牛偉強(qiáng)，呂浩，唐春，蔣勇，陳科，猶安模，張國(guó)亮

(1.重慶紅宇精密工業(yè)有限責(zé)任公司民品技術(shù)中心，重慶402760;2.華僑大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院，福建 廈門361021)

0 前言

隨著汽車工業(yè)的不斷發(fā)展，自動(dòng)檔轎車傳動(dòng)關(guān)鍵部件液力變矩器需求急劇增加，為擺脫液力變矩器主要靠引進(jìn)的格局，開展全自動(dòng)凸焊生產(chǎn)線工藝研究有助于國(guó)內(nèi)液力變矩器行業(yè)的進(jìn)步和發(fā)展。頂蓋是液力變矩器和汽車變速箱連接的重要部件，需長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)承受較大動(dòng)態(tài)交變載荷，其定位精度、焊接應(yīng)力變形和焊縫疲勞強(qiáng)度將直接影響傳動(dòng)效率、使用壽命和車輛的綜合性能。

論文針對(duì)國(guó)產(chǎn)小排量液力變矩器(1.8 L，直徑＜φ260 mm)頂蓋定位柱采用點(diǎn)焊定位和機(jī)器人環(huán)焊復(fù)合工藝存在焊接應(yīng)力大、變形大、自動(dòng)化程度較低、焊后清理周期長(zhǎng)、勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低、人工成本高和后工序加工精度不易保證等問(wèn)題，以及進(jìn)口全自動(dòng)凸焊專用生產(chǎn)線存在夾具尺寸、自動(dòng)傳送鏈、機(jī)械手、定位夾緊、電極干涉、傳感器位置、控制信號(hào)等不匹配而不能直接使用的困難，開展頂蓋定位柱全自動(dòng)凸焊生產(chǎn)線改造及工藝研究，有助于國(guó)產(chǎn)液力變矩器頂蓋定位柱凸焊工藝改善和批量生產(chǎn)效率的大幅度提升。

1 頂蓋總成定位柱焊接工藝

1.1 頂蓋總成結(jié)構(gòu)及技術(shù)要求

1.1.1 頂蓋總成及定位柱結(jié)構(gòu)

頂蓋總成由頂蓋、定位柱和固定塊經(jīng)焊接成形。根據(jù)變速箱對(duì)接方式，定位柱T形結(jié)構(gòu)，并分布在頂蓋凸包軸心線頂部上端。頂蓋材料為10號(hào)鋼板或熱軋鋼板，板厚4 mm，沖壓成形，內(nèi)孔直徑φ219～φ247.7 mm;定位柱材料為20號(hào)鋼，不同定位柱幾何形狀如圖1所示。文中以圖1a所示定位柱配合圖2所示頂蓋(內(nèi)孔直徑φ219 mm)為研究對(duì)象。

圖1 定位柱結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 頂蓋結(jié)構(gòu)示意圖

1.1.2 焊縫要求

設(shè)計(jì)規(guī)定焊縫等級(jí)為國(guó)標(biāo)Ⅱ級(jí)焊縫，焊縫剪切力≥10 kN，通過(guò)1 ×105km 公路試驗(yàn)，焊縫不允許開裂、斷裂，且液力變矩器和發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸孔對(duì)接合格。

1.2 頂蓋焊接工藝分析

1.2.1 存在的主要問(wèn)題

(1)產(chǎn)品研制及小批量階段，采用現(xiàn)有D－N63型單相交流點(diǎn)焊機(jī)凸焊定位柱，存在焊機(jī)功率小、隨動(dòng)性差，熱輸入量及最大短路電流小、焊縫周邊易形成局部或整體未熔合缺陷等問(wèn)題;增大焊接電流和延長(zhǎng)焊接時(shí)間，熱影響區(qū)增大，定位柱出現(xiàn)燒蝕、彎曲、變形嚴(yán)重，熔核質(zhì)量差、強(qiáng)度低(＜5 kN)等問(wèn)題。改變電極結(jié)構(gòu)，滿足隨動(dòng)要求，焊縫未熔合區(qū)有所降低，強(qiáng)度有所增加，但仍不能解決根本問(wèn)題。這些問(wèn)題導(dǎo)致定位柱廢品損失率100%、工藝技術(shù)突破難度大。

