在起重機臂架生產中應用的新夾具

□孫　躍　□何　雷　□沙明星

江蘇大學 東海機械汽配研究院　江蘇連云港　222300

在起重機臂架生產中應用的新夾具

□孫躍□何雷□沙明星

江蘇大學 東海機械汽配研究院江蘇連云港222300

在履帶起重機臂架單元生產過程中，由于具有高效、優質、經濟、合理和實用的特點，柔性組合夾具取代了傳統專用夾具并得到廣泛應用。柔性組合夾具的靈活性好，特別是在新產品前期開發中可以降低夾具制造成本，解決了采用傳統專用夾具所出現的設計、生產周期過長的問題，縮短了新產品的研發周期，降低了生產成本。

履帶起重機主要由臂架、車架、轉臺和履帶梁等幾部分組成，其焊接質量的好壞直接影響到整機產品的質量與壽命。因此在設計臂架零件焊接工藝時，為保證零件的通用性和互換性，通常從拼點工序就開始使用專用夾具以保證拼裝精度。起重機起重質量從50 t至4 000 t不等，需要的臂架規格也都不同，一般臂架長度分為3 m、6 m、9 m和12 m等，生產廠家需要準備幾十套甚至上百套臂架夾具，存在資金重復投入、占用存放空間大等問題。此外，一整套臂架的自制夾具從設計到生產準備一般需要1至2個月時間，耗時長，資金投入大，且還存在定位精度不高、臂架連接困難等問題。

針對上述問題，國內的履帶起重機制造廠商應用了國外廠家技術，如徐工建機公司已經開始使用Demmeler公司生產的柔性組合夾具用于各類臂架零件的拼點，并且取得良好的使用效果，解決了之前采用老式夾具帶來的臂架互換性差、夾具生產浪費的問題。這種柔性組合夾具實際上是一種標準的孔系組合夾具，由帶網格標注的孔格板形式平臺、快速連接銷和各種功能模塊組成，原理是利用基座上的定位孔和快速連接鎖緊機構，實現對夾具零件的精確定位和緊固［1］。

履帶式起重機的臂架是一種空間桁架結構，由不同直徑的主弦管和腹桿焊接而成。一節臂架結構件典型的生產工藝流程為臂架組管、臂架組扇、臂架組體和臂架鏜孔。除鏜孔工序外，其它各環節都需要用到拼點夾具，用以保證拼點精度。

1　主弦管組管

臂架組管是指將臂架主弦管的管體和兩端接頭進行拼點連接的工序，是整個臂架制造工藝流程的第1道工序，也是臂架組扇工序的基礎。每節臂架結構中的4根主弦管在起重作業時是主受力件，拼點精度和焊接質量對臂架的剛性和強度影響很大。在過去的生產模式中，一直采用老式的自制夾具進行主弦管接頭的拼點，如圖1所示。

圖1　老式主弦管拼點夾具

老式自制夾具由長平臺、支耳和支耳座3部分組成，采用定位銷定位，螺栓緊固，固定長度可調，適用于幾種固定長度（3 m、6 m和9 m）臂架主弦管的拼點。當需要調整拼點長度時，操作繁瑣，需要前后移動支耳座。雖然平臺上加工有定位孔，但由于加工精度和夾具操作性問題，員工一般通過劃線、點焊的方式調整支耳座。放置中間的連接管時，由于缺乏可調支撐，只能采用半門吊輔助、塞墊鐵的方式調整，缺乏必要的測量裝置，定位精度較差，無法保證接頭中心線與管材中心線的同軸度。在拆卸支耳座時，還需要敲掉支耳座與平臺間連接的焊點并進行打磨，會導致夾具平臺的精度下降。

