Как спроектировать сварочное приспособление для уменьшения деформации роликовой цепи?

Как спроектировать сварочное приспособление для уменьшения деформации роликовой цепи?

В производстве роликовых цепей сварка является критически важным процессом для соединения звеньев и обеспечения прочности цепи. Однако термическая деформация во время сварки часто становится постоянной проблемой, влияющей на точность и производительность изделия.роликовые цепиМогут возникать такие проблемы, как прогиб звеньев, неравномерный шаг и непостоянное натяжение цепи. Эти проблемы не только снижают эффективность передачи, но и увеличивают износ, сокращают срок службы и даже приводят к поломке оборудования. Конструкция сварочных приспособлений, как ключевой инструмент контроля деформации, напрямую определяет качество сварки роликовых цепей. В данной статье будут рассмотрены первопричины деформации при сварке роликовых цепей и систематически объяснены способы достижения контроля деформации с помощью научного проектирования приспособлений, а также предложены практические технические решения для специалистов в области производства.

Для начала разберитесь: в чем заключается основная причина деформации при сварке роликовых цепей?

Прежде чем проектировать приспособление, необходимо сначала понять основную причину деформации при сварке роликовых цепей — снятие напряжений, вызванное неравномерным подводом тепла и недостаточной фиксацией. Звенья роликовой цепи обычно состоят из наружных и внутренних пластин, штифтов и втулок. Во время сварки локальный нагрев в основном осуществляется в месте соединения пластин, штифтов и втулок. Основные причины деформации в этом процессе можно суммировать следующим образом:

Неравномерное распределение термических напряжений: высокая температура, создаваемая сварочной дугой, вызывает локальное быстрое расширение металла, в то время как окружающие необогреваемые участки, благодаря своей более низкой температуре и большей жесткости, действуют как ограничитель, препятствуя свободному расширению нагретого металла и создавая сжимающее напряжение. Во время охлаждения нагретый металл сжимается, чему препятствуют окружающие участки, что приводит к растягивающему напряжению. Когда напряжение превышает предел текучести материала, происходит необратимая деформация, такая как изгиб звеньев и смещение штифтов.

Недостаточная точность позиционирования компонентов: шаг и параллельность звеньев роликовой цепи являются ключевыми показателями точности. Если эталонное положение компонента в приспособлении нечеткое до сварки, а усилие зажима нестабильно, компоненты подвержены боковому или продольному смещению под действием термических напряжений во время сварки, что приводит к отклонениям шага и деформации звеньев. Плохая совместимость между последовательностью сварки и приспособлением: неправильная последовательность сварки может привести к накоплению тепла в заготовке, усугубляя локальную деформацию. Если приспособление не обеспечивает динамических ограничений в соответствии с последовательностью сварки, деформация будет еще больше усиливаться.

Во-вторых, основные принципы проектирования сварочных приспособлений: точное позиционирование, стабильное зажимание и гибкое рассеивание тепла.

Учитывая структурные особенности роликовых цепей (многокомпонентная конструкция и тонкие, легко деформируемые пластины цепи) и требования к сварке, при проектировании зажимных приспособлений необходимо придерживаться трех ключевых принципов для контроля деформации в источнике:

1. Принцип единой опорной точки: использование основных индикаторов точности в качестве опорной точки позиционирования.

Ключевым фактором точности роликовых цепей является точность шага и параллельность пластины цепи, поэтому при проектировании оснастки необходимо уделять внимание этим двум показателям. Рекомендуется классический метод позиционирования «одна плоскость, два штифта»: плоская поверхность пластины цепи служит основной поверхностью позиционирования (ограничивая три степени свободы), а два установочных штифта, сопрягающиеся с отверстиями для штифтов (ограничивая две и одну степень свободы соответственно), обеспечивают полное позиционирование. Установочные штифты должны быть изготовлены из износостойкой легированной стали (например, Cr12MoV) и закалены (твердость ≥ HRC58), чтобы обеспечить сохранение точности позиционирования даже после длительной эксплуатации. Зазор между установочными штифтами и отверстиями для штифтов на пластине цепи должен составлять 0,02–0,05 мм для облегчения зажима и предотвращения смещения компонентов во время сварки.

