棒管ig環(huán)焊真空室的設(shè)計(jì)

棒管ig環(huán)焊真空室的設(shè)計(jì)

焊接是用圓弧代替的，國(guó)際名稱是tig或gtaw。這種焊接方法由于采用惰性氣體保護(hù),電弧燃燒相當(dāng)穩(wěn)定,焊縫質(zhì)量十分優(yōu)異,是高端工業(yè)部門焊接制件和精密零部件首選的焊接工藝方法本文研究的TIG焊接真空室用于核工業(yè)部812廠核燃料棒管的焊接加工,要求在氦氣或氬氣的保護(hù)下實(shí)現(xiàn)核燃料棒管的全自動(dòng)環(huán)焊。在焊接過程中,核燃料棒管的外表面和內(nèi)表面不能被氧化。另外,被加工的核燃料棒管屬于超長(zhǎng)的套類零件,環(huán)焊時(shí)因一端高溫熔化易產(chǎn)生變形。因此,核燃料棒管環(huán)焊過程中,棒管的兩端既要有支撐,又要同步轉(zhuǎn)動(dòng)。同時(shí),在焊接前需要抽掉真空室內(nèi)的空氣,防止棒管的氧化,以達(dá)到高質(zhì)量的環(huán)焊效果。1真空室的設(shè)計(jì)1.1中央空氣具有不排壓裝置在全自動(dòng)環(huán)焊加工過程中,核燃料棒管一直處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài),真空室的真空度要求小于10-3乇該結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為筒式變形體,兩端加O型密封圈,材料選用高彈性的特殊橡膠,使化學(xué)、物理性能達(dá)到使用的要求。兩端O型密封圈的作用既能防止在空氣壓入作用時(shí)變形體滑動(dòng),又能保證氣囊支架變形腔正壓氣體不泄漏。筒式變形體采用彈性夾緊元件,在外加壓縮空氣壓力的作用下,不僅可以夾緊不同直徑的核燃料棒管工件,而且可以保證棒管不會(huì)因夾緊力而導(dǎo)致變形或表面損傷。在生產(chǎn)一段的時(shí)間后,如果因?yàn)楣茏佣嗣娴拿痰仍虺霈F(xiàn)氣囊的磨損、劃傷等損壞情況,只需擰開前段的壓緊螺塞(見圖2),取出損壞的氣囊,即可更換新氣囊,安裝非常方便。筒式變形體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,成本低廉,經(jīng)反復(fù)試樣、試驗(yàn)、改型,完全達(dá)到密封抽真空及方便維護(hù)的要求。1.2軸的結(jié)構(gòu)模型核燃料棒管TIG環(huán)焊加工時(shí),要求在棒管旋轉(zhuǎn)的同時(shí)抽出筒式變形體腔內(nèi)的空氣,使內(nèi)腔達(dá)到真空狀態(tài)。這就要求在環(huán)焊過程中,旋轉(zhuǎn)軸勻速平穩(wěn)的旋轉(zhuǎn),同時(shí)要保證筒式變形體和焊接腔隨軸同步轉(zhuǎn)動(dòng)。否則,棒管會(huì)產(chǎn)生扭曲變形,這是加工過程中所不能允許的。因此,旋轉(zhuǎn)軸的同軸度要求很高,決定了旋轉(zhuǎn)軸結(jié)構(gòu)的特殊性。旋轉(zhuǎn)軸的結(jié)構(gòu)如圖2所示。筒式變形體在外加壓縮空氣的作用下夾緊核燃料棒管,旋轉(zhuǎn)軸的尾部設(shè)計(jì)了密封裝置,防止抽真空時(shí)外部空氣串入。這樣,在真空室旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),筒式變形體既保證了核燃料棒管隨軸同步轉(zhuǎn)動(dòng),同時(shí)也防止了空氣從前端串入。環(huán)焊加工時(shí),旋轉(zhuǎn)軸不能因?yàn)闈穸鹊仍蚨P,也不能因?yàn)闇囟鹊鹊脑蚨冃问АＲ虼?旋轉(zhuǎn)軸的材料選用2Cr13不銹鋼,經(jīng)調(diào)質(zhì)處理,其硬度、剛度均能滿足軸類零件的基本要求;同時(shí),在常溫下又具備不銹鋼的性能。而旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速較低,每分鐘約一圈左右,故軸的動(dòng)平衡可以忽略不計(jì),既不影響設(shè)備的使用性能,也給研制和加工帶來方便。從加工工藝方面考慮,為保證軸具有較高的同軸度及通用機(jī)床加工的工藝特性,采用臺(tái)階直軸結(jié)構(gòu)以利于精車、精磨,密封槽進(jìn)行精磨加工以利于密封,旋轉(zhuǎn)軸的左端面采用精車即可達(dá)到精度要求。