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汽車制造

汽車變速箱雙聯(lián)齒輪激光焊接機

星之球科技 來源:華工激光2011-12-22 我要評論(0 )   

輪焊接既可減少零件數(shù)量,又能提高齒輪質(zhì)量和降低齒輪的制造成本,因此,在汽車工業(yè)中早已廣泛應(yīng)用。在激光焊接齒輪以前,齒輪的焊接一般采用電阻焊、感應(yīng)焊、電子束焊...

 

輪焊接既可減少零件數(shù)量,又能提高齒輪質(zhì)量和降低齒輪的制造成本,因此,在汽車工業(yè)中早已廣泛應(yīng)用。在激光焊接齒輪以前,齒輪的焊接一般采用電阻焊、感應(yīng)焊、電子束焊等工藝方法。與上焊接工藝相比,激光焊接齒輪無需在真空中進行,而且可避免焊接變形,保證了焊接后的齒輪無需再精加工。不僅如此,激光焊接可使焊縫深寬比高達10:1,且焊縫處具有相當或優(yōu)于母材的綜合機械性能,保證了齒輪可以傳遞較大的扭矩[1]。因此,齒輪激光焊接是一個發(fā)展趨勢。目前世界各大汽車制造廠竟相采用激光焊接齒輪,以提高產(chǎn)品在國際市場上的競爭力。我國齒輪激光焊接設(shè)備設(shè)計制造水平和能力目前還比較薄弱,國內(nèi)主要汽車廠的齒輪激光焊接設(shè)備主要依賴進口,且價格昂貴。因此,研制開發(fā)汽車變速箱雙聯(lián)齒輪激光焊接機,對推動我國汽車工業(yè)的發(fā)展具有一定意義。

1
雙聯(lián)齒輪

汽車變速箱雙聯(lián)齒輪激光焊接機的焊接對象是富康轎車的五速箱四檔從動齒輪、四速箱五檔從動齒輪和五檔從動齒輪三種,它們的結(jié)構(gòu)形式相同,都由齒輪、齒圈和墊片組成,齒輪材料為27MC5(法國牌號),齒圈材料為16MC5(法國牌號),如圖1所示。齒圈的兩面有細微的差別,A面齒側(cè)倒角,裝配時要求齒圈A面向外,其內(nèi)孔D1與齒輪軸外圓D3為過盈配合,過盈量要求控制在一定的范圍;墊片的內(nèi)孔D2與齒輪軸外圓D3為間隙配合。設(shè)備生產(chǎn)率要求能達到每小時生產(chǎn)64件,雙聯(lián)齒輪要求焊縫深度為1.5±0.25mm焊縫寬度小于 1.1mm,焊縫偏移量為±0.1mm,雙聯(lián)齒輪傳遞扭矩大于1000Nm。

 
1雙聯(lián)齒輪

2 整體方案的確定

在進行雙聯(lián)齒輪的激光焊接機的整體方案的設(shè)計時,我們對雙聯(lián)齒輪進行了認真的分析,確定了需要解決的四個關(guān)鍵問題:

(1)
雙聯(lián)齒輪壓裝過程中齒圈的內(nèi)孔和齒輪的外圓過盈量的檢測。雙聯(lián)齒輪壓裝過程中須對齒圈的內(nèi)孔D1、齒輪的外圓D3之間的配合進行檢查,保證過盈量控制在一定的范圍內(nèi)。齒圈的內(nèi)孔D1和齒輪的外圓D3的尺寸一般呈正態(tài)分布,即使合格的齒圈和齒輪,當齒圈的內(nèi)孔D1靠近上偏差,而齒輪的外圓D3靠近下偏差;或者,當齒圈的內(nèi)孔D1靠近下偏差,而齒輪的外圓D3靠近上偏差,都會出現(xiàn)壓裝后的雙聯(lián)齒輪不符合質(zhì)量要求,這是在壓裝前無法檢測出來的。

