Як сконструювати зварювальний пристрій для зменшення деформації роликового ланцюга?

Як сконструювати зварювальний пристрій для зменшення деформації роликового ланцюга?

У виробництві роликових ланцюгів зварювання є критично важливим процесом для з'єднання ланок та забезпечення міцності ланцюга. Однак теплова деформація під час зварювання часто стає постійною проблемою, впливаючи на точність та продуктивність продукції. Деформованийроликові ланцюгиможуть виникати такі проблеми, як прогин ланок, нерівномірний крок та нестабільний натяг ланцюга. Ці проблеми не тільки знижують ефективність передачі, але й збільшують знос, скорочують термін служби та навіть призводять до виходу з ладу обладнання. Як ключовий інструмент для контролю деформації, конструкція зварювальних пристроїв безпосередньо визначає якість зварювання роликових ланцюгів. У цій статті буде розглянуто корінні причини деформації зварювання роликових ланцюгів та систематично пояснено, як досягти контролю деформації за допомогою наукового проектування пристроїв, надаючи практичні технічні рішення для виробників.

Спочатку зрозумійте: яка перша причина деформації зварювання роликових ланцюгів?

Перш ніж проектувати пристосування, ми повинні спочатку зрозуміти фундаментальну причину деформації зварювання роликових ланцюгів — зняття напруги, спричинене нерівномірним підведенням тепла та недостатнім кріпленням. Ланки роликових ланцюгів зазвичай складаються із зовнішніх та внутрішніх пластин, штифтів та втулок. Під час зварювання локалізований нагрів в основному застосовується до з'єднання між пластинами, штифтами та втулками. Основні причини деформації під час цього процесу можна підсумувати наступним чином:

Незбалансований розподіл термічних напружень: Висока температура, що генерується зварювальною дугою, викликає локалізоване швидке розширення металу, тоді як навколишні ненагріті ділянки, завдяки своїй нижчій температурі та більшій жорсткості, діють як обмежувач, запобігаючи вільному розширенню нагрітого металу та створюючи стискаючі напруження. Під час охолодження нагрітий метал стискається, чому перешкоджають навколишні ділянки, що призводить до розтягувальних напружень. Коли напруження перевищує межу текучості матеріалу, виникає залишкова деформація, така як вигнуті ланки та зміщені штифти.

Недостатня точність позиціонування компонентів: крок роликового ланцюга та паралельність ланок є ключовими показниками точності. Якщо орієнтир позиціонування компонента у пристосуванні нечіткий перед зварюванням, а сила затиску нестабільна, компоненти схильні до поперечного або поздовжнього зміщення під дією термічного напруження під час зварювання, що призводить до відхилень кроку та деформації ланок. Погана сумісність між послідовністю зварювання та пристосуванням: неправильна послідовність зварювання може спричинити накопичення тепла в заготовці, посилюючи локалізовану деформацію. Якщо пристосування не забезпечує динамічних обмежень на основі послідовності зварювання, деформація ще більше посилиться.

По-друге, основні принципи проектування зварювальних пристроїв: точне позиціонування, стабільне затискання та гнучке відведення тепла.

Враховуючи структурні характеристики роликових ланцюгів (багатокомпонентні та тонкі, легко деформовані пластини ланцюга) та вимоги до зварювання, конструкція пристосувань повинна відповідати трьом ключовим принципам для контролю деформації в джерелі:

1. Принцип єдиної бази даних: використання основних індикаторів точності як бази даних позиціонування

Основною точністю роликових ланцюгів є точність кроку та паралельність ланцюгових пластин, тому при проектуванні позиціонування пристосування необхідно зосереджуватися на цих двох показниках. Рекомендується класичний метод позиціонування «в одній площині, з двома штифтами»: плоска поверхня ланцюгової пластини служить основною поверхнею позиціонування (обмежуючи три ступені свободи), а два фіксуючі штифти, що з'єднуються з отворами для штифтів (обмежуючи два та один ступені свободи відповідно), забезпечують повне позиціонування. Фіксуючі штифти повинні бути виготовлені зі зносостійкої легованої сталі (наприклад, Cr12MoV) та загартовані (твердість ≥ HRC58), щоб забезпечити збереження точності позиціонування навіть після тривалого використання. Зазор між фіксуючими штифтами та отворами для штифтів ланцюгової пластини повинен бути в межах 0,02-0,05 мм для полегшення затискання та запобігання руху компонентів під час зварювання.

