法蘭缸體的柔性焊接工裝設計

張天賜，王曉軍，吳武通，程俊超

(1.蘭州理工大學 材料科學與工程學院，甘肅 蘭州 730000； 2.浙江迦南科技股份有限公司 粉體事業部，浙江 溫州 325000)

0 引言

一般地，工裝夾具制造的相關成本占整個系統的10%～20%。近些年來，隨著焊接工藝技術的快速發展，面向焊接的工裝夾具得到了迅猛的發展，并且在制造業中得到了廣泛的應用。法蘭與缸體的焊接以及缸體上附件的焊接是制藥設備生產時的重要環節，焊接質量的好壞直接影響著產品質量。由于焊接瞬態的熱輸入導致法蘭和缸體在焊接完成冷卻到室溫時會產生徑向變形，且因為缸體上附屬零件的位置多變，從而需要不斷調整缸體的位置來找到最合適的焊接位置，這樣會由于來回的吊動而增加缸體整體的變形，這些變形會導致制藥設備在最后安裝時產生錯位而無法進行裝配。目前對法蘭缸體的焊接沒有焊接工裝進行輔助加工，完全依靠工人師傅的技術以及經驗，并且一般制藥設備屬于非標準化生產，產品尺寸變化范圍大，若針對不同型號的產品設計一套焊接工裝會有較高的成本，使用的便捷性差。為此，本文設計了一套法蘭缸體的柔性焊接工裝，能夠實現Φ1 044 mm～Φ1 884 mm筒徑、674 mm～1 882 mm不同高度法蘭缸體的裝夾，并且可以減少對法蘭和缸體的移動，能夠有較好的焊接姿態來完成加工，提高焊接作業時的可靠性和安全性，從而保證產品的加工質量。

1 焊接工裝的設計方案

缸體法蘭的材料為316 L，缸體的壁厚為3 mm，若將法蘭缸體放倒進行吊裝時法蘭缸體會由于受力不均勻而產生變形，且法蘭缸體裝夾的便捷性差，因此根據設計需求采取在焊接工裝的立式狀態下進行安裝，安裝完成以后再在臥式狀態下進行焊接。焊接工裝的設計方案如圖1所示，三維模型如圖2所示。通過絲桿升降機來帶動上旋轉盤的上下移動，以此來適應不同高度缸體的裝夾；裝夾完成以后通過液壓系統將焊接工裝逆時針翻轉90°，讓焊接工裝成臥式狀態，中心軸通過電機驅動帶動旋轉盤旋轉，可以將法蘭和缸體進行焊接，并且可以通過旋轉來找個合適的位置對缸體上的附件進行焊接。

1-液壓系統；2-機架；3-絲桿升降； 4-電機； 5-支撐架上； 6-中心軸；7-旋轉盤機構 ；8-缸體

圖1 焊接工裝設計方案

2 焊接工裝結構設計

2.1 旋轉盤機構的設計

對旋轉盤的設計要求是能夠實現不同直徑法蘭的裝夾，并且工裝可以實現法蘭的自定心，保證上、下法蘭裝夾完成以后的同心度。旋轉盤機構由自定心機構和夾緊機構兩部分組成，整體結構如圖3所示。法蘭自定心由機械裝置實現，圓周方向等距分布3個點，采用伺服電機驅動滾珠絲杠副帶動滑塊移動夾緊法蘭實現自定心，如圖4所示。考慮到法蘭缸體在焊接過程中由于焊接應力產生變形在圓周方向等距分布3個點，采用三爪卡盤結構在3個點位上從里到外對缸體法蘭進行內支撐，夾緊機構如圖5所示。

圖2 焊接工裝三維模型

圖3 旋轉盤機構

圖4 自定心機構

圖5 夾緊機構

自定心機構由電機驅動滾珠絲杠副運動，圓周上3個等分點位的3臺伺服電機同時驅動可以推動缸體和法蘭運動實現自定心。當缸體和法蘭定位完成以后，調節三爪卡盤，夾緊塊從缸體內壁加緊缸體。

三爪卡盤的半徑最大調節范圍為130 mm，根據缸體和法蘭的實際尺寸將伸長爪設置為4個等級，以此來適應不同缸體半徑的夾持。由于缸體和法蘭的半徑不同，以至于不同型號的缸體和法蘭的弧度不同。為了能夠實現不同弧度缸體和法蘭的裝夾，對不同半徑的缸體都有相應尺寸的夾緊塊選擇夾緊。

法蘭的厚度有20 mm和25 mm兩種規格，設計

的法蘭夾緊塊如圖6所示。為適應不同厚度法蘭的夾緊，選用了螺旋夾緊器的設計方案，螺旋夾緊器的通用性強，能夠產生較大的夾緊力。

2.2 升降機構設計

缸體的高度為674 mm～1 882 mm，以電機驅動絲杠帶動上法蘭夾緊裝置來實現不同高度缸體的裝配。采用光軸作為支撐，減少裝配間隙提高精度。升降機構如圖7所示。

圖6 法蘭夾緊塊

圖7 升降機構

3 結語

本文設計了一種法蘭缸體的柔性焊接工裝，可以實現Φ1 044 mm～Φ1 884 mm筒徑、674 mm～1 882 mm不同高度法蘭缸體的柔性裝夾。焊接工裝在立式狀態下增加了零件裝夾的便捷性，圓周上均勻的3點位滾珠絲杠設計可以實現上、下法蘭的自定心功能，多弧度的內撐設計可以實現對不同直徑法蘭和缸體的裝夾。液壓式的翻轉結構設計增加了翻轉的可靠性，焊接工裝的臥式狀態增加焊接作業的便捷性，同時減少了法蘭缸體的變形。