后橋殼焊接自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)的設(shè)計(jì)

劉克文

(江鈴汽車(chē)股份有限公司，江西 南昌 330052)

0 前言

隨著社會(huì)現(xiàn)代化的推進(jìn)，汽車(chē)工業(yè)也有了迅猛的發(fā)展，在汽車(chē)數(shù)量逐步增加、汽車(chē)品牌開(kāi)始步入多樣化的同時(shí)，對(duì)汽車(chē)的整體性能及各部分零件的生產(chǎn)也有了新的要求。而后橋殼作為汽車(chē)的關(guān)鍵部位，在汽車(chē)運(yùn)行過(guò)程中不但承受大量載荷和傳輸受力，同時(shí)車(chē)輛運(yùn)作中產(chǎn)生的動(dòng)載荷和靜載荷會(huì)形成巨大的彎矩與扭矩作用于后橋殼。因此，在要求后橋殼質(zhì)量的基礎(chǔ)上，對(duì)后橋殼的焊接生產(chǎn)有著重要要求。而傳統(tǒng)的后橋殼生產(chǎn)路線(xiàn)受限于人工焊接等因素，在生產(chǎn)質(zhì)量、生產(chǎn)效率等方面難以滿(mǎn)足技術(shù)指標(biāo)。隨著中國(guó)工業(yè)化的推進(jìn)，人力成本與材料成本的逐步提高，選擇合適的焊接工藝，設(shè)計(jì)合理的自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)，在提高生產(chǎn)質(zhì)量的同時(shí)減少手工作業(yè)的難度與強(qiáng)度，降低人力成本，成為完善后橋殼生產(chǎn)、推動(dòng)汽車(chē)行業(yè)進(jìn)一步發(fā)展的關(guān)鍵所在[1-2]。

1 后橋殼組件分析

車(chē)輛后橋殼是汽車(chē)構(gòu)架中的重要組成部分。它作為驅(qū)動(dòng)橋的主要構(gòu)件，能夠增大傳動(dòng)軸及變速器的變動(dòng)所帶來(lái)的扭矩，從而將動(dòng)力合理的分配給驅(qū)動(dòng)輪，是汽車(chē)行駛過(guò)程中的重要傳動(dòng)裝置[1]。同時(shí)也因?yàn)槠涫芰鲃?dòng)特點(diǎn)，會(huì)在行駛過(guò)程中承受巨大的載荷，沒(méi)有達(dá)到生產(chǎn)指標(biāo)要求的后橋殼會(huì)在汽車(chē)行駛過(guò)程中由于受地面與車(chē)體之間不斷的沖擊載荷的影響而發(fā)生斷裂。因此，在設(shè)計(jì)優(yōu)化后橋殼自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)前，首先要了解后橋殼的構(gòu)成并對(duì)其進(jìn)行分析。

張翠[2]分析了橋殼半軸套管在使用過(guò)程中發(fā)生的焊縫開(kāi)裂問(wèn)題，通過(guò)對(duì)問(wèn)題件進(jìn)行分析，得出是工序問(wèn)題導(dǎo)致了使用過(guò)程中焊縫的開(kāi)裂。胡義華等學(xué)者[3]針對(duì)后橋殼的成形過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬，得出了后橋殼加工工藝成形的具體參數(shù)。對(duì)后橋殼的模態(tài)分析同樣具有重要意義，徐勁力等學(xué)者[4]通過(guò)理論計(jì)算模擬分析了橋殼的模態(tài)對(duì)振動(dòng)與噪聲的影響，為橋殼合理設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

在車(chē)輛技術(shù)剛剛興起、工藝尚未改進(jìn)之前，國(guó)內(nèi)的后橋殼制造主要采取鑄造橋殼，鑄造橋殼具有強(qiáng)度高、易于澆筑等特點(diǎn)，但是相應(yīng)的，為了配合手工裝配，通常采用加大截面及安裝尺寸等方法來(lái)進(jìn)行裝配強(qiáng)化，這就大大提高了鑄造橋殼的質(zhì)量，從而提高了成本，降低了質(zhì)量要求，這種提高質(zhì)量的方法也難以滿(mǎn)足日趨復(fù)雜的汽車(chē)輕量化要求[5]。為了保證橋殼的力學(xué)性能，同時(shí)便于生產(chǎn)、裝配及后期維修，現(xiàn)在的工業(yè)生產(chǎn)大多采用焊接橋殼，焊接橋殼很好地避免了鑄造橋殼質(zhì)量過(guò)大的缺點(diǎn)，相對(duì)于鑄造橋殼，成本更低、材料使用程度更高[6]。后橋殼總成如圖1所示。由圖1可以看出，后橋殼的主體是附有半軸套管的圓柱型棒體，整個(gè)后橋殼共由半軸套管、后蓋、加強(qiáng)圈、三角板等4部分構(gòu)成。其中，后橋殼總成的焊接成為了關(guān)鍵所在，其焊接示意圖如圖2所示，在后殼體的上下坯拼接時(shí)，共有4條焊縫，該焊縫在生產(chǎn)過(guò)程中多為人工焊接，在批量生產(chǎn)的要求下，不但難以保證質(zhì)量，且存在安全隱患，故使用自動(dòng)焊接機(jī)器人是完成自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)的重要憑據(jù)，在降低生產(chǎn)成本的同時(shí)，也可以有效提高焊接質(zhì)量[7]。

