Как да се проектира заваръчно приспособление, за да се намали деформацията на ролковата верига?

Как да се проектира заваръчно приспособление, за да се намали деформацията на ролковата верига?

В производството на ролкови вериги, заваряването е критичен процес за свързване на звената и осигуряване на здравина на веригата. Термичната деформация по време на заваряване обаче често се превръща в постоянен проблем, влияейки върху прецизността и производителността на продукта. Деформираниролкови веригиможе да показва проблеми като отклонение на звената, неравномерна стъпка и непостоянно опъване на веригата. Тези проблеми не само намаляват ефективността на предаването, но и увеличават износването, скъсяват експлоатационния живот и дори причиняват повреда на оборудването. Като ключов инструмент за контрол на деформацията, дизайнът на заваръчните приспособления директно определя качеството на заваряване на ролкови вериги. Тази статия ще разгледа основните причини за деформацията при заваряване на ролкови вериги и систематично ще обясни как да се постигне контрол на деформацията чрез научно проектиране на приспособления, предоставяйки практически технически решения за практикуващите производители.

Първо, разберете: Каква е основната причина за деформацията при заваряване на ролкови вериги?

Преди да проектираме приспособление, първо трябва да разберем основната причина за деформацията при заваряване на ролкови вериги - освобождаването на напрежение, причинено от неравномерно подаване на топлина и недостатъчно задържане. Звената на ролковите вериги обикновено се състоят от външни и вътрешни плочи, щифтове и втулки. По време на заваряването локализираното нагряване се прилага предимно върху връзката между плочите, щифтовете и втулките. Основните причини за деформация по време на този процес могат да бъдат обобщени, както следва:

Небалансирано разпределение на термичното напрежение: Високата температура, генерирана от заваръчната дъга, причинява локализирано бързо разширяване на метала, докато околните ненагряти области, поради по-ниската си температура и по-голямата си твърдост, действат като ограничение, предотвратявайки свободното разширяване на нагрятия метал и генерирайки напрежение на натиск. По време на охлаждане нагрятият метал се свива, което се възпрепятства от околните области, което води до напрежение на опън. Когато напрежението надвиши границата на провлачване на материала, се получава трайна деформация, като например огънати връзки и неправилно подравнени щифтове.

Недостатъчна точност на позициониране на компонентите: Стъпката на ролковата верига и паралелизмът на звената са ключови показатели за прецизност. Ако референтното позициониране на компонентите в приспособлението е неясно преди заваряване и силата на затягане е нестабилна, компонентите са склонни към странично или надлъжно несъответствие под действието на термично напрежение по време на заваряване, което води до отклонения в стъпката и изкривяване на звената. Лоша съвместимост между последователността на заваряване и приспособлението: Неправилната последователност на заваряване може да причини натрупване на топлина в детайла, което изостря локализираната деформация. Ако приспособлението не успее да осигури динамични ограничения, базирани на последователността на заваряване, деформацията ще се увеличи допълнително.

Второ, основни принципи на проектирането на заваръчните приспособления: прецизно позициониране, стабилно затягане и гъвкаво разсейване на топлината.

Предвид структурните характеристики на ролковите вериги (множество компоненти и тънки, лесно деформиращи се верижни пластини) и изискванията за заваряване, проектирането на приспособленията трябва да се придържа към три ключови принципа за контрол на деформацията в източника:

1. Принцип на унифицираните данни: Използване на индикатори за точност на ядрото като данни за позициониране

Основната точност на ролковите вериги е точността на стъпката и паралелизмът на верижните плочи, така че проектирането на позиционирането на приспособлението трябва да се фокусира върху тези два показателя. Препоръчва се класическият метод за позициониране „една равнина, два щифта“: плоската повърхност на верижната плоча служи като основна повърхност за позициониране (ограничавайки три степени на свобода) и два локализиращи щифта, съчетаващи се с отвори за щифтове (ограничавайки съответно две и една степен на свобода), постигат пълно позициониране. Логизиращите щифтове трябва да бъдат изработени от износоустойчива легирана стомана (като Cr12MoV) и закалени (твърдост ≥ HRC58), за да се гарантира, че точността на позициониране се запазва дори след продължителна употреба. Разстоянието между локализиращите щифтове и отворите за щифтове на верижната плоча трябва да се поддържа между 0,02-0,05 мм, за да се улесни затягането и да се предотврати движението на компонентите по време на заваряване.

