趙寶， 楊永波， 單易， 周坤， 趙艷杰

(1.哈爾濱焊接研究院有限公司，哈爾濱 150028; 2. 中國航發(fā)沈陽黎明航空發(fā)動機(jī)有限責(zé)任公司，沈陽 110043;3. 哈爾濱博實(shí)自動化股份有限公司，哈爾濱 150078)

0 前言

航空發(fā)動機(jī)是一種高度復(fù)雜和精密的熱力機(jī)械，為航空器提供飛行所需動力。作為飛機(jī)的心臟，被譽(yù)為“工業(yè)之花”，它直接影響飛機(jī)的性能、可靠性及經(jīng)濟(jì)性，是一個(gè)國家科技、工業(yè)和國防實(shí)力的重要體現(xiàn)。合理地使用焊接工裝夾具[1-4]是保障零部件焊接質(zhì)量的重要一環(huán)。而文中介紹的混合器波瓣組件自動氬弧焊接工裝夾具用于航空航天領(lǐng)域，研發(fā)和設(shè)計(jì)的此套焊接工裝夾具用于航空發(fā)動機(jī)混合器波瓣組件的自動氬弧焊，所以該項(xiàng)技術(shù)也為航空航天事業(yè)奉獻(xiàn)一份綿薄之力。

因航空發(fā)動機(jī)混合器波瓣組件不規(guī)則的空間曲面形狀和焊接前后的外形尺寸變化，所以目前國內(nèi)的自動化組裝、焊接還是空白，多數(shù)為手工組裝，手工焊接，焊后需人工校形，焊縫成形和焊后零部件尺寸無法保證。此外這些特種專用材質(zhì)沖壓后尺寸一致性差，手工組裝精度差，焊接質(zhì)量合格率低，返修量大。經(jīng)查找國外相關(guān)產(chǎn)品資料也未有更好的方法解決以上難題，針對以上問題和難點(diǎn)，哈爾濱焊接研究院有限公司以航空發(fā)動機(jī)混合器波瓣組件自動氬弧焊接技術(shù)研究為 托，以自動化生產(chǎn)為核心，研發(fā)和設(shè)計(jì)國內(nèi)首臺適用于空間曲面特種部件焊接專用的工裝夾具，實(shí)現(xiàn)自動化焊接，破解空間曲面組裝和控制焊接過程中的變形難題[5]，實(shí)現(xiàn)此領(lǐng)域的突破，也為以后其它不規(guī)則產(chǎn)品的裝卡、焊接提供了思路。

1 產(chǎn)品介紹及工裝夾具所屬系統(tǒng)組成

1.1 產(chǎn)品介紹

混合器波瓣組件成品是由若干件薄板鈦合金特種沖壓曲面單件拼焊而成。單件如圖1所示，成品如圖2所示?；旌掀鞑ò杲M件的組裝過程及成品要求：①一次連續(xù)組裝若干個(gè)單件，組裝后工件能夠滿足內(nèi)外腔體的均勻一致性，符合空氣流動要求，同時(shí)組裝后的工件要滿足圖紙上下圓直徑的要求；②控制焊接過程中的變形，使焊后的產(chǎn)品滿足設(shè)計(jì)圖紙要求；③為了適應(yīng)產(chǎn)品焊前焊后的變形。工裝夾具上的定位機(jī)構(gòu)要求能徑向移動。最終要求就是焊后零部件尺寸及外表質(zhì)量應(yīng)符合工藝要求。能夠?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)品的批量生產(chǎn)。

圖1 單件

圖2 成品

1.2 系統(tǒng)組成

工裝夾具所屬系統(tǒng)如圖3所示。系統(tǒng)主要由焊接系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、變位機(jī)系統(tǒng)、工裝夾具系統(tǒng)、機(jī)器人系統(tǒng)及動力系統(tǒng)6大部分組成。首先將若干個(gè)波瓣單件組裝到工裝夾具上，再由控制系統(tǒng)控制變位機(jī)翻轉(zhuǎn)到適合于焊接的角度，再由控制系統(tǒng)控制機(jī)器人和焊接系統(tǒng)進(jìn)行焊接[6-9]，其中動力系統(tǒng)主要提供焊前焊后裝卡工件所需的動力。

圖3 工裝夾具所屬系統(tǒng)

2 混合器波瓣單件產(chǎn)品分析

2.1 單個(gè)零件的網(wǎng)格化分析

首先對單個(gè)工件進(jìn)行了細(xì)致的分析，把工件網(wǎng)格化，網(wǎng)格化模型如圖4所示。這樣方便下面的焊接裝卡時(shí)的受力分析和觀察記錄施載過程中零件的應(yīng)力、應(yīng)變數(shù)值變化，零件的基本參數(shù)通過電腦軟件計(jì)算為：質(zhì)量0.32 kg，體積6.895×10-5m3，密度4 650 kg/m3，重力3.142 N，其它材料屬性和網(wǎng)格信息細(xì)節(jié)詳見表1和表2。

