鐘震聲，盧桂萍，黃鍵坤，冼華龍，李東欽

（北京理工大學(xué)珠海學(xué)院工業(yè)自動(dòng)化學(xué)院，廣東珠海 519088）

0 引言

在瓷磚磨邊輪的金剛石合金刀頭和刀基的人工焊接過程中有許多問題，例如粘結(jié)劑毒性對(duì)焊接工人的傷害、銀焊片管理上的糾紛、金剛石合金刀頭焊接的效率低下等問題，為解決諸如此類的問題，響應(yīng)國(guó)家提出的中國(guó)制造2025發(fā)展計(jì)劃，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化轉(zhuǎn)型升級(jí)，針對(duì)磨邊輪的焊接[1-3]自動(dòng)化設(shè)計(jì)了專用夾具[4-10]。并在此研究基礎(chǔ)上，研發(fā)一款可以一次性焊接一個(gè)磨邊輪刀頭數(shù)量的全自動(dòng)焊接機(jī)，一方面保證了金剛石合金刀頭的焊接效果，提高生產(chǎn)效率；另一方面，由于融入自動(dòng)化技術(shù)，使得整個(gè)過程無(wú)需人工干預(yù)，提高了產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)安全性，改善了磨具行業(yè)的工藝規(guī)程和改善生產(chǎn)環(huán)境。

1 工藝分析

圖1 瓷磚磨邊輪圖

金剛石合金刀具——磨邊輪如圖1所示，它由1個(gè)刀基和29個(gè)金剛石合金刀頭通過銀焊片和焊劑在高頻感應(yīng)高溫（1 000℃）的環(huán)境下焊接而成。刀基放置于焊接機(jī)工作臺(tái)上，銀焊片和焊劑放置在刀頭和刀基之間的配合面，29個(gè)刀頭按照正確的位置排列在刀基上，然后專用夾具對(duì)工件進(jìn)一步定位和夾緊。

2 專用夾具設(shè)計(jì)

文中僅以焊接前一道工序進(jìn)行夾具設(shè)計(jì)。工件的焊接面為29個(gè)金剛石合金刀頭和刀基的配合面，且每一個(gè)金剛石合金刀頭和刀基焊接的牢固

程度對(duì)工件質(zhì)量有著決定性的影響，金剛石合金刀頭的焊接位置以刀基的外圓柱面為基準(zhǔn)。

圖2 專用夾具整裝結(jié)構(gòu)示意圖

2.1 工件的定位方式及定位元件

根據(jù)工件定位基面的形狀和定位元件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)選擇定位元件。工件的定位面分別為底面平面和外圓柱面，

選擇底平面的定位元件為支承板，限制自由度X?，Y?，Z?；選擇外圓柱面的定位元件為定位套，限制自由度X→，Y→ ；自由度 Z?對(duì)工件定位無(wú)影響，故不用限制該自由度。

圖3 專用夾具爆炸結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 定位元件的主要技術(shù)要求

對(duì)定位元件的要求有：

（1）足夠的精度，保證工件的定位精度；

（2）足夠的強(qiáng)度和剛度，定位元件在受工件重力、夾緊力和高溫?zé)崃Φ淖饔脮r(shí)，不應(yīng)變形和損壞，否則會(huì)影響工件的定位精度；

（3）較好的工藝性，定位元件應(yīng)便于制造、裝配和維修。

基于上述元件要求，外圓柱面限位裝置和內(nèi)徑輔助定位夾緊裝置利用非感應(yīng)銅材料螺栓加裝陶瓷墊片，實(shí)現(xiàn)隔熱和耐高溫等效果，阻隔熱量從工件向氣缸方向傳遞而損害氣缸，減短氣缸使用壽命。

2.3 定位誤差的分析與計(jì)算

定位誤差是由于工件在夾具上的定位不準(zhǔn)確而引起的加工誤差ΔD。定位誤差的主要來(lái)源有兩個(gè)方面，分別是基準(zhǔn)不重合誤差ΔB和基準(zhǔn)移動(dòng)誤差ΔY。

