在起重机臂架生产中应用的新夹具

□孙　跃　□何　雷　□沙明星

江苏大学 东海机械汽配研究院　江苏连云港　222300

在起重机臂架生产中应用的新夹具

□孙跃□何雷□沙明星

江苏大学 东海机械汽配研究院江苏连云港222300

在履带起重机臂架单元生产过程中，由于具有高效、优质、经济、合理和实用的特点，柔性组合夹具取代了传统专用夹具并得到广泛应用。柔性组合夹具的灵活性好，特别是在新产品前期开发中可以降低夹具制造成本，解决了采用传统专用夹具所出现的设计、生产周期过长的问题，缩短了新产品的研发周期，降低了生产成本。

履带起重机主要由臂架、车架、转台和履带梁等几部分组成，其焊接质量的好坏直接影响到整机产品的质量与寿命。因此在设计臂架零件焊接工艺时，为保证零件的通用性和互换性，通常从拼点工序就开始使用专用夹具以保证拼装精度。起重机起重质量从50 t至4 000 t不等，需要的臂架规格也都不同，一般臂架长度分为3 m、6 m、9 m和12 m等，生产厂家需要准备几十套甚至上百套臂架夹具，存在资金重复投入、占用存放空间大等问题。此外，一整套臂架的自制夹具从设计到生产准备一般需要1至2个月时间，耗时长，资金投入大，且还存在定位精度不高、臂架连接困难等问题。

针对上述问题，国内的履带起重机制造厂商应用了国外厂家技术，如徐工建机公司已经开始使用Demmeler公司生产的柔性组合夹具用于各类臂架零件的拼点，并且取得良好的使用效果，解决了之前采用老式夹具带来的臂架互换性差、夹具生产浪费的问题。这种柔性组合夹具实际上是一种标准的孔系组合夹具，由带网格标注的孔格板形式平台、快速连接销和各种功能模块组成，原理是利用基座上的定位孔和快速连接锁紧机构，实现对夹具零件的精确定位和紧固［1］。

履带式起重机的臂架是一种空间桁架结构，由不同直径的主弦管和腹杆焊接而成。一节臂架结构件典型的生产工艺流程为臂架组管、臂架组扇、臂架组体和臂架镗孔。除镗孔工序外，其它各环节都需要用到拼点夹具，用以保证拼点精度。

1　主弦管组管

臂架组管是指将臂架主弦管的管体和两端接头进行拼点连接的工序，是整个臂架制造工艺流程的第1道工序，也是臂架组扇工序的基础。每节臂架结构中的4根主弦管在起重作业时是主受力件，拼点精度和焊接质量对臂架的刚性和强度影响很大。在过去的生产模式中，一直采用老式的自制夹具进行主弦管接头的拼点，如图1所示。

图1　老式主弦管拼点夹具

老式自制夹具由长平台、支耳和支耳座3部分组成，采用定位销定位，螺栓紧固，固定长度可调，适用于几种固定长度（3 m、6 m和9 m）臂架主弦管的拼点。当需要调整拼点长度时，操作繁琐，需要前后移动支耳座。虽然平台上加工有定位孔，但由于加工精度和夹具操作性问题，员工一般通过划线、点焊的方式调整支耳座。放置中间的连接管时，由于缺乏可调支撑，只能采用半门吊辅助、塞垫铁的方式调整，缺乏必要的测量装置，定位精度较差，无法保证接头中心线与管材中心线的同轴度。在拆卸支耳座时，还需要敲掉支耳座与平台间连接的焊点并进行打磨，会导致夹具平台的精度下降。

所采用的新式柔性拼点组管夹具如图2所示，主要由导轨、支承座、三维工作台等几部分组成。三维工作台的5个工作面上加工有等距的定位孔，使用专用的快速连接销与支耳、导轨连接，可以根据主弦管长度调整拼点尺寸。工作台面、导轨面上定位孔之间都标有刻度，可根据工件需要直观地选择相应定位孔，不需要进行测量。由于定位孔的加工精度较高，连接销连接后的刚度也高，可预留一定的收缩量补偿焊接时产生的收缩变形。在连接管高度调整方面，采用调高支架取代调整垫铁，与安装在连接头处的夹紧器和水平仪配合，解决了使用老式自制夹具时存在的调整管体高度困难、精度差和行车占用时间长的问题。

图2　柔性拼点夹具

2　臂架组扇

臂架生产的第二道工序是组扇，是指将两根主弦管与之间的腹杆拼点到一起，形成单扇。本道工序是后续臂架组体的基础，无接头单扇如图3所示。采用柔性组合夹具前，根据是否焊接连接接头，一般采用两种拼点方式：一种是直接在通用平台上画出臂架扇形线，点焊上限位板，然后按照所画的位置线，将主弦管（未焊接头）与腹杆拼点到一起，适用于后上接头的臂架；另一种方式是采用如图4所示的老式自制组扇夹具进行拼点，适用于钢管与接头焊接已完成的主弦管。第一种方式的拼点精度与员工操作水平有关，随意性很大。

图3　无接头单扇

图4　老式自制组扇夹具

老式自制组扇夹具由通用平台、支耳、长定位板和定位销轴组成，通过更换不同长度的定位板与定位销轴满足不同规格的臂架组扇工序。由于采用通用平台，无定位孔，所引起的问题与组管夹具类似：需要划线确定臂架长度尺寸，受测量影响，长度尺寸精度差；需要行车辅助调整长定位板，占用时间长，定位精度差；固定长定位板时，采用点焊的方式，拆卸后需要打磨，影响平台的精度；由于臂架规格多，需要频繁拆装长定位板，并打磨平台，员工劳动强度大，工作环境恶劣。

