基于高频焊接技术的磨边轮专用夹具设计与研究*

2018-05-07钟震声卢桂萍黄键坤冼华龙李东钦

机电工程技术 2018年3期

钟震声，卢桂萍，黄键坤，冼华龙，李东钦

（北京理工大学珠海学院工业自动化学院，广东珠海 519088）

0 引言

在瓷砖磨边轮的金刚石合金刀头和刀基的人工焊接过程中有许多问题，例如粘结剂毒性对焊接工人的伤害、银焊片管理上的纠纷、金刚石合金刀头焊接的效率低下等问题，为解决诸如此类的问题，响应国家提出的中国制造2025发展计划，实现自动化转型升级，针对磨边轮的焊接[1-3]自动化设计了专用夹具[4-10]。并在此研究基础上，研发一款可以一次性焊接一个磨边轮刀头数量的全自动焊接机，一方面保证了金刚石合金刀头的焊接效果，提高生产效率；另一方面，由于融入自动化技术，使得整个过程无需人工干预，提高了产品质量和生产安全性，改善了磨具行业的工艺规程和改善生产环境。

1 工艺分析

图1 瓷砖磨边轮图

金刚石合金刀具——磨边轮如图1所示，它由1个刀基和29个金刚石合金刀头通过银焊片和焊剂在高频感应高温（1 000℃）的环境下焊接而成。刀基放置于焊接机工作台上，银焊片和焊剂放置在刀头和刀基之间的配合面，29个刀头按照正确的位置排列在刀基上，然后专用夹具对工件进一步定位和夹紧。

2 专用夹具设计

文中仅以焊接前一道工序进行夹具设计。工件的焊接面为29个金刚石合金刀头和刀基的配合面，且每一个金刚石合金刀头和刀基焊接的牢固

程度对工件质量有着决定性的影响，金刚石合金刀头的焊接位置以刀基的外圆柱面为基准。

图2 专用夹具整装结构示意图

2.1 工件的定位方式及定位元件

根据工件定位基面的形状和定位元件的结构特点选择定位元件。工件的定位面分别为底面平面和外圆柱面，

选择底平面的定位元件为支承板，限制自由度X̑，Y̑，Z⇀；选择外圆柱面的定位元件为定位套，限制自由度X→，Y→ ；自由度 Z̑对工件定位无影响，故不用限制该自由度。

图3 专用夹具爆炸结构示意图

2.2 定位元件的主要技术要求

对定位元件的要求有：

（1）足够的精度，保证工件的定位精度；

（2）足够的强度和刚度，定位元件在受工件重力、夹紧力和高温热力的作用时，不应变形和损坏，否则会影响工件的定位精度；

（3）较好的工艺性，定位元件应便于制造、装配和维修。

基于上述元件要求，外圆柱面限位装置和内径辅助定位夹紧装置利用非感应铜材料螺栓加装陶瓷垫片，实现隔热和耐高温等效果，阻隔热量从工件向气缸方向传递而损害气缸，减短气缸使用寿命。

2.3 定位误差的分析与计算

定位误差是由于工件在夹具上的定位不准确而引起的加工误差ΔD。定位误差的主要来源有两个方面，分别是基准不重合误差ΔB和基准移动误差ΔY。

（1）产生定位误差的原因

在磨边轮的金刚石合金刀头和刀基的高频感应焊接中，对工件的定位误差有两个，一个是底平面的定位，另一个是外圆柱面的定位。

对底平面的定位误差分析：

工件以平面定位时，由于定位副容易制造得准确，可视ΔY1=0，故只计算ΔB1即可。

工件的工序基准为刀基与金刚石合计刀头的接触面，即为刀基的顶面，而工件的定位基准为刀基的底面，此时工件的工序基准与定位基准不重合，故存在基准不重合误差ΔB1。

对外圆柱面的定位误差分析：

工件以外圆柱面作为定位基准时的定位误差，与工件外圆的制造精度、定位元件的放置形式、定位基面与限位基面的配合性质及工序基准与定位基准是否重合等因素有关。

工件以外圆柱面在套筒上定位，定位基准为工件外圆柱面，定位套筒的内孔圆柱面为限位基面，工序基准也是工件外圆柱面。工件的工序基准和定位基准重合，故ΔB2=0。

针对外圆柱面作为定位元件，结合类弹性可涨心轴机构，进行复合定位，保证金刚石合金刀头的外圆柱面和套筒内孔圆柱面无相对位移，因此ΔY2=0。

（2）定位误差的计算

如图，工件以底面定位焊接机工作台面，工序基准为工件顶面，定位基准为底面，焊接机的感应线圈位置不变，由于一批工件中尺寸15±0.05的公差使工件顶面（工序基准）位置在一定范围内变动，从而使焊接平面偏移感应线圈工作最佳平面。

