工程机械大型结构件的焊接和机加工技术分析.pdf

CM&M 2023.04190 引言工程机械的大型结构件具有体积大、质量大、需要焊接与加工的零部件多、对零部件的加工精度要求较高等特点。优化大型结构件的焊接和机加工工艺、强化智能化技术的渗透，保证产品质量、提高作业效率，是我国工程机械焊接和机加工技术的发展方向。本文以某挖掘机生产企业关于大型结构件的焊接和机加工工艺为研究对象，分析其焊接和机加工工艺存在的问题，提出改进、优化措施，以期提高工程机械大型结构件的焊接加工质量，促进机加工领域的稳定发展。1 工程机械大型结构件定义大型结构件是工程机械结构、框架的关键部件。挖掘机的动臂、铲斗、中间架等大型结构件，都是通过焊接作业将不同的钢板材料焊接在一起，形成大型结构件毛坯，在此基础上进行机加工，完成大型结构件的制造，成为挖掘机的重要组成部分。随着工程机械市场的需求量不断增多，大型结构件的生产加工量也不断增加，工程机械的制造水平也随之不断提升。为了保证工程机械生产企业的稳定发展，只有提高大型结构件的产品质量和生产效率，方可更好地打开工程机械市场。2 工程机械大型结构件焊接变形问题2.1 焊接变形案例分析某工程机械制造企业生产的某型号挖掘机，其超长动臂主要由 46 个零件通过焊接和机加工制作而成，其外形尺寸为 9917mm1535mm，质量为 2080kg，如图 1 所示。该超长动臂在实施焊接和机加工工艺，对 3 组主要销轴座孔技术参数的控制要求较高，其中销轴座孔之间的距离误差须控制在 2mm 以内，销轴座孔中心线的平行度为 1mm，采用 1 次装夹镗削加工工艺加工而成。在焊接该超长动臂时发现，由于其焊接结构比较复杂，受到焊接加工工艺水平的限制，在焊接过程中出现焊接变形等问题，影响了焊接质量，增加了企业成本。2.2 影响焊接变形的影响因素分析大型结构件焊接变形，对工程机械的产品质量影响很大。将焊接变形的大型结构件应用到工程机械产品中，不仅会影响产品的外观质量，更重要的是会降低产品的技术性能和使用寿命，还会增加施工企业的生产成本。在大型结构件焊接过程中，有效控制焊接变形是质量控制的重点。针对焊接变形问题，制定针对性的控制策略，以提升大型结构件焊接施工质量1。工程机械大型结构件的焊接和机加工技术分析盛文祥 胡木林 韩磊(合肥职业技术学院，安徽合肥 230012）摘要：在介绍工程机械大型结构件的特点和重要性的基础上，以挖掘机的动臂、铲斗等大型结构件为例，分别分析了大型结构件焊接变形的不良影响、焊接变形产生原因、焊接所用工装模具，阐述了大型结构件的机加工工序、机加工设备的现状、智能化机加工设备开发、机加工工艺流程以及高效机加工技术发展方向，可供从事工程机械大型结构件设计和产品生产的技术人员参考。关键词：工程机械；大型结构件；焊接；机加工；技术分析图1 某型挖掘机超长动臂20工程机械与维修TECHNOLOGY&MAINTENANCE技术维修2.2.1 焊接应力焊接应力是导致大型结构件焊接变形的主要原因。在实施焊接过程中，不同部位的焊缝产生焊接应力的大小、方向各不相同，焊后出现变形的大小、位置也各不相同。大型结构件的结构越复杂，其焊接施工的技术难度越高。大型结构件的结构复杂、形状各异，其设计图纸必然设置较多焊缝，需要焊接的面积比较大，由此会造成大型结构件在焊接过程产生较大焊接应力，从而引发焊接变形。如果对横纵交错的焊缝产生的焊接应力大小和方向的预测不准确，在焊接应力的影响下，被焊材料就会出现不规则膨胀、收缩变化，由此产生焊接变形。2.2.2 焊接工艺大型结构件焊接施工的难度较大，需要制定适宜的焊接工艺，配备具有较高焊接施工技术水平的施焊人员，以保证大型结构件焊接质量和焊接安全。