裝載機(jī)后車架扭曲變形控制

丁大狀

（徐工集團(tuán)工程機(jī)械股份有限公司科技分公司，徐州 221004）

后車架是裝載機(jī)中最關(guān)鍵的部件之一，上面安裝有駕駛室、機(jī)罩、發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱、驅(qū)動(dòng)橋以及配重等。該結(jié)構(gòu)主要由鋼板焊接而成，受力較為復(fù)雜。后車架的扭曲變形嚴(yán)重影響了整機(jī)的裝配精度和外觀質(zhì)量，最直觀的表現(xiàn)為后車架與機(jī)罩間有多條閃縫，且分布不均勻[1-2]。后車架扭曲變形如圖1所示，車架尾板左側(cè)向上位移，右側(cè)向下位移。因此，優(yōu)化后車架制造工藝流程以控制其扭曲變形以提高其服役能力，是一項(xiàng)緊急且重要的任務(wù)。

圖1 后車架變形示意圖

1 結(jié)構(gòu)及流程分析

1.1 后車架結(jié)構(gòu)

后車架主要由5個(gè)部件組成，分別為后鉸接架小總成、左右梁板、副車架小總成、筋板和尾板，見圖2。其中，后鉸接架、副車架及尾板分別與左右大梁焊接形成整體。

圖2 后車架結(jié)構(gòu)圖

在裝配線上隨機(jī)測(cè)量的20臺(tái)整機(jī)中，有11臺(tái)機(jī)罩與后車架的左右框板之間有閃縫，導(dǎo)致機(jī)罩側(cè)窗不能關(guān)閉。在生產(chǎn)中隨機(jī)抽取14臺(tái)5 t天燃?xì)庋b載機(jī)，其中8臺(tái)整機(jī)因后車架扭曲變形嚴(yán)重導(dǎo)致機(jī)罩無(wú)法裝配，須進(jìn)行返修處理。

1.2 后車架制造流程

后車架制造工藝流程如圖3所示。因?yàn)殓M孔工序和焊小件工序幾乎不產(chǎn)生熱，所以后車架整體不會(huì)產(chǎn)生變形。后車架成品扭曲變形量為點(diǎn)焊扭曲變形量、機(jī)器人通焊扭曲變形量和補(bǔ)焊扭曲變形量之和。

圖3 后車架制造工藝流程

2 制造過(guò)程分析

2.1 點(diǎn)焊過(guò)程分析

點(diǎn)焊扭曲變形量為焊工藝引起的變形量和工裝尺寸超差引起的變形量之和。采用龍門三坐標(biāo)驗(yàn)證后車架點(diǎn)焊工裝尺寸精度的符合性，測(cè)量得出各尺寸均符合工裝尺寸控制要求，由此忽略y12。

隨機(jī)采集幾組點(diǎn)焊完工后后車架左右框板的高度差數(shù)據(jù)，用Minitab進(jìn)行點(diǎn)焊工序過(guò)程能力分析，發(fā)現(xiàn)整體和組內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)差差別較小，同時(shí)組內(nèi)過(guò)程能力值為1.03，過(guò)程保障能力基本滿足要求[3]，如圖4所示。

圖4 點(diǎn)焊過(guò)程分析圖

2.2 通焊過(guò)程分析

后車架通焊為機(jī)器人自動(dòng)焊接，通過(guò)對(duì)通焊完工前后數(shù)據(jù)的收集和工序過(guò)程的能力分析，結(jié)合對(duì)整體和組內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)差的觀察，得出整體和組內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)差差距較小，組內(nèi)過(guò)程能力明顯不足，而Cpk數(shù)據(jù)為負(fù)值，表明數(shù)據(jù)偏差嚴(yán)重，如圖5所示。

圖5 通焊過(guò)程分析

2.3 補(bǔ)焊過(guò)程分析

后車架在機(jī)器人焊接完工后通過(guò)上翻轉(zhuǎn)變位機(jī)來(lái)進(jìn)行余下的人工補(bǔ)焊。通過(guò)對(duì)補(bǔ)焊工序完工前后數(shù)據(jù)的收集和補(bǔ)焊工序過(guò)程能力的分析，結(jié)合對(duì)整體和組內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)差數(shù)據(jù)觀察，得出補(bǔ)焊過(guò)程的能力較好[4]。這主要是因?yàn)橥ê负筌嚰軇偠容^強(qiáng)，需補(bǔ)焊的焊縫較少。這些少量的焊縫對(duì)車架的扭曲變形基本無(wú)影響，如圖6所示。

