引言

在我國城鐵車開發(fā)和生產(chǎn)過程中,焊接工藝、總裝工藝和涂裝工藝是關(guān)鍵的核心內(nèi)容。在不銹鋼城鐵車牽引梁焊接過程中,焊接質(zhì)量直接關(guān)系到不銹鋼城鐵車牽引梁的形狀、精度和尺寸。因此,在不銹鋼城鐵車牽引梁組焊制造過程中,只有有效地控制組焊夾具的質(zhì)量和精度,才能保證不銹鋼城鐵車牽引梁的制造質(zhì)量、最終精度,并實(shí)現(xiàn)對(duì)不銹鋼城鐵車牽引梁生產(chǎn)周期的控制[1]。

1牽引梁焊接

1.1牽引梁結(jié)構(gòu)介紹

車體鋼結(jié)構(gòu)是列車的一個(gè)重要組成部分,而牽引梁是車體鋼結(jié)構(gòu)的重要組成部分,要求必須具備必要的強(qiáng)度、剛度,以實(shí)現(xiàn)舒適、安全的運(yùn)輸,達(dá)到正常服務(wù)運(yùn)營的目的。在車體運(yùn)行過程中,牽引梁不但要把牽引力和制動(dòng)力傳遞給車鉤,而且還要承受各種設(shè)備載荷以及牽引中水平縱向和橫向沖擊載荷的作用力,因此,牽引梁必須具有足夠的強(qiáng)度和剛度,滿足相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的要求,保證列車運(yùn)行的安全性和平穩(wěn)性。

牽引梁主要是由鋼板組焊而成,由牽引梁(左/右)、牽引梁補(bǔ)強(qiáng)板(左/右)、地板梁、牽引梁下蓋板、補(bǔ)強(qiáng)板等組成,其材質(zhì)主要為0345、高強(qiáng)鋼、不銹鋼等,材質(zhì)厚度為6~12mm,車鉤座通過鉚接方式連接到牽引梁上。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

牽引梁產(chǎn)品質(zhì)量要求:牽引梁上平面度2mm/3mm,地板梁間距尺寸±1mm,車鉤座距離牽引梁尾部(1995±2)mm,車鉤座與牽引梁上平面距離公差≤3mm,焊接質(zhì)量滿足1s013920中BF級(jí)。

1.2車鉤座組對(duì)

車鉤座是列車車廂連接的重要部件,產(chǎn)品質(zhì)量的好壞直接影響行車安全。其材質(zhì)為鑄鋼,制造工藝為鑄造,通過機(jī)械加工保證后續(xù)裝配尺寸要求。車鉤座相對(duì)車體位置是最為重要的,其直接影響兩節(jié)車車鉤連接高度以及兩節(jié)車之間的距離。在組對(duì)過程中,首先要保證車鉤座相對(duì)于車體上平面距離,技術(shù)要求≤3mm,車鉤安裝孔距離牽引梁尾部公差≤2mm,然后將車鉤座段焊在牽引梁上保證相對(duì)位置。

1.3牽引梁整體組對(duì)焊接

對(duì)于地鐵列車來說,車體鋼結(jié)構(gòu)是必不可少的結(jié)構(gòu),而牽引梁是車體梁的重要結(jié)構(gòu)。牽引梁與車鉤座通過鉚接進(jìn)行連接,在牽引梁組對(duì)過程中,車鉤座與牽引梁的相對(duì)位置對(duì)整個(gè)不銹鋼車體是至關(guān)重要的。在車鉤座固定后,調(diào)整車鉤座螺栓孔與牽引梁尾部的距離,保證公差在(+2,0)mm范圍內(nèi),這樣才能保證后續(xù)整個(gè)不銹鋼車體一位端和二位端車鉤座的距離。在確定好車鉤座與牽引梁相對(duì)位置后,使用焊接方式將車鉤座與牽引梁點(diǎn)固,保證其相對(duì)位置。根據(jù)牽引梁及車鉤座的定位,組對(duì)地板梁時(shí),保證公差在±0.5mm范圍內(nèi)。組對(duì)牽引梁與牽引梁下蓋板時(shí),牽引梁和牽引梁下蓋板不是平面貼合,由于料件制造的公差,牽引梁與牽引梁下蓋板存在組對(duì)間隙,按照焊接要求,其兩板間隙要求≤0.5mm,所以需要壓緊裝置保證兩板貼合,才能保證焊接質(zhì)量。所有料件組對(duì)好后進(jìn)行復(fù)尺檢驗(yàn),并檢查相關(guān)壓緊是否可靠,確認(rèn)無誤后方可進(jìn)行焊接工作。