在大型结构件焊接施工中，若未规范化的焊接施工工艺流程，焊接设备不适用，焊接参数不匹配，施焊人员的技术水平较低，施焊人员在焊接过程中具有一定的主观随意性（如随意改变焊接工艺流程等），或者没有将焊接工艺与大型焊接构件的实际结合起来进行考量，都会造成大型结构件出现焊接变形问题。2.3 常用焊接工装模具分析焊接工装模具是该工程机械制造企业大型结构件焊接施工的主要设备。通过使用焊接工装模具进行大型结构件的焊接施工，可减轻施焊人员的劳动强度、提升焊接质量和效率、减少焊接变形。该企业主要采用焊接施工平台、焊接变位机和焊接夹具等 3 种焊接工装模具进行焊接作业，如下所述。2.3.1 焊接施工平台焊接施工平台是焊接挖掘机动臂、铲斗、中间架等大型结构件的主要工装模具。焊接施工平台为大型结构件的焊接施工提供了稳定、牢靠的基础。焊接施工平台可用于在焊接前，将各个零部件进行初步定位。挖掘机铲斗焊接施工平台如图 2 所示。焊接施工平台采用电焊方法制成牢固的平台框架，以此抵御焊接变形应力。在挖掘机动臂焊接施工中，为了提升焊接精准度，要采用搭建焊接平台的方式，预防焊接变形风险2。2.3.2 焊接变位机大型结构件的体型较大，为了便于进行焊接施工作业，在焊接中需要采用焊接变位机改变其焊接位置。以该企业生产的挖掘机超长动臂的焊接施工为例，为了保证其焊接质量，提升空间利用率，需要使用焊接变位机不断调整其焊接位置、优化其焊缝布局，保证其焊接工艺落实到位，以满足挖掘机超长动臂焊接的质量要求。2.3.3 焊接夹具大型结构件焊接施工中，可通过熔焊等方式将 2 个零件之间紧密连接起来。基于焊接施工原理，大型结构件的零部件在焊接中发生位置变动是必然现象。因此，为了保证大型结构件在焊接中零部件的稳定性，除了搭焊手段外，应使用焊接夹具固定零部件，以减少大型结构件焊接变形。在该企业的挖掘机超长动臂焊接施工中，采用 C 形夹具以及支撑杆较为常见，是提升焊接质量的有效焊接夹具。3 工程机械大型结构件的机加工工艺3.1 机加工工序挖掘机超长动臂的机加工主要分为粗加工、半成品加工和精加工等 3 个工序。这 3 个加工工序的作用有所不同。该工程机械制造企业在进行挖掘机超长动臂生产制造中，在同一机床上完成销轴座孔的粗加工。粗加工工序对精度的要求不高，可不使用精密机床进行加工。某些大型结构件进行精加工，通过精加工，可对大型结构件的机加工部位进行尺寸纠偏，可提升加工面的精度。有的大型结构件销轴座孔等部位，还要使用热处理加工工艺，提升其摩擦面的硬度。3.2 机加工设备工程机械大型结构件的连接部位，需要采取机加工设备进行加工。而机加工设备的精度，对大型结构件的机加工质量和生产效率的影响很大。我国工程机械领域起步较晚，机加工设备的性能与发达国家相比存在一定差距。该差距主要表现为：机加工设备的生产效率不高，对大型结构件的加工质量控制不到位等。随着我国工程机械领域的不断发展，对机加工设备的研发力度不断增强，研发资金的投入不断增多，机加工设备的技术性能不断提高，工程机械大型结构件的生产经营模式不断创新，高效机加工设备不断得到应用。现阶段，我国工程机械所使用的机加工设备的技术图2 挖掘机铲斗焊接施工平台CM&M 2023.0421水平不断提升，大型结构件的机加工质量以及机加工效率不断提高。但是，在特殊结构零件的机加工方面，部分制造企业通常选用日本、韩国的机加工设备，在保证质量的同时提升效率3。4 智能高效机加工技术应用概况4.1 智能化机加工技术近年来，随着我国工程机械制造领域的自动化技术不断发展，智能化机加工技术得到较为广泛的应用。2020 年的某项调查显示，我国 10 家工程机械结构件机加工企业中，有 6 家企业的智能化机加工在上料、切割等环节的智能化水平较高，大型结构件焊接中采用智能化机器人操作的达到 30%。