關于大型機械工程焊接自動化柔性生產技術的研究

劉奎良 葛麗 趙晟

【摘 要】在我公司開發大馬力推上機之前，國內市場上320馬力及以上的大馬力推土機基本上被卡特彼勒、小松等國際知名品牌所主導。大馬力推土機整機及配件主要依賴，不僅維修困難，而且價格昂貴，每年都要花費我國大量外匯。根據市場調查，用戶對性能穩定，質量可靠的國產大馬力推土機的期望越來越高。山推股份作為國內推土機制造行業的領軍企業，一直在不斷提高和完善核屯、制造技術，制造出了SD32、SD42-3、SD52-5以及SD90-5等大型的履帶式推土機產品，實現了大型推土機國產化。SD42S上大馬力推土機功率的增加對大型結構件制造技術提出了很大的挑戰。推土機大型結構件主機架、臺車架等體積龐大、自身重量大、長直對稱焊縫多、焊縫復雜，烤接變形大并且難以控制。而一些關鍵結構件的焊接質量對整機的性能及可靠性影響很大。如何提高大型結構件的焊接質量和生產效率是必須攻克的難題。根據企業長期發展規劃和現實發展需要，選擇了直接影響焊接加工的質量和效率的大型結構件關鍵問題進行了重點研究：中厚板超低飛娥焊接工藝研究及應用，后橋箱機器人焊接工裝夾具設計研究，大型結構件柔性化生產技術研究等。

【關鍵詞】焊接；機械工程；自動化；柔性

當前的推土機市場，競爭激烈，各生產廠家比的就是質量、價格和服務，歸根到底，最根本的還是質量之爭。目前國內大多數企業都存在一個共性問題，就是制造成本過高、浪費嚴重、生產效率低下。應用工業工程的技術和方法挖掘潛力是絕大多數企業走出困境的必由之路。生產作業的瓶頸分析和能力平衡改善是制造企業生產管理過程中的一項十分重要的工作，涉及到生產效率的提高和生產成本的降低。如何縮短差距，提升管理水平，提高產品質量和生產效率，以較低的成本創造更高的價值，進一步提升企業的核心競爭力，擺脫目前存在的產品同質化嚴重的現象，成為擺在國內工程械行業面前的重要而緊迫的課題。大馬力推土機功率的增加對大型結構件制造技術提出了很大的挑戰。推土機大型結構件主機架、臺車架等體積龐大、自身重量大、長直對稱焊縫多、焊縫復雜，焊接變形大并且難以控制。而這些關鍵結構件的焊接質量對整機的性能及可靠性影響很大。如何提高大型結構件的焊接質量和生產效率是必須攻克的課題。

一、大型結構件生產技術現狀及存在問題

（一）大型結構件生產技術現狀

通過對國內工程機械生產廠家進行調研發現，推土機、挖掘機結構件基本均采用機器人進行掉接，自動化程度較高，焊接過程穩定。普遍采用的是單絲機器人焊接，存在熱輸入量不均勻，焊接變形較大問題，雙絲機器人焊接應用較少。在焊接方法上，CO2氣體保護焊由于具有焊接烙深大、生產效率高的優點，在大型結構件焊接時得到普遍采用，但同時也存在著飛滿量大，焊絲利用率較低，焊接生產成本高的缺點。同時焊接過程中由于飛瓣大，容易堵塞焊槍影響保護效果，進而產生氣孔、烙合不良等焊縫缺陷。通過調研發現，富氨混合氣體保護焊目前主要應用在壓力容器、不誘鋼及其合金、機電產品中，在工程機械大型結構件中的應用還很不普遍。是否能夠通過工芝試驗，然后通過對試驗數據進行分析，摸索一套適合于工程機械大型結構件的富氨焊接工藝參數成為我們著手研究的巧容。

