新型搅拌摩擦焊夹具设计_张建行.pdf

煤矿机械Coal Mine MachineryVol.44 No.5May.2023第44卷第5期2023年5月doi:10.13436/j.mkjx.2023050300引言搅拌摩擦焊是一种先进焊接技术，其焊接过程中，温度相对较低，金属呈现半固态。与传统的焊接方法相比，搅拌摩擦焊具有焊接强度高、无需焊料和保护气体、焊接前准备工作少、焊后残余应力小、无污染、接头外观平整等优点，适用于铝、镁等有色金属的焊接。作为一种新兴焊接技术，搅拌摩擦焊虽然有诸多优点，但同时也存在一些缺点：焊接工件必须刚性固定，工件底面需要有底板，焊接工件厚度较薄时，若采用常规机床的夹紧方法对其进行夹紧、固定，会导致工件出现弯曲变形，这主要是由于机床多点位螺栓压板夹紧工件的夹紧方式对工件受力不均所致，同时这种夹紧方式也会占用大量的装夹时间，影响焊接效率。为解决上述问题，设计一种新型夹具装置，使其装配在钻铣床的工作台上，使用方便，易于操作，能使工件焊接变形小、表面成形良好、装夹定位精准、焊后工件便于取出。这种新型夹具既保证了焊接质量，又提高了焊接效率，方便人员操作使用，为搅拌摩擦焊的夹具选择提供参考。1新型搅拌摩擦焊夹具方案设计夹具整体结构如图1所示。图1夹具整体结构图1.上夹板2.下夹板3.导柱4.夹紧单元该夹具由上夹板、下夹板、导柱和4个夹紧单元构成。焊接时工件被夹紧在上、下夹板之间，上夹板的中间位置开有一个平行于焊缝的凹槽，方便搅拌头进入，凹槽的宽度略大于搅拌头的直径。下夹板长于上夹板，在其两端为4个夹紧单元预留安装空间。导柱被固定在下夹板上，共有4个，与上夹板的孔配合，用于上夹板与下夹板的定位，上夹板可在导柱上浮动，每个导柱在上下两夹板之间均放有复位弹*辽宁省教育厅自然科学研究重大项目（2018ZDYY-06）；辽宁科技大学大学生创新创业训练计划项目（X202210146077）新型搅拌摩擦焊夹具设计*张建行，李海龙，李冠汝，王宏旭，付海涛（辽宁科技大学 机械工程与自动化学院，辽宁 鞍山114051）摘要：在搅拌摩擦焊过程中，待焊工件的装夹对焊接质量起着至关重要的作用，常规钻铣床-夹紧块的装夹方式会使工件受力不均，同时也会占用大量的装夹时间，影响焊接效率。设计一种新型夹具，装配在搅拌摩擦焊设备的工作台上，能够显著地减少焊接工件的装夹时间，使工件受力均匀，保证焊接质量，提高焊接效率，为操作人员提供更多的便利。结果表明：所设计的夹具有良好的夹紧效果，为搅拌摩擦焊的夹具选择提供参考。关键词：钻铣床；搅拌摩擦焊；夹具装置中图分类号：TG431文献标志码：A文章编号：1003 0794（2023）05 0097 03Design of New Clamp for Friction Stir WeldingZhang Jianhang，Li Hailong，Li Guanru，Wang Hongxu，Fu Haitao(School of Mechanical Engineering and Automation,University of Science and Technology Liaoning,Anshan 114051,China)Abstract:In the process of friction stir welding,the clamping of workpieces to be welded plays acrucial role in the quality of welding.The clamping mode of conventional drilling-milling machine-boltplaten will make the workpieces uneven force,and also occupy a lot of clamping time,affecting thewelding efficiency.Designed a new type of clamp,assembled on the work table of friction stir weldingequipment,can significantly reduce the clamping time of welding parts,make the workpiece uniformforce,ensure the welding quality,improve the welding efficiency,and provide more convenience foroperators.The results show that the designed clamp has a good clamping effect,which providesreference for the clamp selection of friction stir welding.Key words:drilling-milling machine；friction stir welding；clamp device123497簧，以便夹具的松开，方便取出工件。在下夹板每个直角处开有通孔，用于放置T型螺栓，将下夹板固定在钻铣床的工作台上。