細長扁盒形薄壁結構件制造工藝優化措施

岳佳宏，韓巧珍，李青，楊軍良，孟璇，高楊，秦國方

1.山西航天清華裝備有限責任公司 山西長治 046012

2.火箭軍裝備部駐長治地區軍事代表室 山西長治 046012

1 序言

某細長扁盒形薄壁結構件是某車中的重要部件，在使用過程中承受兩種工況下的載荷，主要由架體、托座、前后活動機構等組成，架體和托座均為黑色金屬焊接結構件，其焊接質量及焊接生產效率是本產品制造的關鍵點。

本文從零件生產、部件裝配、部件焊接、部件機加工4方面，制定了工藝優化措施，提高了產品生產效率及質量，滿足了批量生產的要求。

2 細長扁盒形薄壁件結構特點及主要問題

2.1 結構特點

架體是由兩件支耳、厚度6m m的上板及下板、厚度10m m的左封板及右封板形成的長度約6000mm、高度約110mm的扁盒形結構（見圖1），鋼板材料均為HG785D高強鋼板。

圖1 架體結構示意

托座是由插接式鋼板、筋板組成的狹小空間密集焊縫型構件，如圖2所示。鋼板材料均為HG785D高強鋼板，軸套材料為30CrMnSiA鋼。

圖2 托座示意（去除上端引弧板后）

2.2 主要問題

（1）零件生產問題 本結構中多數零件為彎形件，零件材料均為HG785D高強鋼板。該材料強度高、壓型回彈大、不易掌控，前期生產時，采用自制壓模壓制成形，但成形效果差，質量一致性較差，多數需要通過二次校形修制，影響后續裝配及焊接生產效率。

架體中的支耳生產過程較長，導致裝配等待時間加長。

托座中鋼板與鋼板之間的焊縫均需焊接，但多個零件沒有避讓焊縫的倒角，這就給鉗工增加了大量修挫工作量，不利于批量生產。

（2）部件裝配問題 部件裝配時，在普通平臺上劃線裝配各部件，因為受人為因素影響，裝配質量不穩定，一致性較差，所以不便于后續機器人焊接，且裝配效率低，不利于批量生產。

（3）部件焊接問題 架體中主要有4條長焊縫、兩圈I級焊縫，且兩圈I級焊縫焊后要求超聲波檢測。

由于鋼板厚度薄、截面小，所以 4條長焊縫焊后產生扭曲變形，架體表面不平，不滿足整體平面度≤2mm的技術要求。對架體采用壓力機校形后，平面度仍然不滿足技術要求。

兩圈I級焊縫質量要求采用超聲波檢測，由于是封閉結構，坡口背面無法清根，要求焊縫單面焊雙面成形，才能滿足I級要求，前期生產時采用預留裝配間隙的方法進行混合氣體保護焊，這對焊工來說要求很高，因此致使兩圈I級焊縫檢測合格率較低。

（4）部件加工問題

1）前期生產時，由于受到焊接變形的影響，所以部件加工時檢測兩支耳上表面不平度約2mm。本結構件裝到車上后，與該支耳表面裝配間隙僅有1.6mm，因此為滿足使用要求，前期工藝方案為：焊后加工該支耳上平面，加工后對支耳進行超聲波檢測，滿足檢測要求后方可使用。該方案不僅增加了大設備占用時間，而且還增加了檢測工序，使生產成本增加，生產效率很低，不利于大批量生產的要求。

2）該結構件中有兩處油杯孔，原先位置為10°方向，加工時需要調整銑頭角度才能加工，不利于批量生產。

3）該結構件中有兩處漏水孔，原先尺寸為φ4mm，由于深度較深，所以加工時容易斷刀，且斷刀后不易取出。

4）該結構件中有4處電安裝板，按照圖樣要求，安裝板上的安裝孔原先在細長扁盒形薄壁結構件中焊后加工，安裝板如圖3所示。由于安裝板厚度為5mm，且位置伸出架體外，所以剛性差，加工時顫動厲害，加工后的尺寸穩定性差，且加工時需要翻轉工件，重新裝夾找正，增加了加工輔助時間，不利于批量生產。

圖3 安裝板位置

3 細長扁盒形薄壁結構件制造工藝優化措施

3.1 零件制造

（1）彎形件 針對不同折彎半徑的彎形件，設計相應壓模，經過對回彈量的理論計算，并不斷試模，最終做出工裝實物。采用相應壓模后，各彎形件壓制成形質量高、一致性好，大大提高了生產效率。某R110mm、R150mm壓型使用的壓模及環形封板實物如圖4～圖6所示。

圖4 R110mm壓模圖樣

圖5 R150mm壓模圖樣

圖6 環形封板實物

（2）架體中支耳 該零件上的方孔需要插入支耳加強筋，方孔不允許留銑刀圓角，原工藝采用外協電火花處理圓角，零件加工周期長。因此，工藝優化為支耳上的方孔允許留銑刀圓角R5mm，并且將支耳加強筋插接處加工成R5mm，滿足裝配要求。支耳及支耳加強筋焊后狀態如圖7所示。

