姚婷宇

(安徽理工大學(xué) 機械工程學(xué)院， 安徽 淮南 232001)

0 引 言

現(xiàn)代工業(yè)的飛速發(fā)展對焊接技術(shù)提出更新更高的要求，而現(xiàn)代工業(yè)和科學(xué)技術(shù)的新成就又為焊接方法和焊接專用設(shè)備的發(fā)展提供了寬廣和雄厚的技術(shù)基礎(chǔ)。焊接工藝和焊接設(shè)備就是在現(xiàn)代工業(yè)和科學(xué)技術(shù)的推動下相輔相成地蓬勃發(fā)展起來。其中焊接裝置中的焊接定位裝置也是焊接能否成功的一個重要因素，好的定位裝置在一定程度上可提高焊接質(zhì)量和成功率。浙江農(nóng)業(yè)商貿(mào)職業(yè)學(xué)院的朱斌[1]設(shè)計的一款汽車鈑金焊接定位裝置，雖然效率大大提升，但僅能對焊接的兩個零件之間的距離進行調(diào)節(jié)，不能調(diào)節(jié)焊接角度，導(dǎo)致適用面不廣，在一定程度上降低了焊接效率。針對上述問題提出了在實際工作中可以方便調(diào)節(jié)兩個鈑金零件焊接角度的設(shè)計方案，使得兩個鈑金零件固定在需要的焊接角度上，從而可更加方便、精確的實現(xiàn)焊接，并提升焊接工作效率。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

所設(shè)計的機械制造用焊接定位裝置[2]結(jié)構(gòu)介紹如下文。如圖1、2所示為裝置結(jié)構(gòu)及零件。對圖1中的結(jié)構(gòu)25夾持部位進行放大操作，如圖2所示。

圖1 裝置結(jié)構(gòu)圖1.萬向輪 2.支撐腿 3.支撐臺 4.支撐柱 5.支撐環(huán) 12.防滑橡膠墊 13.轉(zhuǎn)盤B 14.限位滑桿B 15.支撐塊 16.限位環(huán)25.夾持部位

圖2 夾持部位6.轉(zhuǎn)桿 7.轉(zhuǎn)盤A 8.螺紋桿A 9.螺紋桿B 10.限位滑桿A 11.夾板 12.防滑橡膠墊 13.轉(zhuǎn)盤B 15.支撐塊 17.限位滑塊 18.軸承 19.雙向螺紋桿 20.滾珠槽 21.滾珠 22.限位滑槽 23.固定框

2 工作原理

如圖1、2所示，使用時，將需要焊接的零件放置于兩組夾板11之間，然后通過轉(zhuǎn)盤B13轉(zhuǎn)動雙向螺紋桿19，雙向螺紋桿19通過轉(zhuǎn)動帶動兩組夾板11豎向移動，使得兩組夾板11帶動防滑橡膠墊12將零件緊緊夾住，然后移動支撐塊15，支撐塊15通過螺紋桿B9帶動限位滑塊17移動，限位滑塊17沿限位滑槽22內(nèi)腔作圓周移動，使得兩組固定框23內(nèi)腔的兩個鈑金零件的相對角度移動至焊接需要的角度，同時通過轉(zhuǎn)盤A7轉(zhuǎn)動螺紋桿A8，螺紋桿A8通過轉(zhuǎn)動帶動固定框23橫向移動，兩組固定框23分別帶動兩組鈑金零件移動，使得兩個鈑金零件之間的距離改變，使得兩個鈑金零件在焊接性需要的角度上貼合在一起，然后通過轉(zhuǎn)桿6轉(zhuǎn)動限位環(huán)16，使限位環(huán)16在轉(zhuǎn)動的過程中沿螺紋桿B9外壁向下移動抵緊在支撐環(huán)A5和支撐環(huán)B24頂部。使得限位滑塊17位于限位滑槽22內(nèi)腔的位置固定，進而使得兩個零件的位置固定，然后就可以對兩個零件進行焊接。

3 夾持部位的實體建模

文中將使用SolidWorks完成各零部件的三維實體建模，并賦予各構(gòu)件相應(yīng)的材料屬性，如圖3所示。建模過程中將省略對研究沒有影響的圓角、倒角、小孔、螺紋及軸套等結(jié)構(gòu)特征。