2. Принцип адаптации силы зажима: «Достаточная и не повреждающая».

Расчет усилия зажима имеет решающее значение для обеспечения баланса между предотвращением деформации и предотвращением повреждений. Чрезмерное усилие зажима может вызвать пластическую деформацию пластины цепи, а слишком малое — препятствовать возникновению сварочных напряжений. Необходимо учитывать следующие конструктивные особенности:

Точка зажима должна быть расположена соответствующим образом: близко к зоне сварки (≤20 мм от сварного шва) и в жесткой зоне пластины цепи (например, около края отверстия для штифта), чтобы избежать изгиба, вызванного усилием зажима, действующим в середине пластины цепи. Регулируемое усилие зажима: выберите подходящий метод зажима в зависимости от толщины цепи (обычно 3-8 мм) и материала (в основном легированные конструкционные стали, такие как 20Mn и 40MnB). Эти методы включают пневматический зажим (подходит для массового производства, с усилием зажима, регулируемым с помощью регулятора давления, в диапазоне от 5 до 15 Н) или винтовой зажим (подходит для мелкосерийного производства, со стабильным усилием зажима).
Гибкий зажимной контакт: в зону контакта между зажимным блоком и цепью наносится полиуретановая прокладка (толщиной 2-3 мм). Это увеличивает трение и предотвращает вмятины или царапины на поверхности цепи от зажимного блока.

3. Принцип синергии теплоотвода: термическое согласование между зажимом и процессом сварки.

Деформация при сварке в основном вызвана неравномерным распределением тепла. Поэтому зажим должен обеспечивать дополнительное рассеивание тепла, снижая термическое напряжение за счет двойного подхода: «активного рассеивания тепла и пассивной теплопроводности». Для пассивной теплопроводности корпус зажима должен быть изготовлен из материала с высокой теплопроводностью, такого как алюминиевый сплав (теплопроводность 202 Вт/(м·К)) или медный сплав (теплопроводность 380 Вт/(м·К)), вместо традиционного чугуна (теплопроводность 45 Вт/(м·К)). Это ускоряет теплопроводность в зоне сварки. Для активного рассеивания тепла вблизи сварного шва зажима могут быть спроектированы каналы для охлаждающей воды, и может быть введена циркулирующая охлаждающая вода (температура воды контролируется на уровне 20-25 °C) для локального отвода тепла посредством теплообмена, что делает охлаждение заготовки более равномерным.

В-третьих, ключевые стратегии и детали конструкции зажима для уменьшения деформации роликовой цепи.

Исходя из вышеизложенных принципов, нам необходимо сосредоточить наши разработки на конкретных структурах и функциях. Следующие четыре стратегии могут быть непосредственно применены в реальном производстве:

1. Модульная конструкция позиционирования: адаптируется к различным характеристикам роликовых цепей, обеспечивая стабильность позиционирования.

Роликовые цепи выпускаются с различными характеристиками (например, 08A, 10A, 12A и т. д., с шагом от 12,7 мм до 19,05 мм). Разработка отдельного приспособления для каждой характеристики увеличит затраты и время переналадки. Мы рекомендуем использовать модульные позиционирующие компоненты: позиционирующие штифты и блоки разработаны таким образом, чтобы их можно было заменять, и они крепятся к основанию приспособления болтами. При изменении характеристик достаточно просто снять старый позиционирующий компонент и установить новый с соответствующим шагом, что сократит время переналадки до менее чем 5 минут. Кроме того, опорные поверхности всех модульных компонентов должны совпадать с опорной поверхностью основания приспособления, чтобы обеспечить стабильную точность позиционирования роликовых цепей различных характеристик.

