法蘭缸體的柔性焊接工裝設(shè)計(jì)

張?zhí)熨n，王曉軍，吳武通，程俊超

(1.蘭州理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730000； 2.浙江迦南科技股份有限公司 粉體事業(yè)部，浙江 溫州 325000)

0 引言

一般地，工裝夾具制造的相關(guān)成本占整個(gè)系統(tǒng)的10%～20%。近些年來(lái)，隨著焊接工藝技術(shù)的快速發(fā)展，面向焊接的工裝夾具得到了迅猛的發(fā)展，并且在制造業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。法蘭與缸體的焊接以及缸體上附件的焊接是制藥設(shè)備生產(chǎn)時(shí)的重要環(huán)節(jié)，焊接質(zhì)量的好壞直接影響著產(chǎn)品質(zhì)量。由于焊接瞬態(tài)的熱輸入導(dǎo)致法蘭和缸體在焊接完成冷卻到室溫時(shí)會(huì)產(chǎn)生徑向變形，且因?yàn)楦左w上附屬零件的位置多變，從而需要不斷調(diào)整缸體的位置來(lái)找到最合適的焊接位置，這樣會(huì)由于來(lái)回的吊動(dòng)而增加缸體整體的變形，這些變形會(huì)導(dǎo)致制藥設(shè)備在最后安裝時(shí)產(chǎn)生錯(cuò)位而無(wú)法進(jìn)行裝配。目前對(duì)法蘭缸體的焊接沒(méi)有焊接工裝進(jìn)行輔助加工，完全依靠工人師傅的技術(shù)以及經(jīng)驗(yàn)，并且一般制藥設(shè)備屬于非標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，產(chǎn)品尺寸變化范圍大，若針對(duì)不同型號(hào)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)一套焊接工裝會(huì)有較高的成本，使用的便捷性差。為此，本文設(shè)計(jì)了一套法蘭缸體的柔性焊接工裝，能夠?qū)崿F(xiàn)Φ1 044 mm～Φ1 884 mm筒徑、674 mm～1 882 mm不同高度法蘭缸體的裝夾，并且可以減少對(duì)法蘭和缸體的移動(dòng)，能夠有較好的焊接姿態(tài)來(lái)完成加工，提高焊接作業(yè)時(shí)的可靠性和安全性，從而保證產(chǎn)品的加工質(zhì)量。

1 焊接工裝的設(shè)計(jì)方案

缸體法蘭的材料為316 L，缸體的壁厚為3 mm，若將法蘭缸體放倒進(jìn)行吊裝時(shí)法蘭缸體會(huì)由于受力不均勻而產(chǎn)生變形，且法蘭缸體裝夾的便捷性差，因此根據(jù)設(shè)計(jì)需求采取在焊接工裝的立式狀態(tài)下進(jìn)行安裝，安裝完成以后再在臥式狀態(tài)下進(jìn)行焊接。焊接工裝的設(shè)計(jì)方案如圖1所示，三維模型如圖2所示。通過(guò)絲桿升降機(jī)來(lái)帶動(dòng)上旋轉(zhuǎn)盤(pán)的上下移動(dòng)，以此來(lái)適應(yīng)不同高度缸體的裝夾；裝夾完成以后通過(guò)液壓系統(tǒng)將焊接工裝逆時(shí)針?lè)D(zhuǎn)90°，讓焊接工裝成臥式狀態(tài)，中心軸通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)盤(pán)旋轉(zhuǎn)，可以將法蘭和缸體進(jìn)行焊接，并且可以通過(guò)旋轉(zhuǎn)來(lái)找個(gè)合適的位置對(duì)缸體上的附件進(jìn)行焊接。

1-液壓系統(tǒng)；2-機(jī)架；3-絲桿升降； 4-電機(jī)； 5-支撐架上； 6-中心軸；7-旋轉(zhuǎn)盤(pán)機(jī)構(gòu) ；8-缸體

圖1 焊接工裝設(shè)計(jì)方案

2 焊接工裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 旋轉(zhuǎn)盤(pán)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

