Kako zasnovati varilno napravo za zmanjšanje deformacije valjčne verige?

Kako zasnovati varilno napravo za zmanjšanje deformacije valjčne verige?

Pri izdelavi valjčnih verig je varjenje ključni postopek za povezovanje členov in zagotavljanje trdnosti verige. Vendar pa toplotna deformacija med varjenjem pogosto postane stalna težava, ki vpliva na natančnost in delovanje izdelka. Deformiranovaljčne verigelahko kažejo težave, kot so upogib členov, neenakomeren korak in nedosledna napetost verige. Te težave ne le zmanjšajo učinkovitost prenosa, temveč tudi povečajo obrabo, skrajšajo življenjsko dobo in celo povzročijo okvaro opreme. Kot ključno orodje za nadzor deformacije zasnova varilnih priprav neposredno določa kakovost varjenja valjčnih verig. Ta članek bo preučil temeljne vzroke deformacije pri varjenju valjčnih verig in sistematično razložil, kako doseči nadzor nad deformacijo z znanstveno zasnovo priprav, ter zagotovil praktične tehnične rešitve za proizvodne strokovnjake.

Najprej razumite: Kaj je glavni vzrok za deformacijo pri varjenju valjčnih verig?

Preden načrtujemo vpenjalo, moramo najprej razumeti temeljni vzrok deformacije pri varjenju valjčnih verig – sproščanje napetosti zaradi neenakomernega dovajanja toplote in nezadostne zadrževalnosti. Členi valjčnih verig so običajno sestavljeni iz zunanjih in notranjih plošč, zatičev in puš. Med varjenjem se lokalno segrevanje uporablja predvsem na spoju med ploščami, zatiči in pušami. Glavne vzroke deformacije med tem postopkom lahko povzamemo takole:

Neuravnotežena porazdelitev toplotnih napetosti: Visoka temperatura, ki jo ustvarja varilni oblok, povzroči lokalizirano hitro raztezanje kovine, medtem ko okoliška neogrevana območja zaradi nižje temperature in večje togosti delujejo kot omejitev, ki preprečuje prosto širjenje segrete kovine in ustvarja tlačne napetosti. Med ohlajanjem se segreta kovina krči, kar ovirajo okoliška območja, kar povzroči natezno napetost. Ko napetost preseže mejo tečenja materiala, pride do trajnih deformacij, kot so upognjeni členi in neporavnani zatiči.

Neustrezna natančnost pozicioniranja komponent: Korak valjčne verige in vzporednost členov sta ključna kazalnika natančnosti. Če je referenca pozicioniranja komponente v vpenjalu pred varjenjem nejasna in je vpenjalna sila nestabilna, so komponente zaradi toplotnih obremenitev med varjenjem nagnjene k bočni ali vzdolžni neporavnanosti, kar povzroči odstopanja koraka in popačenje členov. Slaba združljivost med zaporedjem varjenja in vpenjalom: Nepravilno zaporedje varjenja lahko povzroči kopičenje toplote v obdelovancu, kar poslabša lokalizirano deformacijo. Če vpenjalo ne zagotavlja dinamičnih omejitev na podlagi zaporedja varjenja, se bo deformacija še povečala.

Drugič, osnovna načela načrtovanja varilnih napeljav: natančno pozicioniranje, stabilno vpenjanje in prilagodljivo odvajanje toplote.

Glede na strukturne značilnosti valjčnih verig (več komponent in tanke, zlahka deformabilne verižne plošče) in zahteve glede varjenja mora zasnova vpenjalnih načel upoštevati tri ključna načela za nadzor deformacije pri viru:

1. Načelo enotnega datuma: Uporaba kazalnikov natančnosti jedra kot referenčnega datuma za določanje položaja

Osnovna natančnost valjčnih verig je natančnost koraka in vzporednost verižne plošče, zato se mora načrtovanje pozicioniranja vpenjal osredotočiti na ta dva kazalnika. Priporočljiva je klasična metoda pozicioniranja "ena ravnina, dva zatiča": ravna površina verižne plošče služi kot primarna pozicionirna površina (omejuje tri stopnje svobode), dva fiksirna zatiča, ki se ujemata z luknjami za zatiče (omejujeta dve oziroma eno stopnjo svobode), pa dosežeta popolno pozicioniranje. Fiksni zatiči morajo biti izdelani iz legiranega jekla, odpornega proti obrabi (kot je Cr12MoV), in kaljeni (trdota ≥ HRC58), da se zagotovi natančnost pozicioniranja tudi po dolgotrajni uporabi. Razmik med fiksirnimi zatiči in luknjami za zatiče verižne plošče mora biti med 0,02 in 0,05 mm, da se olajša vpenjanje in prepreči premikanje komponent med varjenjem.

