针对水冷电机壳直缝焊接的工装夹具及直缝焊接工艺的制作方法

本发明属于搅拌摩擦焊接领域，尤其涉及一种针对水冷电机壳直缝焊接的工装夹具及直缝焊接工艺。

背景技术：

搅拌摩擦焊是一项创新的先进摩擦焊技术，被誉为高质量、低成本的“绿色环保焊接技术”。与传统的焊接方法相比，搅拌摩擦焊具有焊接强度高、焊接接头外观平整、焊后残余应力小、变形小、无污染、高效节能等优点。铝合金水冷电机壳对于水道端面的焊接质量要求较高，要求焊缝表面平整、密封性好、微观组织均匀，不允许出现气孔缺陷，因此水冷电机壳水道焊接大多采用搅拌摩擦焊。然而目前水冷电机壳的搅拌摩擦焊焊接工艺和装置还存在一些不足，首先大多数焊接夹具的设计比较繁琐，工件定位的稳定性较差，焊接时工件也容易发生变形；由于水冷电机壳(简称工件)尺寸一般为φ447×566，以及结构的特殊性和承受焊接过程十几吨的顶锻力，造成了夹紧方式苛刻的局限性。按目前使用该工艺研发机构的设计，基本都是采用手动大力矩螺栓夹紧方式，该方式虽然能够满足夹紧力，但由于人工锁紧力矩难以均匀，会造成工件局部变形和表面损伤，同时也会形成劳动强度大、工作效率低，产品质量一致性差等隐患。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述技术的不足，而提供一种针对水冷电机壳直缝焊接的工装夹具及直缝焊接工艺，保证水冷电机壳在夹紧焊接过程中的稳定性和准确性，避免焊接过程中变形；

数控搅拌摩擦焊机床通过PLC系统控制搅拌摩擦焊接工装夹具，使机床工作台拖动焊接夹具沿工作台X轴导轨移动、搅拌头沿Y轴导轨移动，实现连续直缝焊接。

本发明为实现上述目的，采用以下技术方案：一种针对水冷电机壳直缝焊接的工装夹具，其特征是：包括工装大底座、夹紧及支撑油缸机构、托起工件气缸机构和PLC控制系统，所述工装大底座垂直固接有焊接底座支撑板及立板座构成夹具支撑底座总成，所述夹紧及支撑油缸机构包括上夹紧油缸总成和支撑板端部支撑油缸，所述上夹紧油缸总成包括若干个对称设置的左、右上夹紧油缸，左、右上夹紧油缸与上夹紧油缸座固接，上夹紧油缸座与上夹紧油缸座分别与左、右上夹紧支座固接固接，左、右上夹紧支座与工装大底座垂直固接，左、右上夹紧油缸通过上夹紧油缸压块与工件触接；所述支撑板端部支撑油缸包括左、右支撑板端部支撑油缸，分别固接在焊接底座支撑板外端部两侧，左、右支撑板端部支撑油缸的活塞杆顶住工装大底座；所述托起工件气缸机构包括对称设置的左、右托起工件气缸，左、右托起工件气缸与气缸座固接，气缸座与工装大底座固接，左、右托起工件气缸上固接有工件滑板，所述夹紧及支撑油缸机构及托起工件气缸机构和PLC控制系统连接。

所述焊接底座支撑板前端设有工件端部夹紧油缸，焊接底座支撑板前端销接有工件端部夹紧摆臂，所述工件端部夹紧摆臂平面形状呈L形，所述工件端部夹紧油缸与工件端部夹紧摆臂一端触接呈前后摆动结构，所述工件端部夹紧摆臂一端通过工件端部预留块与工件夹紧。

所述左、右托起工件气缸的活塞顶端固接工件滑板，工件滑板之上固接牛眼滚轮轴承。

所述采用直缝焊接工装夹具的水冷电机壳搅拌摩擦焊直缝焊接工艺，其特征是：通过PLC控制系统控制搅拌摩擦焊接工装夹具夹紧过程，并使机床工作台拖动搅拌摩擦焊接夹具沿工作台X轴导轨移动、搅拌头沿Y轴导轨移动，实现连续水冷电机壳搅拌摩擦焊直缝焊接，具体加工工艺如下：