（二）存在主要問題

目前結構件采用CO2化氣體保護焊，焊接時烙敷金屬燒損厲害，焊接飛繊量大、焊接飛繊大約為13-15%，焊絲利用率低：焊后需要耗費大量的工時和人工來修磨焊渣焊豆，導致結構件焊接質量差同時造成很大的成本浪費。同時容易堵塞噴嘴，起不到保護作用，導致焊縫成型差，外觀質量差。尤其是推土機駕駛室、上罩、側護罩等對外觀質量要求較高的部件來說，其外觀質量的高低有時直接決定了客戶的購買意愿。目前公司推土機后橋箱、機架等焊接工段普遍存在由于對人員、設備、原材料投入等各環節把握分析不夠，各工序生產能力不平衡，導致成本浪費嚴重，生產效率化下，難以實現量化管理。當生產計劃變更頻繁，緊急巧單較多時，生產計劃的執行難度更大，經常陷入生產奈亂，品質跟著失控的局面，造成經常性的返工、返修，導致交貨期延誤，同時浪費大量的人力與財力。如何提高大型結構件的焊接質量及實現柔性化生產，進而達到提升后橋箱等關鍵結構件的質量及生產效率，有效降低成本，實現低成本、高質量、準交期的目標。

二、推土機后橋橋箱機器人焊接工裝夾具設計

（一）焊接工裝夾具的分類與組成

1、焊接工裝夾具分類

在機械加工、產品檢驗、裝配和組對焊接等工藝過程中，通常都要使用大量的工藝裝備，我們將他們簡稱為工裝，用來安裝定位加工對象，使之處于正確的位置，用來保證產品質量。焊接工裝夾具是將焊接結構件的每個零件實現準確定位并帶有夾緊，化保證每個零件的相對位置要求，用于組對和焊接的工藝裝備在焊接結構件制造過程中，組對和焊接通常是兩道重要的生產工序，大多數情況下是采取先組對后焊接以，也就是先在工裝上進行點固，然后吊裝出來進行焊接。按應用范圍分為通用焊接工裝（多種機型可以使用）、專用焊接工裝（只限定于某一個機型）、柔性焊接工裝；按動力源分為七大類。

2、焊接工裝夾具組成

第一，定位器。為了保證工件組對精度，定位器大多數情況下是做成固定式的，即不能轉動或者移動的，特殊情況下為了便于焊接結構件裝卸（方便吊出工裝胎具），也可做成可伸縮式或旋轉式的，并采用氣動、手動、液壓等單種或多種驅動方式同時使用。定位器主要是用來保證焊接結構件在組對時每個零件在夾具中處于正確位置、滿足圖紙尺寸要求，也稱為定位元件和定位機構。根據每個工件結構特點定位器可做成可拆卸式的、進退式的和翻轉式的。

第二，夾緊機構。夾緊機構作為焊接王裝夾具的主要組成部分，其結構形式根據工件結構特點也是多種多樣，有時候甚至比較復雜，最簡單的就是我們通常使用的快速夾，驅動方式也有很多種。在先進工業國家里，為了實現夾具的通用、減少浪費，對通常使用的一些夾緊機構己經進行了標準化、系列化，在設計時直接進行選用即可，由此可節省大量的設計時間。

第三，夾具體。焊接夾具體主要用來在夾具上安裝固定定位機構和夾緊機構以及承受工件重量的部分，其強度與剛性首先要滿足使用要求，主要起支撐和連接作用。我們通常采用的各種組對平臺就是最常見的夾具體，通過在其各面上開有安裝槽、孔，可用來安裝和固定各種定位機構和夾緊機構滿足不同機型的通用生產，在組織生產不同機型產品時，只需把相應的定位器和夾緊機構安裝在對應的孔上即可，可較大幅度提高車間生產組織管理水平。

3、焊接工裝夾具特點及設計要求

焊接工裝夾具的特點，主要是根據焊接工藝（組對順序、組對方式、采用的焊接方法等）、焊接結構特點及自動化程度決定的，跟機床夾具相比具有如下特點：

（1）焊接夾具的特點

1）由于結構件通常由多個零件組對焊接而成，如推土機臺車架就是由40多個板材、鑄鋼件組對焊接而成。而對這些零件姐對和焊接時，是按照工藝要求的設計的組對順序進行的，對每個零件都要有定位與夾緊進行約束，可保證焊接后圖紙尺寸要求。而機床夾具通常情況下，只需要對加工工件實現一次定位和夾緊即可，一般不需要焊接夾具那么復雜。

2）在實際焊接過程中，由于焊接熱輸入，零件不可避免的會因為焊接加熱而產生變形甚至有時候變形還比較大至于影響其使用性能。為了有效控制焊接變形，保證焊接質量，在進行焊接工裝夾具設計時，要求工裝夾具能夠具有給予方便。

