（机械工程专业论文）沥青压路机钢轮制造工艺的优化设计.pdf

青岛理工大学工程硕士学位论文 摘要 沥青压路机钢轮是沥青压路机的主要部件，通常一台沥青压路机有前后两个 钢轮，而这两个钢轮的生产成本往往在整个沥青压路机的成本里占很大的比例。生 产成本的高低是由生产过程中选用的制造工艺决定的，工艺设计的好坏对产品的 成本影响非常大。不仅如此，工艺设计的恰当与否也直接决定生产出来的工件的 质量的稳定与否。本文分析了国内一著名工程机械公司初期生产沥青压路机钢轮 时采用的传统的制造工艺，提出了对传统工艺流程进行优化设计的课题，主要做 了下面几方面的工作。 ( 1 ) 分析该公司初期采用的沥青压路机钢轮传统制造工艺的弊端，找出这些 弊端存在的原因。 ( 2 ) 建设性的提出一种对沥青压路机钢轮传统制造工艺进行优化设计的设 想，并通过理论计算证明该设想的可行性及可操作性。 ( 3 ) 系统地对沥青压路机钢轮的制造工艺流程进行优化设计，并对各个工序 的工艺工装及设备等进行全面的方案设计。 ( 4 ) 通过生产实践验证优化工艺方案，进一步证明和完善优化工艺，并最终 形成一套稳定、简单可靠且低成本的新工艺。 ( 5 ) 分别从质量方面和成本等方面对传统工艺和新工艺进行比较，并计算出 每年的收益。 通过对沥青压路机钢轮生产工艺的优化改进，将大幅降低沥青压路机钢轮的 生产成本，大大提高产品的质量，缩短制造周期，在其它因素不变的情况下，将 大幅提高利润率，使得企业在激烈的市场竞争中处于有利的位置。 关键词：制造工艺；工装；优化；沥青压路机；钢轮； 青岛理工大学工程硕士学位论文 a b s t r a c t t h es t e e lw h e e l ( o rd r u m ) i s 廿1 em 越nc o m p o n e n to f a s p h a l tc o m p a c t o r n o 彻a 1 1 y ， o n ea s p h a l tc o m p a c t o rh a s 艄，0d r u m s ，s ot l l em a n u f a c t u r i n gc o s to ft l l e s et 、v od n l m s 诅k e sa b i gp r o p o r t i o no ft 1 1 e 、) l ，：h o l ec o m p a c t o rc o s t t h em 锄【u f a c t u r i n gp r o c e s sd e s i g n i sv e 巧i i l l p o r 咖tt ot l l ec o s to fm ep r o d l l c t ，a n da l s ot ot l l eq u a l i t ) ，s t a b i l i 够t l l i sp a p e r a n a l y z e dt l l e 仃a d i t i o n a lm a i l u f a c t u i j n gp r o c e s so n ed o m e s t i c o u se n g i n e e r i n g m a c l l i n e 巧c o m p a i l yu s e di 1 1 i t i a l l y ，锄dp r o p o s e do p t i m i z a t i o nd e s i 盟t o p i c b e l o wi st 1 1 e m 句o r w o r ko f “sp 印e r ( 1 ) a 舱l y s em ed i s “l v a n t a g e so f 订a d i t i o n a lm a n u f a c t u r i n gp r o c e s s 也ec o m p a n y s e l e c t e db e f o r e ，a i l df i n do u t 廿l e 陀a s o i l so ft h e s ei s s u e s ( 2 ) c o n s n l l c t i v e l yb r i i l gf o 刑矾0 p t i i l l i z a t i o nd e s i 印i d e 嬲b a s e do n 恤仃a d i t i o 砌 m 删缸t 嘶n gp r o c e s s ，锄dp r o o ft l 地f e 嬲i b i l 埘a i l do p e r a b i l i 够o ft l l i si d e at l l r o u 曲 m e o r e t i c 2 l lc a l c u i a t i o n ( 3 ) d e s i g nt l l eo p t i i i l i z i n gm a n u f k 嘶n gp r o c e s so fm ea s p h a l tc o l n p a c t o rs t e e l w h e e l ，a 1 1 do p t i m i z ee a c hm a i l u f a c t u l 妇gp r o c e s sf i x t i l r ea 1 1 de q u i p m e mt oc o n d u c ta c o m p r e h