(1)焊接准备：由四部分电机壳构成的整体水冷电机壳通过氩弧焊进行点焊将其大致位置固定，保证四部分电机壳组成圆柱状，工装夹具的工件端部夹紧油缸与工件端部夹紧摆臂一端触接后在水冷电机壳前端放置工件端部预留块并将其夹紧；根据水冷电机壳的图纸尺寸进行PLC控制系统编程，设定工作台在X轴的运动轨迹、搅拌头Y轴方向找准焊缝位置、搅拌头的旋转速度和进给速度等工作参数；

(2)焊接过程：

A.通过PLC控制系统控制左、右托起工件气缸处于打开状态，将点焊完成的水冷电机壳放置在工件滑板的牛眼滚轮轴承上；

B.将工件送入工装焊接座上并调整焊缝位置与夹具上中线重合，并将水冷电机壳端面与工件端部预留块平齐，收回左、右托起工件气缸将水冷电机壳与搅拌摩擦焊底座贴合；启动夹紧油缸机构将水冷电机壳夹紧同时打开支撑油缸，使焊接支撑板达到有效的受力支撑；

C.检验夹紧及支撑油缸机构确保水冷电机壳完全固定及确保搅拌头对准直缝；启动搅拌头对其进行调试，设定搅拌头的旋转速度为1000r/min，搅拌头的行进速度为500mm/min；搅拌头高速旋转并插入定位铝块当中，令搅拌头沿直缝进行焊接；

D.当搅拌摩擦焊完成一条焊缝的焊接之后，调整水冷电机壳位置，通过PLC控制系统操作并打开左、右托起工件气缸，使工件滑板升起并顶起工件脱离焊座，从而便于旋转工件90度，然后收回气缸并降下工件滑板，使工件与焊接底座贴合，进入下一条焊缝焊接的定位夹紧，重复步骤C的操作，完成水冷电机壳的四条焊缝焊接；

E.完成焊接之后，放松针对水冷电机壳直缝焊接的工装夹具上的所有夹紧装置后，通过PLC控制系统启动左、右托起工件气缸及工件滑板，将工件托起并脱离搅拌摩擦焊接底座，使工件滑出夹具并将工件放置在焊接完成区域；然后进行下一个待焊工件的重复操作焊接工艺；

F.水冷电机壳在完成焊接之后，会在焊缝两端留有两个定位铝块，其中一端是搅拌头起始位置，而另一端留有匙孔，此孔为搅拌头退出时留下，最后用特制锯床将两端各四个定位铝块切除，完成焊接工艺。

有益效果:与现有技术相比，本发明工装夹具中使用了液压夹紧机构和气动夹紧机构，可以有效的固定水冷电机壳的位置，在焊接过程中有效的避免了工件晃动带来的负面影响；整个焊接过程中，焊接温度较常规焊接设备降低很多，对于操作过程的安全性能提高；在焊接过程中只需完成水冷电机壳的旋转便可以完成二次焊接，在焊接效率上得到了有效提高；针对水冷电机壳拼焊工艺，运用传统的氩弧焊来完成直缝焊，对于两段水道中间会存在细微焊缝，中间留有空隙不能完全焊接到，容易出现两个相邻水道之间的漏水，若采用搅拌摩擦焊工艺，对其进行焊接，由于搅拌头是深入到机壳内部，从而有效的避免水道之间漏水。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是图1的侧视图；

图3是图1的俯视图；

图4是本发明的结构简图；

图5是夹具工件端部夹紧立体结构图；

图6是夹具工件输送立体结构图；

图7是夹具基础立体结构图；

图8是夹具工件上夹紧立体结构图；

图9是夹具辅助机构立体结构图。

图中：1、工装大底座，2、焊接底座支撑板，3、立板座，4、左、右上夹紧油缸，5、左、右支撑板端部支撑油缸，6、上夹紧油缸座，7、上夹紧油缸压块，8、工件，9、左、右托起工件气缸，10、工件端部夹紧油缸，11、工件端部夹紧摆臂，12、工件端部预留块，13、工件滑板，14、牛眼滚轮轴承，15、搅拌摩擦焊接底座，16、左、右支撑板端部支撑油缸的活塞杆，17、气缸底座。