（1）產(chǎn)生定位誤差的原因

在磨邊輪的金剛石合金刀頭和刀基的高頻感應(yīng)焊接中，對(duì)工件的定位誤差有兩個(gè)，一個(gè)是底平面的定位，另一個(gè)是外圓柱面的定位。

對(duì)底平面的定位誤差分析：

工件以平面定位時(shí)，由于定位副容易制造得準(zhǔn)確，可視ΔY1=0，故只計(jì)算ΔB1即可。

工件的工序基準(zhǔn)為刀基與金剛石合計(jì)刀頭的接觸面，即為刀基的頂面，而工件的定位基準(zhǔn)為刀基的底面，此時(shí)工件的工序基準(zhǔn)與定位基準(zhǔn)不重合，故存在基準(zhǔn)不重合誤差ΔB1。

對(duì)外圓柱面的定位誤差分析：

工件以外圓柱面作為定位基準(zhǔn)時(shí)的定位誤差，與工件外圓的制造精度、定位元件的放置形式、定位基面與限位基面的配合性質(zhì)及工序基準(zhǔn)與定位基準(zhǔn)是否重合等因素有關(guān)。

工件以外圓柱面在套筒上定位，定位基準(zhǔn)為工件外圓柱面，定位套筒的內(nèi)孔圓柱面為限位基面，工序基準(zhǔn)也是工件外圓柱面。工件的工序基準(zhǔn)和定位基準(zhǔn)重合，故ΔB2=0。

針對(duì)外圓柱面作為定位元件，結(jié)合類彈性可漲心軸機(jī)構(gòu)，進(jìn)行復(fù)合定位，保證金剛石合金刀頭的外圓柱面和套筒內(nèi)孔圓柱面無(wú)相對(duì)位移，因此ΔY2=0。

（2）定位誤差的計(jì)算

如圖，工件以底面定位焊接機(jī)工作臺(tái)面，工序基準(zhǔn)為工件頂面，定位基準(zhǔn)為底面，焊接機(jī)的感應(yīng)線圈位置不變，由于一批工件中尺寸15±0.05的公差使工件頂面（工序基準(zhǔn)）位置在一定范圍內(nèi)變動(dòng)，從而使焊接平面偏移感應(yīng)線圈工作最佳平面。

為消除ΔB1對(duì)焊接加工的影響，讓感應(yīng)線圈的軸向長(zhǎng)度與工件工序基準(zhǔn)面進(jìn)行適配，使工件工序基準(zhǔn)面始終處于感應(yīng)線圈的良好工作范圍內(nèi)。

圖4 刀基零件圖

2.4 工件的夾緊

工件定位之后，在高頻感應(yīng)焊接加工之前，必須采用夾緊裝置將其夾緊，以保證工件在加工過程中，在粘結(jié)劑的浮力、慣性力、重力等的作用下不產(chǎn)生位移或振動(dòng)，影響焊接質(zhì)量。

2.5 夾緊裝置的組成和基本要求

夾緊裝置由力源裝置、中間傳力機(jī)構(gòu)和夾緊裝置三大部分組成。（1）力源裝置，采用氣動(dòng)裝置作為力源裝置。（2）中間傳力機(jī)構(gòu)，采用彈性定位機(jī)構(gòu)，使力的大小和方向不變，改變力的作用面。

（3）夾緊元件，即為夾緊裝置的最終執(zhí)行元件，它與工件直接接觸，把工件夾緊。由于高頻感應(yīng)焊接過程中的高溫環(huán)境，采用陶瓷材料制成陶瓷壓頭作為夾緊件，這樣就可以達(dá)到耐高溫和在一定程度上阻隔熱傳導(dǎo)。夾緊裝置采用各個(gè)刀頭夾緊的方案，使用29個(gè)陶瓷壓頭配合銅套、自制氣缸和機(jī)米螺絲，在作用力和反作用力的基礎(chǔ)上改變夾緊裝置的受力面，延長(zhǎng)夾緊力的行程，實(shí)現(xiàn)每個(gè)金剛石合金刀頭進(jìn)貼在刀基上頂面，使焊接質(zhì)量得到保障，避免產(chǎn)生類似砂輪脫粒的現(xiàn)象，即刀頭焊接不穩(wěn)固。