但与美国、日本和韩国等国家相比，我国智能化机加工水平仍然相对落后，美国、日本和韩国等国家已经实现了远程控制生产管理。因此，我国需要不断提高对工程机械高效机加工设备的研发力度，提升自动化技术渗透率，实现智能化高效机加工工艺发展目标4。4.2 高效机加工技术高效机加工工艺是指根据大型结构件机加工的实际情况，优化施工工艺布局，从机加工工艺流程、剩余加工量、加工工序安排等方面，保证机加工精度和质量符合设计要求。工程机械制造领域引进国外先进的机加工设备，可适应国内大型结构件高效机加工的需要。但是，我国高效机加工核心技术的开发仍是一道难关。据不完全统计，我国工程机械大型结构件的加工，以引进国外高效机加工技术为主，国外机加工技术占据行业的 50%以上，而工程机械发达国家引进技术只占据 30%左右。由此可知，工程机械机加工技术与我国制造大国的地位不相符，未来需要高度重视机加工核心技术的开发，满足现代工程机械结构件高效机加工生产需要5。近年来工程机械制造企业在机加工工艺中，不断加强对大型结构件下料的控制力度，大型结构件下料毛坯以及销轴座孔的加工余量有所缩减，现阶段大型结构件加工余量已经由原来的 9mm 减至 6mm，部分激光加工设备能够完成粗加工孔和内螺纹底孔的加工。为了提升大型结构件高效机加工能力，优化施工工艺流程非常关键，工程机械制造企业必须充分重视，要采取措施确保施工工艺水平和施工工艺流程的同步优化。5 高效机加工技术发展方向5.1 应用智能信息技术工程机械企业要想适应市场发展趋势，必须积极进行技术创新和转型升级，将智能化技术与高效机加工生产相结合。企业要建立智能化云平台，将机加工技术与智能化云平台系统相结合。通过云平台系统统一处理技术数据信息，使大型结构件机加工企业获得相关技术数据信息，通过适用的机床设备不仅能实现高效生产，同时还可节省结构件生产成本6。5.2 应用激光加工技术激光加工技术可提升机加工的质量和效率，为工程机械领域的发展提供创新活力。我国激光加工技术在功率输出、光速质量、加工精度等方面均取得了优异成绩。例如在板材零件加工上，采用激光加工直接打孔，替换传统的加工手段，可大幅度提升大型结构件的机加工生产效率。工程机械高效机加工目标是结合技术创新和工艺改进，向更高水平的智能化工程机械制造领域发展。为了实现这一目标，需要相关科技人员加强对其核心技术的研发，优化我国当前机加工设备性能，实现高水平机加工技术的创新和发展。6 结语焊接和机加工技术在工程机械领域中占据重要地位，通过应用优化的机加工工艺，展现出高效机加工设备的优势。高效机加工技术是降低加工成本的关键，是扩大市场发展空间的重要手段。大型结构件机加工工艺控制难度较大，必须针对焊接和机加工生产工艺中的问题进行改进和优化，提高焊接质量、效率和效果，提升工程机械大型结构件的产品质量和生产效率。参考文献1 侯国清,廖国锋,马蓉,等.提高工程机械结构件焊接机器人 生产效率和焊接质量的方法研究J.上海交通大学学报,2016,50(S1):40-43.2 王美,刘文忠,司登堂.大型结构件电动轮矿车前桥制造技术 J.制造技术与机床,2011(8):200-204.3 张海月.关于港口机械堆高机主体钢结构件的施工工艺的分析 J.内燃机与配件,2022(4):57-59.4 夏小君,花蓉.工程机械焊接结构件的高效机加工工艺研究J.中国金属通报,2021(3):235-236.5 荆兴亚,徐明,邵宗光,等.工程机械液压多路阀阀体加工工艺 探索研究 J.液压气动与密封,2020,40(8):36-38.6 李德明,雷宁宁,王彩凤.工程机械结构件焊接废气处理系统 方案研究 J.建筑机械化,2020,41(12):85-87+90.