圖1 汽車(chē)后橋殼總成示意圖

圖2 后橋殼總成焊接示意圖

經(jīng)過(guò)焊接，2個(gè)上下坯完成連接，形成完整的殼體時(shí)，再由后橋殼與半軸套管，加強(qiáng)圈，三角板，后蓋等焊接形成后橋殼體，所成橋殼體具有質(zhì)量輕，強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)。在眾多焊縫中，橋殼與半軸套管的所焊接的環(huán)形焊縫對(duì)整個(gè)后橋殼體的生產(chǎn)質(zhì)量也有著重要影響。同時(shí)，橋殼總成的焊接也直接影響到后續(xù)裝配的情況。因此，所選擇的焊接工藝是否為最優(yōu)，是避免車(chē)輛在運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)殼體受沖擊載荷斷裂及液滴泄露等問(wèn)題，同時(shí)也是解決傳統(tǒng)焊接方法不易實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)機(jī)械化和自動(dòng)化等問(wèn)題的關(guān)鍵所在，也為合理提高后橋殼生產(chǎn)質(zhì)量提供可靠依據(jù)。

2 焊接工藝

后橋殼零件及相應(yīng)焊接參數(shù)見(jiàn)表1。圖3為焊縫示意圖。傳統(tǒng)的后橋殼焊接選用焊條電弧焊工藝，但由于其生產(chǎn)效率低下，焊工勞作強(qiáng)度過(guò)大，且焊接質(zhì)量難以掌控等因素，已經(jīng)難以滿(mǎn)足日趨復(fù)雜的產(chǎn)品生產(chǎn)需求。為了提高產(chǎn)品的生產(chǎn)質(zhì)量，自動(dòng)焊機(jī)由于其高效、高質(zhì)量及良好的焊接再現(xiàn)性，開(kāi)始逐步取代焊條電弧焊，在減小工人勞動(dòng)量的同時(shí)，也提高了生產(chǎn)效率，同時(shí)由于其穩(wěn)定的工藝過(guò)程，充分的消除了手工焊接的不確定性，提高了經(jīng)濟(jì)效益。

表1 后橋殼及相關(guān)焊接參數(shù)

圖3 焊縫示意圖

2.1 焊接方法的選擇

目前的后橋殼焊接主要采用CO2氣體保護(hù)電弧焊、電子束焊及摩擦焊等焊接工藝。在該設(shè)計(jì)中，選擇主要焊接工藝為CO2氣體保護(hù)電弧焊，與其他2種焊接方法相比，CO2氣體保護(hù)電弧焊具有以下優(yōu)點(diǎn)[8]：①氣體來(lái)源廣泛，CO2作為來(lái)源最廣的保護(hù)氣體之一，價(jià)格也遠(yuǎn)低于其他保護(hù)氣體，這使得CO2氣體保護(hù)電弧焊相比于其他2種焊接方法成本更低，且CO2氣體保護(hù)電弧焊所消耗的電能，均低于電子束焊、摩擦焊及傳統(tǒng)的焊條電弧焊，極大的提高了經(jīng)濟(jì)效益。②CO2氣體保護(hù)電弧焊相比于其他2種焊接可達(dá)性更好，在焊接時(shí)焊接死角更少，并且更適合后橋殼的板厚。③CO2氣體保護(hù)電弧焊熔敷率更高、焊縫抗裂性好，且不用清渣，焊接過(guò)程中更易于觀察并控制熔池成形。

2.2 焊接工藝參數(shù)設(shè)定

焊絲的選取原則為焊絲性能大于板材性能，后橋殼焊接的具體工藝參數(shù)設(shè)定為：由于板厚為5～8 mm，故選取焊絲直徑為1.2 mm，焊接速度為15 m/h，CO2氣體流量為15 L/min，采用短路過(guò)渡，電流設(shè)定范圍為180～240 A，電壓設(shè)定值依據(jù)公式：U=0.04I+16(<200 A)；U=0.04I+20(>200 A)，其電壓值的上下變化不超過(guò)2 V[9]。采用上述焊接工藝參數(shù)，對(duì)試驗(yàn)件進(jìn)行焊接，樣件實(shí)物如圖4所示，焊縫表面成形良好，焊縫均勻，飛濺較少。

圖4 樣件實(shí)物圖

3 后橋殼自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)

3.1 后橋殼自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)組成設(shè)計(jì)

該自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)需要適應(yīng)后橋殼不同零部件的焊接與拼裝，整條生產(chǎn)線(xiàn)以推進(jìn)生產(chǎn)效率及生產(chǎn)質(zhì)量、提高自動(dòng)化焊接水平及減小焊工勞動(dòng)強(qiáng)度為核心內(nèi)容，確定以CO2氣體保護(hù)電弧焊為主要焊接方法，自動(dòng)化焊機(jī)為主要焊接單元，以進(jìn)行后橋殼的自動(dòng)化生產(chǎn)。

