装载机后车架扭曲变形控制

2021-10-27丁大状

现代制造技术与装备 2021年9期

丁大状

（徐工集团工程机械股份有限公司科技分公司，徐州 221004）

后车架是装载机中最关键的部件之一，上面安装有驾驶室、机罩、发动机、变速箱、驱动桥以及配重等。该结构主要由钢板焊接而成，受力较为复杂。后车架的扭曲变形严重影响了整机的装配精度和外观质量，最直观的表现为后车架与机罩间有多条闪缝，且分布不均匀[1-2]。后车架扭曲变形如图1所示，车架尾板左侧向上位移，右侧向下位移。因此，优化后车架制造工艺流程以控制其扭曲变形以提高其服役能力，是一项紧急且重要的任务。

图1 后车架变形示意图

1 结构及流程分析

1.1 后车架结构

后车架主要由5个部件组成，分别为后铰接架小总成、左右梁板、副车架小总成、筋板和尾板，见图2。其中，后铰接架、副车架及尾板分别与左右大梁焊接形成整体。

图2 后车架结构图

在装配线上随机测量的20台整机中，有11台机罩与后车架的左右框板之间有闪缝，导致机罩侧窗不能关闭。在生产中随机抽取14台5 t天燃气装载机，其中8台整机因后车架扭曲变形严重导致机罩无法装配，须进行返修处理。

1.2 后车架制造流程

后车架制造工艺流程如图3所示。因为镗孔工序和焊小件工序几乎不产生热，所以后车架整体不会产生变形。后车架成品扭曲变形量为点焊扭曲变形量、机器人通焊扭曲变形量和补焊扭曲变形量之和。

图3 后车架制造工艺流程

2 制造过程分析

2.1 点焊过程分析

点焊扭曲变形量为焊工艺引起的变形量和工装尺寸超差引起的变形量之和。采用龙门三坐标验证后车架点焊工装尺寸精度的符合性，测量得出各尺寸均符合工装尺寸控制要求，由此忽略y12。

随机采集几组点焊完工后后车架左右框板的高度差数据，用Minitab进行点焊工序过程能力分析，发现整体和组内标准差差别较小，同时组内过程能力值为1.03，过程保障能力基本满足要求[3]，如图4所示。

图4 点焊过程分析图

2.2 通焊过程分析

后车架通焊为机器人自动焊接，通过对通焊完工前后数据的收集和工序过程的能力分析，结合对整体和组内的标准差的观察，得出整体和组内的标准差差距较小，组内过程能力明显不足，而Cpk数据为负值，表明数据偏差严重，如图5所示。

图5 通焊过程分析

2.3 补焊过程分析

后车架在机器人焊接完工后通过上翻转变位机来进行余下的人工补焊。通过对补焊工序完工前后数据的收集和补焊工序过程能力的分析，结合对整体和组内的标准差数据观察，得出补焊过程的能力较好[4]。这主要是因为通焊后车架刚度较强，需补焊的焊缝较少。这些少量的焊缝对车架的扭曲变形基本无影响，如图6所示。

图6 补焊过程分析

通过分析焊接过程的3个阶段，得出点焊和补焊工序对扭曲变形的影响很小，可忽略其影响，重点分析后车架机器人通焊工序。采用C＆E矩阵筛选出机器人通焊工序影响变形量的关键性因素为机器人的焊接顺序和焊接方向[5]。

3 通焊的关键过程分析

后车架现执行的焊接程序是基于效率最高来编制的，坚持两个“最少”原则。一是按照工装翻转次数最少原则，一个变位姿态能焊接较多焊缝；二是按照焊枪空程位移最少的原则，即从一道焊缝收弧的附近开始下一道焊缝的起弧（未考虑焊接变形对后车架整体质量的影响）。

由于后车架结构的体积大，因此采用固有应变和弹塑性有限元两种方法进行仿真计算，并结合T型接头角焊缝和对接接头焊缝的焊接仿真经验，优化制定焊接顺序和焊接方向并验证。

采用固有应变法得出后车架的Y方向位移云图，如图7所示。从图7中可以识别出不同位置的焊缝对尾板位移的不同影响程度。此种算法对变形趋势的仿真最准确，但是对具体变形值的计算存在一定误差，需结合弹塑性有限元法进行计算分析。

图7 固有应变法分析

从图8弹性有限元位移云图可以看出：左右梁板与U型梁之间的焊缝明显增大了尾板位置的变形量，变形量达到了4.0 mm；副车架与U型梁之间的焊缝对尾板位置的变形量也有一定的影响，变形量达到1.9 mm。

从图9的T型接头焊接变形规律图中可以看出，焊缝起弧点变形较小（热输入较小），收弧点变形较大。

图9 T型接头焊接变形规律图

采用固有应变和热弹塑性有限元法相结合的方法，识别重要焊缝对尾板位置焊接变形的影响，结合T型接头角焊缝和对接接头焊缝的焊接仿真经验，制定统一的焊接顺序，并进行了实践验证。每次验证测量5组数据，观察焊接变形是否有明显改善，最终在反复验证后得出其满足焊接变形的优化焊接顺序。具体的焊接顺序及方向如图10所示，其中数字代表焊接顺，箭头代表焊接方向。