2. Принцип адаптації сили затиску: «Достатній та нешкідливий»

Розрахунок сили затиску має вирішальне значення для балансування запобігання деформації та запобігання пошкодженням. Надмірна сила затиску може спричинити пластичну деформацію ланцюгової пластини, тоді як занадто мала може перешкоджати зварювальним напруженням. Необхідно дотримуватися наступних конструктивних вимог:

Точку затиску слід розташувати відповідним чином: близько до зони зварювання (≤20 мм від зварного шва) та розташовувати в жорсткій зоні ланцюгової пластини (наприклад, біля краю отвору для штифта), щоб уникнути вигину, спричиненого силою затиску, що діє посередині ланцюгової пластини. Регульована сила затиску: Виберіть відповідний метод затиску залежно від товщини ланцюга (зазвичай 3-8 мм) та матеріалу (переважно леговані конструкційні сталі, такі як 20Mn та 40MnB). Ці методи включають пневматичне затискання (підходить для масового виробництва, із силою затиску, що регулюється за допомогою регулятора тиску, в діапазоні від 5 до 15 Н) або гвинтове затискання (підходить для невеликих партій на замовлення, зі стабільною силою затиску).
Гнучкий затискний контакт: Поліуретанова прокладка (товщиною 2-3 мм) наноситься на контактну поверхню між затискним блоком і ланцюгом. Це збільшує тертя, одночасно запобігаючи вм'ятині або подряпинам затискного блоку на поверхні ланцюга.

3. Принцип синергії розсіювання тепла: теплове узгодження між затискачем та процесом зварювання

Деформація зварювання, по суті, спричинена нерівномірним розподілом тепла. Тому затискач повинен забезпечувати допоміжне відведення тепла, зменшуючи теплове напруження завдяки подвійному підходу «активного відведення тепла та пасивної теплопровідності». Для пасивної теплопровідності корпус пристосування повинен бути виготовлений з матеріалу з високою теплопровідністю, такого як алюмінієвий сплав (теплопровідність 202 Вт/(м·K)) або мідний сплав (теплопровідність 380 Вт/(м·K)), замінюючи традиційний чавун (теплопровідність 45 Вт/(м·K)). Це прискорює теплопровідність у зоні зварювання. Для активного відведення тепла канали для охолоджувальної води можуть бути спроектовані поблизу зварного шва пристосування, а циркулююча охолоджувальна вода (температура води контролюється на рівні 20-25°C) може бути введена для відведення локального тепла шляхом теплообміну, що робить охолодження заготовки більш рівномірним.

По-третє, ключові стратегії та деталі в конструкції затискача для зменшення деформації роликового ланцюга

Виходячи з вищезазначених принципів, нам потрібно зосередити наше проектування на конкретних структурах та функціях. Наступні чотири стратегії можна безпосередньо застосувати у реальному виробництві:

1. Модульна структура позиціонування: адаптується до різних специфікацій роликових ланцюгів, що забезпечує узгодженість позиціонування

Роликові ланцюги бувають різних специфікацій (наприклад, 08A, 10A, 12A тощо, з кроком від 12,7 мм до 19,05 мм). Розробка окремого пристосування для кожної специфікації збільшить витрати та час переналаштування. Ми рекомендуємо використовувати модульні компоненти позиціонування: позиціонуючі штифти та блоки розроблені таким чином, щоб їх можна було замінити, і вони з'єднуються з основою пристосування за допомогою болтів. Під час зміни специфікацій просто видаліть старий компонент позиціонування та встановіть новий з відповідним кроком, що скоротить час переналаштування до менш ніж 5 хвилин. Крім того, точки опорного положення всіх модульних компонентів повинні збігатися з поверхнею опорного положення основи пристосування, щоб забезпечити однакову точність позиціонування для роликових ланцюгів різних специфікацій.