组扇时采用的新式柔性组扇夹具与主弦管柔性组管夹具在结构上类似，由导轨、支撑座、三维工作台及支耳等部分组成（如图5所示）。新夹具优点如下：导轨上布满等距孔，通过快速连接销可以快速准确地调整，以满足不同规格臂架组扇的拼点工作，员工操作强度低；采用尺寸较长的定位座取代老式自制组扇夹具中的长定位板，解决了长定位板加工难、定位难和平台打磨量大的问题，不但降低了制造成本，而且降低了仓储成本，组扇夹具既可用于组扇拼点，也可以在生产繁忙时用于组管拼点，既提高了利用率，又节约了夹具的采购成本。

图5　柔性组扇夹具

3　臂架组体

臂架组体是臂架生产的第三道工序，是指将组扇工序拼点完成的两个单扇用腹杆连接，构成空间桁架式结构的工序。对于带接头的单扇，拼点时一般直接将单扇左右竖直吊装在夹具上，拼点两个单扇间水平连接腹杆；对于不带接头的单扇，需要在组体工装上同时完成接头和腹管拼点。焊接完成后，对于先上接头并完成接头连接焊缝的臂架，因安排有后续镗孔工序，拼点导致的误差可以通过机加工的方式得到补偿。对于后上接头的臂架组体而言，由于直接拼焊成最终成品，拼点精度对能否顺利连臂影响很大。图6所示为原本使用较多的老式通用组体夹具，图7所示为目前使用的新型柔性通用组体夹具。

图6　老式通用组体夹具

图7　新型柔性通用组体夹具

老式通用组体夹具主要由通用平台、靠山结构（支撑定位结构的俗称）、支耳及相应的连接销轴组成。传统的工艺流程如下：首先在靠山上画出拼点臂架4个接头的支耳位置尺寸，其次将4个支耳拼点在靠山上，再穿轴连接两片单扇，最后拼点中间的水平腹杆。这种操作方式主要依赖于员工的划线经验，由于划线精度较差，需要反复调整支耳水平间距和高度间距，但还是难以保证拼点精度，导致所有的臂架焊接后，由于变形大需要进行镗孔。后期对这种夹具进行改进，在靠山上加工定位销孔和连接螺栓孔，并将左右中一侧的上下两个支耳做成整体式支耳挂板。安装工装时，只需要调整水平间距即可，拼点精度有了一定提高。但是随着新产品更新换代，加之支耳挂板的设计、制造周期长，通用性差，在完成多种产品制造后又累积了大量支耳挂板，重新又面临了专用工装通用性差的问题。由于制造精度问题，靠山上的定位孔也难以符合设计要求，在制造中又不得不划线调整间距，并通过行车辅助调整，点焊固定靠山。每次夹具调整一般都需要3名员工和4～8 h的准备时间，时间约占组体拼点工时的一半。

通过使用新式柔性组合夹具，操作性和拼点效率都得到了很大提高。在操作性上，新靠山的工作面上加工有标准定位销孔，并使用快速连接销，取代了之前“定位销+螺栓”“划线+点焊”的固定方式，减少了拧螺栓、点焊时间，降低了员工劳动强度。此外，新靠山上的连接孔间标有刻度尺寸，利用CAD软件模拟单扇装夹后，可以直接根据尺寸选择合适的定位孔，不需要再划线定尺才，靠山一次装夹到位，大大减少了夹具的调整时间。定位孔精度高，采用单支耳的形式也可以满足臂架的拼点要求，取代了整体式支耳板，降低了生产成本与夹具的维修保养成本。对于部分类型的臂架结构产品而言，目前已经可以做到焊后不需要进行镗孔加工，新组体夹具的装夹调整时间缩短至2h，不再成为现场员工的头疼问题。

4　结论

拼点和焊接的影响导致臂架变形大，为保证臂架能够顺利连臂，一般都需要对接头进行镗孔加工，保证每组4个连接孔之间的空间尺寸。臂架的镗孔工序需要使用大型双面落地镗铣床，设备的采购和维护成本很高，增加了臂架的制造成本。通过采用新型柔性组合夹具，目前已经做到了200 t以下臂架产品免镗孔，并且可顺利连臂。

在臂架结构的拼点工序中引入柔性组合夹具，极大提高了生产效率和质量。柔性组合夹具的模块化、柔性化和可重复利用率高等特点，在产品更新换代快、型号规格多的现状下，极大地满足了生产的需要［2］。虽然夹具一次采购成本高，但是随之而来的夹具调整时间缩短、拼点精度提高和免镗铣加工等诸多优点，减小了工装管理成本，从而降低了产品的制造成本，提高了竞争力，因此，新型柔性组合夹具可以取代大批老式夹具，在工程机械制造领域具有很好的应用前景。

［1］余建军，任治军，王辉.先进焊接工装夹具及其在机械装备制造业中的应用［J］.机床与液压，2011，39（12）：115-121.

［2］刘泉.三维组合焊接夹具在纺织机械生产中的应用［J］.纺织机械，2010（6）：39-41.

Jib unit during the production process of crawler crane，flexible modular fixture is widely used to replace the traditional fixture due to high efficiency，high-quality and its economical，reasonable and practical features.Flexible modular fixture has sound flexibility，particular in the primary stage development of new products it can reduce the costs in fixture manufacturing and solve the problem of long lead-time in design and production of traditional special fixtures.As the result it may shorten the development cycle of new product and reduce the manufacturing cost.

履带起重机；臂架；夹具

Crawler Crane；Arm Support；Fixture

TH163；TG754

B

1672-0555（2016）02-041-04

2016年2月

孙跃（1984—），男，硕士研究生，主要从事夹具设计和有限元分析等工作