圖4 網(wǎng)格化模型和固定、施力點(diǎn)示意圖

表1 波瓣單件鈦合金材料屬性

表2 網(wǎng)格化信息-細(xì)節(jié)

2.2 單個(gè)零件固定、壓緊模擬

首先考慮壓緊力對于薄板曲面件的影響，會不會壓力過大使得件的應(yīng)力和應(yīng)變過大，甚至損害工件的外形，對此用SOLIDWORKS simulation軟件進(jìn)行模擬仿真，假設(shè)單個(gè)工件的背部兩側(cè)6 mm寬的位置曲面固定，底部槽里外固定，正面曲面施加壓緊力，圖五綠色箭頭是固定面，粉色箭頭是力的施加面，力均勻分布，沿著曲面的法線方向，施加的壓緊力直到工件某點(diǎn)達(dá)到屈服值時(shí)，發(fā)現(xiàn)此時(shí)的壓緊力高達(dá)500 kN，夾具和負(fù)載相關(guān)信息詳見表3。工件的薄弱點(diǎn)在底部兩側(cè)邊角處，其屈服應(yīng)力為 1 076 MPa，詳見工件應(yīng)力圖(圖6)。此時(shí)的最大應(yīng)變位置也位于底部兩側(cè)邊角處，最大應(yīng)變值為0.013 mm，詳見工件應(yīng)變圖(圖7)。應(yīng)力和工件最薄弱的地方可以放大和圖右側(cè)的顏色漸變線對比，藍(lán)色是安全區(qū)域，紅色區(qū)域是應(yīng)力已經(jīng)達(dá)到屈服值，相應(yīng)位置的應(yīng)變也要比其它位置大。此模擬試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了此固定和施壓方法可行，與此同時(shí)做了一個(gè)壓緊力控制變形的試驗(yàn)，用M16螺栓通過長壓板壓住預(yù)要焊接的薄板工件，擰緊螺栓后焊接，焊接完成后發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)板完好，并沒有發(fā)現(xiàn)鼓起或其它變形，此時(shí)的預(yù)緊力理論值如式(1)所示。

表3 夾具和負(fù)載相關(guān)信息

圖6 工件應(yīng)力圖

圖7 工件應(yīng)變圖

(1)

式中：T= 210 N/m；d= 0.016 m；μ值通過簡單的小試驗(yàn)算得，試驗(yàn)簡圖如圖8所示，當(dāng)摩擦力等于重力沿著斜面的分力時(shí)mgsinθ=μmgcosθ，可推出μ=tanθ，通過試驗(yàn)測得θ≈9°，μ≈0.158。

圖8 摩擦系數(shù)測定試驗(yàn)簡圖

3 工裝夾具總體設(shè)計(jì)及產(chǎn)品驗(yàn)證

3.1 工裝夾具總體設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的航空發(fā)動機(jī)混合器波瓣組件自動氬弧焊接的工裝夾具整體結(jié)構(gòu)如圖9所示。為了便于對結(jié)構(gòu)的了解，特增設(shè)工裝夾具整體剖視結(jié)構(gòu)示意圖如圖10所示，爆炸結(jié)構(gòu)示意圖如圖11所示。

工裝夾具主要包括大圓盤、壓緊定位機(jī)構(gòu)、圓弧定位部件、圓筒機(jī)構(gòu)、升降盤機(jī)構(gòu)和頂圓定位機(jī)構(gòu)。大圓盤沿圓周方向均勻設(shè)置有若干個(gè)工件組裝位，每個(gè)工件組裝位上均安裝有壓緊定位機(jī)構(gòu)。壓緊定位機(jī)構(gòu)包括固定端和移動端，固定端固定連接在大圓盤上，移動端包括壓緊板和定位塊。壓緊板的數(shù)量為2個(gè)且均帶有弧度，2個(gè)壓緊板均與定位塊相連，固定端通過徑向移動裝置與定位塊相連，通過徑向移動裝置驅(qū)動移動端沿大圓盤徑向移動。定位塊通過螺栓與夾緊塊配合將大圓盤夾緊，圓筒機(jī)構(gòu)安裝在大圓盤上，且沿圓周方向均勻設(shè)置有若干個(gè)導(dǎo)向槽，導(dǎo)向槽與工件組裝位數(shù)量相同，位置對應(yīng)，每個(gè)導(dǎo)向槽處均布置有圓弧定位部件，圓弧定位部件前端為圓弧結(jié)構(gòu)，后端設(shè)有錐度導(dǎo)向塊，下端通過螺栓與夾緊塊配合將大圓盤夾緊，圓弧定位部件后端通過拉簧機(jī)構(gòu)與圓筒機(jī)構(gòu)相連，圓弧定位部件可以沿大圓盤徑向滑動。升降盤機(jī)構(gòu)底部為錐度結(jié)構(gòu)，錐度結(jié)構(gòu)與圓弧定位部件后端的錐度導(dǎo)向塊配合接觸，升降盤機(jī)構(gòu)通過軸向移動裝置與大圓盤相連，通過軸向移動裝置驅(qū)動升降盤機(jī)構(gòu)沿圓筒機(jī)構(gòu)軸向移動，頂圓定位機(jī)構(gòu)同心固定安裝在圓筒機(jī)構(gòu)上方。

