不锈钢城铁车牵引梁组焊焊接夹具设计

引言

在我国城铁车开发和生产过程中,焊接工艺、总装工艺和涂装工艺是关键的核心内容。在不锈钢城铁车牵引梁焊接过程中,焊接质量直接关系到不锈钢城铁车牵引梁的形状、精度和尺寸。因此,在不锈钢城铁车牵引梁组焊制造过程中,只有有效地控制组焊夹具的质量和精度,才能保证不锈钢城铁车牵引梁的制造质量、最终精度,并实现对不锈钢城铁车牵引梁生产周期的控制[1]。

1牵引梁焊接

1.1牵引梁结构介绍

车体钢结构是列车的一个重要组成部分,而牵引梁是车体钢结构的重要组成部分,要求必须具备必要的强度、刚度,以实现舒适、安全的运输,达到正常服务运营的目的。在车体运行过程中,牵引梁不但要把牵引力和制动力传递给车钩,而且还要承受各种设备载荷以及牵引中水平纵向和横向冲击载荷的作用力,因此,牵引梁必须具有足够的强度和刚度,满足相关技术标准的要求,保证列车运行的安全性和平稳性。

牵引梁主要是由钢板组焊而成,由牵引梁(左/右)、牵引梁补强板(左/右)、地板梁、牵引梁下盖板、补强板等组成,其材质主要为0345、高强钢、不锈钢等,材质厚度为6~12mm,车钩座通过铆接方式连接到牵引梁上。其结构如图1所示。

牵引梁产品质量要求:牵引梁上平面度2mm/3mm,地板梁间距尺寸±1mm,车钩座距离牵引梁尾部(1995±2)mm,车钩座与牵引梁上平面距离公差≤3mm,焊接质量满足1s013920中BF级。

1.2车钩座组对

车钩座是列车车厢连接的重要部件,产品质量的好坏直接影响行车安全。其材质为铸钢,制造工艺为铸造,通过机械加工保证后续装配尺寸要求。车钩座相对车体位置是最为重要的,其直接影响两节车车钩连接高度以及两节车之间的距离。在组对过程中,首先要保证车钩座相对于车体上平面距离,技术要求≤3mm,车钩安装孔距离牵引梁尾部公差≤2mm,然后将车钩座段焊在牵引梁上保证相对位置。

1.3牵引梁整体组对焊接

对于地铁列车来说,车体钢结构是必不可少的结构,而牵引梁是车体梁的重要结构。牵引梁与车钩座通过铆接进行连接,在牵引梁组对过程中,车钩座与牵引梁的相对位置对整个不锈钢车体是至关重要的。在车钩座固定后,调整车钩座螺栓孔与牵引梁尾部的距离,保证公差在(+2,0)mm范围内,这样才能保证后续整个不锈钢车体一位端和二位端车钩座的距离。在确定好车钩座与牵引梁相对位置后,使用焊接方式将车钩座与牵引梁点固,保证其相对位置。根据牵引梁及车钩座的定位,组对地板梁时,保证公差在±0.5mm范围内。组对牵引梁与牵引梁下盖板时,牵引梁和牵引梁下盖板不是平面贴合,由于料件制造的公差,牵引梁与牵引梁下盖板存在组对间隙,按照焊接要求,其两板间隙要求≤0.5mm,所以需要压紧装置保证两板贴合,才能保证焊接质量。所有料件组对好后进行复尺检验,并检查相关压紧是否可靠,确认无误后方可进行焊接工作。

牵引梁组焊采用二氧化碳气体保护焊的焊接方式,采用半机械化焊接,过程操作方便,没有熔渣或熔渣很少,焊后基本上不需要清渣,具有焊接效率高、焊接速度较快、熔池较小、热影响区窄、焊件焊后变形小等优点。