2. Принцип на адаптиране на силата на затягане: „Достатъчно и невредимо“

Проектирането на силата на затягане е от решаващо значение за балансиране на предотвратяването на деформация и предотвратяването на повреди. Прекомерната сила на затягане може да причини пластична деформация на верижната плоча, докато твърде малката може да попречи на заваръчното напрежение. Трябва да се спазват следните конструктивни съображения:

Точката на затягане трябва да бъде позиционирана подходящо: близо до зоната на заваряване (≤20 мм от заваряването) и разположена в твърда зона на верижната плоча (например близо до ръба на отвора за щифт), за да се избегне огъване, причинено от силата на затягане, действаща в средата на верижната плоча. Регулируема сила на затягане: Изберете подходящия метод на затягане въз основа на дебелината на веригата (обикновено 3-8 мм) и материала (най-вече легирани конструкционни стомани като 20Mn и 40MnB). Тези методи включват пневматично затягане (подходящо за масово производство, с регулируема сила на затягане чрез регулатор на налягането, в диапазона от 5-15N) или винтово затягане (подходящо за персонализиране на малки партиди, със стабилна сила на затягане).
Гъвкав затягащ контакт: Върху контактната зона между затягащия блок и веригата се поставя полиуретаново уплътнение (с дебелина 2-3 мм). Това увеличава триенето, като същевременно предотвратява вдлъбването или надраскването на повърхността на веригата от затягащия блок.

3. Принцип на синергията при разсейване на топлината: Термично съгласуване между скобата и процеса на заваряване

Деформацията при заваряване се причинява основно от неравномерно разпределение на топлината. Следователно, скобата трябва да осигурява спомагателно разсейване на топлината, намалявайки термичното напрежение чрез двоен подход на „активно разсейване на топлината и пасивно топлопроводимост“. За пасивно топлопроводимост тялото на приспособлението трябва да бъде изработено от материал с висока топлопроводимост, като например алуминиева сплав (топлопроводимост 202 W/(m·K)) или медна сплав (топлопроводимост 380 W/(m·K)), замествайки традиционния чугун (топлопроводимост 45 W/(m·K)). Това ускорява топлопроводимостта в зоната на заваряване. За активно разсейване на топлината могат да бъдат проектирани канали за охлаждаща вода близо до заваръчния шев на приспособлението и може да се въведе циркулираща охлаждаща вода (температура на водата с контролирана температура 20-25°C), за да се отведе локалната топлина чрез топлообмен, което прави охлаждането на детайла по-равномерно.

Трето, ключови стратегии и детайли при проектирането на скоби за намаляване на деформацията на ролковите вериги

Въз основа на горепосочените принципи, трябва да фокусираме нашия дизайн върху специфични структури и функции. Следните четири стратегии могат да бъдат директно приложени в реалното производство:

1. Модулна структура за позициониране: Адаптивна към множество спецификации на ролкови вериги, осигуряваща съгласуваност на позиционирането

Ролковите вериги се предлагат в различни спецификации (напр. 08A, 10A, 12A и др., със стъпки от 12,7 мм до 19,05 мм). Проектирането на отделно приспособление за всяка спецификация би увеличило разходите и времето за смяна. Препоръчваме използването на модулни позициониращи компоненти: Позициониращите щифтове и блокове са проектирани да бъдат сменяеми и свързани към основата на приспособлението чрез болтове. Когато променяте спецификациите, просто отстранете стария позициониращ компонент и монтирайте нов със съответната стъпка, като по този начин намалите времето за смяна до по-малко от 5 минути. Освен това, опорните точки за позициониране на всички модулни компоненти трябва да съвпадат с опорната повърхност на основата на приспособлението, за да се осигури постоянна точност на позициониране за ролкови вериги с различни спецификации.