e n s i v es o l u t i o nd e s i g n ( 4 ) v m i d a t et l l eo p t i m i z a t i o ns c h e m et h r o u 曲p r o d u c t i o np r a c t i c e ，f u r t h e rp r o o fa n d p e 疵c tt i l eo p t i i i l i z a t i o no fp r o c e s s ，锄df i n a j l yf o n n e das e to f 嘲b i l i 劬s i m p l e ，r e l i a b l e a n d l o wc o s tn e w p r o c e s s ( 5 ) c o m p a r et l l eq u a l i t ya n dc o s to fn l e 衄a d i t i o n a lt e c l l i l o l o g ya 1 1 dn e wt e c l l l l o l o g y ， a i l dc a l c u l a t et h er e v e n u ee a c hy e a l a r e r l eo p t 越z a t i o no fm ep r o c e s so ft 1 1 es t e e lw h e e l so fa s p h a l tc o m p a c t o r ，t l l e p r o d u c t i o nc o s tw o u l db er e d u c e dd r a m a t i c a l l y 趾dt l l ep r o d u c tq 砌i 够、o u l db e i m p r o v e d 伊e a t l y a n da l s oi tc 觚s h o r t e nm em a n l i f 砬t u l 妇gc y c l et i m e u n d e rt l l e c o n d i t i o no fn oc h a n 西n go no t h e r 角c t o r s ，i tw o u l dv a s t l yi i l l p r o v ep r o f i t a b i l i 吼m a k e s t l l ee m e 叩r i s ei nag o o dp o s “i o ni nt h ef i e r c ec o m p e t i t i o no ft l l em a r k e t k e yw o r d s ：m a i l u f i a c 嘶n gp r o c e s s ；f i x 眦；o p t i m i z a t i o n ；a s p h a l tc o m p a c t o r ；d m m ； i l 青岛理工大学工程硕士学位论文 1 1 课题研究的背景 第l 章绪论 沥青压路机是建设柏油路面不可缺少的一种工程机械，主要用于对铺设好的 柏油路面进行压实及压平【l j 。2 0 0 7 年初，国内一著名工程机械公司开始生产沥青 压路机钢轮，刚开始采用的制作工艺相对落后，生产效率底，质量不稳定，使得 制造成本一直居高不下。 进入2 0 0 8 年，该公司决定对沥青压路机的制造工艺进行优化设计，以期降低 生产成本，从而提高利润率。 1 2 国内外压路机发展概述 早在远古时期人们就曾利用畜群的蹄足对土壤进行踩踏、搓揉和捣实来处理 房屋的地基，压实大坝和河堤【2 】。在1 9 世纪中叶以前，西方的道路工程以碎石子 铺路为主，压实主要靠车辆自然碾压。直到1 8 5 8 年发明了轧石机后，促进了碎石 路面的发展，才逐渐出现了用马拉的滚筒进行压实工作，这是最早的压路机雏形【3 l 。 1 8 6 0 年在法国出现了蒸汽压路机，进一步促进并改善了碎石路面的施工技术和质 量，加快了进度1 4 j 。在2 0 世纪初，世界上公认碎石路面是当时最优良的路面而推 广于全球，压实的概念逐渐被人们所知，压路机也随之出现在各个道路施工工地 上【5 】。1 9 世纪中叶，内燃机的发明给压实设备的发展带来了巨大的生机。第一台内 燃机驱动的压路机诞生在2 0 世纪初，随后出现的是轮胎压路机【6 】。羊足碾压路机 与光轮压路机几乎是同时产生的。人们对静碾压路机的压实效果进行了研究，认 为增加压路机的重量可使压路机的线压力增加，从而提高压实效果。于是，在相 当长的一段时间内，人们致力于开发大吨位压路机，最大的轮胎压路机曾重达2 0 0 多吨【7 】，不过这段时期内，压路机的变化还是主要体现在动力及外形的改进上。 振动压实机械的出现是压实机械发展过程中的一个划时代的革命，从此压实 效果的增长不再简单地依靠重量或线压力的增加。第一台自行式压路机和拖拉机 牵引的振动压路机出现在上世纪4 0 年代【8 】o5 0 年代欧洲各国开发了串联式整体车 架的振动压路机【9 】。随着不断改进和探索，又陆续推出了铰接式轮胎振动压路机和 青岛理工大学工程硕士学位论文 铰接式双钢轮振动压路机【1 0 1 。由于振动压路机压实效果好，深度大，生产率高， 而且适用于多种类型的填料压实【1 1 】，因此振动压路机已逐渐成为许多压实工作的 标准设备和首选设备。