圖9 工裝夾具整體結(jié)構(gòu)

圖10 工裝夾具整體剖視結(jié)構(gòu)示意圖

圖11 工裝夾具爆炸結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 關(guān)鍵部件間銜接及其功能

大圓盤同心安裝在夾具底座上方，夾具底座與大圓盤由止口定位，保證同心，夾具底座安裝在變位機(jī)轉(zhuǎn)盤上。圓弧定位部件前端的圓弧結(jié)構(gòu)為紫銅材質(zhì)，圓弧結(jié)構(gòu)上開設(shè)有多排多列圓孔，內(nèi)部開設(shè)有流體通道，后部設(shè)置有氣體管道，向氣體管道內(nèi)輸入保護(hù)氣，保護(hù)氣通過流體通道從多列圓孔流出。通入保護(hù)氣是為了在焊接時(shí)起到背保護(hù)的作用。圓弧定位部件可以沿大圓盤徑向移動，是因?yàn)楹附訒r(shí)焊縫會收縮，焊好后的工件會將圓弧定位部件緊緊地抱住，焊好卸件時(shí)需將圓弧定位部件退到最里面，利于卸件，另外移動的圓弧定位部件還能適應(yīng)焊前焊后的收縮量，此外圓弧定位部件的寬度和相對位置也是成品工件若干個(gè)均布內(nèi)腔的尺寸和對位置的定位。

圓筒機(jī)構(gòu)安裝在大圓盤上，圓筒機(jī)構(gòu)和大圓盤由止口定位。升降盤機(jī)構(gòu)調(diào)整若干個(gè)圓弧定位部件沿大圓盤徑向的直線運(yùn)動。升降盤機(jī)構(gòu)上部的外圓直徑和圓筒機(jī)構(gòu)的圓筒內(nèi)筒直徑相配合，起到升降盤機(jī)構(gòu)升降時(shí)導(dǎo)向作用。升降盤機(jī)構(gòu)上固定安裝有絲杠，大圓盤中心固定安裝有絲母，升降盤機(jī)構(gòu)上的絲杠與大圓盤上的絲母配合。當(dāng)正時(shí)針旋轉(zhuǎn)絲桿時(shí)，升降盤機(jī)構(gòu)沿圓筒機(jī)構(gòu)的軸線向下運(yùn)動，由于升降盤機(jī)構(gòu)底部錐度和圓弧定位部件相對應(yīng)的錐度導(dǎo)向塊相配合，使得圓周上所有的圓弧定位部件同時(shí)沿著大圓盤2半徑方向向外運(yùn)動；當(dāng)絲杠逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，升降盤機(jī)構(gòu)在圓筒機(jī)構(gòu)內(nèi)沿圓筒軸線方向做上升運(yùn)動，由于升降盤機(jī)構(gòu)上升，升降盤機(jī)構(gòu)下面的錐面和圓弧定位部件后端的錐度導(dǎo)向塊分離開，此時(shí)圓弧定位部件后面的拉簧機(jī)構(gòu)開始起作用，將所有的圓弧定位部件同時(shí)拉向圓心。頂圓定位機(jī)構(gòu)和圓筒機(jī)構(gòu)由止口定位，保證同心，同時(shí)頂圓定位機(jī)構(gòu)也起到了工件上圓定位定尺寸和工件頂部壓緊的功能。