为消除ΔB1对焊接加工的影响，让感应线圈的轴向长度与工件工序基准面进行适配，使工件工序基准面始终处于感应线圈的良好工作范围内。

图4 刀基零件图

2.4 工件的夹紧

工件定位之后，在高频感应焊接加工之前，必须采用夹紧装置将其夹紧，以保证工件在加工过程中，在粘结剂的浮力、惯性力、重力等的作用下不产生位移或振动，影响焊接质量。

2.5 夹紧装置的组成和基本要求

夹紧装置由力源装置、中间传力机构和夹紧装置三大部分组成。（1）力源装置，采用气动装置作为力源装置。（2）中间传力机构，采用弹性定位机构，使力的大小和方向不变，改变力的作用面。

（3）夹紧元件，即为夹紧装置的最终执行元件，它与工件直接接触，把工件夹紧。由于高频感应焊接过程中的高温环境，采用陶瓷材料制成陶瓷压头作为夹紧件，这样就可以达到耐高温和在一定程度上阻隔热传导。夹紧装置采用各个刀头夹紧的方案，使用29个陶瓷压头配合铜套、自制气缸和机米螺丝，在作用力和反作用力的基础上改变夹紧装置的受力面，延长夹紧力的行程，实现每个金刚石合金刀头进贴在刀基上顶面，使焊接质量得到保障，避免产生类似砂轮脱粒的现象，即刀头焊接不稳固。

2.6 夹具的使用

刀基在焊接机的工作台上，底平面定位完成，银焊片和焊剂已放置于刀头于刀基之间的配合面，夹具夹持29个刀头，使之按照正确的位置排列于刀基上。此时，专用夹具位于工件正上方，夹具垂直向下移动到指定平面后焊接夹具外圆柱面限位装置径向合拢至工件工序基准面——外圆柱面，对工件进行限位。然后，刀头内径辅助定位机构对刀头进一步定位，使29个刀头的外圆柱面紧贴外圆柱面限位面，外圆柱面定位完成。最后夹紧装置在气缸的推动向下夹紧工件等待焊接。在焊接的过程中，通过焊接机工作台的正反转和专用夹具的压头轴向上下微量移动挤出银焊片和焊剂中的气泡，提升焊接质量。

3 有限元分析

由(2)和(3)解得： F≥4 N （4）

Ff（摩擦力），G（重力），F（夹紧力）， μ（摩擦系数）

根据受力分析结果，和夹具实际应用，进行有限元分析中的静应力分析。

选用实体网格类型，具体信息见表2和表3；解算器类型为FFEPlus；自动结合不兼容选项；打开计算自由实体力。

对单个金刚石合金刀头进行受力分析，计算夹紧力。查表得金刚石和金属的摩擦系数为0.1～0.15，取0.1计算。

表1 材料属性表

表2 网格信息表

表3 网格信息-细节表

有限元分析结果如图5所示。

静态应变最大值为ε1max=0.000 001 782。

静态位移（URES：合位移）最大值为S1max=0.003 801mm。

最小安全系数为n1min=860。

为缩小感应线圈内径，提高感应器的效率；与此同时，降低静态应变和位移的最大值，提高安全系数，减轻机身重量，特进行优化设计，优化设计结果见图6。

静态位移（URES：合位移）最大值为S2max=0.000 011 79 mm，节：4605；最小值为S2min=0 mm，节：1238。

应变（ESTRN:对等应变），最小ε2min=6.425 26 e-012，单元： 8326；最大ε2max=8.575 13 e-008，单元：5508。

最小安全系数为n2min=24000，节：4593；最大n2max=2.46599e+008，节：3542。

合力情况见表4和表5。

如表5所示，优化设计不仅减轻了机身重量，还大大提高了位置精度。

4 结束语

图5 有限元分析1图

本文中的金刚石合金刀具专用夹具通过三组驱动气缸分别连接焊接夹具外圆柱面限位装置、内径辅助定位装置和夹紧装置施加径向力和轴向力，实现金刚石合金刀具的外圆柱面定位和轴向定位夹紧，且在29个陶瓷弹性夹紧机构下压紧29个金刚石合金刀头，让每个金刚石合金刀头的焊接质量得到保证。根据高频感应焊接原理，通过感应线圈在工件工序基准面上加热，使银焊片和焊剂在1 000℃环境下焊接刀基和金刚石合金刀头，实现磨边轮的自动化焊接加工。