2. Проектирование с симметричными ограничениями: компенсация «взаимодействия» сварочных напряжений.

Сварка роликовых цепей часто включает в себя симметричные конструкции (например, одновременную сварку штифта с двойной пластиной цепи). Поэтому приспособление должно иметь симметричную конструкцию для минимизации деформаций за счет компенсации напряжений. Например, во время процесса сварки двойной пластины цепи и штифта приспособление должно быть симметрично расположено с позиционирующими блоками и зажимными устройствами с обеих сторон цепи, чтобы обеспечить равномерный подвод тепла при сварке и усилие фиксации. Кроме того, в середине цепи, заподлицо с плоскостью пластин цепи, может быть размещен вспомогательный опорный блок для уменьшения изгибающего напряжения в центре во время сварки. Практические данные показывают, что симметричная конструкция может уменьшить отклонение шага в роликовых цепях на 30–40%.

3. Динамическое последующее зажимание: адаптация к термической деформации во время сварки.

В процессе сварки заготовка подвергается незначительным смещениям из-за термического расширения и сжатия. Фиксированный метод зажима может привести к концентрации напряжений. Поэтому можно разработать зажимное приспособление с динамическим механизмом последующего зажима: датчик перемещения (например, лазерный датчик перемещения с точностью до 0,001 мм) отслеживает деформацию пластины цепи в реальном времени, передавая сигнал в систему управления ПЛК. Затем сервомотор приводит в движение зажимной блок для микрорегулировок (с диапазоном регулировки 0-0,5 мм) с целью поддержания необходимой силы зажима. Такая конструкция особенно подходит для сварки толстостенных роликовых цепей (толщина ≥ 6 мм), эффективно предотвращая растрескивание цепи, вызванное термической деформацией.

4. Конструкция, предотвращающая образование сварных швов и обеспечивающая направляющую: гарантирует точную траекторию сварки и уменьшает зону термического воздействия.
В процессе сварки точность траектории движения сварочной горелки напрямую влияет на качество сварного шва и подвод тепла. Приспособление должно быть оснащено канавкой для предотвращения заделки сварочного шва и направляющей для сварочной горелки. Вблизи сварочного шва следует создать U-образную канавку (на 2-3 мм шире сварочного шва и глубиной 5-8 мм), чтобы предотвратить помехи между приспособлением и сварочной горелкой. Кроме того, над приспособлением следует установить направляющую рейку для обеспечения равномерного перемещения сварочной горелки по заданной траектории (рекомендуется скорость сварки 80-120 мм/мин), что обеспечит прямолинейность сварного шва и равномерный подвод тепла. Для предотвращения повреждения приспособления брызгами металла в канавку можно также поместить керамический изоляционный материал.

В-четвертых, оптимизация и проверка приспособлений: замкнутый контур управления от проектирования до реализации.

Для успешной реализации хорошей конструкции необходимы оптимизация и проверка. Следующие три шага могут обеспечить практичность и надежность светильника:

1. Анализ методом конечных элементов: прогнозирование деформаций и оптимизация конструкции.

Перед изготовлением оснастки проводятся термоструктурные симуляции с использованием программного обеспечения для конечноэлементного анализа, такого как ANSYS и ABAQUS. Ввод параметров материала роликовой цепи (таких как коэффициент теплового расширения и модуль упругости) и параметров процесса сварки (таких как сварочный ток 180-220 А и напряжение 22-26 В) позволяет смоделировать распределение температуры и напряжений в оснастке и заготовке во время сварки, прогнозируя потенциальные зоны деформации. Например, если симуляция показывает чрезмерную изгибную деформацию в середине пластины цепи, можно добавить дополнительную опору в соответствующем месте оснастки. Если концентрация напряжений возникает в установочном штифте, можно оптимизировать радиус скругления штифта (рекомендуется R2-R3). Оптимизация с помощью симуляции позволяет сократить затраты на пробные попытки при изготовлении оснастки и сократить цикл разработки.