牵引梁组焊主要为多层多道焊接,焊接工作量较大,总焊接热输入大,焊接变形不易控制。同时焊接位置较多,焊接难度各不相同,无法在固定位置上实现所有焊缝的焊接工作,需要一种工艺装备将焊接可达性不好的焊缝通过转换焊接位置,实现简易操作。同时焊缝中存在塞焊,在牵引梁反装时焊缝处于竖直状态,焊接难度超高,焊缝熔合性差,需要将牵引梁旋转90o使塞焊焊缝处于水平位置(PA),才能保证最佳位置施焊。

在牵引梁与牵引梁下盖板焊接时,焊脚大,焊接热输入大,对牵引梁下盖板和牵引梁的压紧装置要求强度和刚度极高,同时由于牵引梁反装时需要增加反变形,所以对牵引梁两端的压紧装置的压紧力要求大,需要克服牵引梁整体刚度和强度,才能达到反变形的要求。

2夹紧结构设计

2.1工装设计目的及思路

根据牵引梁产品类型,设计一种B型不锈钢车体牵引梁组焊夹具,夹具应适用于不同B型不锈钢车体牵引梁的组对焊接。针对这个设计目标进行研究,该牵引梁是碳钢结构,零件是由钢板折弯成型,并带有焊接坡口,在牵引梁焊接过程中,因为焊接母材在一定方向上热输入程度不同,焊接应力方向也有所不同,进而引起母材在不同方向上的尺寸变化各不相同,要控制这些由焊接热输入引起的变形,就需要设计专用工装,使用刚性固定控制、反变形手段保证这些变形得到控制。同时牵引梁焊接时,焊缝位置情况复杂,需设计可翻转的工装,结合焊接变位机,把焊缝位置变成PA、PB,使位置复杂的焊缝变成简单易施焊的位置,进而降低焊接难度,也降低对焊接操作人员的技能要求,提高效率,降低劳动强度。

2.2夹具设计

工装夹具整体安装至旋转变位机上,主要由连接法兰、结构主体、压紧装置、限位装置、过渡装置等结构组成。焊接夹具主体采用方钢管、钢板组焊而成,材料主要为0235、0345,焊接性能优良,强度较为优越:丝杆压紧装置采用45#钢,加工后进行时效处理。组焊夹具的夹紧方式为丝杆,连续传动效果好,装配后要求夹具整体平面度≤1mm,定位块误差≤0.5mm,车钩安装座面距离夹具整体平面的高度为60EQ \* jc3 \* hps11 \o\al(\s\up 3(3mm。夹具整体结构及工件装夹情况如图2所示。

图2 夹具装配图

牵引梁夹具主体结构:主体结构由方钢管及钢板组焊而成,钢管壁厚8mm,钢板厚度30mm,焊接完成后进行整体加工,保证平面度≤0.5mm。主体结构中增加相关筋板,保证整体结构强度。同时主体上平面增加定位块及车钩座限位装置,保证车钩座距离平台上平面600-3mm。主体两端焊接法兰盘,用于连接旋转变位机,用于工装夹具整体翻转,保证焊缝处于平焊或者平角焊位置。

压紧限位结构:工装夹具压紧结构采用龙门式,主要考虑到龙门结构压紧力大,操作方便,拆卸简单。将龙门结构压紧焊接在主体结构两侧,位置近似工装整体3/5处,考虑到后续换型方便,采用断续焊接方式。

连接法兰设计:连接法兰是连接翻转变位机与工装的过渡装置,要求保证装配孔与翻转变位机安装可以调节,故将安装法兰盘安装孔间距设计为120mm,上下可以调节:宽度方向上设计为600mm,固定尺寸。钢板采用0345,厚度30mm,机加工后厚度保证不低于25mm。采用加强筋结构保证夹具整体强度。

侧定位夹紧结构设计:工装采用两面使用结构,保证工装回转中心与变位机回转中心重合,减小因工装翻转产生惯性带来的危险。夹紧结构采用销孔定位,在牵引梁吊装完成后,将夹紧装置用销子定位后螺旋夹紧,实现装夹快捷方便。