2. Симетричне проектування обмежень: компенсація «взаємодії» зварювальних напружень

Зварювання роликових ланцюгів часто передбачає симетричні конструкції (наприклад, одночасне зварювання штифта до подвійної ланцюгової пластини). Тому пристосування повинно використовувати симетричну конструкцію обмеження, щоб мінімізувати деформацію шляхом компенсації напружень. Наприклад, під час процесу зварювання подвійної ланцюгової пластини та штифта пристосування повинно бути симетрично розташоване з позиціонувальними блоками та затискними пристроями з обох боків ланцюга, щоб забезпечити рівномірне підведення тепла під час зварювання та зусилля утримання. Крім того, допоміжний опорний блок може бути розміщений посередині ланцюга, врівень з площиною ланцюгових пластин, для зменшення напруження згину в центрі під час зварювання. Практичні дані показують, що симетрична конструкція обмеження може зменшити відхилення кроку роликових ланцюгів на 30%-40%.

3. Динамічне подальше затискання: адаптація до термічної деформації під час зварювання

Під час зварювання заготовка зазнає незначних зміщень через теплове розширення та стиснення. Фіксований метод затискання може призвести до концентрації напружень. Тому пристосування може бути спроектовано з динамічним механізмом затискання: датчик переміщення (наприклад, лазерний датчик переміщення з точністю 0,001 мм) контролює деформацію пластини ланцюга в режимі реального часу, передаючи сигнал до системи керування ПЛК. Потім серводвигун приводить у дію затискний блок для мікрорегулювання (з діапазоном регулювання 0-0,5 мм) для підтримки відповідного зусилля затискання. Ця конструкція особливо підходить для зварювання товстолистових роликових ланцюгів (товщина ≥ 6 мм), ефективно запобігаючи розтріскуванню ланцюга, спричиненому тепловою деформацією.

4. Конструкція запобігання зварюванню та наведення: забезпечує точний шлях зварювання та зменшує зону впливу тепла.
Під час зварювання точність траєкторії руху зварювального гармати безпосередньо впливає на якість зварювання та підведення тепла. Пристрій має бути оснащений пазом для уникнення зварного шва та напрямною для зварювального гармати. Поблизу зварного шва слід створити U-подібний паз для уникнення (на 2-3 мм ширше за зварний шов та 5-8 мм завглибшки), щоб запобігти взаємодії між пристроєм та зварювальним гарматою. Крім того, над пристроєм слід встановити напрямну рейку, щоб забезпечити рівномірний рух зварювального гармати вздовж заданої траєкторії (рекомендується швидкість зварювання 80-120 мм/хв), що гарантує прямолінійність зварювання та рівномірне підведення тепла. У паз для уникнення також можна розмістити керамічний ізоляційний матеріал, щоб запобігти пошкодженню пристосування бризками зварювання.

По-четверте, оптимізація та верифікація приладів: керування в замкнутому циклі від проектування до впровадження

Гарний дизайн потребує оптимізації та перевірки, перш ніж його можна буде по-справжньому впровадити. Наступні три кроки можуть забезпечити практичність та надійність приладу:

1. Моделювання методом скінченних елементів: прогнозування деформації та оптимізація конструкції

Перед виготовленням кріпильного пристрою виконується моделювання термоструктурного зчеплення за допомогою програмного забезпечення для методу скінченних елементів, такого як ANSYS та ABAQUS. Введення параметрів матеріалу роликового ланцюга (таких як коефіцієнт теплового розширення та модуль пружності) та параметрів процесу зварювання (таких як зварювальний струм 180-220 А та напруга 22-26 В) моделює розподіл температури та напружень у кріпильному пристрої та заготовці під час зварювання, прогнозуючи потенційні області деформації. Наприклад, якщо моделювання показує надмірну деформацію згину посередині пластини ланцюга, у відповідне місце в кріпильному пристрої можна додати додаткову опору. Якщо концентрація напружень виникає на фіксуючому штифті, радіус закруглення штифта можна оптимізувати (рекомендується R2-R3). Оптимізація моделювання може зменшити витрати на метод спроб і помилок для кріпильного пристрою та скоротити цикл розробки.