(2)頂蓋定位柱材料焊接性較好，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及布局合理，采用合適的焊接方法和工藝易獲得優(yōu)質(zhì)的焊縫質(zhì)量。如何保證研制階段及大批量自動(dòng)化生產(chǎn)質(zhì)量的穩(wěn)定性是關(guān)鍵。鑒于凸焊工藝不成熟，而采用了點(diǎn)焊+弧焊的復(fù)合工藝方法。

(3)采用單機(jī)器人MAG 自動(dòng)焊接工藝方法，存在先定位焊、再機(jī)器人環(huán)焊等多工序焊接，焊縫熱影響區(qū)大、變形大，且焊后每件需人工清理打磨頂蓋表面飛濺物，存在勞動(dòng)強(qiáng)度大、生產(chǎn)效率低、成本高等問(wèn)題。

(4)小批量生產(chǎn)階段，考慮全套采購(gòu)國(guó)外先進(jìn)生產(chǎn)線，現(xiàn)有工藝、產(chǎn)能、規(guī)模及質(zhì)量等雖得到極大提升，但存在資金投入大、風(fēng)險(xiǎn)高等問(wèn)題。

(5)全自動(dòng)液力變矩器頂蓋凸焊專用生產(chǎn)線具有自動(dòng)化程度高，工藝先進(jìn)，資金投入小、風(fēng)險(xiǎn)小等特點(diǎn)，但設(shè)備的技術(shù)資料、控制器、夾具、傳輸?shù)却嬖谌笔。覈?guó)產(chǎn)液力變矩器結(jié)構(gòu)尺寸與其不匹配而無(wú)法直接使用。

1.2.2 過(guò)程變形分析

根據(jù)定位柱與頂蓋的焊縫結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在頂蓋凸點(diǎn)沖壓平面不平和定位柱為圓柱體凸點(diǎn)情況下定位柱軸心與蓋軸心極易產(chǎn)生偏移和不垂直，如圖3～圖6所示。

圖3 定位柱凸焊結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 定位柱點(diǎn)焊+弧焊結(jié)構(gòu)示意圖

圖5 定位柱偏心情況示意圖

圖6 定位柱水平轉(zhuǎn)動(dòng)情況示意圖

2 工藝試驗(yàn)對(duì)比分析

經(jīng)上述分析，通過(guò)工藝試驗(yàn)對(duì)比，不同的試驗(yàn)方案見表1，對(duì)比分析見表2。

表1 3種工藝試驗(yàn)方案

通過(guò)對(duì)比得到結(jié)果如下:

(1)手工裝夾采用點(diǎn)焊機(jī)凸焊存在定位不準(zhǔn)確，定位柱、頂蓋軸心極易偏移，掌握困難，不易控制的問(wèn)題。

(2)頂蓋凸點(diǎn)平面不平，且與定位柱凸點(diǎn)為點(diǎn)接觸，定位精度低，靠人工找正，找正時(shí)間及工序時(shí)間長(zhǎng)，不適合批量生產(chǎn)要求。

(3)手工裝夾點(diǎn)焊定位、機(jī)器人焊接復(fù)合工藝，采用點(diǎn)焊加單機(jī)器人自動(dòng)焊，定位精度、焊縫質(zhì)量、效率、焊縫強(qiáng)度穩(wěn)定性等雖優(yōu)于手工凸焊，但需分段進(jìn)行，焊接不連續(xù)，同步性、協(xié)調(diào)性差的問(wèn)題仍存在，焊接變形造成的超差率較高，不能滿足產(chǎn)品技術(shù)要求和大批量生產(chǎn)要求。