這樣既保證了旋轉(zhuǎn)軸的技術(shù)要求,同時(shí)降低了制造成本。旋轉(zhuǎn)軸的兩端選用游隙精度較高的C級(jí)滾珠軸承作為支撐件,以保證在旋轉(zhuǎn)過程中較小的軸向跳動(dòng),同軸度也得到了很好的保證,安裝維護(hù)也方便。1.3真空室的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)核燃料棒管屬于細(xì)長(zhǎng)的管類零件,且要求真空室能夠滿足不同長(zhǎng)度規(guī)格棒管的環(huán)焊加工。因此,在焊接加工的過程中,真空室不僅要與焊接室同步旋轉(zhuǎn),而且能夠前后移動(dòng)并精確定位。另外,在核燃料棒管環(huán)焊加工的同時(shí),進(jìn)行真空室和焊接室的同步抽真空,且環(huán)焊加工在棒管的端部操作,因而在棒管的端部以外需要設(shè)計(jì)一個(gè)空腔以利于抽真空,從而增加了核燃料棒管插入真空室時(shí)的定位精度。為了保證真空度的精確性,在真空室內(nèi)部安裝了計(jì)算機(jī)監(jiān)控的真空傳感器。旋轉(zhuǎn)軸的尾部安裝了步進(jìn)電機(jī),且旋轉(zhuǎn)軸與筒式變形體采用螺紋連接,確保真空室與焊接室同步旋轉(zhuǎn),以及真空室前后移動(dòng)和精確定位。真空室的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)盡量對(duì)稱,這樣在旋轉(zhuǎn)和移動(dòng)的過程中才能保證平穩(wěn)。為此,將真空室的內(nèi)腔設(shè)計(jì)成四方形,前端設(shè)計(jì)了核燃料棒管的插入口,尾部設(shè)計(jì)了步進(jìn)電機(jī)安裝結(jié)構(gòu),兩側(cè)分別設(shè)計(jì)了進(jìn)氣孔和真空傳感器。整個(gè)真空室部件在直線導(dǎo)軌上移動(dòng),因此其質(zhì)量不能太小,否則搖擺;也不能太大,否則慣性大而不易控制。另外,真空室的整體結(jié)構(gòu)必須緊湊,才能保證傳動(dòng)的平穩(wěn)性。真空室的整體結(jié)構(gòu)如圖3所示。真空室材料選用1CR18NI9TI不銹鋼,通過鍛壓、過溶處理,以獲得理想的機(jī)械性能及較高的抗腐蝕能力,又能在安裝時(shí)保證其它重要的零件不被損壞。根據(jù)棒管環(huán)焊的工藝特點(diǎn),要求真空室與焊接室保持遠(yuǎn)距離的同軸度,且很多零件都容易損壞,因此在設(shè)計(jì)時(shí)要盡量進(jìn)行結(jié)構(gòu)細(xì)分,不能進(jìn)行大規(guī)模的整體設(shè)計(jì)。例如,筒式變形體要相對(duì)有獨(dú)立性,在不拆除電機(jī)、真空度計(jì)等零部件的前提下,能夠方便更換內(nèi)部零件;步進(jìn)電機(jī)也相對(duì)的獨(dú)立,安裝維護(hù)比較方便。這樣設(shè)計(jì)雖然保證了加工維護(hù)的方便,但是各種零件的加工和安裝誤差很容易造成公差過大,從而導(dǎo)致研制的失敗,所以設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮整體結(jié)構(gòu)的裝配精度。2真空室的加工、安裝和調(diào)試2.1真空室的加工和攻筒式變形體和旋轉(zhuǎn)軸都是真空室的關(guān)鍵零部件,各零件加工精度要求比較高。根據(jù)通用機(jī)床加工的工藝特性,筒式變形體的零件采用精車加工,密封結(jié)合面采用精磨加工,以保證配合精度。旋轉(zhuǎn)軸具有較高的同軸度要求,采用臺(tái)階直軸結(jié)構(gòu),以利于精車、精磨加工;密封槽進(jìn)行精磨加工,以保證密封效果;旋轉(zhuǎn)軸的左端面,采用精車即可達(dá)到精度要求。真空室的零部件大多數(shù)采用不銹鋼材料,在零件加工時(shí)刀具磨損較大,費(fèi)時(shí)又費(fèi)力。尤其是加工不銹鋼零件上螺紋孔的問題比較突出,特別是M3、M4小螺紋加工的難度較大,攻絲速度慢、絲錐磨損快,并且易斷,零件易報(bào)廢,這樣就增加了真空室的研制費(fèi)用,制造周期較長(zhǎng)。