(2)
雙聯(lián)齒輪壓裝過程中齒圈的裝配方向的檢測。齒圈A#p#分頁標題#e#面齒側(cè)倒角,裝配時要求齒圈A面向外,由于齒圈兩面的差別細微,在壓裝時如何判別齒圈的安裝方向是一個難點。

(3)
雙聯(lián)齒輪壓裝前齒圈的扶正。由于齒圈的內(nèi)孔D1和齒輪的外圓D3的公差配合為過盈配合,齒輪的前段有一小臺階,所以齒圈套在齒輪上的自然狀態(tài)容易為傾斜狀態(tài),導(dǎo)致無壓裝,因此,壓裝前必須將齒圈扶正。

(4)
雙聯(lián)齒輪的激光焊接工藝參數(shù)的確定。激光焊接的焊縫容易出現(xiàn)氣孔、裂紋、咬邊等缺陷,如何通過激光焊接工藝參數(shù)的優(yōu)化避免這些缺陷的出現(xiàn)。不僅如此,汽車用的雙聯(lián)齒輪還要求較大的焊縫深寬比,以便傳遞較大的轉(zhuǎn)矩,且焊縫首尾相接處不允許有凹坑等外觀缺陷。雖然在設(shè)計整體方案時并不需要也不可能每一項工藝參數(shù)都確定下來,但對于激光功率、焊接速度等對設(shè)備的結(jié)構(gòu)有較大影響的工藝參數(shù)必須通過試驗得到。

在汽車變速箱雙聯(lián)齒輪激光焊接機方案確立的過程中,我們始終把上述問題作為重點解決的問題。由于對齒圈的內(nèi)孔D1和齒輪的外圓D3的尺寸進行在線測量技術(shù)難度較大,費用高,不可能對齒圈的內(nèi)孔D1和齒輪的外圓D3的配合過盈量進行直接檢測。我們用相同的材料加工一批齒圈和齒輪,控制齒圈的內(nèi)孔D1和齒輪的外圓D3的實際尺寸接近上偏差或下偏差,通過在壓力機上進行裝配,測出在過盈量上限和下限所需的壓力值,從而通過間接的方法檢測齒圈的內(nèi)孔D1和齒輪的外圓D3的過盈量。對于對設(shè)備的結(jié)構(gòu)有較大影響的工藝參數(shù)的確定,我們借助已有的三坐標激光加工設(shè)備通過插補的方式模擬齒輪焊接,取得了相當多的試驗數(shù)據(jù)。在此基礎(chǔ)上經(jīng)過設(shè)計和反復(fù)論證,確立了汽車變速箱雙聯(lián)齒輪激光焊接機的技術(shù)方案為:整個設(shè)備由雙聯(lián)齒輪壓裝機床和雙聯(lián)齒輪激光焊接機床組成,兩臺機床之間由輸送裝置連接,由兩名工人操作。該方案結(jié)構(gòu)簡單,制造成本較低,設(shè)備的可靠性大大提高,其加工工藝過程和工作原理為:齒輪、齒圈和墊片在齒輪壓裝機床上裝配、壓緊,然后由輸送裝置傳送至齒輪激光焊接機床,在齒輪激光焊接機床上進行焊接。

3
雙聯(lián)齒輪壓裝機床

3.1
工藝過程和工作原理

雙聯(lián)齒輪壓裝機床由主機、液壓系統(tǒng)和控制系統(tǒng)構(gòu)成,其主機結(jié)構(gòu)示意如圖2所示。將齒輪4、墊片5及齒圈6按規(guī)定順序安裝定位于機床工作臺面的夾具7上。夾具中的檢測裝置自動對齒圈的安裝方向進行檢測,如果齒圈安裝方向不正確??刂葡到y(tǒng)控制機床壓頭3不能壓下,如果齒圈安裝方向正確,則按動啟動按鈕后,由液壓缸1推動機床壓頭3下壓,從而將具有過盈配合的齒輪4、齒圈6及墊片5壓合在一起。在機床壓頭上裝有壓力傳感器2,能對壓裝過程的壓力信號進行數(shù)據(jù)采集,控制系統(tǒng)將采集的數(shù)據(jù)進行處理,壓力值一旦超出規(guī)定裝配過盈量的壓力上下限時,表明齒輪或齒圈的配合不符合要求,系統(tǒng)則發(fā)出報警和停機,等待操作人員進行處理。這樣,可避免不合格的工件流入下一道工序。壓裝夾具中的檢測裝置不僅可檢測齒圈的安裝方向,而且還可以對是否安裝了工件進行判斷。齒輪壓裝機床采用了全封閉的防護結(jié)構(gòu),只有在有機玻璃的拉門關(guān)閉后,門檢測開關(guān)發(fā)出信號,左右手同時按下左右兩個啟動按鍵后,壓裝工作才能進行。