所采用的新式柔性拼點組管夾具如圖2所示，主要由導軌、支承座、三維工作臺等幾部分組成。三維工作臺的5個工作面上加工有等距的定位孔，使用專用的快速連接銷與支耳、導軌連接，可以根據主弦管長度調整拼點尺寸。工作臺面、導軌面上定位孔之間都標有刻度，可根據工件需要直觀地選擇相應定位孔，不需要進行測量。由于定位孔的加工精度較高，連接銷連接后的剛度也高，可預留一定的收縮量補償焊接時產生的收縮變形。在連接管高度調整方面，采用調高支架取代調整墊鐵，與安裝在連接頭處的夾緊器和水平儀配合，解決了使用老式自制夾具時存在的調整管體高度困難、精度差和行車占用時間長的問題。

圖2　柔性拼點夾具

2　臂架組扇

臂架生產的第二道工序是組扇，是指將兩根主弦管與之間的腹桿拼點到一起，形成單扇。本道工序是后續臂架組體的基礎，無接頭單扇如圖3所示。采用柔性組合夾具前，根據是否焊接連接接頭，一般采用兩種拼點方式：一種是直接在通用平臺上畫出臂架扇形線，點焊上限位板，然后按照所畫的位置線，將主弦管（未焊接頭）與腹桿拼點到一起，適用于后上接頭的臂架；另一種方式是采用如圖4所示的老式自制組扇夾具進行拼點，適用于鋼管與接頭焊接已完成的主弦管。第一種方式的拼點精度與員工操作水平有關，隨意性很大。

圖3　無接頭單扇

圖4　老式自制組扇夾具

老式自制組扇夾具由通用平臺、支耳、長定位板和定位銷軸組成，通過更換不同長度的定位板與定位銷軸滿足不同規格的臂架組扇工序。由于采用通用平臺，無定位孔，所引起的問題與組管夾具類似：需要劃線確定臂架長度尺寸，受測量影響，長度尺寸精度差；需要行車輔助調整長定位板，占用時間長，定位精度差；固定長定位板時，采用點焊的方式，拆卸后需要打磨，影響平臺的精度；由于臂架規格多，需要頻繁拆裝長定位板，并打磨平臺，員工勞動強度大，工作環境惡劣。

組扇時采用的新式柔性組扇夾具與主弦管柔性組管夾具在結構上類似，由導軌、支撐座、三維工作臺及支耳等部分組成（如圖5所示）。新夾具優點如下：導軌上布滿等距孔，通過快速連接銷可以快速準確地調整，以滿足不同規格臂架組扇的拼點工作，員工操作強度低；采用尺寸較長的定位座取代老式自制組扇夾具中的長定位板，解決了長定位板加工難、定位難和平臺打磨量大的問題，不但降低了制造成本，而且降低了倉儲成本，組扇夾具既可用于組扇拼點，也可以在生產繁忙時用于組管拼點，既提高了利用率，又節約了夾具的采購成本。

圖5　柔性組扇夾具

3　臂架組體

臂架組體是臂架生產的第三道工序，是指將組扇工序拼點完成的兩個單扇用腹桿連接，構成空間桁架式結構的工序。對于帶接頭的單扇，拼點時一般直接將單扇左右豎直吊裝在夾具上，拼點兩個單扇間水平連接腹桿；對于不帶接頭的單扇，需要在組體工裝上同時完成接頭和腹管拼點。焊接完成后，對于先上接頭并完成接頭連接焊縫的臂架，因安排有后續鏜孔工序，拼點導致的誤差可以通過機加工的方式得到補償。對于后上接頭的臂架組體而言，由于直接拼焊成最終成品，拼點精度對能否順利連臂影響很大。圖6所示為原本使用較多的老式通用組體夾具，圖7所示為目前使用的新型柔性通用組體夾具。

