浮動(dòng)支撐機(jī)構(gòu)在焊接結(jié)構(gòu)件加工中的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

邸現(xiàn)賓，楊秀金，林一

山東臨工工程機(jī)械有限公司 山東臨沂 276023

1 序言

工程機(jī)械結(jié)構(gòu)件一般是由一些零部件焊接而成，焊接后都存在一定的焊接變形，即便經(jīng)過(guò)機(jī)械校正、火焰校正等矯正手段也很難恢復(fù)到焊前狀態(tài)，尤其對(duì)體積、質(zhì)量及外形尺寸大的結(jié)構(gòu)件來(lái)說(shuō)制作難度更大，而有些具有裝配要求的部位還需要通過(guò)機(jī)械加工來(lái)保證設(shè)計(jì)要求。這些結(jié)構(gòu)件加工工藝較復(fù)雜，在加工過(guò)程中如出現(xiàn)工件裝夾變形、需加工部位結(jié)構(gòu)剛性不足等現(xiàn)象，易引起加工后幾何公差超差的問(wèn)題。本文以我公司生產(chǎn)的50T大型挖掘機(jī)主架加工為例，就如何解決銑削回轉(zhuǎn)支承安裝面后平面度超差的問(wèn)題進(jìn)行探討。

2 問(wèn)題點(diǎn)

回轉(zhuǎn)支承作為挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的重要組成件，機(jī)器回轉(zhuǎn)作業(yè)是通過(guò)回轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)與回轉(zhuǎn)支承大小齒輪內(nèi)嚙合完成的，這就要求主架上安裝回轉(zhuǎn)支承連接面平面度及主架上回轉(zhuǎn)支承安裝面與回轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)安裝面間的平行度滿足設(shè)計(jì)要求，若連接安裝面的平面度超差，則會(huì)出現(xiàn)回轉(zhuǎn)支承異響、連接螺栓松動(dòng)和大小齒輪嚙合不良等現(xiàn)象。為滿足裝配及使用要求，主架上連接回轉(zhuǎn)支承、回轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)的安裝面均需要機(jī)械加工。在生產(chǎn)過(guò)程中，我公司生產(chǎn)的50T大型挖掘機(jī)在主架回轉(zhuǎn)支承安裝面加工后，曾出現(xiàn)局部區(qū)域平面度達(dá)到0.7mm的現(xiàn)象，而設(shè)計(jì)要求平面度≤0.3mm，如這樣流轉(zhuǎn)裝配后，可能會(huì)影響整機(jī)使用，造成設(shè)備故障。為避免質(zhì)量隱患，該問(wèn)題亟需解決。

3 原因分析及解決方法

我公司主架在臥式加工中心采用豎立裝夾在工裝上的方式加工，裝夾、加工情況如圖1所示，工件豎立后以底板底邊、側(cè)邊及回轉(zhuǎn)支承安裝面對(duì)應(yīng)的底板平面完全定位，為避免工件出現(xiàn)過(guò)定位，工裝中定位底板平面時(shí)有三點(diǎn)定位和一點(diǎn)用液壓缸做的浮動(dòng)支撐。為了降低操作人員裝夾工件的勞動(dòng)強(qiáng)度、提高裝夾效率，工裝設(shè)計(jì)為多機(jī)型通用、自動(dòng)夾緊的液壓夾具。針對(duì)上述出現(xiàn)的主架回轉(zhuǎn)支承安裝面局部區(qū)域平面度超差的問(wèn)題，通過(guò)在加工現(xiàn)場(chǎng)觀察，在銑削回轉(zhuǎn)支承安裝面過(guò)程中，刀具走到浮動(dòng)支撐點(diǎn)對(duì)應(yīng)的圖1中虛線框區(qū)域有共振現(xiàn)象，初步判斷此處浮動(dòng)支撐點(diǎn)可能因液壓缸內(nèi)泄或液壓系統(tǒng)壓降所致。

圖1 裝夾、加工情況

為了驗(yàn)證原因判斷的準(zhǔn)確性，對(duì)加工后的主架回轉(zhuǎn)支承安裝面利用三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x多處采點(diǎn)檢測(cè)平面度，連續(xù)檢測(cè)5個(gè)工件，發(fā)現(xiàn)平面度超差部位均集中在圖1中標(biāo)注虛線框的區(qū)域，并且此區(qū)域平面度數(shù)值較其他位置偏大，其中一件平面度最大值達(dá)到0.7mm，遠(yuǎn)超過(guò)0.3mm的設(shè)計(jì)要求。由此說(shuō)明工件發(fā)生了彈性變形，液壓缸作為浮動(dòng)支撐點(diǎn)，不是剛性支撐，不可靠，雖然看似工件與支撐點(diǎn)貼實(shí)，但由于液壓缸內(nèi)泄或液壓系統(tǒng)壓降出現(xiàn)輕微浮動(dòng)。鑒于以上情況，浮動(dòng)支撐點(diǎn)要求既需要自適應(yīng)貼實(shí)工件，又要保證支撐可靠，工件還不能發(fā)生裝夾變形。所以，工裝中浮動(dòng)支撐點(diǎn)需要設(shè)計(jì)改進(jìn)。