2. Симетричен дизайн със ограничения: Компенсиране на „взаимодействието“ на заваръчното напрежение

Заваряването на ролкови вериги често включва симетрични структури (например, едновременно заваряване на щифт към двойна верижна плоча). Следователно, приспособлението трябва да използва симетричен дизайн на ограничението, за да се сведе до минимум деформацията чрез компенсиране на напреженията. Например, по време на процеса на заваряване на двойна верижна плоча и щифт, приспособлението трябва да бъде симетрично позиционирано с позициониращи блокове и затягащи устройства от двете страни на веригата, за да се осигури постоянен вход на топлина при заваряване и сила на задържане. Освен това, в средата на веригата, наравно с равнината на верижните плочи, може да се постави спомагателен опорен блок, за да се смекчи напрежението на огъване в центъра по време на заваряване. Практическите данни показват, че симетричният дизайн на ограничението може да намали отклонението на стъпката в ролковите вериги с 30%-40%.

3. Динамично последващо затягане: Адаптиране към термична деформация по време на заваряване

По време на заваряване, детайлът претърпява минимални измествания поради термично разширение и свиване. Фиксираният метод на затягане може да доведе до концентрации на напрежение. Следователно, приспособлението може да бъде проектирано с динамичен механизъм за затягане с проследяване: сензор за изместване (като лазерен сензор за изместване с точност от 0,001 мм) следи деформацията на верижната плоча в реално време, предавайки сигнала към PLC системата за управление. След това серво мотор задвижва затягащия блок за микрорегулиране (с диапазон на регулиране от 0-0,5 мм), за да поддържа подходящата сила на затягане. Тази конструкция е особено подходяща за заваряване на ролкови вериги с дебела плоча (дебелина ≥ 6 мм), като ефективно предотвратява напукване на веригата, причинено от термична деформация.

4. Избягване на заваряване и проектиране на насочване: Осигурява прецизен път на заваряване и намалява зоната, засегната от топлината
По време на заваряване, точността на траекторията на движение на заваръчния пистолет влияе пряко върху качеството на заварката и подаваната топлина. Приспособлението трябва да бъде оборудвано с канал за избягване на заваръчния шев и водач за заваръчния пистолет. В близост до заваръчния шев трябва да се създаде U-образен канал за избягване (с 2-3 мм по-широк от заваръчния шев и 5-8 мм дълбочина), за да се предотврати смущения между приспособлението и заваръчния пистолет. Освен това, над приспособлението трябва да се монтира направляваща релса, за да се осигури равномерно движение на заваръчния пистолет по предварително зададен път (препоръчва се скорост на заваряване от 80-120 мм/мин), което осигурява праволинейност на заваръчния шев и равномерно подавана топлина. В канала за избягване може да се постави и керамичен изолационен материал, за да се предотврати повреждането на приспособлението от пръски от заваряването.

Четвърто, Оптимизация и проверка на приспособленията: Управление със затворен контур от проектиране до внедряване

Един добър дизайн изисква оптимизация и проверка, преди да може да бъде наистина внедрен. Следните три стъпки могат да гарантират практичността и надеждността на приспособлението:

1. Симулационен анализ с крайни елементи: Прогнозиране на деформация и оптимизиране на структурата

Преди производството на приспособлението се извършват симулации на термично-структурно свързване, използвайки софтуер за крайни елементи, като ANSYS и ABAQUS. Въвеждането на параметри на материала на ролковата верига (като коефициент на термично разширение и модул на еластичност) и параметри на заваръчния процес (като заваръчен ток 180-220A и напрежение 22-26V) симулира разпределението на температурата и напреженията в приспособлението и детайла по време на заваряване, като предвижда потенциални области на деформация. Например, ако симулацията покаже прекомерна деформация на огъване в средата на верижната плоча, може да се добави допълнителна опора към съответното място в приспособлението. Ако възникне концентрация на напрежение при фиксиращия щифт, радиусът на заобляне на щифта може да бъде оптимизиран (препоръчва се R2-R3). Оптимизацията на симулацията може да намали разходите за метода проба-грешка на приспособлението и да съкрати цикъла на разработка.