夹紧单元结构如图2所示，压紧杆上方带有螺纹，与锁紧螺母配合，调节螺母可以夹紧不同厚度的焊件，这样只需向下按压4个手柄，使3个销的中心处于一条直线上，机构处于死点位置，利用机构死点的特点即可实现夹紧。图2夹紧单元结构图1.压紧杆2.锁紧螺母3.弯头杆4.联接弯头杆和手柄的销5.手柄6.联接下夹板和联接杆的销7.联接杆8.联接手柄和联接杆的销9.联接下夹板和弯头杆的销2装配及工作原理（1）虚拟装配虚拟装配利用三维设计软件使零件模型按约束关系进行定位，真实地模拟产品三维装配过程，验证装配设计的正确与否，便于及早发现装配问题，以便对模型进行修改。虚拟制造技术具有高效、高质量、短时间、低成本的特点。为了全面反映该夹具零部件之间的装配关系，运用SolidWorks软件对其进行了三维实体建模、虚拟装配。在SolidWorks软件中进行装配以后，如果发现零部件之间位置干涉，及时进行修改完善。装配过程主要包括上、下夹板，销与下夹板和联接杆，销与下夹板和弯头杆，销与联接杆和手柄，销与弯头杆和手柄，压紧杆，弯头杆和螺母等。装配图如图3所示，通过虚拟装配，优化了不合理的结构和尺寸，为后续的加工制造环节节约时间和成本。（a）夹紧时装配图（b）松开时装配图图3虚拟装配图（2）工作原理夹具工作原理如图4所示。夹具处于初始状态时，下夹板通过T型螺栓被固定在钻铣床的工作台上，上夹板在弹簧力的作用下被顶起，2块待焊工件分别通过上、下夹板之间的缝隙放置在下夹板上，使两待焊工件的接缝处与下夹板对称中心线重合，等待夹紧。此时夹紧单元位置如图4（a）所示，手柄位于向上提起状态，使压紧杆离开上夹板。随后用手向下按压手柄，使压紧杆压紧上夹板，待焊工件被夹紧在上、下夹板之间，此时位置如图4（b）所示，使圆柱销B、C、D三点共线，使机构处于死点位置。在位置I处，一直有一个向下的压紧力，在整个焊接过程中，保证上夹板紧贴焊件表面，避免焊后出现弯曲变形、飞边等缺陷。此时，由于夹紧单元处于机构死点位置，无论有多大的反作用力也不能使联接杆转动。这就保证操作人员在按下手柄后，仍能可靠地夹紧工件。当焊接完成需要取出工件时，只需向上扳动手柄，至图4（a）所示位置，即能松开夹具，上夹板在复位弹簧的作用下被顶起，焊接后的工件可通过上、下夹板之间的缝隙取出，完成焊接。至此，一个工作循环完成。（a）松开（b）夹紧图4夹具工作原理3试验结果通过对新型夹具的设计和虚拟装配，完成新型夹具的加工制作，将其装配在钻铣床的工作台上。选用厚度为3 mm的镁合金板材，设置搅拌头旋转速度为1 400 r/min，焊接速度为15 mm/min，进行对比试验，发现其在焊接质量和装夹效率上都有很大的提高。焊接效果对比图如图5所示，整个试验由同一人操作完成。通过对比发现，在焊接工艺参数完全相同时，采用本夹具的焊接质量好，焊接过程中几乎无飞边和隧道等缺陷。第44卷第5期Vol.44 No.5新型搅拌摩擦焊夹具设计张建行，等123456789IBCD98（a）普通夹具效果图（b）新型夹具效果图图5焊接效果对比图焊接装夹时间对比图如图6所示。每组夹具分别进行了7次试验，并用秒表记录时间。从图6可以看出，每次使用新型夹具的装夹时间均小于使用普通夹具的装夹时间，平均用时缩短约10 min。通过试验证明，使用新型夹具能够显著缩短焊接工件的装夹时间，提高焊接效率，在实际运用过程中取得了良好的效果。图6装夹时间对比图1.普通夹具2.本文新型夹具4结语经过设计和使用，发现新型搅拌摩擦焊夹具在装夹效率和焊接质量上都有了很大的提升。利用机构死点位置设计的夹紧单元，不仅使焊件受力均匀，而且解决了普通夹具由夹紧接触面积小而导致焊件变形的问题，保证焊接过程中夹紧力稳定，焊件不发生偏移，焊接质量好。同时，通过调节锁紧螺母和压紧杆的相对位置，可以夹紧不同厚度的板材。试验证明，所设计的夹具有良好的夹紧效果，可为搅拌摩擦焊的夹具选择提供参考。参考文献：1马宗义,商乔,倪丁瑞,等.镁合金搅拌摩擦焊接的研究现状与展望J.金属学报,2018,54(11):1597-1617.2李海龙,巨东英,赵红阳,等.基于钻铣床的搅拌摩擦焊设备设计J.机床与液压,2020,48(2):98-100118.3丁文兵,童彦刚,朱飞,等.搅拌摩擦焊搅拌头的研究现状J.激光杂志,2013,34(6):5-7.4徐博,周阿芬,贾士玉,等.搅拌摩擦焊机械载荷动态检测装置的设计J.黑龙江科学,2019,10(6):28-2933.5李治国,杨明鄂,何延钢.搅拌摩擦焊焊件夹具装置的设计与试验J.制造技术与机床,2019(12):157-159.6郭平.四杆机构“死点”位置及其应用的再探讨J.锻压装备与制造技术,2013,48(5):33-35.7张夕琴,谢建庆.机构死点在工程上的应用J.装备制造技术,2008(12):178-179.8蔡奇彧,钟涵,陈勇,等.基于人机工程的某航天复杂柔性装备虚拟装配技术研究J.航天制造技术,2020,223(5):5-8.9王素艳.基于SolidWorks的机床夹具标准件三维参数化设计J.机电产品开发与创新,2014,27(3):171-173.作者简介：张建行（2000-），辽宁新民人，本科，主要从事搅拌摩擦焊接与加工工作，电子信箱:；通信作者：李海龙，电子信箱:.责任编辑：张欣收稿日期：20221125第44卷第5期Vol.44 No.5新型搅拌摩擦焊夹具设计张建行，等121234567装夹时间/min试验次数18161412108642099