具体实施方式

下面结合较佳实施例详细说明本发明的具体实施方式。

详见附图，本实施例提供了一种针对水冷电机壳直缝焊接的工装夹具，包括工装大底座1、夹紧及支撑油缸机构、托起工件气缸机构和PLC控制系统，所述工装大底座垂直固接有焊接底座支撑板2及立板座3构成夹具支撑底座总成，所述夹紧及支撑油缸机构包括上夹紧油缸总成和支撑板端部支撑油缸，所述上夹紧油缸总成包括若干个对称设置的左、右上夹紧油缸4，左、右上夹紧油缸与上夹紧油缸座6固接，上夹紧油缸座与焊接底座支撑板固接，左、右上夹紧油缸通过上夹紧油缸压块7与工件触接；所述支撑板端部支撑油缸包括左、右支撑板端部支撑油缸5，左、右支撑板端部支撑油缸分别固接在焊接底座支撑板外端部两侧，左、右支撑板端部支撑油缸的活塞杆16顶住工装大底座，由于焊接顶锻压力形成的支撑板端部悬置受力过大，容易造成工件摆动和工装机构变形，因此，设置了左、右支撑板端部支撑油缸，分别通过PLC系统控制，使油缸活塞杆顶住工装底座，起到平衡支撑板端部受力状态，防止工件摆动和工装机构变形；；所述托起工件气缸机构包括对称设置的左、右托起工件气缸9，左、右托起工件气缸和气缸底座17与工装大底座固接，左、右托起工件气缸上固接有工件滑板13，托起工件气缸机构不参与夹紧工作，只是完成工件送入和退出过程，当工件通过托起工件气缸机构送入工装定位后，气缸通过PLC系统控制带动滑板降下并脱离工件，使工件与焊座接触，通过夹紧形成焊接准备状态。当焊接完成后，气缸通过PLC系统控制带动滑板升起并托起工件，使工件顺利脱离工装焊座后滑出工装，完成工件退出工装过程。所述夹紧及支撑油缸机构及托起工件气缸机构和PLC控制系统连接。

本实施例的优选方案是，所述焊接底座支撑板前端设有工件端部夹紧油缸10，焊接底座支撑板前端销接有工件端部夹紧摆臂11，所述工件端部夹紧摆臂平面形状呈L形，所述工件端部夹紧油缸与工件端部夹紧摆臂一端触接呈前后摆动结构，所述工件端部夹紧摆臂一端通过工件端部预留块12与工件夹紧。

本实施例的优选方案是，所述左、右托起工件气缸9的活塞顶端固接工件滑板，工件滑板之上固接牛眼滚轮轴承14。牛眼滚珠轴承安装在工件滑板上，否则无法使工件形成滚珠滑动，通过牛眼滚珠轴承与工件8接触，不仅减少工件移动阻力，同时也避免工件表面被划伤。

本实施例的工件端部夹紧油缸采用卧式油缸φ50×50，共八组；立板座与大底座固接。托起工件气缸采用50×30气缸，托起工件气缸通过气缸座与工装大底座固接；牛眼滚轮轴承与水冷电机壳相接触并起到托举的作用。相邻卧式油缸通过油管连通，油管连接液压油泵；所述承载水冷电机壳底座与水冷电机壳内壁外形一致；所述工件端部预留块前段顶块为长方体，利用锁紧摇臂与水冷电机壳相接处并夹紧；所述工装大底座与机床工作台固接并沿直线导轨移动；托起工件气缸前期托举水冷电机壳，在调整水冷电机壳位置之后通过PLC系统打开托起工件气缸，将整个水冷电机壳入位，放置承载水冷电机壳焊接底座处；调整位置结束之后，夹紧工件和打开支撑油缸机构在将水冷电机壳(工件)与承载水冷电机壳焊接底座夹紧，完全固定水冷电机壳。所述PLC控制系统包括PLC控制器、液压泵和气泵，通过PLC设定液压泵和气泵工作时间。

采用水冷电机壳搅拌摩擦焊工装夹具的直缝焊接工艺，通过PLC控制系统控制搅拌摩擦焊接工装夹具夹紧过程，并使机床工作台拖动搅拌摩擦焊接夹具沿工作台X轴导轨移动、搅拌头沿Y轴导轨移动，实现连续水冷电机壳搅拌摩擦焊直缝焊接，具体加工工艺如下：