3）對于機床夾具來說，在實際加工完工件之后，由于尺寸與重量均減少，卸活（吊裝離開夾具）相對來說比較容易。而對于焊接工裝夾具而言，再對結構件組對焊接完之后，由于增加大量填充金屬，尺寸與重量均得到増加，同時由于焊接變形及產生的較大焊接應力，造成從夾具上卸下變得比較困難，有時候甚至需要鍾擊。

4）焊接夾具在實際操作時主要承受結構件的自身重力、焊接變形產生的肉應力和夾緊力，這幾種力由于相互作用，實際造成的結果一般比較大；電阻焊、摩擦煤均屬于壓力焊，在焊接過程中夾具還要承受頂鍛力。而機床夾具在工件進行加工時主要承受的是工件的部分重力和切削力，一般情況下切削力為單方向受力，比焊接工裝夾具所承受的各種力要小很多。

5）由于結構件中每個單件都要分別進行夾緊固定，焊接工裝夾具一般比機床夾具大的多，其上面的夾緊點、定位點比機床夾具上的多得多。因此，對設計者來說難度比較大。如果設計的定位點、夾緊點的數量、布置不舍理，難對精度及焊接質量都難以保證。

6）焊接工裝夾具的作用主要是保證結構件在進行組對點固時各個零件處于正確的位置可滿足圖紙尺寸要求，同時通過進行固定夾緊約束盡可能的減少其焊接變形，而機床夾具主要用來保證零件的加工精度。

7）通常情況下由于焊接件產品精度本身圖紙要求就比較低，焊接工裝夾具本身的制造精度要求也不是太高，對于機床夾具來說情況就不同了，由于加工件精度要求一般比較高，機床夾具的制造精度要求也相應比較高。

（2）焊接工夾具的設計要求

1）焊接工裝夾具操作起來應動作迅速、方便靈活，同時能夠保證產品組對精皮。

2）夾具在生產中投入使用時要承受多種力的作用（焊接應力引起揮接變形導致的較大反作用力很容易損壞工裝，所以工裝夾具應具備足夠的強度和剛度。

3）便于焊接件的裝卸。在實際生產時應保證操作者具有足夠的操作空間，可便王件位置不合適能夠進行及時調整。

4）靠近焊接部位的夾具，應加護罩做好屏蔽，避免焊接過程沖產生的飛瓣對夾具造成損壞。

5）在同一個夾具上，為了方便制造，盡可能的減少制造成本，設計的時候定位器和夾緊機構的結構形式盡量統一，使用起來也方便。

6）設計的工裝夾具工藝性不能太差，應方便制造與維修同時還要考慮其制造成本。

三、三維柔性組合焊接工裝設計

目前，隨著公司產品升級換代步伐的加快，傳統使用的語接工裝由乎設計、制造周期較長同時通用性不好，己經不能滿足新產品開發速度要求，為此我們通過研巧設計出了三維柔性姐合焊接工裝。該工裝能夠滿足于產量少、精度高的結構件，不僅可以保障產品質量，縮短試制周期，同時還可減少節省設計、制造成本，降低開發費用。

（一）三維柔性組合焊接工裝結構

三維柔性組合焊接工裝主要包括三維平臺、定位裝置、夾緊裝置等3部分。

1、三維平臺

三維平臺材通常情況下為球墨鑄鐵，進行整體熱處理，消除內應力，具有5個工作平面，對平面度要求較高，要求加工后均應達到一定要求。平臺經過粗加工、精加工、打磨拋光等工序，非加工面涂漆，表面粗精度為Ra3.2。平臺采用框架式支撐，單張平臺承載重量大于5噸，平臺上工作面跑地面高度為550mm左右。為了巧證工件組對精度，提高結構件焊接質量，銷孔的大小和間距均有嚴格的精度要求，保障定位塊、定位軸和夾緊裝置等工裝的定位精度，銷孔尺寸大小一樣，在平臺上均布分列，孔間距為100mm，孔間距精度達到±0.05/1000，孔尺寸精度為28D10，位置精度為±0.05/1000，平臺上有100mm刻線，沿邊有精度達到毫米級的刻度[1-2]。