圖7 支耳及支耳加強筋焊后狀態

對于支耳圖樣中某尺寸公差，要求很高，為滿足該尺寸公差，操作工往往需要耗費更多時間來保證尺寸，但對于焊接件來說，該尺寸不需要這么精準的公差。因此，工藝將該尺寸公差0.02mm優化為0.2mm，降低加工難度，加快生產進度，滿足大批量生產要求。

（3）托座中零件 托座內部焊縫密集，所有位置均需施焊，但多數零件沒有避讓焊縫的倒角。經過工藝設計協同，在零件加工時，提前增加倒角，避免裝配時等待，減少鉗工修挫工作量，提高了生產效率，有利于產品的批量生產。

3.2 部件裝配

采用柔性裝配定位工裝，該工裝包括柔性平臺及定位角尺、定位平尺，柔性平臺平面度精度高，平臺上的孔間距為（100±0.05）mm，鉗工劃線時根據孔距可以很快放樣，定位后不再變更，再次裝配時直接符線裝配即可，這樣提高了裝配效率及裝配質量，同時采用同心桿、等高塊，從而保證支耳孔的同軸度要求、托座上的支耳孔與架體中支耳孔的水平距離及垂向距離。這樣不僅提高了裝配質量，而且可以確保后續機加工余量滿足要求。裝配局部如圖8所示。

圖8 裝配局部

綜上所述，投入柔性裝配定位工裝、同心桿、等高塊后，不僅可以實現快速裝配，提高部件裝配質量及一致性，還為后續機器人自動焊的應用奠定了堅實基礎，而且滿足批量生產的要求。

3.3 部件焊接

（1）架體焊接 針對4條長焊縫，采用雙工位機器人焊接工裝，通過工裝兩側的低三角架和高三角架使旋轉軸與水平面呈相應的角度來補償，確保長焊縫在產品處于豎直位置時保持水平狀態，并通過減速電動機和傳感器實現細長扁盒形薄壁結構件水平和豎直位置的快速轉換，一次裝夾焊接兩個產品，且不需要反復找正，節約了輔助時間，實現了機器人自動化[1]及對稱焊接。焊后焊縫外形美觀，變形較小，經過壓力機簡單校形后，滿足整體平面度≤2mm的要求。此外，架體上中間3處封板焊縫也可采用機器人焊接，大大降低了工人勞動強度，提高了生產效率與焊接質量。焊接局部如圖9所示。

圖9 焊接局部

針對支耳處的兩圈I級焊縫，采用手工氬弧焊打底＋混合氣體保護焊蓋面的方法[2]，實現了單面焊雙面成形，且降低了焊工操作難度。焊接完成后，經過超聲波檢測，焊縫質量滿足I級標準要求。氬弧焊打底焊接參數見表1。

表1 氬弧焊打底焊接參數

（2）托座焊接 由于托座為對稱件，所以焊接時采用對稱焊接方法，且托座上的支耳孔內穿入同心桿，保證其同軸度，焊后再將其去除，有效減小了托座焊接變形[3]。

3.4 部件加工

1）針對支耳，為滿足使用要求且不受焊接變形影響，經過與設計溝通，更改與其裝配的部件結構。優化結構后，支耳不再受間隙的影響，不僅滿足使用要求，同時省去了對支耳上平面的加工及超聲波檢測，提高了產品生產效率。

2）針對油杯孔，取消10°方向，改為垂直向下，加工時節省了調整銑頭角度的輔助時間。

3）針對漏水孔，將原φ4mm改為φ6mm，鉆頭加粗后，剛性加強，有利于制孔，減小斷刀風險。

4）針對4處安裝板上的安裝孔，將安裝孔在各零件上制成，部件加工完成后，在架體上調整合適位置后，與電動機配焊，保證電動機順利裝配。

4 結束語

通過分析細長扁盒形薄壁結構件生產過程中各環節存在的問題，提煉出可以通過工藝優化得到改善的地方，得出以下結論。

1）為滿足產品批產要求，工藝與設計必須協同，優化設計結構細節，優化公差尺寸，可以減少工序流轉，提高生產效率。

2）對于高強鋼板、大折彎半徑的零件，可以采用一次或多次壓制成形壓模，提高產品彎形質量。

3）引入柔性平臺、裝配定位工裝、同心桿及等高塊，給裝配帶來極大方便，大大提高了生產效率，也提高了產品裝配質量及一致性。

4）采用雙工位機器人焊接工裝，實現了機器人自動化焊接，可大大減小焊接變形，降低校形難度，提高了產品焊接效率與質量，滿足了大批量生產要求。

5）調整加工順序的方法，提高了部件加工效率與質量，滿足了批量生產的要求。