2. Проверка на пробно заваряване: Тестване на малки партиди и итеративни корекции

След като приспособлението е произведено, извършете проверка на пробното заваряване на малка партида (препоръчително: 50-100 броя). Фокусирайте се върху следните показатели:

Точност: Използвайте универсален инструментален микроскоп за измерване на отклонението на стъпката (трябва да бъде ≤0,1 мм) и паралелизма на верижните пластини (трябва да бъде ≤0,05 мм);

Деформация: Използвайте координатно измервателна машина, за да сканирате плоскостта на верижната плоча и да сравните деформацията преди и след заваряване;

Стабилност: След непрекъснато заваряване на 20 детайла, проверете износването на фиксиращите щифтове и затягащите блокове на приспособлението и се уверете, че силата на затягане е стабилна.

Въз основа на резултатите от пробното заваряване се правят итеративни корекции на приспособлението, като например регулиране на силата на затягане и оптимизиране на местоположението на охлаждащия канал, докато то отговори на изискванията за масово производство.

3. Ежедневна поддръжка и калибриране: Осигуряване на дългосрочна точност

След пускането на устройството в експлоатация, трябва да се установи система за редовна поддръжка и калибриране:

Ежедневна поддръжка: Почистете заваръчните пръски и маслените петна от повърхността на приспособлението и проверете за течове в пневматичните/хидравличните системи на затягащото устройство.

Седмично калибриране: Използвайте блокови измервателни уреди и индикаторни часовници, за да калибрирате точността на позициониране на локализиращите щифтове. Ако отклонението надвишава 0,03 мм, регулирайте или сменете незабавно.

Месечна проверка: Проверете каналите за охлаждаща вода за запушвания и сменете износените полиуретанови уплътнения и фиксиращи компоненти.

Чрез стандартизирана поддръжка, животът на приспособлението може да бъде удължен (обикновено до 3-5 години), осигурявайки ефективен контрол на деформацията по време на дългосрочно производство.

Пето, Казус: Практики за подобряване на приспособленията в компания за тежко машиностроене

Производител на тежкотоварни ролкови вериги (използвани в минни машини) се сблъсква с проблеми с прекомерна деформация (≥0,3 мм) в звената на веригата след заваряване, което води до процент на квалификация на продукта от само 75%. Чрез следните подобрения на приспособленията, процентът на преминаване на тестовете се увеличава до 98%:

Подобрение на позиционирането: Оригиналният единичен фиксиращ щифт беше заменен със система за позициониране „двоен щифт + плоска повърхност“, което намали хлабината до 0,03 мм и реши проблема с отместването на детайла;

Оптимизация на разсейването на топлината: Корпусът на приспособлението е изработен от медна сплав и разполага с охлаждащи канали, което увеличава скоростта на охлаждане в зоната на заваряване с 40%;

Динамично затягане: Инсталирани са сензор за изместване и серво система за затягане, за да се регулира силата на затягане в реално време, за да се избегне концентрация на напрежение;

Симетрични ограничения: Симетрични затягащи блокове и опорни блокове са монтирани от двете страни на веригата, за да компенсират напрежението при заваряване.

След подобренията, отклонението на стъпката на ролковата верига се контролира в рамките на 0,05 мм, а изкривяването е ≤0,1 мм, което напълно отговаря на изискванията за висока точност на клиента.

Заключение: Дизайнът на приспособлението е „първата линия на защита“ за качеството на заваряване на ролкови вериги.

Намаляването на деформацията при заваряване на ролкови вериги не е въпрос на оптимизиране на една единствена стъпка, а систематичен процес, обхващащ позициониране, затягане, разсейване на топлината, обработка и поддръжка, като основният компонент е дизайнът на заваръчното приспособление. От унифицираната структура за позициониране, през адаптивния контрол на силата на затягане, до гъвкавия дизайн на динамичното проследяване, всеки детайл пряко влияе върху ефекта на деформация.