2、定位裝置

定位裝置主要包括定位銷、定位塊、定位角鐵、角度器、V形塊等五部分。其中定位銷是最基本的定位裝置，結構形式為采用五鋼球定位，保證定位精度，按結構和用途分為普通、加長、沉頭等多種型號，平臺上所有定位、夾緊裝置均通過定位銷進行連接固定。定位銷上設有快速連接機構，內側帶有滾珠，旋緊后即可卡住要連接的部件，使用非常方便、快捷。定位塊包括定位平尺、定位角尺及方箱等化部分，通過連接銷安裝在三維平臺上，可對工件提供定位面進行定位。

3、夾緊裝置

夾緊裝置的夾緊方式通常包括螺旋夾緊、快速夾緊、氣動夾緊等幾部分，大多數情況下我們一般采用的是快速夾夾緊方式，因其操作方便、快捷，生產效率高。為組對某機型推土機后橋箱時正在對其進行夾緊，既有上下方向的夾緊力，也有左右方向或者帶有一定角度方向的夾緊力，夾緊裝置可實現不同方向的夾緊。通過采用快速夾對工件正在進行夾緊，夾緊裝置操作簡便快捷，夾緊可靠，手柄及各部件經久耐用[3-4]。

四、三維柔性組合焊接工裝使用特點

（一）生產效率高

由于新產品結構開始短時間之內一般不定型，需要一段時間反復驗證修改，使用該工裝可適應工件形狀、尺寸頻繁變化的需要，如果制作專用焊接工裝一方面設計制造周期較長，另一方面產品尺寸圖紙變化很有可能導致工裝不能使用，浪費嚴重。為采用三維柔性組合揮接工裝正在用于對某機型推主機機架，如果制作機架專用掉接工裝設計制造周期最短需要3個月，而采用三維柔性組合擇接工裝一兩天就能組合而成[5-7]。

（二）產品精讀高

目前，隨著技術工業的發展，對結構件的焊接精度要求也越來越高，因此對焊接工裝夾具的組對精度要求也就相應提高很多。三維組合焊接工裝由于其通過特有的定位銷進行連接，銷孔尺寸精度為28D10，位置精度為±0.5/1000，同時通過采用五個鋼球定位，保證定位精度，鎖銷尺寸精度為28h7，夾具的安裝精度可達IT8上，完全可以保證結構件的組對精度，呆證其產品精度要求。

（三）經濟價值高

開發的新產品結構件一般都是小批量、多品種的產品，并且結構差別也比較大。傳統的焊接工裝一般都是采用專用王裝，由于不具備通用性，同時設計制造周期又比較長，場地占用和保管等隱性費用很高。而三維柔性組合焊接工裝由于其柔性化程度高，通用性強，可以反復使用，由于產品圖紙尺寸變化也不會存在報廢的問題，同時還可以提高焊接效率和工件焊接質量，因此具有很高的經濟價值。

五、結論

目前，公司推土機后橋箱、機架等焊接工段普遍存在由于對人員、設備、原材料投入等各環節把握分析不夠，各工序生產能力不平衡，導致成本浪費嚴重，生產效率低下，難以實現量化管理。通過分析焊接夾具設計的基本方法和相關技術，特別是組合夾具、柔性夾具等相關技術；根據焊接夾具的使用和設計特點，對大型結構件的焊接夾具進行分析，結合柔性、通用性理念設計出了三維柔性組合焊接工裝，并通過具體實例進行驗證。三維柔性組合焊接工裝尤其適合于新產品的開發，大幅度縮短了新產品開發周期，降低了新產品結構件的試制成本。

【參考文獻】

[1]李西鋒.機械制造自動化技術特點與發展趨勢[J].山東工業技術，2018（04）：24.

[2]謝天一.自動化技術在機械制造中的應用[J].黑龍江科學，2018，9（01）：140-141.

[3]欒健.數控自動化技術在機械制造中的應用[J/OL].電子技術與軟件工程，2017（22）：145.

[4]楊鳳鳴.探討機械制造自動化技術的應用及發展[J/OL].現代交際.

[5]張照歡.機械制造自動化技術應用及價值分析[J].建材與裝飾，2017（14）：224-225.

[6]劉睿，金英俊，王志遠.淺析機械制造自動化技術發展趨勢[J].南方農機，2017，48（03）：113-114.

[7]李佳偉，劉浩.淺談數控技術在自動化機械制造中的運用[J].中國高新技術企業，2016（14）：49-50.