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2壓裝機床示意圖

3.2 齒圈安裝方向的檢測

如圖3 為雙聯(lián)齒輪的夾具結(jié)構(gòu)圖,待壓合的齒圈7放在定位蓋3上,以齒圈7外圓定位,并由銷8確定其周向位置。若齒圈安放正確,則測量頭4被齒圈壓下,通過杠桿1(2為支點)將行程放大,使行程開關(guān)12發(fā)出信號;如果齒圈安裝方向錯誤(即齒圈輪齒倒角在上),此時,測量頭繼續(xù)被壓下,則行程開關(guān)10發(fā)出信號。待壓合的墊片6放在齒圈7上面并套在齒輪5上,齒輪由心軸9定位。工件安裝好后,壓裝機床壓頭壓下,齒輪5沿心軸9與墊片6、齒圈7壓合在一起。壓裝不同規(guī)格的雙聯(lián)齒輪,需調(diào)整開關(guān)檔塊11、13的位置,此時,可以松開螺母,仔細調(diào)整好開關(guān)檔塊11、13的位置,直到能靈敏地檢測齒圈的方向為止。測量頭4、銷8和定位心軸9是夾具部件的易損件,應(yīng)經(jīng)常檢查。當壓裝質(zhì)量無法保證時,應(yīng)進行更換和調(diào)整。測量頭4因長期使用而發(fā)生磨損后,可以通過調(diào)整開關(guān)檔塊1113的位置進行補償。

 
3夾具結(jié)構(gòu)圖

4 雙聯(lián)齒輪激光焊接機床

4.1
聚焦方式的選擇

激光焊接有透鏡聚焦和反射鏡聚焦兩種方式,如圖4所示,透鏡的材料要求比較嚴格,一般選用砷化鎵材料,它對10.6μm波長的CO2激光的吸收系數(shù)很小,具有較高的熱傳導(dǎo)率、較小的熱膨脹系數(shù)和較好的機械性能和光學均勻性好等特點。但在大功率激光透射系統(tǒng)中,常遇到的問題是因連續(xù)工作時間過長而引起透鏡的熱畸變。透鏡受熱膨脹后,各處光強分布不均勻,中心部分溫度高而凸起,產(chǎn)生光學畸變,使焦斑位置向透鏡方向移動#p#分頁標題#e#(實際焦距變小)。另外,在激光透射系統(tǒng)中,為了提高功率密度,一般縮短透鏡的焦距,但當透鏡到被焊接材料的表面的距離很短時,焊接過程中的金屬飛濺物容易污染透鏡表面[2]。當激光器的輸出功率數(shù)千瓦時,砷化鎵材料也容易損壞。為克服透鏡的熱畸變,本齒輪激光焊接機采用了非球面拋物鏡傳輸聚焦系統(tǒng),并通過加大冷卻水的流量和冷卻面積的方法,達到快速、充分冷卻聚焦鏡,取得了較好的效果。