(1)焊接准备：由四部分电机壳构成的整体水冷电机壳通过氩弧焊进行点焊将其大致位置固定，保证四部分电机壳组成圆柱状，工装夹具的工件端部夹紧油缸与工件端部夹紧摆臂一端触接后在水冷电机壳前端放置工件端部预留块并将其夹紧；根据水冷电机壳的图纸尺寸进行PLC控制系统编程，设定工作台在X轴的运动轨迹、搅拌头Y轴方向找准焊缝位置、搅拌头的旋转速度和进给速度等工作参数；

(2)焊接过程：

A.通过PLC控制系统控制左、右托起工件气缸处于打开状态，将点焊完成的水冷电机壳放置在工件滑板的牛眼滚轮轴承上并将工件滑入工装焊接座内；

B.调整焊缝位置与夹具上中线重合，并将水冷电机壳端面与夹具平齐，收回左、右托起工件气缸将水冷电机壳与搅拌摩擦焊底座贴合；启动夹紧及支撑油缸机构将水冷电机壳夹紧及打开支撑油缸机构，令焊接座支撑板得到有效受力支撑；

C.检验夹紧及支撑油缸机构确保水冷电机壳完全固定及确保搅拌头对准直缝；启动搅拌头对其进行调试，设定搅拌头的旋转速度为1000r/min，搅拌头的行进速度为500mm/min；搅拌头高速旋转并插入定位铝块当中，令搅拌头沿直缝进行焊接；

D.当搅拌摩擦焊完成一条焊缝的焊接之后，调整水冷电机壳位置，通过PLC控制系统操作打开左、右托起工件气缸，使工件滑板升起并顶起工件脱离焊座，从而便于旋转工件调整90度，然后收回气缸并降下工件滑板，使工件与焊接底座贴合，进入下一条焊缝焊接的定位夹紧，夹紧工件并打开支撑油缸机构对水冷电机壳进行焊接，重复步骤C的操作，完成水冷电机壳的四条焊缝焊接；

E.完成焊接之后，放松针对水冷电机壳直缝焊接的工装夹具上的所有夹紧装置后，通过PLC控制系统启动左、右托起工件气缸及工件滑板，将工件托起并脱离搅拌摩擦焊接底座，使工件滑出夹具并将工件放置在焊接完成区域；然后进行下一个待焊工件的重复操作焊接工艺；

F.水冷电机壳在完成焊接之后，会在焊缝两端留有两个定位铝块，其中一端是搅拌头起始位置，而另一端留有匙孔，此孔为搅拌头退出时留下，最后用特制锯床将两端各四个定位铝块切除，完成焊接工艺。

工装工作及工艺设计流程：

1)水冷电机壳(简称工件)在完成搅拌摩擦焊拼接工艺中，首先通过手柄按键使气缸托起工件滑板并把工件放入，推入到焊接定位区域；

2)确认工件定位无误通过按键收回托起工件气缸和工件滑板，使工件与工装大底座接触到位并放入工件端部预留块，通过按键操作由程序执行，使工件端部夹紧油缸自动启动并顶起端部工件端部夹紧摆臂，使工件端部夹紧摆臂有效夹紧工件端部预留块和工件端部；

3)当工件端部被夹紧后，程序将自动启动左右八组工装上夹紧油缸，使左右八组的上夹紧油缸压块有效压紧工件上部焊接区域，使之获得可靠稳定的焊接状态；

4)当工件进入焊接时，支撑板端部两侧油缸分别安装在焊接底座支撑板外端部两侧。通过程序自动启动并推动油缸顶块稳步顶向工装底座，在工装上部焊头的巨大顶锻力下形成有效平衡力，这样不仅使工件保持了良好的焊接状态，同时也有效保护了工装焊接底座支撑板不受高压变形的隐患；

5)当工件完成焊接后，通过按键操作启动六组左、右托起工件气缸并托起工件滑板并把工件顶起，使工件有效脱离焊接底座，滑出工装后便于工件转移工位，然后进入下一个工件的往复工作焊接流程。

上述参照实施例对该一种针对水冷电机壳直缝焊接的工装夹具及直缝焊接工艺进行的详细描述，是说明性的而不是限定性的，可按照所限定范围列举出若干个实施例，因此在不脱离本发明总体构思下的变化和修改，应属本发明的保护范围之内。