工裝夾具還包括升降盤鎖緊機(jī)構(gòu)、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)、卸件機(jī)構(gòu)、自動控制閥組件和轉(zhuǎn)化標(biāo)尺。升降盤鎖緊機(jī)構(gòu)數(shù)量為2件，兩件升降盤鎖緊機(jī)構(gòu)均布安裝在大圓盤上，當(dāng)工裝外圓定位調(diào)到一個(gè)固定值時(shí)，通過螺栓將升降盤機(jī)構(gòu)和升降盤鎖緊機(jī)構(gòu)連接緊固，實(shí)現(xiàn)升降盤機(jī)構(gòu)的鎖緊。導(dǎo)向機(jī)構(gòu)數(shù)量為2件，導(dǎo)向機(jī)構(gòu)為內(nèi)外套結(jié)構(gòu)，外套固定在大圓盤上，內(nèi)套固定在升降盤機(jī)構(gòu)上，外套與內(nèi)套配合相連，實(shí)現(xiàn)升降盤機(jī)構(gòu)升降時(shí)的導(dǎo)向作用，導(dǎo)向機(jī)構(gòu)上下2個(gè)極端上設(shè)置有限位結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)升降盤機(jī)構(gòu)運(yùn)動時(shí)上下2端的限位功能。卸件機(jī)構(gòu)為氣缸結(jié)構(gòu)，數(shù)量為6個(gè)，6個(gè)卸件機(jī)構(gòu)均勻安裝在大圓盤底部，當(dāng)焊接完成時(shí)，把頂圓定位機(jī)構(gòu)卸掉后，將所有的壓緊定位機(jī)構(gòu)的移動端都移動到最外側(cè)，此時(shí)控制氣缸桿伸出，通過氣缸桿上推出頭將工件推出，達(dá)到卸件的目的。自動控制閥組件共5組，其中4組每組包括N/4個(gè)保護(hù)氣閥，控制保護(hù)氣體，另外一組包括一個(gè)壓縮空氣閥，用來控制6個(gè)卸件機(jī)構(gòu)，保護(hù)氣閥與氣體管道相連，控制保護(hù)氣的輸出，壓縮空氣閥與氣缸相連，控制氣缸的缸桿伸縮。轉(zhuǎn)化標(biāo)尺分別設(shè)置在圓筒機(jī)構(gòu)內(nèi)側(cè)和升降盤機(jī)構(gòu)上，通過轉(zhuǎn)化標(biāo)尺的讀數(shù)，能夠確定當(dāng)升降盤機(jī)構(gòu)升降到相應(yīng)的位置時(shí)，若干個(gè)圓弧定位部件圍成的外圓的直徑值。

3.3 工裝夾具對波瓣零部件產(chǎn)品的適應(yīng)性

工裝夾具的零部件都是經(jīng)過數(shù)控精密加工而成。特別是壓緊定位機(jī)構(gòu)和圓弧定位部件的空間曲面形狀是和波瓣三維模型完全吻合的，所以該文在介紹工裝夾具組裝時(shí)，對波瓣零部件的要求也非常高，經(jīng)過現(xiàn)場組裝試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)定位和壓緊弧面和零件的弧面重合率可高達(dá)95%，圖12是波瓣零件與三維模型對比圖，是用法如三維激光掃描儀測量的工件和波瓣零件三維模型對比所得到的，圖中灰色的部分是三維模型圖所顯示形態(tài)，綠色、藍(lán)色、紅色組成的是測量得到的模型，由于上下偏差量不同，所以顯示的顏色不同，測量最大的偏移點(diǎn)數(shù)值是0.857 mm。經(jīng)過大量試驗(yàn)證明，局部最大偏差小于0.4 mm的零部件都能用此工裝組裝成形。

圖12 波瓣零件與三維模型對比圖

3.4 工裝夾具和焊后波瓣組件成品的檢驗(yàn)

經(jīng)過實(shí)際生產(chǎn)加工后，已對航空發(fā)動機(jī)混合器波瓣組件自動氬弧焊工裝夾具的功能、尺寸、外觀等進(jìn)行了檢測，同時(shí)也對焊后的產(chǎn)品進(jìn)行了焊縫成形、產(chǎn)品尺寸等進(jìn)行了檢驗(yàn)。均符合使用和圖紙要求，同時(shí)也得到了用戶的認(rèn)可。

4 工裝夾具所見成效

該文所述的工裝夾具從組裝到焊接再到成品，不但簡化工序、效率大大提高了，產(chǎn)品的質(zhì)量也大大改善，焊接過程中的能耗明顯降低，操作簡便，一鍵式操作。同時(shí)也減少了人員，節(jié)省了成本。成品率也大大提高，解決了之前手工組裝，人工焊接，廢品率太高的問題。

5 結(jié)論

(1)工裝夾具能一次連續(xù)組裝若干個(gè)單件，組裝后的產(chǎn)品焊后滿足圖紙要求。

(2)工裝夾具能有效的控制焊接過程的變形。

(3)焊后波瓣成品尺寸及外表質(zhì)量符合工藝要求，能夠?qū)崿F(xiàn)批量生產(chǎn)。

(4)目前國內(nèi)沒有發(fā)現(xiàn)類似的產(chǎn)品，國外也未查到相關(guān)資料，此工裝夾具具有唯一性。

(5)該工裝成功用于航空發(fā)動機(jī)混合器波瓣組件的自動氬弧焊接生產(chǎn)中，已經(jīng)在面上應(yīng)用。