2.6 夾具的使用

刀基在焊接機(jī)的工作臺(tái)上，底平面定位完成，銀焊片和焊劑已放置于刀頭于刀基之間的配合面，夾具夾持29個(gè)刀頭，使之按照正確的位置排列于刀基上。此時(shí)，專用夾具位于工件正上方，夾具垂直向下移動(dòng)到指定平面后焊接夾具外圓柱面限位裝置徑向合攏至工件工序基準(zhǔn)面——外圓柱面，對(duì)工件進(jìn)行限位。然后，刀頭內(nèi)徑輔助定位機(jī)構(gòu)對(duì)刀頭進(jìn)一步定位，使29個(gè)刀頭的外圓柱面緊貼外圓柱面限位面，外圓柱面定位完成。最后夾緊裝置在氣缸的推動(dòng)向下夾緊工件等待焊接。在焊接的過程中，通過焊接機(jī)工作臺(tái)的正反轉(zhuǎn)和專用夾具的壓頭軸向上下微量移動(dòng)擠出銀焊片和焊劑中的氣泡，提升焊接質(zhì)量。

3 有限元分析

由(2)和(3)解得： F≥4 N （4）

Ff（摩擦力），G（重力），F(xiàn)（夾緊力）， μ（摩擦系數(shù)）

根據(jù)受力分析結(jié)果，和夾具實(shí)際應(yīng)用，進(jìn)行有限元分析中的靜應(yīng)力分析。

選用實(shí)體網(wǎng)格類型，具體信息見表2和表3；解算器類型為FFEPlus；自動(dòng)結(jié)合不兼容選項(xiàng)；打開計(jì)算自由實(shí)體力。

對(duì)單個(gè)金剛石合金刀頭進(jìn)行受力分析，計(jì)算夾緊力。查表得金剛石和金屬的摩擦系數(shù)為0.1～0.15，取0.1計(jì)算。

表1 材料屬性表

表2 網(wǎng)格信息表

表3 網(wǎng)格信息-細(xì)節(jié)表

有限元分析結(jié)果如圖5所示。

靜態(tài)應(yīng)變最大值為ε1max=0.000 001 782。

靜態(tài)位移（URES：合位移）最大值為S1max=0.003 801mm。

最小安全系數(shù)為n1min=860。

為縮小感應(yīng)線圈內(nèi)徑，提高感應(yīng)器的效率；與此同時(shí)，降低靜態(tài)應(yīng)變和位移的最大值，提高安全系數(shù)，減輕機(jī)身重量，特進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果見圖6。

靜態(tài)位移（URES：合位移）最大值為S2max=0.000 011 79 mm，節(jié)：4605；最小值為S2min=0 mm，節(jié)：1238。

應(yīng)變（ESTRN:對(duì)等應(yīng)變），最小ε2min=6.425 26 e-012，單元： 8326；最大ε2max=8.575 13 e-008，單元：5508。

最小安全系數(shù)為n2min=24000，節(jié)：4593；最大n2max=2.46599e+008，節(jié)：3542。

合力情況見表4和表5。

如表5所示，優(yōu)化設(shè)計(jì)不僅減輕了機(jī)身重量，還大大提高了位置精度。

4 結(jié)束語(yǔ)

圖5 有限元分析1圖

本文中的金剛石合金刀具專用夾具通過三組驅(qū)動(dòng)氣缸分別連接焊接夾具外圓柱面限位裝置、內(nèi)徑輔助定位裝置和夾緊裝置施加徑向力和軸向力，實(shí)現(xiàn)金剛石合金刀具的外圓柱面定位和軸向定位夾緊，且在29個(gè)陶瓷彈性?shī)A緊機(jī)構(gòu)下壓緊29個(gè)金剛石合金刀頭，讓每個(gè)金剛石合金刀頭的焊接質(zhì)量得到保證。根據(jù)高頻感應(yīng)焊接原理，通過感應(yīng)線圈在工件工序基準(zhǔn)面上加熱，使銀焊片和焊劑在1 000℃環(huán)境下焊接刀基和金剛石合金刀頭，實(shí)現(xiàn)磨邊輪的自動(dòng)化焊接加工。

圖6 有限元分析2圖

表4 反作用力表

表5 反作用力矩表

表6 優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果表

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