2. Перевірка пробного зварювання: випробування невеликих партій та ітеративне коригування

Після виготовлення пристосування проведіть перевірку пробного зварного шва невеликою партією (рекомендовано: 50-100 штук). Зосередьтеся на наступних показниках:

Точність: Використовуйте універсальний інструментальний мікроскоп для вимірювання відхилення кроку (має бути ≤0,1 мм) та паралельності ланцюгових пластин (має бути ≤0,05 мм);

Деформація: Використовуйте координатно-вимірювальну машину для сканування площинності ланцюгової пластини та порівняння деформації до та після зварювання;

Стабільність: Після безперервного зварювання 20 деталей перевірте знос фіксуючих штифтів та затискних блоків пристосування та переконайтеся, що сила затиску стабільна.

На основі результатів пробного зварювання до пристосування вносяться ітеративні корективи, такі як регулювання сили затиску та оптимізація розташування каналу охолодження, доки воно не відповідатиме вимогам масового виробництва.

3. Щоденне технічне обслуговування та калібрування: забезпечення довгострокової точності

Після введення приладу в експлуатацію слід встановити систему регулярного технічного обслуговування та калібрування:

Щоденне технічне обслуговування: Очистіть поверхню пристосування від бризок зварювання та масляних плям, а також перевірте наявність витоків у пневматичних/гідравлічних системах затискного пристрою.

Щотижневе калібрування: Використовуйте концеві калібри та індикатори годинникового типу для калібрування точності позиціонування установчих штифтів. Якщо відхилення перевищує 0,03 мм, негайно відрегулюйте або замініть їх.

Щомісячна перевірка: Перевірте канали охолоджувальної води на наявність засмічень та замініть зношені поліуретанові прокладки та кріпильні компоненти.

Завдяки стандартизованому технічному обслуговуванню термін служби пристосування може бути подовжений (зазвичай до 3-5 років), що забезпечує ефективний контроль деформації під час тривалого виробництва.

По-п'яте, тематичне дослідження: практика вдосконалення кріпильних пристроїв у компанії важкого машинобудування

Виробник важких роликових ланцюгів (що використовуються в гірничодобувному обладнанні) зіткнувся з проблемами надмірної деформації (≥0,3 мм) у ланках ланцюга після зварювання, що призвело до того, що рівень кваліфікації продукції становив лише 75%. Завдяки наступним удосконаленням кріплення, рівень проходження випробувань збільшився до 98%:

Оновлення позиціонування: оригінальний одинарний фіксуючий штифт було замінено системою позиціонування «подвійний штифт + плоска поверхня», що зменшило зазор до 0,03 мм та вирішило проблему зміщення деталі;

Оптимізація тепловіддачі: корпус пристосування виготовлений з мідного сплаву та має охолоджувальні канали, що збільшує швидкість охолодження в зоні зварювання на 40%;

Динамічне затискання: встановлені датчик переміщення та сервосистема затискання для регулювання сили затискання в режимі реального часу, щоб уникнути концентрації напружень;

Симетричні обмеження: Симетричні затискні блоки та опорні блоки встановлені з обох боків ланцюга для компенсації зварювальних напружень.

Після вдосконалень відхилення кроку роликового ланцюга контролюється в межах 0,05 мм, а деформація становить ≤0,1 мм, що повністю відповідає вимогам замовника до високої точності.

Висновок: Конструкція пристосування є «першою лінією захисту» для якості зварювання роликових ланцюгів.

Зменшення деформації зварювання роликових ланцюгів – це не питання оптимізації окремого кроку, а систематичний процес, що охоплює позиціонування, затискання, відведення тепла, обробку та обслуговування, де конструкція зварювального обладнання є основним компонентом. Від уніфікованої структури позиціонування до адаптивного керування зусиллям затискання та гнучкої конструкції динамічного відстеження – кожна деталь безпосередньо впливає на ефект деформації.