2. Načelo prilagajanja vpenjalne sile: »Zadostna in neškodljiva«

Zasnova vpenjalne sile je ključnega pomena za uravnoteženje preprečevanja deformacij in preprečevanja poškodb. Prekomerna vpenjalna sila lahko povzroči plastično deformacijo verižne plošče, premajhna pa lahko zmanjša napetost pri varjenju. Upoštevati je treba naslednje konstrukcijske vidike:

Vpenjalna točka mora biti ustrezno nameščena: blizu varjenega območja (≤20 mm od varjenega mesta) in nameščena na togem območju verižne plošče (na primer blizu roba luknje za zatič), da se prepreči upogibanje zaradi vpenjalne sile, ki deluje na sredini verižne plošče. Nastavljiva vpenjalna sila: Izberite ustrezno metodo vpenjanja glede na debelino verige (običajno 3–8 mm) in material (večinoma legirana konstrukcijska jekla, kot sta 20Mn in 40MnB). Te metode vključujejo pnevmatsko vpenjanje (primerno za masovno proizvodnjo, z vpenjalno silo, nastavljivo z regulatorjem tlaka, v območju od 5 do 15 N) ali vijačno vpenjanje (primerno za prilagoditev majhnih serij, s stabilno vpenjalno silo).
Fleksibilen vpenjalni kontakt: Na kontaktno površino med vpenjalnim blokom in verigo je naneseno poliuretansko tesnilo (debeline 2–3 mm). To poveča trenje in hkrati preprečuje, da bi vpenjalni blok vdrl ali opraskal površino verige.

3. Načelo sinergije odvajanja toplote: toplotno usklajevanje med objemko in varilnim procesom

Deformacijo pri varjenju v bistvu povzroča neenakomerna porazdelitev toplote. Zato mora objemka zagotavljati pomožno odvajanje toplote, kar zmanjšuje toplotne napetosti z dvojnim pristopom "aktivnega odvajanja toplote in pasivnega prevajanja toplote". Za pasivno prevajanje toplote mora biti telo vpenjala izdelano iz materiala z visoko toplotno prevodnostjo, kot je aluminijeva zlitina (toplotna prevodnost 202 W/(m·K)) ali bakrova zlitina (toplotna prevodnost 380 W/(m·K)), ki nadomešča tradicionalno lito železo (toplotna prevodnost 45 W/(m·K)). To pospeši prevajanje toplote na območju varjenja. Za aktivno odvajanje toplote se lahko v bližini zvara vpenjala zasnujejo kanali za hladilno vodo, za odvajanje lokalne toplote pa se lahko uvede krožeča hladilna voda (temperatura vode, nadzorovana na 20–25 °C), s čimer se zagotovi bolj enakomerno hlajenje obdelovanca.

Tretjič, ključne strategije in podrobnosti pri načrtovanju objemk za zmanjšanje deformacije valjčnih verig

Na podlagi zgornjih načel se moramo pri načrtovanju osredotočiti na specifične strukture in funkcije. Naslednje štiri strategije je mogoče neposredno uporabiti v dejanski proizvodnji:

1. Modularna struktura pozicioniranja: Prilagodljiva več specifikacijam valjčnih verig, kar zagotavlja doslednost pozicioniranja

Valjčne verige so na voljo v različnih specifikacijah (npr. 08A, 10A, 12A itd., z koraki od 12,7 mm do 19,05 mm). Zasnova ločenega vpenjala za vsako specifikacijo bi povečala stroške in čas prehoda. Priporočamo uporabo modularnih pozicionirnih komponent: Pozicijski zatiči in bloki so zasnovani tako, da jih je mogoče zamenjati, in so s podnožjem vpenjala povezani z vijaki. Pri spreminjanju specifikacij preprosto odstranite staro pozicionirno komponento in namestite novo z ustreznim korakom, s čimer se čas prehoda skrajša na manj kot 5 minut. Poleg tega se morajo referenčne točke pozicioniranja vseh modularnih komponent poravnati z referenčno površino podnožja vpenjala, da se zagotovi dosledna natančnost pozicioniranja za valjčne verige različnih specifikacij.

