、機(jī)罩、發(fā)動機(jī)、變速箱、驅(qū)動橋以及配重等。該結(jié)構(gòu)主要由鋼板焊接而成，受力較為復(fù)雜。后車架的扭曲變形嚴(yán)重影響了整機(jī)的裝配精度和外觀質(zhì)量，最直觀的表現(xiàn)為后車架與機(jī)罩間有多條閃縫，且分布不均勻[1-2]。后車架扭曲變形如圖1所示，車架尾板左側(cè)向上位移，右側(cè)向下位移。因此，優(yōu)化后車架制造工藝流程以控制其扭曲變形以提高其服役能力，是一項緊急且重要的任務(wù)。

圖1 后車架變形示意圖

1 結(jié)構(gòu)及流程分析

1.1 后車架結(jié)構(gòu)

后車架主要由5個部件組成，分別為后鉸接架小總成、左右梁板、副車架小總成、筋板和尾板，見圖2。其中，后鉸接架、副車架及尾板分別與左右大梁焊接形成整體。

圖2 后車架結(jié)構(gòu)圖

在裝配線上隨機(jī)測量的20臺整機(jī)中，有11臺機(jī)罩與后車架的左右框板之間有閃縫，導(dǎo)致機(jī)罩側(cè)窗不能關(guān)閉。在生產(chǎn)中隨機(jī)抽取14臺5 t天燃?xì)庋b載機(jī)，其中8臺整機(jī)因后車架扭曲變形嚴(yán)重導(dǎo)致機(jī)罩無法裝配，須進(jìn)行返修處理。

1.2 后車架制造流程

后車架制造工藝流程如圖3所示。因為鏜孔工序和焊小件工序幾乎不產(chǎn)生熱，所以后車架整體不會產(chǎn)生變形。后車架成品扭曲變形量為點(diǎn)焊扭曲變形量、機(jī)器人通焊扭曲變形量和補(bǔ)焊扭曲變形量之和。

圖3 后車架制造工藝流程

2 制造過程分析

2.1 點(diǎn)焊過程分析

點(diǎn)焊扭曲變形量為焊工藝引起的變形量和工裝尺寸超差引起的變形量之和。采用龍門三坐標(biāo)驗證后車架點(diǎn)焊工裝尺寸精度的符合性，測量得出各尺寸均符合工裝尺寸控制要求，由此忽略y12。

隨機(jī)采集幾組點(diǎn)焊完工后后車架左右框板的高度差數(shù)據(jù)，用Minitab進(jìn)行點(diǎn)焊工序過程能力分析，發(fā)現(xiàn)整體和組內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)差差別較小，同時組內(nèi)過程能力值為1.03，過程保障能力基本滿足要求[3]，如圖4所示。

圖4 點(diǎn)焊過程分析圖

2.2 通焊過程分析

后車架通焊為機(jī)器人自動焊接，通過對通焊完工前后數(shù)據(jù)的收集和工序過程的能力分析，結(jié)合對整體和組內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)差的觀察，得出整體和組內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)差差距較小，組內(nèi)過程能力明顯不足，而Cpk數(shù)據(jù)為負(fù)值，表明數(shù)據(jù)偏差嚴(yán)重，如圖5所示。

圖5 通焊過程分析

2.3 補(bǔ)焊過程分析

后車架在機(jī)器人焊接完工后通過上翻轉(zhuǎn)變位機(jī)來進(jìn)行余下的人工補(bǔ)焊。通過對補(bǔ)焊工序完工前后數(shù)據(jù)的收集和補(bǔ)焊工序過程能力的分析，結(jié)合對整體和組內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)差數(shù)據(jù)觀察，得出補(bǔ)焊過程的能力較好[4]。這主要是因為通焊后車架剛度較強(qiáng)，需補(bǔ)焊的焊縫較少。這些少量的焊縫對車架的扭曲變形基本無影響，如圖6所示。

圖6 補(bǔ)焊過程分析

通過分析焊接過程的3個階段，得出點(diǎn)焊和補(bǔ)焊工序?qū)εで冃蔚挠绊懞苄。珊雎云溆绊懀攸c(diǎn)分析后車架機(jī)器人通焊工序。采用C＆E矩陣篩選出機(jī)器人通焊工序影響變形量的關(guān)鍵性因素為機(jī)器人的焊接順序和焊接方向[5]。

3 通焊的關(guān)鍵過程分析

后車架現(xiàn)執(zhí)行的焊接程序是基于效率最高來編制的，堅持兩個“最少”原則。一是按照工裝翻轉(zhuǎn)次數(shù)最少原則，一個變位姿態(tài)能焊接較多焊縫；二是按照焊槍空程位移最少的原則，即從一道焊縫收弧的附近開始下一道焊縫的起弧（未考慮焊接變形對后車架整體質(zhì)量的影響）。

由于后車架結(jié)構(gòu)的體積大，因此采用固有應(yīng)變和彈塑性有限元兩種方法進(jìn)行仿真計算，并結(jié)合T型接頭角焊縫和對接接頭焊縫的焊接仿真經(jīng)驗，優(yōu)化制定焊接順序和焊接方向并驗證。

采用固有應(yīng)變法得出后車架的Y方向位移云圖，如圖7所示。從圖7中可以識別出不同位置的焊縫對尾板位移的不同影響程度。此種算法對變形趨勢的仿真最準(zhǔn)確，但是對具體變形值的計算存在一定誤差，需結(jié)合彈塑性有限元法進(jìn)行計算分析。

圖7 固有應(yīng)變法分析

從圖8彈性有限元位移云圖可以看出：左右梁板與U型梁之間的焊縫明顯增大了尾板位置的變形量，變形量達(dá)到了4.0 mm；副車架與U型梁之間的焊縫對尾板位置的變形量也有一定的影響，變形量達(dá)到1.9 mm。

從圖9的T型接頭焊接變形規(guī)律圖中可以看出，焊縫起弧點(diǎn)變形較小（熱輸入較小），收弧點(diǎn)變形較大。

圖9 T型接頭焊接變形規(guī)律圖

采用固有應(yīng)變和熱彈塑性有限元法相結(jié)合的方法，識別重要焊縫對尾板位置焊接變形的影響，結(jié)合T型接頭角焊縫和對接接頭焊縫的焊接仿真經(jīng)驗，制定統(tǒng)一的焊接順序，并進(jìn)行了實踐驗證。每次驗證測量5組數(shù)據(jù)，觀察焊接變形是否有明顯改善，最終在反復(fù)驗證后得出其滿足焊接變形的優(yōu)化焊接順序。具體的焊接順序及方向如圖10所示，其中數(shù)字代表焊接順，箭頭代表焊接方向。

圖10 焊接順序及焊接方向

4 效果驗證

在裝配線進(jìn)行后車架與機(jī)罩裝配間隙跟蹤與優(yōu)化，優(yōu)化后的后車架與機(jī)罩裝配無間隙。同時，收集50組完工后車架的尾部尺寸，并對后車架進(jìn)行工序能力分析，如圖11所示。可見，它的生產(chǎn)過程能力滿足要求。

圖11 改善后的過程能力

5 結(jié)語

經(jīng)過一系列改進(jìn)后，后車架的扭曲變形改善顯著。工藝人員根據(jù)后車架變形改進(jìn)經(jīng)驗編寫了《后車架機(jī)器人焊接編程標(biāo)準(zhǔn)》作業(yè)指導(dǎo)書，可以統(tǒng)一員工的操作順序、鉚焊順序和施焊位置，保證點(diǎn)焊過程的一致性，并可以將此經(jīng)驗推廣至裝載機(jī)其余結(jié)構(gòu)件。