2. Пробная проверка сварного шва: мелкосерийное тестирование и итеративные корректировки.

После изготовления оснастки проведите проверку сварных швов в небольшой партии (рекомендуется: 50-100 штук). Сосредоточьтесь на следующих показателях:

Точность: Используйте универсальный инструментальный микроскоп для измерения отклонения шага (должно быть ≤0,1 мм) и параллельности пластин цепи (должно быть ≤0,05 мм);

Деформация: Используйте координатно-измерительную машину для сканирования плоскостности пластины цепи и сравните деформацию до и после сварки;

Стабильность: После непрерывной сварки 20 деталей проверьте на износ установочные штифты и зажимные блоки приспособления и убедитесь в стабильности усилия зажима.

На основе результатов пробной сварки вносятся итеративные корректировки в приспособление, такие как регулировка силы зажима и оптимизация расположения канала охлаждения, до тех пор, пока оно не будет соответствовать требованиям серийного производства.

3. Ежедневное техническое обслуживание и калибровка: обеспечение точности в долгосрочной перспективе.

После ввода прибора в эксплуатацию необходимо разработать систему регулярного технического обслуживания и калибровки:

Ежедневное техническое обслуживание: Очистка поверхности зажимного приспособления от брызг сварки и масляных пятен, а также проверка пневматических/гидравлических систем зажимного устройства на наличие утечек.

Еженедельная калибровка: Используйте калибровочные блоки и индикаторы часового типа для калибровки точности позиционирования установочных штифтов. Если отклонение превышает 0,03 мм, незамедлительно отрегулируйте или замените их.

Ежемесячная проверка: осмотрите каналы охлаждающей воды на наличие засоров и замените изношенные полиуретановые прокладки и крепежные элементы.

Благодаря стандартизированному техническому обслуживанию срок службы приспособления может быть продлен (обычно до 3-5 лет), что обеспечивает эффективный контроль деформаций в течение длительного производственного периода.

Пятое, Пример из практики: Методы совершенствования оснастки на предприятии по производству тяжелого машиностроения.

Производитель высокопрочных роликовых цепей (используемых в горнодобывающей технике) столкнулся с проблемой чрезмерной деформации (≥0,3 мм) звеньев цепи после сварки, что приводило к показателю соответствия продукции требованиям всего 75%. Благодаря следующим усовершенствованиям оснастки, процент соответствия увеличился до 98%:

Модернизация системы позиционирования: оригинальный одинарный установочный штифт был заменен системой позиционирования «двойной штифт + плоская поверхность», что уменьшило зазор до 0,03 мм и решило проблему смещения детали;

Оптимизация теплоотвода: корпус приспособления изготовлен из медного сплава и имеет охлаждающие каналы, что увеличивает скорость охлаждения в зоне сварки на 40%;

Динамическое зажимание: для регулировки силы зажима в реальном времени и предотвращения концентрации напряжений установлены датчик перемещения и сервоприводная система зажима;

Симметричные ограничения: для компенсации сварочных напряжений с обеих сторон цепи установлены симметричные зажимные и опорные блоки.

После внесения усовершенствований отклонение шага роликовой цепи контролируется в пределах 0,05 мм, а деформация составляет ≤0,1 мм, что полностью соответствует требованиям заказчика к высокой точности.

Вывод: Конструкция оснастки является «первой линией защиты» качества сварки роликовых цепей.

Снижение деформации при сварке роликовых цепей — это не оптимизация отдельного этапа, а систематический процесс, охватывающий позиционирование, зажим, теплоотвод, обработку и техническое обслуживание, при этом ключевым компонентом является конструкция сварочного приспособления. От единой структуры позиционирования до адаптивного управления усилием зажима и гибкой конструкции динамического следования — каждая деталь напрямую влияет на эффект деформации.