导电杆焊缝加工装置的设计

2021-05-19刘拥军张全民陈思远丁森

金属加工(冷加工) 2021年4期

刘拥军，张全民，陈思远，丁森

河南平高电气股份有限公司河南平顶山 467001

1 序言

随着输配电技术的不断发展，气体绝缘金属封闭式组合电器（GIS）生产规模越来越大，导电杆作为GIS筒体内部传输电流的主要原件，其需求量也随之增加。为了减轻导电杆的质量并降低制造成本，一般设计为焊接结构，最为典型的结构形式为在铝管的两端焊接上铝材的镀银接头。通常情况下，焊接焊缝会高出母材2～4mm，需要将焊缝凸出部位打磨平滑，以前采用的工具是风动砂轮，工作效率低，劳动强度大，噪声大，且打磨质量受操作人员的熟练程度、操作技能水平等因素限制，稳定性差。为解决这些问题，根据导电杆的结构特点，我们查阅了机械设计的相关资料，设计制造出一种简易实用的加工装置，先用切削加工的方法将焊缝凸出部分去除，再用风动砂轮打磨圆滑，实现提高生产效率、降低劳动强度的目的。

2 存在的问题

气体绝缘金属封闭式组合电器产品上使用的导电杆（焊缝打磨前后状态对比见图1），其原材料为铝合金6063，固溶处理后硬度达到75～90HBW，其结构形式基本都是在铝管的两端焊接上镀银接头，焊接后的焊缝会高出母材2～4mm，焊缝区域的硬度一般和母材相当或略低一些。导电杆的规格型号较多，一般长度在2000～5000mm，成品的质量大部分为20～50kg。由于开关设备产品内部对电场的要求比较高，需要将焊接后产生的焊缝打磨平滑才能装配到产品上，传统的方法是采用风动砂轮进行打磨处理，其他制造业的方法也都大同小异，这种手段虽然能够满足导电杆加工的需要，但是在长期的生产实践中，这种操作方法存在以下几方面的问题。

1）操作人员手持砂轮作业长时间保持同一姿势，身体容易疲劳，劳动强度大。

2）焊缝凸出部分打磨后全部转化为粉尘，对环境的影响较大。

3）操作人员作业长期近距离接触粉尘和噪声，对身体健康危害较大。

4）由于打磨的磨削量很小，需要反复多次打磨，其生产效率低。

图1 导电杆焊缝打磨前后状态对比

5）操作人员手持砂轮不够平稳，焊缝外观质量难以保证。6）焊缝的打磨量较大，砂轮的损耗快，消耗量大，生产成本居高不下。

3 改进措施

为解决上述导电杆焊缝加工存在的问题，我们设计制造出一种简易实用的焊缝加工装置（见图2），并进行了运动学分析与仿真，用铣削加工的方法替代砂轮打磨，降低劳动强度，提高生产效率和加工质量，降低对环境的污染和人体的伤害。

图2 导电杆焊缝加工装置结构

图3 限位装置结构

该装置主要包含支撑部分、动力及刀具部分、机械传动及调整部分、辅助及防护部分和电气控制部分。支撑部分的底部设有4个万向轮，便于人力推动该装置在车间自由移动，方便不同的加工工位，到达预定位置后进行锁紧。

加工时导电杆的两端放置到滚轮架上，无需固定及定位，滚轮架由电动机驱动旋转，通过摩擦力带动导电杆同步旋转，转速可根据加工需要进行调整。加工导电杆时需要的小幅度位置调整通过可折叠的悬臂来实现，与导轨配合能够实现电主轴及铣刀位置上下、前后、左右的自由调整，从而对导电杆焊缝位置进行精确定位、加工。

电主轴下端设有刀具随动限位装置（见图3），用来调整铣削焊缝时的吃刀量，避免损坏刀具或者伤及导电杆。

为减轻操作力量，该装置设计有配重块，可以根据电主轴运动需要施加力量的大小来调节配重块的质量，直至电主轴能够灵活地上下运动。

动力及刀具的选择是焊缝加工装置的核心，电主轴带动并控制铣刀对焊缝进行加工，电主轴可实现0～6000r/min范围内的无级调速，恒定铣削速度时，电主轴功率按照下式进行计算：

式中，MRM是每千瓦功率的切削能力[cm3/（min·kW）]，通常取20cm3/（min·kW）；d是铣削深度（m m）；W是铣削宽度（m m）；Ft是每转进给量（m m/r）；N是铣刀的齿数；ns是主轴转速（r/min）。