表2 不同工藝方案對(duì)比

綜上所述，采用進(jìn)口凸焊生產(chǎn)線人工裝填料、自動(dòng)輸入輸出料、裝夾、精確定位、檢測(cè)和焊接可避免以上存在的問(wèn)題。

3 全自動(dòng)凸焊生產(chǎn)線再利用及工藝

全自動(dòng)凸焊生產(chǎn)線用于排量大于2.4 L，規(guī)格φ300 mm的液力變矩器頂蓋定位柱凸焊二手專用生產(chǎn)線，需改造方可用于用于排量小于1.8 L(規(guī)格＜φ260 mm)的液力變矩器的批量焊接。通過(guò)對(duì)該生產(chǎn)線技術(shù)資料、結(jié)構(gòu)原理和控制原理等方面的研究和消化，成功實(shí)現(xiàn)了該生產(chǎn)線的改造和再利用，解決了頂蓋定位柱結(jié)構(gòu)不匹配，零件輸入輸出、夾具定位夾緊、自動(dòng)凸焊等信號(hào)的自動(dòng)檢測(cè)，自動(dòng)控制和上下電極凸焊干涉等問(wèn)題，滿足規(guī)格＜φ260 mm的液力變矩器頂蓋大批量全自動(dòng)凸焊要求。

3.1 工作原理

圖7和圖8分別為改造后的進(jìn)口全自動(dòng)凸焊生產(chǎn)線系統(tǒng)和控制流程。

圖7 全自動(dòng)凸焊生產(chǎn)線示意圖

3.1.1 頂蓋殼、定位柱輸入定位

人工或自動(dòng)將頂蓋殼、定位柱分別裝填在各自的輸入端口，啟動(dòng)按鈕由PLC 程序控制，傳送鏈自動(dòng)將頂蓋殼輸入到工位Ⅰ并定位等待(光電傳感器信號(hào)檢測(cè))裝夾，離心震動(dòng)器自動(dòng)將定位柱輸入到工位Ⅱ并定位等待(光電傳感器信號(hào)檢測(cè))裝夾。機(jī)械手Ⅰ按順時(shí)針豎直翻轉(zhuǎn)180°逆行至頂蓋殼位置完成其抓取步驟，同時(shí)逆時(shí)針?lè)祷氐剿轿恢?，機(jī)械手Ⅱ同步前行至定位柱位置，完成定位柱抓取步驟;機(jī)械手Ⅰ、Ⅱ同步將頂蓋殼、定位柱傳輸?shù)焦の虎瘢瓿身斏w殼初始定位和定位柱精確定位，同時(shí)機(jī)械手Ⅰ、Ⅱ同步回到始點(diǎn)，上主軸(包括上電極)下移至頂蓋內(nèi)孔端面，氣缸推動(dòng)自定心機(jī)構(gòu)完成頂蓋殼精確定位。

3.1.2 焊接

下主軸機(jī)構(gòu)上頂，使頂蓋殼和定位柱凸點(diǎn)接觸良好，按給定的焊接壓力、電流和焊接時(shí)間(0.14 s)完成頂蓋的焊接。

3.1.3 頂蓋輸出

上主軸氣缸、機(jī)械手Ⅱ同步松開，上下主軸分別回到各自始點(diǎn)，機(jī)械手Ⅲ自動(dòng)運(yùn)行至工位Ⅰ內(nèi)完成頂蓋夾緊退出，逆時(shí)針豎直翻轉(zhuǎn)180°，將頂蓋放到輸出傳送鏈上，完成零件輸出。

3.2 焊接工藝

3.2.1 工藝過(guò)程

零件清洗烘干→自動(dòng)或手工裝填料→零件自動(dòng)輸入→零件自動(dòng)定位夾緊→焊接→零件自動(dòng)輸出→檢驗(yàn)(剪切試驗(yàn)機(jī))→人工或自動(dòng)轉(zhuǎn)下道工序。

3.2.2 系統(tǒng)組成

圖8 控制流程圖

凸焊生產(chǎn)線由凸焊電源、凸焊上下機(jī)頭及電極，運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、夾具系統(tǒng)、頂蓋、定位柱傳送鏈、控制系統(tǒng)、控制面板、水冷系統(tǒng)組成。改造后不僅適用于排量2.4 L，規(guī)格φ300 mm的頂蓋總成定位柱凸焊批量生產(chǎn)，而且還適用于排量1.8 L、規(guī)格＜φ260 mm的頂蓋總成定位柱凸焊批量生產(chǎn)。