圖6　老式通用組體夾具

圖7　新型柔性通用組體夾具

老式通用組體夾具主要由通用平臺、靠山結構（支撐定位結構的俗稱）、支耳及相應的連接銷軸組成。傳統的工藝流程如下：首先在靠山上畫出拼點臂架4個接頭的支耳位置尺寸，其次將4個支耳拼點在靠山上，再穿軸連接兩片單扇，最后拼點中間的水平腹桿。這種操作方式主要依賴于員工的劃線經驗，由于劃線精度較差，需要反復調整支耳水平間距和高度間距，但還是難以保證拼點精度，導致所有的臂架焊接后，由于變形大需要進行鏜孔。后期對這種夾具進行改進，在靠山上加工定位銷孔和連接螺栓孔，并將左右中一側的上下兩個支耳做成整體式支耳掛板。安裝工裝時，只需要調整水平間距即可，拼點精度有了一定提高。但是隨著新產品更新換代，加之支耳掛板的設計、制造周期長，通用性差，在完成多種產品制造后又累積了大量支耳掛板，重新又面臨了專用工裝通用性差的問題。由于制造精度問題，靠山上的定位孔也難以符合設計要求，在制造中又不得不劃線調整間距，并通過行車輔助調整，點焊固定靠山。每次夾具調整一般都需要3名員工和4～8 h的準備時間，時間約占組體拼點工時的一半。

通過使用新式柔性組合夾具，操作性和拼點效率都得到了很大提高。在操作性上，新靠山的工作面上加工有標準定位銷孔，并使用快速連接銷，取代了之前“定位銷+螺栓”“劃線+點焊”的固定方式，減少了擰螺栓、點焊時間，降低了員工勞動強度。此外，新靠山上的連接孔間標有刻度尺寸，利用CAD軟件模擬單扇裝夾后，可以直接根據尺寸選擇合適的定位孔，不需要再劃線定尺才，靠山一次裝夾到位，大大減少了夾具的調整時間。定位孔精度高，采用單支耳的形式也可以滿足臂架的拼點要求，取代了整體式支耳板，降低了生產成本與夾具的維修保養成本。對于部分類型的臂架結構產品而言，目前已經可以做到焊后不需要進行鏜孔加工，新組體夾具的裝夾調整時間縮短至2h，不再成為現場員工的頭疼問題。

4　結論

拼點和焊接的影響導致臂架變形大，為保證臂架能夠順利連臂，一般都需要對接頭進行鏜孔加工，保證每組4個連接孔之間的空間尺寸。臂架的鏜孔工序需要使用大型雙面落地鏜銑床，設備的采購和維護成本很高，增加了臂架的制造成本。通過采用新型柔性組合夾具，目前已經做到了200 t以下臂架產品免鏜孔，并且可順利連臂。

在臂架結構的拼點工序中引入柔性組合夾具，極大提高了生產效率和質量。柔性組合夾具的模塊化、柔性化和可重復利用率高等特點，在產品更新換代快、型號規格多的現狀下，極大地滿足了生產的需要［2］。雖然夾具一次采購成本高，但是隨之而來的夾具調整時間縮短、拼點精度提高和免鏜銑加工等諸多優點，減小了工裝管理成本，從而降低了產品的制造成本，提高了競爭力，因此，新型柔性組合夾具可以取代大批老式夾具，在工程機械制造領域具有很好的應用前景。

［1］余建軍，任治軍，王輝.先進焊接工裝夾具及其在機械裝備制造業中的應用［J］.機床與液壓，2011，39（12）：115-121.

［2］劉泉.三維組合焊接夾具在紡織機械生產中的應用［J］.紡織機械，2010（6）：39-41.

Jib unit during the production process of crawler crane，flexible modular fixture is widely used to replace the traditional fixture due to high efficiency，high-quality and its economical，reasonable and practical features.Flexible modular fixture has sound flexibility，particular in the primary stage development of new products it can reduce the costs in fixture manufacturing and solve the problem of long lead-time in design and production of traditional special fixtures.As the result it may shorten the development cycle of new product and reduce the manufacturing cost.

履帶起重機；臂架；夾具

Crawler Crane；Arm Support；Fixture

TH163；TG754

B

1672-0555（2016）02-041-04

2016年2月

孫躍（1984—），男，碩士研究生，主要從事夾具設計和有限元分析等工作