汽車起重機(jī)伸縮臂體制造工藝與夾具設(shè)計(jì)

孟獻(xiàn) 張金全 趙東海 劉振義

南陽(yáng)二機(jī)石油裝備集團(tuán)股份有限公司 河南南陽(yáng) 473006

1 前言

伸縮臂體是汽車（輪式）起重機(jī)、高空作業(yè)車等工程機(jī)械設(shè)備最為重要的工作部件之一。伸縮臂體總成的質(zhì)量對(duì)輪式起重機(jī)的起重性能有著很重要的影響，因此，伸縮臂體設(shè)計(jì)時(shí)盡量考慮采用高強(qiáng)度級(jí)別的材料以降低伸縮臂體質(zhì)量，在制造時(shí)采用合理的工藝方法，保證高強(qiáng)度材料伸縮臂體的制造精度。制造伸縮臂體可以采用沖壓型材，也可以由板材組焊而成。對(duì)于有特殊要求，高性能的伸縮臂體多采用低碳高強(qiáng)度鋼板材（屈服強(qiáng)度Re＞345 MPa）焊接而成，制造過程中需要設(shè)計(jì)專門的定位夾緊裝置（即夾具）來保證。本文結(jié)合生產(chǎn)介紹一種汽車隨車起重機(jī)伸縮臂體的制造工藝和拼焊專用定位夾緊裝置，可以滿足高強(qiáng)鋼伸縮臂體制造工藝的要求。

2 材料選用

在調(diào)研、分析、計(jì)算、試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，筆者采用HG70D（板材生產(chǎn)廠家牌號(hào)）制造汽車隨車起重機(jī)伸縮臂體，此板材屬于低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼，表1為HG70D板材的化學(xué)成分和對(duì)應(yīng)的機(jī)械性能，其焊接裂紋敏感指數(shù)碳當(dāng)量Ceq為0.41%，碳當(dāng)量值較小，具有較好的焊接性能。采用這種低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼制造伸縮臂體，在規(guī)定的作業(yè)范圍內(nèi)滿足起吊額定負(fù)荷如圖1（b），按照有特殊要求的汽車隨車起重機(jī)要求，具有較高的起重性能，伸縮臂體需要選用較薄的板材（實(shí)際制造時(shí)選用的板材臂厚t＝5 mm），汽車隨車起重機(jī)三維模型以及顯示主要設(shè)計(jì)參數(shù)的伸縮臂架示意簡(jiǎn)圖如圖1所示。

3 伸縮臂體工藝設(shè)計(jì)

3.1 伸縮臂體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

汽車隨車起重機(jī)伸縮臂體由基本臂和伸縮臂等組成，同時(shí)在伸縮臂內(nèi)還安裝有伸縮液壓缸、繩輪機(jī)構(gòu)以及導(dǎo)向元件。伸縮臂體的結(jié)構(gòu)如圖 2所 示，圖2 (b)為 圖 2(a)的截面剖視圖。汽車隨車起重機(jī)要滿足特殊要求，即在規(guī)定的3.8 m起吊范圍內(nèi)，伸臂6 0°角 可以起吊額定質(zhì)量6 300 kg。對(duì)于整機(jī)設(shè)計(jì)來說，伸縮臂體的總質(zhì)量（包括伸縮臂體內(nèi)的伸縮機(jī)構(gòu)等）不能超過 550 kg。 在保證具有較高起重性能的基礎(chǔ)上，伸縮臂體板材應(yīng)盡量薄，因此伸縮臂體設(shè)計(jì)為2節(jié)結(jié)構(gòu)，主要是基本臂 4 和伸縮臂 5，其截面形狀采用目前國(guó)際上最為常用的六邊形結(jié)構(gòu)，同時(shí)要滿足伸縮臂體具有較高的結(jié)構(gòu)工藝性，便于生產(chǎn)。

