细长扁盒形薄壁结构件制造工艺优化措施

岳佳宏，韩巧珍，李青，杨军良，孟璇，高杨，秦国方

1.山西航天清华装备有限责任公司 山西长治 046012

2.火箭军装备部驻长治地区军事代表室 山西长治 046012

1 序言

某细长扁盒形薄壁结构件是某车中的重要部件，在使用过程中承受两种工况下的载荷，主要由架体、托座、前后活动机构等组成，架体和托座均为黑色金属焊接结构件，其焊接质量及焊接生产效率是本产品制造的关键点。

本文从零件生产、部件装配、部件焊接、部件机加工4方面，制定了工艺优化措施，提高了产品生产效率及质量，满足了批量生产的要求。

2 细长扁盒形薄壁件结构特点及主要问题

2.1 结构特点

架体是由两件支耳、厚度6m m的上板及下板、厚度10m m的左封板及右封板形成的长度约6000mm、高度约110mm的扁盒形结构（见图1），钢板材料均为HG785D高强钢板。

图1 架体结构示意

托座是由插接式钢板、筋板组成的狭小空间密集焊缝型构件，如图2所示。钢板材料均为HG785D高强钢板，轴套材料为30CrMnSiA钢。

图2 托座示意（去除上端引弧板后）

2.2 主要问题

（1）零件生产问题 本结构中多数零件为弯形件，零件材料均为HG785D高强钢板。该材料强度高、压型回弹大、不易掌控，前期生产时，采用自制压模压制成形，但成形效果差，质量一致性较差，多数需要通过二次校形修制，影响后续装配及焊接生产效率。

架体中的支耳生产过程较长，导致装配等待时间加长。

托座中钢板与钢板之间的焊缝均需焊接，但多个零件没有避让焊缝的倒角，这就给钳工增加了大量修挫工作量，不利于批量生产。

（2）部件装配问题 部件装配时，在普通平台上划线装配各部件，因为受人为因素影响，装配质量不稳定，一致性较差，所以不便于后续机器人焊接，且装配效率低，不利于批量生产。

（3）部件焊接问题 架体中主要有4条长焊缝、两圈I级焊缝，且两圈I级焊缝焊后要求超声波检测。

由于钢板厚度薄、截面小，所以 4条长焊缝焊后产生扭曲变形，架体表面不平，不满足整体平面度≤2mm的技术要求。对架体采用压力机校形后，平面度仍然不满足技术要求。

两圈I级焊缝质量要求采用超声波检测，由于是封闭结构，坡口背面无法清根，要求焊缝单面焊双面成形，才能满足I级要求，前期生产时采用预留装配间隙的方法进行混合气体保护焊，这对焊工来说要求很高，因此致使两圈I级焊缝检测合格率较低。

（4）部件加工问题

1）前期生产时，由于受到焊接变形的影响，所以部件加工时检测两支耳上表面不平度约2mm。本结构件装到车上后，与该支耳表面装配间隙仅有1.6mm，因此为满足使用要求，前期工艺方案为：焊后加工该支耳上平面，加工后对支耳进行超声波检测，满足检测要求后方可使用。该方案不仅增加了大设备占用时间，而且还增加了检测工序，使生产成本增加，生产效率很低，不利于大批量生产的要求。

2）该结构件中有两处油杯孔，原先位置为10°方向，加工时需要调整铣头角度才能加工，不利于批量生产。

3）该结构件中有两处漏水孔，原先尺寸为φ4mm，由于深度较深，所以加工时容易断刀，且断刀后不易取出。

4）该结构件中有4处电安装板，按照图样要求，安装板上的安装孔原先在细长扁盒形薄壁结构件中焊后加工，安装板如图3所示。由于安装板厚度为5mm，且位置伸出架体外，所以刚性差，加工时颤动厉害，加工后的尺寸稳定性差，且加工时需要翻转工件，重新装夹找正，增加了加工辅助时间，不利于批量生产。

图3 安装板位置

3 细长扁盒形薄壁结构件制造工艺优化措施

3.1 零件制造

（1）弯形件 针对不同折弯半径的弯形件，设计相应压模，经过对回弹量的理论计算，并不断试模，最终做出工装实物。采用相应压模后，各弯形件压制成形质量高、一致性好，大大提高了生产效率。某R110mm、R150mm压型使用的压模及环形封板实物如图4～图6所示。

图4 R110mm压模图样

图5 R150mm压模图样

图6 环形封板实物

（2）架体中支耳 该零件上的方孔需要插入支耳加强筋，方孔不允许留铣刀圆角，原工艺采用外协电火花处理圆角，零件加工周期长。因此，工艺优化为支耳上的方孔允许留铣刀圆角R5mm，并且将支耳加强筋插接处加工成R5mm，满足装配要求。支耳及支耳加强筋焊后状态如图7所示。