3.2.3 焊前準(zhǔn)備

(1)設(shè)備、程序、夾具、電極、水冷系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、上下機(jī)頭、傳送鏈等檢查及頂蓋、定位柱輸入，焊接參數(shù)調(diào)試。

(2)電極材料為鉻鋯銅CuCrZr，結(jié)構(gòu)見圖9和圖10。

(3)焊前零件需進(jìn)行表面清理，要求其表面無(wú)污垢、銹及氧化皮，焊件表面和邊緣不允許有毛刺、變形和局部凸起等現(xiàn)象。

圖9 上電極結(jié)構(gòu)示意圖

3.2.4 焊接

(1)按圖11所示要求，頂蓋定位柱自動(dòng)裝夾、自定心夾緊凸焊，焊接工藝參數(shù)見表3。

圖10 下電極結(jié)構(gòu)示意圖

圖11 頂蓋定位柱自定心夾具凸焊示意圖

表3 不同頂蓋凸焊參數(shù)表

(2)自動(dòng)松開氣缸、夾具，機(jī)械手自動(dòng)取出零件并輸出，人工轉(zhuǎn)下道工序。

3.3 檢測(cè)

采用10倍放大鏡檢查焊縫外觀，同軸度量具檢查頂蓋與定位柱同軸，焊縫剪切力等滿足要求，剪切效果見圖12和圖13。經(jīng)100件檢查，焊縫外觀質(zhì)量均勻一致，同軸度0.3 mm以上，剪切力＞10 kN 等要求100%合格，且優(yōu)于工藝試驗(yàn)采用的焊接方法，生產(chǎn)效率每焊一件小于15 s(過(guò)去10 min/件)，廢品損失當(dāng)量＜0.06%。采用同樣方法凸焊3 000多件RD015CHD頂蓋，結(jié)果100%合格。

圖12 焊縫正面

圖13 焊縫反面

3.4 效果對(duì)比

(1)D－ N63型單相交流點(diǎn)焊機(jī)代替凸焊工藝方案:焊接強(qiáng)度低，質(zhì)量一致性和穩(wěn)定性差，生產(chǎn)效率低。

(2)D－N63型單相交流點(diǎn)焊機(jī)先點(diǎn)焊定位再機(jī)器人焊接復(fù)合工藝，焊接質(zhì)量一致性和穩(wěn)定性等有所提高，但生產(chǎn)效率較低。

(3)經(jīng)對(duì)比，采用全自動(dòng)凸生產(chǎn)線的焊接質(zhì)量和生產(chǎn)效率均優(yōu)于試制階段幾種工藝方法。

4 結(jié)論

(1)該方法解決了頂蓋總成定位柱凸焊工藝試制、批量生產(chǎn)過(guò)程中存在的手工定位焊、單機(jī)器人焊接、焊后清理打磨等導(dǎo)致自動(dòng)化程度低、生產(chǎn)效率降低，焊接外觀質(zhì)量差，成本高、勞動(dòng)強(qiáng)度大和產(chǎn)能瓶頸傾向增大等一系列問(wèn)題。

(2)工藝研究從專業(yè)角度上就如何正確靈活利用、借鑒先進(jìn)的焊接專用生產(chǎn)線，在結(jié)合自身產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點(diǎn)基礎(chǔ)上，制定合理的凸焊工藝及控制方法并致力于實(shí)際生產(chǎn)，為類似焊接生產(chǎn)線改造或引進(jìn)成熟生產(chǎn)線提供了參考依據(jù)。

(3)經(jīng)3 000多件批量生產(chǎn)驗(yàn)證，該工藝獲得的參數(shù)及改造的全自動(dòng)凸焊生產(chǎn)線能夠應(yīng)用于液力變矩器頂蓋總成定位柱批量生產(chǎn)。

[1]陳祝年.焊接工程師手冊(cè)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2002.

[2]中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)焊接學(xué)會(huì)編.焊接手冊(cè)(第3版)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

[3]胡繩蓀.焊接自動(dòng)化技術(shù)及應(yīng)用[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

[4]中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)焊接學(xué)會(huì).電阻焊理論與實(shí)踐[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1994.