整條生產(chǎn)線(xiàn)應(yīng)呈流水狀分布，除了必要的自動(dòng)化焊機(jī)焊接外，為了符合核心設(shè)計(jì)理念，還應(yīng)使用PLC控制系統(tǒng)，對(duì)其余步驟進(jìn)行自動(dòng)化優(yōu)化，完成如圖5所示的生產(chǎn)線(xiàn)流程圖。

圖5 生產(chǎn)線(xiàn)流程圖

3.2 后橋殼焊接工藝流程設(shè)計(jì)

基于選定的方法，在進(jìn)行后橋殼的焊接時(shí)，應(yīng)當(dāng)遵循先定位再焊接，從中間到兩邊的原則進(jìn)行焊接生產(chǎn)。首先要進(jìn)行上下半殼定位焊接，隨后進(jìn)行橋殼上下半殼縱縫焊接，再進(jìn)行后蓋、后橋加強(qiáng)圈的環(huán)縫焊接。隨后對(duì)左右半軸套管進(jìn)行附件點(diǎn)焊，在對(duì)三角板環(huán)縫焊接之后，完成后橋殼總成拼裝環(huán)縫焊接。隨后對(duì)后橋殼總成進(jìn)行檢測(cè)及校直，并進(jìn)行氣密性檢測(cè)。其具體工藝流程如圖6所示。

圖6 后橋殼生產(chǎn)具體工藝流程

3.3 后橋殼加工生產(chǎn)線(xiàn)設(shè)備組成

根據(jù)所設(shè)計(jì)的工藝流程，后橋殼加工生產(chǎn)線(xiàn)應(yīng)包含以下設(shè)備[10-12]：①CO2氣保焊自動(dòng)焊機(jī)：用于橋殼上下半殼縱縫焊接，基于其自動(dòng)化設(shè)定，工作時(shí)可以通過(guò)操作臺(tái)來(lái)對(duì)焊接過(guò)程中的變量進(jìn)行控制。②橋殼后蓋、加強(qiáng)圈自動(dòng)焊機(jī)。③半軸套管拼裝夾具：用于完成半軸套管與總成的拼裝與定位焊接。④半軸套管環(huán)縫自動(dòng)焊機(jī)：在定位拼裝完成后，對(duì)半軸套管進(jìn)行環(huán)縫焊接。⑤壓力校正機(jī)：用于校正在焊接總成與半軸套管環(huán)焊縫時(shí)產(chǎn)生的變形。⑥密封測(cè)試機(jī)：對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行氣密性檢測(cè)。

所設(shè)計(jì)的自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)在符合核心設(shè)計(jì)理念(提高生產(chǎn)效率，減少焊工勞動(dòng)量)的前提下，應(yīng)用PLC控制系統(tǒng)來(lái)完成以自動(dòng)化焊機(jī)為焊接單元的焊接工位與工件傳輸、拼裝的有效結(jié)合，從而提升生產(chǎn)線(xiàn)自動(dòng)化水平，操作人員可以憑借操作平臺(tái)來(lái)對(duì)整個(gè)生產(chǎn)線(xiàn)進(jìn)行控制。

在工件傳輸過(guò)程中，中心控制系統(tǒng)根據(jù)各工位的狀態(tài)可以控制工件的傳輸，當(dāng)傳輸出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，可以根據(jù)實(shí)際情況及需要調(diào)整工件傳輸順序及速度，控制整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行。在生產(chǎn)線(xiàn)運(yùn)行期間控制系統(tǒng)還可以保證工作期間各工位出現(xiàn)緊急狀況的自鎖和互鎖，來(lái)確保生產(chǎn)安全。同時(shí)，控制系統(tǒng)還能對(duì)生產(chǎn)線(xiàn)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，檢測(cè)各工位運(yùn)行狀態(tài)，并進(jìn)行故障提示，以方便工作人員維修。

4 結(jié)論

(1)CO2氣體保護(hù)電弧焊具有來(lái)源廣泛、質(zhì)量可控等優(yōu)點(diǎn)，選擇CO2氣體保護(hù)電弧焊作為主要焊接方法可以有效控制焊接質(zhì)量，提高后橋殼構(gòu)件焊接效率，為自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

(2)生產(chǎn)線(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)緊湊，工序流程合理，能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)運(yùn)輸、焊接、拼裝等工序，參數(shù)選擇及系統(tǒng)運(yùn)行具有合理依據(jù)，以保證工作流程的穩(wěn)定進(jìn)行。

(3)選用PLC控制系統(tǒng)，生產(chǎn)效率高，生產(chǎn)線(xiàn)可控性良好，調(diào)整迅速，適應(yīng)能力強(qiáng)，選擇自動(dòng)焊機(jī)作為主要焊接設(shè)備能夠有效提高生產(chǎn)效率及生產(chǎn)質(zhì)量，達(dá)成生產(chǎn)線(xiàn)的自動(dòng)化設(shè)計(jì)。