2. Zasnova simetričnih omejitev: Izravnava »interakcije« varilnih napetosti

Varjenje valjčnih verig pogosto vključuje simetrične strukture (na primer hkratno varjenje zatiča na dvojno verižno ploščo). Zato mora vpenjalo uporabljati simetrično zasnovo omejitve, da se zmanjša deformacija z izravnavo napetosti. Na primer, med varjenjem dvojne verižne plošče in zatiča mora biti vpenjalo simetrično nameščeno s pozicionirnimi bloki in vpenjalnimi napravami na obeh straneh verige, da se zagotovi enakomeren vnos toplote pri varjenju in sila zadrževanja. Poleg tega se lahko na sredino verige, poravnano z ravnino verižnih plošč, namesti pomožni podporni blok, da se med varjenjem ublaži upogibna napetost v sredini. Praktični podatki kažejo, da lahko simetrična zasnova omejitve zmanjša odstopanje koraka valjčnih verig za 30–40 %.

3. Dinamično vpenjanje z nadaljnjim vpenjanjem: prilagajanje toplotni deformaciji med varjenjem

Med varjenjem se obdelovanec zaradi toplotnega raztezanja in krčenja le malo premakne. Fiksna metoda vpenjanja lahko povzroči koncentracije napetosti. Zato je mogoče vpenjalno napravo zasnovati z dinamičnim mehanizmom za sledenje vpenjanja: senzor premika (kot je laserski senzor premika z natančnostjo 0,001 mm) v realnem času spremlja deformacijo verižne plošče in signal prenaša v krmilni sistem PLC. Servomotor nato poganja vpenjalni blok za mikro nastavitve (z območjem nastavitve 0–0,5 mm), da se ohrani ustrezna vpenjalna sila. Ta zasnova je še posebej primerna za varjenje valjčnih verig z debelimi ploščami (debelina ≥ 6 mm) in učinkovito preprečuje razpoke verige zaradi toplotne deformacije.

4. Izogibanje varjenju in zasnova vodenja: Zagotavlja natančno varilno pot in zmanjšuje območje, ki ga prizadene toplota
Med varjenjem natančnost poti gibanja varilne pištole neposredno vpliva na kakovost varjenja in dovod toplote. Naprava mora biti opremljena z utorom za izogibanje varjenju in vodilom varilne pištole. V bližini varjenja je treba ustvariti utor v obliki črke U (2–3 mm širši od varjenja in 5–8 mm globok), da se prepreči motenje med napravo in varilno pištolo. Poleg tega je treba nad napravo namestiti vodilno tirnico, ki zagotavlja enakomerno gibanje varilne pištole vzdolž vnaprej določene poti (priporočena je hitrost varjenja 80–120 mm/min), kar zagotavlja ravnost varjenja in enakomeren dovod toplote. V utor za izogibanje se lahko namesti tudi keramični izolacijski material, ki preprečuje, da bi brizgi varjenja poškodovali napravo.

Četrtič, optimizacija in preverjanje vpenjal: krmiljenje v zaprti zanki od zasnove do izvedbe

Dobra zasnova zahteva optimizacijo in preverjanje, preden jo je mogoče zares izvesti. Naslednji trije koraki lahko zagotovijo praktičnost in zanesljivost naprave:

1. Analiza simulacije končnih elementov: napovedovanje deformacije in optimizacija strukture

Pred izdelavo vpenjala se izvedejo simulacije toplotno-strukturne sklopitve z uporabo programske opreme za končne elemente, kot sta ANSYS in ABAQUS. Z vnosom parametrov materiala valjčne verige (kot sta koeficient toplotnega raztezanja in elastični modul) in parametrov varilnega procesa (kot sta varilni tok 180–220 A in napetost 22–26 V) se simulira porazdelitev temperature in napetosti v vpenjalu in obdelovancu med varjenjem, kar napoveduje potencialna območja deformacije. Če na primer simulacija pokaže prekomerno upogibno deformacijo na sredini verižne plošče, se lahko na ustrezno mesto v vpenjalu doda dodatna opora. Če pride do koncentracije napetosti na fiksirnem zatiču, se lahko optimizira polmer zaobljenega roba zatiča (priporočljivo je R2–R3). Optimizacija simulacije lahko zmanjša stroške poskusov in napak pri vpenjalu ter skrajša razvojni cikel.