龙门式压紧结构设计:该结构是整个牵引梁组焊夹具的重要组成部分,与牵引梁夹具主体共同保证牵引梁上平面的重要结构。该结构在刚度和强度上要求较高,龙门采用板厚30mm的0345钢板与Tr36以上的丝杆组成。头尾各一套龙门结构,每套龙门上有两个压紧装置,在结构上能够对称,从而保证压紧力均匀,使牵引梁反装时上平面与牵引梁夹具主体贴合严紧,保证平面度要求。

工装放长量的确定:牵引梁由于焊接变形收缩,需在焊接前调整料件组对间隙,保证焊接收缩后符合图纸尺寸要求。按照焊接产品放长量一般设定原则,工装长度放长量为3mm,宽度方向上放长量为1mm。在长度放长量上,需要将其均分到每个定位块上,每相邻两个地板梁的定位尺寸增加0.5mm。

2.3翻转结构中心计算

平台作业单元主要由作业平台和翻转装置组成,用于牵引梁的组装作业,通过翻转装置与翻转支撑单元连接。牵引梁焊接时依靠翻转装置实现翻转,平台作业单元设计时,要计算牵引梁重心、平台作业单元重心,计算公式如下:

式中:x0、y0、:0为牵引梁及平台作业单元组合体在x、y、:轴上的重心坐标(mm):xi、yi、:i为牵引梁及平台作业单元各零件在x、y、:轴上的重心坐标(mm):W为牵引梁及平台作业单元组合体的总质量(kg):Wi为牵引梁及平台作业单元各零件的单体质量(kg)。

将牵引梁及平台作业单元各零件质量及设计几何坐标代入上式,求解得出的“牵引梁及平台作业单元组合体在x、y、:轴上的重心坐标"与x、y、:轴上的重心坐标重合,使翻转过程的转矩值降至最小,以便设备运转稳定。

3工装的使用

工装整体装载在双立柱变位机上,变位机可实现翻转、升降功能的点动、联动、自锁功能,可实现±30"、±45"、±60"、±90"等多角度翻转,实现牵引梁焊缝的平位置焊接,一般载重规格选用5t即可满足使用要求。工装通过螺栓连接到变位机卡盘上,焊接夹具在使用时处于水平状态,将车钩座吊装在焊接夹具车钩座定位面上,保证车钩座与装配面贴合:吊装两个牵引梁及预置地板梁,以牵引梁夹具主体尾部挡板为定位基准,并与水平方向上定位块贴紧,然后用侧顶紧将牵引梁固定,调整车钩座与牵引梁尾部距离,确认无误后点固车钩座,对两牵引梁内侧距离进行复查,确认无误后进行牵引梁与地板梁的焊接:焊接完成后,组对牵引梁下盖板,使用龙门式压紧结构将牵引梁下盖板与牵引梁贴合,拧紧丝杆。焊接牵引梁下盖板与牵引梁的平焊缝后,使用变位机将焊接夹具整体顺时针翻转90",将立焊缝转换成平焊缝,利于焊接。同理完成另一侧的焊接。

4结语

通过对夹具整体结构的验证,夹具主体整体平面为0.6mm,定位块整体定位误差≤0.5mm,车钩座高度58mm,各丝杆、压紧装置灵活可靠,整体满足设计及工艺要求。在对牵引梁产品检验过程中,牵引梁上平面平面度检测为2mm/3mm,地板梁间距误差为0.5mm,车钩座距离牵引梁尾部距离为1997mm,符合产品技术要求。该结构牵引梁组焊夹具已经在不锈钢城铁车牵引梁焊接上得到应用,满足B型不锈钢城铁车的通用化需求,焊接夹具适用于组对和焊接,能够实现工件的翻转,对生产效率的提升及产品质量的保证发挥了重要作用。