圖6 補(bǔ)焊過(guò)程分析

通過(guò)分析焊接過(guò)程的3個(gè)階段，得出點(diǎn)焊和補(bǔ)焊工序?qū)εで冃蔚挠绊懞苄。珊雎云溆绊懀攸c(diǎn)分析后車架機(jī)器人通焊工序。采用C＆E矩陣篩選出機(jī)器人通焊工序影響變形量的關(guān)鍵性因素為機(jī)器人的焊接順序和焊接方向[5]。

3 通焊的關(guān)鍵過(guò)程分析

后車架現(xiàn)執(zhí)行的焊接程序是基于效率最高來(lái)編制的，堅(jiān)持兩個(gè)“最少”原則。一是按照工裝翻轉(zhuǎn)次數(shù)最少原則，一個(gè)變位姿態(tài)能焊接較多焊縫；二是按照焊槍空程位移最少的原則，即從一道焊縫收弧的附近開始下一道焊縫的起弧（未考慮焊接變形對(duì)后車架整體質(zhì)量的影響）。

由于后車架結(jié)構(gòu)的體積大，因此采用固有應(yīng)變和彈塑性有限元兩種方法進(jìn)行仿真計(jì)算，并結(jié)合T型接頭角焊縫和對(duì)接接頭焊縫的焊接仿真經(jīng)驗(yàn)，優(yōu)化制定焊接順序和焊接方向并驗(yàn)證。

采用固有應(yīng)變法得出后車架的Y方向位移云圖，如圖7所示。從圖7中可以識(shí)別出不同位置的焊縫對(duì)尾板位移的不同影響程度。此種算法對(duì)變形趨勢(shì)的仿真最準(zhǔn)確，但是對(duì)具體變形值的計(jì)算存在一定誤差，需結(jié)合彈塑性有限元法進(jìn)行計(jì)算分析。

圖7 固有應(yīng)變法分析

從圖8彈性有限元位移云圖可以看出：左右梁板與U型梁之間的焊縫明顯增大了尾板位置的變形量，變形量達(dá)到了4.0 mm；副車架與U型梁之間的焊縫對(duì)尾板位置的變形量也有一定的影響，變形量達(dá)到1.9 mm。

從圖9的T型接頭焊接變形規(guī)律圖中可以看出，焊縫起弧點(diǎn)變形較小（熱輸入較小），收弧點(diǎn)變形較大。

圖9 T型接頭焊接變形規(guī)律圖

采用固有應(yīng)變和熱彈塑性有限元法相結(jié)合的方法，識(shí)別重要焊縫對(duì)尾板位置焊接變形的影響，結(jié)合T型接頭角焊縫和對(duì)接接頭焊縫的焊接仿真經(jīng)驗(yàn)，制定統(tǒng)一的焊接順序，并進(jìn)行了實(shí)踐驗(yàn)證。每次驗(yàn)證測(cè)量5組數(shù)據(jù)，觀察焊接變形是否有明顯改善，最終在反復(fù)驗(yàn)證后得出其滿足焊接變形的優(yōu)化焊接順序。具體的焊接順序及方向如圖10所示，其中數(shù)字代表焊接順，箭頭代表焊接方向。

圖10 焊接順序及焊接方向

4 效果驗(yàn)證

在裝配線進(jìn)行后車架與機(jī)罩裝配間隙跟蹤與優(yōu)化，優(yōu)化后的后車架與機(jī)罩裝配無(wú)間隙。同時(shí)，收集50組完工后車架的尾部尺寸，并對(duì)后車架進(jìn)行工序能力分析，如圖11所示。可見，它的生產(chǎn)過(guò)程能力滿足要求。

圖11 改善后的過(guò)程能力

5 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)一系列改進(jìn)后，后車架的扭曲變形改善顯著。工藝人員根據(jù)后車架變形改進(jìn)經(jīng)驗(yàn)編寫了《后車架機(jī)器人焊接編程標(biāo)準(zhǔn)》作業(yè)指導(dǎo)書，可以統(tǒng)一員工的操作順序、鉚焊順序和施焊位置，保證點(diǎn)焊過(guò)程的一致性，并可以將此經(jīng)驗(yàn)推廣至裝載機(jī)其余結(jié)構(gòu)件。