圖3 關(guān)鍵零件三維圖

對于機械設(shè)計而言，單一的零件沒有實際意義，將設(shè)計完成的每個獨立零件，根據(jù)實際需求裝配成一個整體，在此基礎(chǔ)上對其進行各種虛擬研究，檢查是否符合設(shè)計要求，是否實現(xiàn)了設(shè)計之初所預(yù)想的各種功能，才是機械設(shè)計的關(guān)鍵[3]。

在裝配體中兩個或兩個以上的零部件同時占據(jù)同一位置的現(xiàn)象稱為體積干涉現(xiàn)象[4]。干涉現(xiàn)象的出現(xiàn)是機械設(shè)計初期判定設(shè)計不合理的最好佐證。在一個復(fù)雜的裝配體中，直接判別零部件之間干涉狀態(tài)是相當困難的。SolidWorks提供了體積干涉檢查工具，利用該工具能夠容易地檢查出零部件之間是否發(fā)生干涉。圖4所示為整體裝置的三維模型，將上一過程中所完成的裝配體模型在裝配體環(huán)境下進行干涉檢查，得到的結(jié)果如圖5所示。結(jié)果顯示此裝配體各零部件之間不存在相互滲透，相互干涉的現(xiàn)象，可以初步判定結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性。

圖4 整體裝置三維模型 圖5 干涉檢查結(jié)果

4 夾持部位的有限元分析

4.1 材料屬性

此裝置關(guān)鍵部件夾板所采用的材料是Q235，材料屈服強度是235 MPa,材料密度為7 890 kg/m3，彈性模量為2.12E+05 MPa,泊松比為0.28[5]。其它部件所采用的材料是Q345，材料屈服強度是345 MPa,材料密度為7 850 kg/m3，彈性模量為2.06E+05 MPa,泊松比為0.5[6]。并為各個部件之間添加合適的接觸約束。

4.2 網(wǎng)格劃分

有限元分析計算結(jié)果很大程度上取決于網(wǎng)格劃分的質(zhì)量，控制網(wǎng)格大小的同時需注意軟件的求解計算能力，所以應(yīng)適當控制單元格大小。文中擬采用六面體[7]的網(wǎng)格劃分方法，單元尺寸暫定為5 mm，這不僅便于建立復(fù)雜模型，還可模擬多種接觸問題。不僅方便對模型進行網(wǎng)格劃分，而且利于夾持部分的結(jié)構(gòu)分析。從網(wǎng)格劃分結(jié)果中可知該網(wǎng)格模型共有199 757個節(jié)點、128 155個單元，網(wǎng)格單元質(zhì)量良好。

4.3 載荷加持

在圖6所示位置添加載荷，經(jīng)計算夾板表面面積為121 cm2，所加載荷為3e+5Pa。

圖6 載荷添加位置 圖7 固定約束添加位置

同樣的結(jié)構(gòu)下，設(shè)定不同的接觸方式下，帶來的分析結(jié)果也不同，因此選擇正確的接觸對于計算結(jié)果的精確性十分重要[8]。ANSYS Workbench可使用的主要接觸種類有六種。它們是綁定(Bonded)、無分離(No Separation)、無摩擦(Fritiongles)、靜摩擦(Rough)、摩擦接觸(Frictional)、滑動摩擦(forced Frictional Sliding)[9]。其中綁定接觸主要用于兩者完全固定的情況；本次主要采用綁定接觸。

如圖7所示，在限位滑塊的底部和側(cè)邊添加固定約束，以達到固定夾持部位的作用，并在此狀態(tài)下開始仿真。

5 結(jié)果分析

圖8、9所示為本裝置夾持部分的變形和等效應(yīng)力計算結(jié)果，從圖中可以看出夾板部分變形微小，說明夾板部分工作情況良好。

圖8 應(yīng)變云圖 圖9 應(yīng)力云圖

從圖中可得知夾板處變形仍在允許范圍之內(nèi)，且螺紋桿B處的等效應(yīng)力也在合理范圍之內(nèi)。此時所加載荷為3e+5 Pa。

6 結(jié) 語

通過有限元分析得出夾板所能夾持的最大零件質(zhì)量為36.3 kg，能夠用于一些輕量化的機械零件焊接場合，且裝置結(jié)構(gòu)合理，使用方便，可靠性強，能夠?qū)崿F(xiàn)多方位、多角度的調(diào)控兩個零件的直線形焊接,且材料選取合理。經(jīng)驗證，在實際生產(chǎn)過程中，此汽車鈑金焊接定位裝置滿足設(shè)計要求和實際需求，并在很大程度上提升了焊接工作效率。