牽引梁組焊采用二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊的焊接方式,采用半機(jī)械化焊接,過程操作方便,沒有熔渣或熔渣很少,焊后基本上不需要清渣,具有焊接效率高、焊接速度較快、熔池較小、熱影響區(qū)窄、焊件焊后變形小等優(yōu)點(diǎn)。

牽引梁組焊主要為多層多道焊接,焊接工作量較大,總焊接熱輸入大,焊接變形不易控制。同時(shí)焊接位置較多,焊接難度各不相同,無法在固定位置上實(shí)現(xiàn)所有焊縫的焊接工作,需要一種工藝裝備將焊接可達(dá)性不好的焊縫通過轉(zhuǎn)換焊接位置,實(shí)現(xiàn)簡易操作。同時(shí)焊縫中存在塞焊,在牽引梁反裝時(shí)焊縫處于豎直狀態(tài),焊接難度超高,焊縫熔合性差,需要將牽引梁旋轉(zhuǎn)90o使塞焊焊縫處于水平位置(PA),才能保證最佳位置施焊。

在牽引梁與牽引梁下蓋板焊接時(shí),焊腳大,焊接熱輸入大,對(duì)牽引梁下蓋板和牽引梁的壓緊裝置要求強(qiáng)度和剛度極高,同時(shí)由于牽引梁反裝時(shí)需要增加反變形,所以對(duì)牽引梁兩端的壓緊裝置的壓緊力要求大,需要克服牽引梁整體剛度和強(qiáng)度,才能達(dá)到反變形的要求。

2夾緊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1工裝設(shè)計(jì)目的及思路

根據(jù)牽引梁產(chǎn)品類型,設(shè)計(jì)一種B型不銹鋼車體牽引梁組焊夾具,夾具應(yīng)適用于不同B型不銹鋼車體牽引梁的組對(duì)焊接。針對(duì)這個(gè)設(shè)計(jì)目標(biāo)進(jìn)行研究,該牽引梁是碳鋼結(jié)構(gòu),零件是由鋼板折彎成型,并帶有焊接坡口,在牽引梁焊接過程中,因?yàn)楹附幽覆脑谝欢ǚ较蛏蠠彷斎氤潭炔煌?焊接應(yīng)力方向也有所不同,進(jìn)而引起母材在不同方向上的尺寸變化各不相同,要控制這些由焊接熱輸入引起的變形,就需要設(shè)計(jì)專用工裝,使用剛性固定控制、反變形手段保證這些變形得到控制。同時(shí)牽引梁焊接時(shí),焊縫位置情況復(fù)雜,需設(shè)計(jì)可翻轉(zhuǎn)的工裝,結(jié)合焊接變位機(jī),把焊縫位置變成PA、PB,使位置復(fù)雜的焊縫變成簡單易施焊的位置,進(jìn)而降低焊接難度,也降低對(duì)焊接操作人員的技能要求,提高效率,降低勞動(dòng)強(qiáng)度。

2.2夾具設(shè)計(jì)

工裝夾具整體安裝至旋轉(zhuǎn)變位機(jī)上,主要由連接法蘭、結(jié)構(gòu)主體、壓緊裝置、限位裝置、過渡裝置等結(jié)構(gòu)組成。焊接夾具主體采用方鋼管、鋼板組焊而成,材料主要為0235、0345,焊接性能優(yōu)良,強(qiáng)度較為優(yōu)越:絲桿壓緊裝置采用45#鋼,加工后進(jìn)行時(shí)效處理。組焊夾具的夾緊方式為絲桿,連續(xù)傳動(dòng)效果好,裝配后要求夾具整體平面度≤1mm,定位塊誤差≤0.5mm,車鉤安裝座面距離夾具整體平面的高度為60EQ \* jc3 \* hps11 \o\al(\s\up 3(3mm。夾具整體結(jié)構(gòu)及工件裝夾情況如圖2所示。