表1 板材化學(xué)成份及機(jī)械性能

圖1 汽車隨車起重機(jī)示意簡(jiǎn)圖

圖2 伸縮臂體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

3.2 伸縮臂體組焊工藝

汽車隨車起重機(jī)伸縮臂體屬于薄壁鈑金結(jié)構(gòu)件，由板材組對(duì)焊接成六邊形對(duì)稱截面結(jié)構(gòu)，單節(jié)臂體長(zhǎng)度＞3 m。制造過程中需要嚴(yán)格控制臂體的截面幾何尺寸及平面度、直線度、對(duì)稱度，保證基礎(chǔ)臂與伸縮臂體間配合間隙均勻，實(shí)現(xiàn)伸縮臂體在基礎(chǔ)臂體中伸出和縮回時(shí)穩(wěn)定可靠。根據(jù)伸縮臂體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)工藝方案，圖2(b)中上三邊采用三塊板材即頂板和兩側(cè)板組對(duì)成，下三邊即底板采用一塊板材折彎成形。組對(duì)焊接時(shí)，基礎(chǔ)臂和伸縮臂設(shè)計(jì)整體式拼焊專用定位夾緊裝置保證設(shè)計(jì)截面尺寸。采用定位自動(dòng)焊接，基礎(chǔ)臂和伸縮臂在拼焊專用定位夾緊裝置上模擬兩伸縮臂體間配合，合理設(shè)計(jì)焊接工藝參數(shù)，完成兩伸縮臂體的焊接。

根據(jù)伸縮臂體的結(jié)構(gòu)特征，首先設(shè)計(jì)制作好專用定位夾緊裝置，基礎(chǔ)臂和伸縮臂體焊接工藝設(shè)計(jì)如下：

a. 在適當(dāng)?shù)那懈钤O(shè)備上切割下料，考慮HG70D屬于低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼板材，盡量不要使用火焰切割機(jī)下料；

b. 按照?qǐng)D2結(jié)構(gòu)尺寸和形狀劃折彎尺寸線，上折彎?rùn)C(jī)分別折制兩伸縮臂體的左右兩側(cè)板、底板并矯正變形；

c. 利用專門設(shè)計(jì)制作的定位夾緊工裝，調(diào)整定位夾緊裝置相關(guān)支撐、定位元件使其同時(shí)作用，保證伸縮臂體的截面尺寸滿足設(shè)計(jì)要求；

d. 將兩伸縮臂體的頂板、兩個(gè)側(cè)板和底板分別在定位裝置上放置定位，用夾緊裝置進(jìn)行快速夾緊，用合適的測(cè)量工具測(cè)量配合尺寸、適當(dāng)校核各面，達(dá)到設(shè)計(jì)要求后進(jìn)行交叉定位點(diǎn)焊，注意控制板材點(diǎn)焊時(shí)的焊接變形；

e. 組對(duì)完成后進(jìn)行焊接，焊接時(shí)將伸縮臂體組焊件的各焊縫旋轉(zhuǎn)到便于焊接的船形焊焊接位置并定位（定位夾緊裝置可360°旋轉(zhuǎn)），采用軌道式焊接或焊接機(jī)器人實(shí)現(xiàn)半自動(dòng)或自動(dòng)焊接，焊接完成后，在沒有松開夾緊裝置的情況下，對(duì)焊縫進(jìn)行振動(dòng)時(shí)效或人工錘擊，消除焊接應(yīng)力；

f. 伸縮臂體組焊完成后，對(duì)其截面尺寸、直線度、平面度以及扭曲等幾何要素進(jìn)行檢查。

綜上所述，伸縮臂體焊接工藝路線為：下料-矯變形-組對(duì)-焊接-去應(yīng)力-檢驗(yàn)。

4 定位夾緊裝置設(shè)計(jì)

4.1 定位夾緊裝置的結(jié)構(gòu)

由于伸縮臂體采用高強(qiáng)度薄板材料，其焊接變形是控制的重點(diǎn)和難點(diǎn)，為了防止焊接變形，設(shè)計(jì)制作了專用的定位夾緊裝置，如圖3所示。專用定位夾緊裝置具有卡接伸縮臂體的梁體和自定位功能，其主要結(jié)構(gòu)特征在于：定位梁體為兩半式結(jié)構(gòu)，定位梁體兩端通過連接定位機(jī)構(gòu)固定在旋轉(zhuǎn)定位裝置上，定位梁體與定位機(jī)構(gòu)之間設(shè)有定位結(jié)構(gòu)并在支座上支撐，定位梁體上設(shè)有夾持伸縮臂體的夾緊裝置，在定位梁體內(nèi)部對(duì)應(yīng)夾緊裝置位置設(shè)有若干剛性支撐裝置（圖中未標(biāo)示），保證夾緊伸縮臂體時(shí)在定位梁體長(zhǎng)度方向上不發(fā)生變形。這一伸縮臂體制造定位夾緊裝置獲得了國(guó)家實(shí)用新型專利。