對(duì)旋轉(zhuǎn)盤(pán)的設(shè)計(jì)要求是能夠?qū)崿F(xiàn)不同直徑法蘭的裝夾，并且工裝可以實(shí)現(xiàn)法蘭的自定心，保證上、下法蘭裝夾完成以后的同心度。旋轉(zhuǎn)盤(pán)機(jī)構(gòu)由自定心機(jī)構(gòu)和夾緊機(jī)構(gòu)兩部分組成，整體結(jié)構(gòu)如圖3所示。法蘭自定心由機(jī)械裝置實(shí)現(xiàn)，圓周方向等距分布3個(gè)點(diǎn)，采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠副帶動(dòng)滑塊移動(dòng)夾緊法蘭實(shí)現(xiàn)自定心，如圖4所示。考慮到法蘭缸體在焊接過(guò)程中由于焊接應(yīng)力產(chǎn)生變形在圓周方向等距分布3個(gè)點(diǎn)，采用三爪卡盤(pán)結(jié)構(gòu)在3個(gè)點(diǎn)位上從里到外對(duì)缸體法蘭進(jìn)行內(nèi)支撐，夾緊機(jī)構(gòu)如圖5所示。

圖2 焊接工裝三維模型

圖3 旋轉(zhuǎn)盤(pán)機(jī)構(gòu)

圖4 自定心機(jī)構(gòu)

圖5 夾緊機(jī)構(gòu)

自定心機(jī)構(gòu)由電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠副運(yùn)動(dòng)，圓周上3個(gè)等分點(diǎn)位的3臺(tái)伺服電機(jī)同時(shí)驅(qū)動(dòng)可以推動(dòng)缸體和法蘭運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)自定心。當(dāng)缸體和法蘭定位完成以后，調(diào)節(jié)三爪卡盤(pán)，夾緊塊從缸體內(nèi)壁加緊缸體。

三爪卡盤(pán)的半徑最大調(diào)節(jié)范圍為130 mm，根據(jù)缸體和法蘭的實(shí)際尺寸將伸長(zhǎng)爪設(shè)置為4個(gè)等級(jí)，以此來(lái)適應(yīng)不同缸體半徑的夾持。由于缸體和法蘭的半徑不同，以至于不同型號(hào)的缸體和法蘭的弧度不同。為了能夠?qū)崿F(xiàn)不同弧度缸體和法蘭的裝夾，對(duì)不同半徑的缸體都有相應(yīng)尺寸的夾緊塊選擇夾緊。

法蘭的厚度有20 mm和25 mm兩種規(guī)格，設(shè)計(jì)

的法蘭夾緊塊如圖6所示。為適應(yīng)不同厚度法蘭的夾緊，選用了螺旋夾緊器的設(shè)計(jì)方案，螺旋夾緊器的通用性強(qiáng)，能夠產(chǎn)生較大的夾緊力。

2.2 升降機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

缸體的高度為674 mm～1 882 mm，以電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲杠帶動(dòng)上法蘭夾緊裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)不同高度缸體的裝配。采用光軸作為支撐，減少裝配間隙提高精度。升降機(jī)構(gòu)如圖7所示。

圖6 法蘭夾緊塊

圖7 升降機(jī)構(gòu)

3 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種法蘭缸體的柔性焊接工裝，可以實(shí)現(xiàn)Φ1 044 mm～Φ1 884 mm筒徑、674 mm～1 882 mm不同高度法蘭缸體的柔性裝夾。焊接工裝在立式狀態(tài)下增加了零件裝夾的便捷性，圓周上均勻的3點(diǎn)位滾珠絲杠設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)上、下法蘭的自定心功能，多弧度的內(nèi)撐設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同直徑法蘭和缸體的裝夾。液壓式的翻轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)增加了翻轉(zhuǎn)的可靠性，焊接工裝的臥式狀態(tài)增加焊接作業(yè)的便捷性，同時(shí)減少了法蘭缸體的變形。