联接块上端与电主轴联接，下端通过螺栓与固定端盖固接，固定端盖外圆设有一段螺纹与过渡螺母螺纹配合，过渡螺母两侧钻有螺纹孔，通过调节定位螺钉控制过渡螺母在固定端盖上的上下位移，进而限制限位件在轴向的最高点；限位件两侧设有长圆孔，通过联接螺栓将限位件挂接在固定端盖上，因固定端盖与限位件为间隙配合，所以过渡螺母位置固定后，限位件可沿长圆孔上下移动，依靠重力作用可自由滑落到轴向最低点；定位轮与限位件的轴销为间隙配合，可随导电杆自由旋转。

3.1 功能介绍

支撑部分：包含件1、件4、件16（见图2，下同），该部分是焊缝加工装置的基础框架，件1是为方便移动该装置设计的滚轮。

动力及刀具部分：包含件10、件12。该部分是焊缝加工装置的核心，分别是电主轴和铣刀。电主轴带动并控制铣刀对焊缝进行加工，电主轴可实现0～6000r/min范围内的无级调速，铣刀采用DLC涂层钨钢铣刀。

机械传动及调整部分：包含件2、件3、件5、件7、件8、件9、件11、件13、件14、件15及件22。其中，件2是配重块，用于调节电主轴及铣刀运动的灵活性；件5是钢丝绳，连接配重块；件3是滑轮，作为钢丝绳运动的支撑滑轮，左右两端各设置1个；件7是钢丝绳的连接接头；件8是折臂焊装，具有折叠功能，中间由4节合页装配后组合而成，可以对电主轴及铣刀进行前后左右的位置调节；件9是固定电主轴的固定板；件11是刀具限位装置，一是调节吃刀量，二是通过设置的滚轮支撑到导电杆的外圆实现对焊缝的精准控制，保护导电杆和铣刀不受损伤；件13是装配折臂焊装的轴销；件14是上下方向的导轨，用于调节电主轴和铣刀的上下位置；件15是导轨的限位板，最上端和最下端各设置1个；件22是用于对电主轴和铣刀施力的手柄，以手工施力升降电主轴，将铣刀精准放置到被加工焊缝上，加工过程中需要人力按压住手柄以保持铣刀的正常切削。

辅助及防护部分：包含件17、件18、件19、件20、件21。其中，件17是推动该装置移动的把手，其余为防护挡板。

电气控制部分：包含件6、件23。件6是控制电主轴运动的变频器和调节按钮，并带有电源开关；件23是电主轴的起动和停止开关，安装在手柄上非常方便操作。

3.2 使用说明

安装调试：该装置安装过程不再介绍。安装后需要进行调试测试，一是调试电气开关的稳定性及电主轴的转速，通过件6上的调节旋钮来实现；二是调试机械结构传动的灵活性，手握件22进行推拉及升降操作，如有卡滞，可通过增加或减少件2的数量来调节操作力量，直至运动灵活。

设备就位：打开件1上的自锁机构，紧握件17将该装置推到待加工导电杆工位后，锁紧滚轮，防止加工时滑移。

加工前准备：双手握紧件22将电主轴及铣刀置于待加工导电杆的上方，根据焊缝状况调节刀具限位装置，将铣刀伸出长度调至合理位置。

加工过程：开启滚轮架电源，使其带动导电杆开始转动，然后下压件22，使电主轴及铣刀将刀具限位装置上的滚轮与导电杆的外圆靠紧，左手按下件23起停按钮开始加工，加工过程双手应保持对件22手柄施力，确保滚轮与导电杆外圆的紧密接触，以保证加工的切削深度均匀恒定。导电杆转动一周后完成加工，抬起件22并再次按下件23起停按钮关闭电主轴，切断电源。

图4 使用焊缝加工装置加工情况

图5 风砂轮打磨情况

4 试验验证

通过开发导电杆焊缝加工装置，使用切削加工（见图4）的方法替代了手持风砂轮对焊缝凸出部分的打磨（见图5），提高了作业的自动化水平，降低了劳动强度，减少了粉尘和噪声的产生，提高了生产效率和加工质量，改善了操作人员的工作环境。由于导电杆要求非常平滑，使用该装置加工后存在局部尖角、毛刺，仍需要打磨处理，但是打磨量极其微小。