3.1 楔形彈性浮動(dòng)支撐機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)以上原因分析，考慮設(shè)計(jì)一種既能利用液壓缸提供動(dòng)力源，又能可靠鎖緊的彈性浮動(dòng)支撐機(jī)構(gòu)，來(lái)替代單獨(dú)用液壓缸作為浮動(dòng)支撐的方式。通過(guò)對(duì)工件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、使用場(chǎng)合和功能要求等因素綜合研究，設(shè)計(jì)出了一種用液壓缸自動(dòng)鎖緊的楔形彈性浮動(dòng)支撐機(jī)構(gòu)[1，2]。

楔形彈性浮動(dòng)支撐機(jī)構(gòu)主要由浮動(dòng)支撐安裝座、楔形伸縮軸、彈簧、無(wú)油潤(rùn)滑軸承、彈簧套筒、支撐塊、楔形軸、限位銷及液壓缸等組成，機(jī)構(gòu)裝配關(guān)系如圖2所示。其工作原理：當(dāng)機(jī)構(gòu)在空載狀態(tài)下，彈簧處于伸長(zhǎng)狀態(tài)，頂出楔形伸縮軸，楔形伸縮軸、楔形軸上都設(shè)有鍵槽，與各自的限位銷配合使用，限制伸縮行程，楔形伸縮軸連接支撐塊，無(wú)潤(rùn)滑軸承安裝在浮動(dòng)支撐座安裝座中，以使楔形伸縮軸順暢伸縮。液壓缸通過(guò)螺紋座安裝在浮動(dòng)支撐安裝座上，液壓缸活塞桿連接楔形軸，與楔形伸縮軸垂直方向接觸或分離。當(dāng)機(jī)構(gòu)承受負(fù)載時(shí)，亦即當(dāng)工件壓到支撐塊時(shí)，楔形伸縮軸在移動(dòng)行程范圍內(nèi)一直壓縮彈簧，始終保持工件與支撐塊貼實(shí)，并且工件與其他定位點(diǎn)貼合后，開(kāi)起液壓缸，帶動(dòng)楔形軸頂緊楔形伸縮軸，使兩楔形面貼合鎖緊，確保工件在裝夾及切削過(guò)程中不發(fā)生彈性變形和共振，起到浮動(dòng)剛性支撐作用。

圖2 楔形彈性浮動(dòng)支撐機(jī)構(gòu)裝配

楔形彈性浮動(dòng)支撐機(jī)構(gòu)中的圓柱螺旋壓縮彈簧作為關(guān)鍵支撐件，受到外載荷時(shí)彈簧收縮變形、儲(chǔ)存形變能。根據(jù)加工工況和使用場(chǎng)合，機(jī)構(gòu)在空載（最小載荷）時(shí)彈簧處于自然伸長(zhǎng)狀態(tài)，因工件需要豎立裝夾，所以當(dāng)工件接觸機(jī)構(gòu)中支撐塊并確保其他定位點(diǎn)貼實(shí)時(shí)，彈簧受壓承受最大載荷。通過(guò)以上分析，本機(jī)構(gòu)中應(yīng)用的壓縮彈簧設(shè)計(jì)需要從彈簧材料、負(fù)載、彈性變形量、圈數(shù)、工作行程、線徑、直徑、自由高度和間距等方面綜合考慮[3]，避免彈簧彈力過(guò)大導(dǎo)致裝夾工件變形、過(guò)小起不到支撐作用，機(jī)構(gòu)中的彈簧設(shè)計(jì)如圖3所示，參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 彈簧主要參數(shù)

圖3 圓柱螺旋壓縮彈簧設(shè)計(jì)

3.2 應(yīng)用效果驗(yàn)證

將主架加工工裝上作為浮動(dòng)支撐的液壓缸拆除，更換為新設(shè)計(jì)的楔形彈性浮動(dòng)支撐機(jī)構(gòu)后，經(jīng)連續(xù)加工5件主架驗(yàn)證及三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x檢測(cè)，銑削后的回轉(zhuǎn)支承安裝面平面度均不超過(guò)設(shè)計(jì)要求的0.3mm。楔形彈性浮動(dòng)支撐機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)應(yīng)用，成功地解決了我公司大型挖掘機(jī)主架加工回轉(zhuǎn)支承安裝面平面度超差的問(wèn)題，同時(shí)為設(shè)計(jì)工裝開(kāi)拓了一種新思路。

4 結(jié)束語(yǔ)

工程機(jī)械大型結(jié)構(gòu)件結(jié)構(gòu)復(fù)雜、焊接變形大，對(duì)加工工藝有較高要求。本文介紹的新機(jī)構(gòu)不但解決了加工過(guò)程中存在的質(zhì)量問(wèn)題，而且為工藝人員在機(jī)床夾具設(shè)計(jì)方面提供了一種新的設(shè)計(jì)思路，同時(shí)對(duì)同類加工具有一定的借鑒意義。