圖2 夾具裝配圖

牽引梁夾具主體結(jié)構(gòu):主體結(jié)構(gòu)由方鋼管及鋼板組焊而成,鋼管壁厚8mm,鋼板厚度30mm,焊接完成后進(jìn)行整體加工,保證平面度≤0.5mm。主體結(jié)構(gòu)中增加相關(guān)筋板,保證整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。同時(shí)主體上平面增加定位塊及車鉤座限位裝置,保證車鉤座距離平臺(tái)上平面600-3mm。主體兩端焊接法蘭盤,用于連接旋轉(zhuǎn)變位機(jī),用于工裝夾具整體翻轉(zhuǎn),保證焊縫處于平焊或者平角焊位置。

壓緊限位結(jié)構(gòu):工裝夾具壓緊結(jié)構(gòu)采用龍門式,主要考慮到龍門結(jié)構(gòu)壓緊力大,操作方便,拆卸簡單。將龍門結(jié)構(gòu)壓緊焊接在主體結(jié)構(gòu)兩側(cè),位置近似工裝整體3/5處,考慮到后續(xù)換型方便,采用斷續(xù)焊接方式。

連接法蘭設(shè)計(jì):連接法蘭是連接翻轉(zhuǎn)變位機(jī)與工裝的過渡裝置,要求保證裝配孔與翻轉(zhuǎn)變位機(jī)安裝可以調(diào)節(jié),故將安裝法蘭盤安裝孔間距設(shè)計(jì)為120mm,上下可以調(diào)節(jié):寬度方向上設(shè)計(jì)為600mm,固定尺寸。鋼板采用0345,厚度30mm,機(jī)加工后厚度保證不低于25mm。采用加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)保證夾具整體強(qiáng)度。

側(cè)定位夾緊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì):工裝采用兩面使用結(jié)構(gòu),保證工裝回轉(zhuǎn)中心與變位機(jī)回轉(zhuǎn)中心重合,減小因工裝翻轉(zhuǎn)產(chǎn)生慣性帶來的危險(xiǎn)。夾緊結(jié)構(gòu)采用銷孔定位,在牽引梁吊裝完成后,將夾緊裝置用銷子定位后螺旋夾緊,實(shí)現(xiàn)裝夾快捷方便。

龍門式壓緊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì):該結(jié)構(gòu)是整個(gè)牽引梁組焊夾具的重要組成部分,與牽引梁夾具主體共同保證牽引梁上平面的重要結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)在剛度和強(qiáng)度上要求較高,龍門采用板厚30mm的0345鋼板與Tr36以上的絲桿組成。頭尾各一套龍門結(jié)構(gòu),每套龍門上有兩個(gè)壓緊裝置,在結(jié)構(gòu)上能夠?qū)ΨQ,從而保證壓緊力均勻,使?fàn)恳悍囱b時(shí)上平面與牽引梁夾具主體貼合嚴(yán)緊,保證平面度要求。

工裝放長量的確定:牽引梁由于焊接變形收縮,需在焊接前調(diào)整料件組對(duì)間隙,保證焊接收縮后符合圖紙尺寸要求。按照焊接產(chǎn)品放長量一般設(shè)定原則,工裝長度放長量為3mm,寬度方向上放長量為1mm。在長度放長量上,需要將其均分到每個(gè)定位塊上,每相鄰兩個(gè)地板梁的定位尺寸增加0.5mm。

2.3翻轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)中心計(jì)算

平臺(tái)作業(yè)單元主要由作業(yè)平臺(tái)和翻轉(zhuǎn)裝置組成,用于牽引梁的組裝作業(yè),通過翻轉(zhuǎn)裝置與翻轉(zhuǎn)支撐單元連接。牽引梁焊接時(shí)依靠翻轉(zhuǎn)裝置實(shí)現(xiàn)翻轉(zhuǎn),平臺(tái)作業(yè)單元設(shè)計(jì)時(shí),要計(jì)算牽引梁重心、平臺(tái)作業(yè)單元重心,計(jì)算公式如下:

式中:x0、y0、:0為牽引梁及平臺(tái)作業(yè)單元組合體在x、y、:軸上的重心坐標(biāo)(mm):xi、yi、:i為牽引梁及平臺(tái)作業(yè)單元各零件在x、y、:軸上的重心坐標(biāo)(mm):W為牽引梁及平臺(tái)作業(yè)單元組合體的總質(zhì)量(kg):Wi為牽引梁及平臺(tái)作業(yè)單元各零件的單體質(zhì)量(kg)。

將牽引梁及平臺(tái)作業(yè)單元各零件質(zhì)量及設(shè)計(jì)幾何坐標(biāo)代入上式,求解得出的“牽引梁及平臺(tái)作業(yè)單元組合體在x、y、:軸上的重心坐標(biāo)"與x、y、:軸上的重心坐標(biāo)重合,使翻轉(zhuǎn)過程的轉(zhuǎn)矩值降至最小,以便設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定。

3工裝的使用

工裝整體裝載在雙立柱變位機(jī)上,變位機(jī)可實(shí)現(xiàn)翻轉(zhuǎn)、升降功能的點(diǎn)動(dòng)、聯(lián)動(dòng)、自鎖功能,可實(shí)現(xiàn)±30"、±45"、±60"、±90"等多角度翻轉(zhuǎn),實(shí)現(xiàn)牽引梁焊縫的平位置焊接,一般載重規(guī)格選用5t即可滿足使用要求。工裝通過螺栓連接到變位機(jī)卡盤上,焊接夾具在使用時(shí)處于水平狀態(tài),將車鉤座吊裝在焊接夾具車鉤座定位面上,保證車鉤座與裝配面貼合:吊裝兩個(gè)牽引梁及預(yù)置地板梁,以牽引梁夾具主體尾部擋板為定位基準(zhǔn),并與水平方向上定位塊貼緊,然后用側(cè)頂緊將牽引梁固定,調(diào)整車鉤座與牽引梁尾部距離,確認(rèn)無誤后點(diǎn)固車鉤座,對(duì)兩牽引梁內(nèi)側(cè)距離進(jìn)行復(fù)查,確認(rèn)無誤后進(jìn)行牽引梁與地板梁的焊接:焊接完成后,組對(duì)牽引梁下蓋板,使用龍門式壓緊結(jié)構(gòu)將牽引梁下蓋板與牽引梁貼合,擰緊絲桿。焊接牽引梁下蓋板與牽引梁的平焊縫后,使用變位機(jī)將焊接夾具整體順時(shí)針翻轉(zhuǎn)90",將立焊縫轉(zhuǎn)換成平焊縫,利于焊接。同理完成另一側(cè)的焊接。

4結(jié)語

通過對(duì)夾具整體結(jié)構(gòu)的驗(yàn)證,夾具主體整體平面為0.6mm,定位塊整體定位誤差≤0.5mm,車鉤座高度58mm,各絲桿、壓緊裝置靈活可靠,整體滿足設(shè)計(jì)及工藝要求。在對(duì)牽引梁產(chǎn)品檢驗(yàn)過程中,牽引梁上平面平面度檢測(cè)為2mm/3mm,地板梁間距誤差為0.5mm,車鉤座距離牽引梁尾部距離為1997mm,符合產(chǎn)品技術(shù)要求。該結(jié)構(gòu)牽引梁組焊夾具已經(jīng)在不銹鋼城鐵車牽引梁焊接上得到應(yīng)用,滿足B型不銹鋼城鐵車的通用化需求,焊接夾具適用于組對(duì)和焊接,能夠?qū)崿F(xiàn)工件的翻轉(zhuǎn),對(duì)生產(chǎn)效率的提升及產(chǎn)品質(zhì)量的保證發(fā)揮了重要作用。