图7 支耳及支耳加强筋焊后状态

对于支耳图样中某尺寸公差，要求很高，为满足该尺寸公差，操作工往往需要耗费更多时间来保证尺寸，但对于焊接件来说，该尺寸不需要这么精准的公差。因此，工艺将该尺寸公差0.02mm优化为0.2mm，降低加工难度，加快生产进度，满足大批量生产要求。

（3）托座中零件 托座内部焊缝密集，所有位置均需施焊，但多数零件没有避让焊缝的倒角。经过工艺设计协同，在零件加工时，提前增加倒角，避免装配时等待，减少钳工修挫工作量，提高了生产效率，有利于产品的批量生产。

3.2 部件装配

采用柔性装配定位工装，该工装包括柔性平台及定位角尺、定位平尺，柔性平台平面度精度高，平台上的孔间距为（100±0.05）mm，钳工划线时根据孔距可以很快放样，定位后不再变更，再次装配时直接符线装配即可，这样提高了装配效率及装配质量，同时采用同心杆、等高块，从而保证支耳孔的同轴度要求、托座上的支耳孔与架体中支耳孔的水平距离及垂向距离。这样不仅提高了装配质量，而且可以确保后续机加工余量满足要求。装配局部如图8所示。

图8 装配局部

综上所述，投入柔性装配定位工装、同心杆、等高块后，不仅可以实现快速装配，提高部件装配质量及一致性，还为后续机器人自动焊的应用奠定了坚实基础，而且满足批量生产的要求。

3.3 部件焊接

（1）架体焊接 针对4条长焊缝，采用双工位机器人焊接工装，通过工装两侧的低三角架和高三角架使旋转轴与水平面呈相应的角度来补偿，确保长焊缝在产品处于竖直位置时保持水平状态，并通过减速电动机和传感器实现细长扁盒形薄壁结构件水平和竖直位置的快速转换，一次装夹焊接两个产品，且不需要反复找正，节约了辅助时间，实现了机器人自动化[1]及对称焊接。焊后焊缝外形美观，变形较小，经过压力机简单校形后，满足整体平面度≤2mm的要求。此外，架体上中间3处封板焊缝也可采用机器人焊接，大大降低了工人劳动强度，提高了生产效率与焊接质量。焊接局部如图9所示。

图9 焊接局部

针对支耳处的两圈I级焊缝，采用手工氩弧焊打底＋混合气体保护焊盖面的方法[2]，实现了单面焊双面成形，且降低了焊工操作难度。焊接完成后，经过超声波检测，焊缝质量满足I级标准要求。氩弧焊打底焊接参数见表1。

表1 氩弧焊打底焊接参数

（2）托座焊接 由于托座为对称件，所以焊接时采用对称焊接方法，且托座上的支耳孔内穿入同心杆，保证其同轴度，焊后再将其去除，有效减小了托座焊接变形[3]。

3.4 部件加工

1）针对支耳，为满足使用要求且不受焊接变形影响，经过与设计沟通，更改与其装配的部件结构。优化结构后，支耳不再受间隙的影响，不仅满足使用要求，同时省去了对支耳上平面的加工及超声波检测，提高了产品生产效率。

2）针对油杯孔，取消10°方向，改为垂直向下，加工时节省了调整铣头角度的辅助时间。

3）针对漏水孔，将原φ4mm改为φ6mm，钻头加粗后，刚性加强，有利于制孔，减小断刀风险。

4）针对4处安装板上的安装孔，将安装孔在各零件上制成，部件加工完成后，在架体上调整合适位置后，与电动机配焊，保证电动机顺利装配。

4 结束语

通过分析细长扁盒形薄壁结构件生产过程中各环节存在的问题，提炼出可以通过工艺优化得到改善的地方，得出以下结论。

1）为满足产品批产要求，工艺与设计必须协同，优化设计结构细节，优化公差尺寸，可以减少工序流转，提高生产效率。

2）对于高强钢板、大折弯半径的零件，可以采用一次或多次压制成形压模，提高产品弯形质量。

3）引入柔性平台、装配定位工装、同心杆及等高块，给装配带来极大方便，大大提高了生产效率，也提高了产品装配质量及一致性。

4）采用双工位机器人焊接工装，实现了机器人自动化焊接，可大大减小焊接变形，降低校形难度，提高了产品焊接效率与质量，满足了大批量生产要求。

5）调整加工顺序的方法，提高了部件加工效率与质量，满足了批量生产的要求。