針對(duì)這些問題,對(duì)絲攻切削油進(jìn)行了更換、試驗(yàn),采用用進(jìn)口美孚潤(rùn)滑油和絲攻油混合,又用食用豆油及豬油作攻絲試驗(yàn),但效果都不明顯。最后,采用不脫脂肪酸的食用菜油作試驗(yàn),結(jié)果攻絲輕松,速度明顯提高,加工出的內(nèi)螺紋質(zhì)量較好,使鉗工加工的零件質(zhì)量得到了保證,又縮短了加工時(shí)間。2.2通過定位安裝人機(jī)器,使旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)精度得到提高在裝配真空室的過程時(shí),測(cè)出旋轉(zhuǎn)軸的軸頸和殼體孔有些誤差。為了保證旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)精度,采用了測(cè)量軸承內(nèi)圈孔的徑向跳動(dòng)的最高點(diǎn)作好標(biāo)記,測(cè)量旋轉(zhuǎn)軸軸頸的徑向跳動(dòng)的最低點(diǎn)作標(biāo)記;同時(shí),測(cè)量軸承外圈的最高點(diǎn)和殼體孔的最低點(diǎn)作好標(biāo)記,使軸承內(nèi)圈的最高點(diǎn)與旋轉(zhuǎn)軸軸頸的最低點(diǎn)相對(duì)應(yīng)裝配,也使軸承外圈的最高點(diǎn)和殼體孔的最低點(diǎn)相對(duì)應(yīng)裝配,抵消了部分相對(duì)尺寸的加工誤差,保證了旋轉(zhuǎn)軸的裝配精度,從而使旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)精度得到了提高。真空室的機(jī)體屬于框架結(jié)構(gòu),長(zhǎng)度為250CM、高度為185CM、寬度為45CM,機(jī)體分上、下二層,可以在地面上移動(dòng)。上層是操作臺(tái),在裝配操作臺(tái)零部件時(shí),發(fā)現(xiàn)布局分布不合理,框架頭重腳輕,寬度方向移動(dòng)時(shí)重心不穩(wěn)。對(duì)焊機(jī)上無關(guān)緊要的零部件進(jìn)行重新設(shè)計(jì)布局,把操作臺(tái)上的二只真空泵裝在下層兩側(cè),給上層留出空間,使操作維修方便。另外,設(shè)計(jì)一只工具箱安裝在下層中間,使下層的自重增加。這樣設(shè)計(jì)既美觀大方,又可以在任何方向平穩(wěn)移動(dòng)。2.3真空室前后移動(dòng)真空室的調(diào)試是研制工作的關(guān)鍵。在調(diào)試過程中,發(fā)現(xiàn)原先設(shè)計(jì)的壓緊螺塞是內(nèi)圓孔,核燃料棒屬于超長(zhǎng)棒類零件,用機(jī)械手提起零件時(shí),棒管撓度較大,很難將棒管對(duì)準(zhǔn)插入真空室的孔;而且,還會(huì)造成棒管端面的碰撞,產(chǎn)生翻口。這樣,就會(huì)劃傷氣囊,使氣囊破裂損壞。后來,將壓緊螺塞前端設(shè)計(jì)成一個(gè)導(dǎo)向的喇叭孔。一方面,起到引導(dǎo)棒管進(jìn)入真空室的作用;另一方面,起到支撐棒管的作用,防止在旋轉(zhuǎn)時(shí)管子變形過大,從而引起棒管的彎曲變形而不合格。在最初的設(shè)計(jì)方案中,真空室前后移動(dòng)依靠汽缸推動(dòng)。在調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn),真空室移動(dòng)較慢,容易產(chǎn)生爬行現(xiàn)象;真空室移動(dòng)較快,核燃料棒管定位不準(zhǔn)確;而且,還會(huì)擠壓棒管,高溫焊接時(shí)棒管的表面出現(xiàn)皺紋,影響棒管的焊接質(zhì)量。因此,改選步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)真空室的前后移動(dòng)。但是,在調(diào)試中又出現(xiàn)負(fù)載大和速度高的情況,造成失步現(xiàn)象。后來,改用精度較高的同步輪傳動(dòng),將整個(gè)真空室安裝在同步直線導(dǎo)軌上移動(dòng),消除了傳動(dòng)過程中出現(xiàn)的因慣性大而失步的現(xiàn)象,使得真空室的前后移動(dòng)精確,消除了爬行、定位不準(zhǔn)等現(xiàn)象。3取代我國(guó)的電子束焊接設(shè)備目前,TIG焊接真空室已經(jīng)在核工業(yè)部812廠正式投