 
4激光聚焦方式

4.2 反射鏡的冷卻與調(diào)整

激光反射鏡有平面反射鏡和反射聚焦鏡,用于對激光束作90°的反射和反射聚焦。鏡片在反射激光的同時還會吸收少量的能量從而導(dǎo)致鏡片發(fā)熱,如果過熱,鏡片會變形乃至損壞,因此,反射鏡必須有冷卻裝置,如圖5所示。2為冷卻壓蓋,其靠近鏡片1的一端開有循環(huán)水槽,冷卻水從管接頭3進入水槽,從管接頭4排出,不斷地帶走鏡片1所產(chǎn)生的熱量起到冷卻作用。鏡片1角度通過調(diào)整在圓周上均勻分布的三個螺釘5和彈簧6來調(diào)節(jié),角度調(diào)整好后,擰緊與三個調(diào)整螺釘相同的圓周上的緊定螺釘,發(fā)防止意外的振動。

 
5反射鏡的冷卻與調(diào)整

4.3 工藝過程和工作原理

齒輪激光焊接機床由主機、激光器、冷水機組、輔助氣供氣系統(tǒng)、計算機控制系統(tǒng)等主要部分構(gòu)成,圖6為其結(jié)構(gòu)示意圖。激光束由激光器產(chǎn)生并水平送出,通過兩個45°角平面反射鏡78傳輸?shù)?/span>45°角反射式曲面聚焦鏡6上,由其聚焦垂直照射到被裝夾在工作臺4上的雙聯(lián)齒輪5上,在焊接過程中,由平面反射鏡8和反射式曲面聚焦鏡6組成的激光頭固定不動,伺服電動機#p#分頁標題#e#2通過蝸輪蝸桿副3驅(qū)動工作臺4帶動雙聯(lián)齒輪作旋轉(zhuǎn)運動,使雙聯(lián)齒輪的齒輪和齒圈整個接縫圓周都能被激光焊接。整個數(shù)控工作臺由氣缸1從上料位置推到焊接位置,焊接位置的精確定位通過手柄9調(diào)整得到,激光頭在垂直方向可以連續(xù)調(diào)整,這樣,通過調(diào)整激光焦點與焊縫的位置可以焊接不同規(guī)格的齒輪。

 
6激光焊接機床

激光焊接機是一種全封閉式的全自動焊接機床,各個動作之間相互聯(lián)鎖,既能保證機床的正常運轉(zhuǎn),同時也能保證設(shè)備的安全和操作者的人身安全。激光焊接過程中,激光直射、反射到人體時,都會造成不同程度的損傷,尤其是人的眼睛。為了避免激光給操作者造成損傷和對操作者視線的干擾,操作者視區(qū)范圍內(nèi)設(shè)置了自動感光安全保護視窗。在正常的狀態(tài)下,通過該視窗可以看到工件的定位狀態(tài),一旦加工時產(chǎn)生強烈的激光,該視窗可自動感光在0.02秒的時間內(nèi)由亮變暗,具有全自動防護功能,該視窗的設(shè)置可大大降低因目暈而產(chǎn)生的誤操作。

1焊接工藝參數(shù)
激光器功率(W) 焊接速度(m/min) 離焦量(mm) 深寬比
1500 1.005 -0.2 1.58/0.9

4.4
工藝參數(shù)

激光功率、焊接速度和焦距等工藝參數(shù)對焊縫質(zhì)量均有影響。工藝參數(shù)的不當容易導(dǎo)致焊縫首尾銜接處出現(xiàn)小凹孔和表面呈黑褐色,甚至會出現(xiàn)氣孔、裂紋等嚴重影響產(chǎn)品質(zhì)量的缺陷,我們通過優(yōu)化工藝參數(shù),無需采用常用的“T型功率的方法,成功地解決了這個問題,大大降低了設(shè)備的成本,而且保證了焊縫質(zhì)量。經(jīng)切片金相檢查和與國外同類零件比較,焊接質(zhì)量完全達到國外先進水平。由于篇幅的原因,齒輪激光焊接工藝這里不作詳述,將另文討論。本設(shè)備激光器采用德國Rofin-Sinar公司生產(chǎn)的2000WCO2RS2000SM快速軸流激光器。

參考文獻:
1]王家金.激光加工技術(shù).北京:中國計量出版社,1992.
2]湯漾平.段正澄.自適應(yīng)元器件在激光加工中的應(yīng)用.激光技術(shù),1999.8.

 

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