2. Preverjanje poskusnega varjenja: testiranje majhnih serij in iterativne prilagoditve

Po izdelavi vpenjala izvedite preverjanje poskusnega varjenja v majhni seriji (priporočeno: 50–100 kosov). Osredotočite se na naslednje kazalnike:

Natančnost: Za merjenje odstopanja nagiba (naj bo ≤ 0,1 mm) in vzporednosti verižne plošče (naj bo ≤ 0,05 mm) uporabite univerzalni orodni mikroskop;

Deformacija: S koordinatnim merilnim strojem skenirajte ravnost verižne plošče in primerjajte deformacijo pred in po varjenju;

Stabilnost: Po neprekinjenem varjenju 20 kosov preverite obrabo pritrdilnih zatičev in vpenjalnih blokov vpenjala ter se prepričajte, da je vpenjalna sila stabilna.

Na podlagi rezultatov poskusnega varjenja se na vpenjalu izvedejo iterativne prilagoditve, kot sta prilagajanje vpenjalne sile in optimizacija lokacije hladilnega kanala, dokler ne izpolni zahtev masovne proizvodnje.

3. Dnevno vzdrževanje in kalibracija: zagotavljanje dolgoročne natančnosti

Po zagonu naprave je treba vzpostaviti sistem rednega vzdrževanja in kalibracije:

Dnevno vzdrževanje: Očistite varilne brizge in oljne madeže s površine vpenjalne naprave ter preverite morebitna puščanja v pnevmatskih/hidravličnih sistemih vpenjalne naprave.

Tedenska kalibracija: Za kalibracijo natančnosti pozicioniranja ločilnih zatičev uporabite merilne bloke in merilne ure. Če odstopanje presega 0,03 mm, jih nemudoma prilagodite ali zamenjajte.

Mesečni pregled: Preverite kanale hladilne vode glede blokad in zamenjajte obrabljena poliuretanska tesnila in pritrdilne komponente.

S standardiziranim vzdrževanjem se lahko življenjska doba vpenjala podaljša (običajno do 3-5 let), kar zagotavlja učinkovit nadzor deformacij med dolgotrajno proizvodnjo.

Petič, študija primera: Prakse izboljšanja vpenjalnih naprav v podjetju za težko mehanizacijo

Proizvajalec težkih valjčnih verig (ki se uporabljajo v rudarskih strojih) se je soočal s težavami s prekomerno deformacijo (≥0,3 mm) v členih verige po varjenju, zaradi česar je bila stopnja kvalifikacije izdelka le 75 %. Z naslednjimi izboljšavami vpenjal se je stopnja uspešnosti povečala na 98 %:

Nadgradnja pozicioniranja: Prvotni enojni locirni zatič je bil nadomeščen s sistemom pozicioniranja »dvojni zatič + ravna površina«, s čimer se je razmik zmanjšal na 0,03 mm in odpravila težava z odmikom dela;

Optimizacija odvajanja toplote: Ohišje vpenjala je izdelano iz bakrene zlitine in ima hladilne kanale, kar poveča hitrost hlajenja v varjenem območju za 40 %;

Dinamično vpenjanje: Vgrajen je senzor premika in servo vpenjalni sistem za prilagajanje vpenjalne sile v realnem času, da se prepreči koncentracija napetosti;

Simetrične omejitve: Na obeh straneh verige so nameščeni simetrični vpenjalni bloki in podporni bloki za izravnavo varilnih napetosti.

Po izboljšavah je odstopanje nagiba valjčne verige nadzorovano znotraj 0,05 mm, popačenje pa je ≤ 0,1 mm, kar v celoti izpolnjuje zahteve stranke glede visoke natančnosti.

Zaključek: Zasnova vpenjala je »prva obrambna linija« za kakovost varjenja valjčnih verig.

Zmanjšanje varilne deformacije valjčnih verig ni stvar optimizacije enega samega koraka, temveč sistematičen proces, ki zajema pozicioniranje, vpenjanje, odvajanje toplote, obdelavo in vzdrževanje, pri čemer je zasnova varilnega pripravka osrednja komponenta. Od enotne strukture pozicioniranja do prilagodljivega nadzora vpenjalne sile in prilagodljive zasnove dinamičnega sledenja, vsaka podrobnost neposredno vpliva na učinek deformacije.