圖3 定位夾緊裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

4.2 定位夾緊裝置的工作原理

圖3中，定位結(jié)構(gòu)包括設(shè)置在兩半式定位梁體兩端的定位銷孔和與定位銷孔配合的定位銷，兩半定位梁體上的定位銷孔可對(duì)正并由定位銷控制定位尺寸；夾緊裝置為兩個(gè)對(duì)應(yīng)設(shè)置的卡盤，通過螺紋機(jī)構(gòu)使卡盤夾緊；支撐裝置由手柄、連桿、連接銷、限位塊和支撐滑塊構(gòu)成，手柄、連桿、支撐滑塊通過連接銷連接組合為一體，在梁體上焊接限位塊固定支撐滑塊，手柄用連接銷固定在連接座上；旋轉(zhuǎn)定位機(jī)構(gòu)由布置在連接座端面和支座端面的定位孔以及與定位孔相配合的限位銷構(gòu)成，限位銷穿過連接座和支座上的定位孔從而對(duì)定位梁體不同的旋轉(zhuǎn)位置定位鎖定。

4.3 定位夾緊裝置的特點(diǎn)

該專用定位夾緊裝置中定位梁體、連接座通過連接銷連接組裝成一體，安裝在支座上；通過定位銷對(duì)兩半式梁體的定位（此時(shí)兩半式梁體分開，內(nèi)部形成一個(gè)間隙），從而保障了梁體的外部尺寸，支撐裝置的支撐滑塊在手柄的帶動(dòng)下，卡緊了兩半式梁體中間的間隙，這樣在支撐滑塊對(duì)應(yīng)位置的外側(cè)夾緊裝置對(duì)伸縮臂體夾緊的情況下，梁體不會(huì)變形，保證了定位裝置的梁體截面尺寸符合要求；梁體通過連接座的轉(zhuǎn)軸在支座上旋轉(zhuǎn)，利用支座上的多孔與連接座上的單孔配合并由限位銷鎖定，起到旋轉(zhuǎn)定位作用；使用夾緊裝置壓緊吊機(jī)伸縮臂體，從而進(jìn)行組合焊接。其優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在如下幾點(diǎn)：

a. 定位結(jié)構(gòu)和分體式梁體結(jié)構(gòu)可改變定位截面尺寸，當(dāng)定位梁體內(nèi)的支撐裝置退出支撐，定位結(jié)構(gòu)中的定位銷取出，兩半式梁體可以合攏在一起，在定位梁體外壁與焊接好的吊機(jī)伸縮臂體之間形成間隙，工裝和工件分離裝卸較為方便；

b. 用可調(diào)節(jié)的夾緊裝置將伸縮臂體的待焊鈑材夾緊在梁體上，精確保證伸縮臂體的截面尺寸，并可實(shí)現(xiàn)快速夾緊制造；

c. 伸縮臂體在梁體上定位夾緊后，臂體零件通過連接座的轉(zhuǎn)軸、支座，可滿足工件360°旋轉(zhuǎn)及定位，將伸縮臂體焊縫的焊接位置調(diào)整到最佳位置進(jìn)行焊接，提高焊縫焊接質(zhì)量。

5 結(jié)語

汽車起重機(jī)伸縮臂體的制造方法很多，筆者對(duì)有特殊要求的伸縮臂體的生產(chǎn)制造針對(duì)設(shè)計(jì)了適合實(shí)際應(yīng)用的焊接制造工藝方法和拼焊專用定位夾緊裝置，可以很好地保證伸縮臂體的綜合性能、制造精度。

特殊要求的汽車隨車起重機(jī)可滿足市場(chǎng)特殊需要，當(dāng)用于批量生產(chǎn)時(shí)，可以采用電、氣、液控制定位夾緊裝置的部分操作元件，結(jié)合機(jī)器人焊接，可實(shí)現(xiàn)工件焊接和裝卸半自動(dòng)化，滿足批量生產(chǎn)。