到6 0 年代末，振动压路机的销售已占到压路机6 0 以上的 市场份额。这一时期，压路机生产的大公司主要有：德国罗申豪森( l o s e a u s e n ) 公司，研制出了第一台由履带式拖拉机驱动的、装有2 5 吨振动平板的压实机；德 国b o m a g 公司，推出的手扶式双轮振动压路机；d y n a p a c 公司，生产了各种拖式压 路机及自行式轮胎压路机等【1 2 1 。 压路机等工程机械属于资金密集、技术密集型且与相关工业关系极强的产品， 涉及技术面广、业务多，主机厂产品技术含量的提高，需要众多配套厂家的密切 配合，约有6 0 一7 0 的配套件需专业厂提供【1 3 】。压路机主机生产以产品总体设计、 结构件制造、产品配套件选购和组装为主要内容【1 4 1 。 国内压路机行业经过4 0 多年来的不断发展，已经有了长足的进步。尤其是进 入9 0 年代以后，压路机产销量增长迅速，加入压路机生产的企业不断增加，使压 路机制造企业多达8 0 余家，能够生产5 3 0 t 振动压路机，4 2 4 t 静碾压路机和 1 6 3 0 t 轮胎压路机等规格品种较为完备齐全的系列产品，基本形成能够自主开发 与生产的完整压路机制造体系，其技术水平与国际先进水平之间的差距正逐步缩 小【1 5 】【1 6 】【17 1 。这种高速增长的局面，势必将压路机配套件行业推向一个新的发展时 期。 2 0 0 7 年是国家“十一五 规划重要的一年，公路建设力度进一步加大，各地 公路建设施工提早，在一定程度上拉动了市场采购需求的增长，2 0 0 7 年全国压路 机销售达到了9 8 4 1 台，延续了增长态势【1 8 】【1 9 】。2 0 0 8 年压路机销量继续保持增长 趋势，卜6 月份1 8 家压路机企业共销售压路机6 0 8 6 台。主要产品销量比2 0 0 7 年 同期增长1 6 4 3 【2 0 】【2 l 】。 面对日渐看好的中国市场，世界上著名的压路机制造商纷纷在中国办厂或设 立了销售办事机构。目前，德国b o m a g 、瑞典d y n a p a c 、美国工n g e r s o l l r a n d 、德 国悍马、日本酒井等世界最著名的压路机制造企业均已进入中国市场，这不仅提 高了中国压路机的整体设计和制造水平，同时也引起了国内市场的激烈竞争。国 外企业以良好的产品质量和多样化的品种逐年增加在中国高端产品的市场份额。 国内竞争已经演变为一场真正的“世界大战 。国内压路机行业原有的平衡格局 青岛理工大学工程硕士学位论文 正在解体，国内市场版图的再划分已经全面展开担2 儿船儿2 4 | 。 图1 1 为沥青压路机基本结构图。从图可看出，沥青压路机主要由驾驶室、发 动机、前后车架、前后钢轮、连接板及液压马达等组成。 匾自 图卜1 沥青压路机基本结构图 对于压路机整机生产厂家来说，发动机、驾驶室及液压件等通常都是由供应 商提供，车架、钢轮等结构件通常自行制造，因此，制造工艺的合理性将大大影 响压路机的生产周期和成本。目前，压路机钢轮的制造工艺国内外存在一定的差 距，这些差距主要体现在对于先进的生产设备和生产工艺装配的选用上。首先， 对于钢板的切割，国外已经广泛采用等离子或激光切割，但国内仍广泛使用火焰 切割。卷板机方面国内外差距不是很大，国内外知名压路机生产厂家普遍采用的 都是数控上辊万能式三辊卷板机或四辊卷板机。焊接方面国内外差距相对较大， 受劳动力成本的限制，国外的压路机钢轮生产厂家现多采用焊接机器人代替人工 进行焊接，而国内生产厂家多数还在使用落后的人工焊接。加工方面国内外的差 距也不是很大，对于钢轮外圆的加工，国内外生产厂家多采用大型卧式车床加工， 青岛理工大学工程硕士学位论文 内部辐板的加工主要通过钻床来完成。 1 4 课题研究的目的和意义 本文主要研究前期采用的沥青压路机钢轮生产工艺的一些弊端，主要是工艺 路线繁琐，工艺装备落后。通过对这些弊端的研究，找出解决方案，从而进行工 艺优化改进。 通过对沥青压路机钢轮生产工艺的优化改进，将大大降低沥青压路机钢轮的 生产成本及提高产品的质量，缩短制造周期，提高供货及时性，在其它因素不边 的情况下，将大幅提高利润率，使得企业在激烈的市场竞争中处于更加有利的位 置。 1 5 课题研究的主要内容 沥青压路机钢轮的制造工艺决定钢轮的制造成本，而制造成本的高低直接决 定产品的市场竞争力。由于传统的旧的工艺费时费力，且质量不稳定，故而成本 居高不下。如何对沥青压路机钢轮的传统制造工艺进行优化改进，成为迫在眉睫 的问题。本文适应市场竞争的需要，主要从以下几方面对传统的制造工艺进行优 化改进。 ( 1 )沥青压路机钢轮制造流程的改进。 ( 2 )沥青压路机钢轮卷板及点焊工艺工装优化改进。通过分析传统卷板及点 焊工艺，确定要改善的地方，并通过设计制作新的点焊工装来实现新的点焊方法。 ( 3 )沥青压路机钢轮焊接工艺的优化改进。通过引进新的半自动焊接设备和 方法来提高焊接的质量和效率，从而达到降低工时和成本的目的。 ( 4 )沥青压路机钢轮车削加工工艺的优化改进。通过对车削工装夹具及刀具， 特别是刀具的改善，来提高钢轮外圆车削加工效率，降低工时和成本，为大批量生 产提供保障。 ( 5 )沥青压路机钢轮各种新工艺的实践验证。在公司里直接验证新的工艺， 并进行完善，从而使研究成果迅速产生效用。 青岛理工大学工程硕士学位论文 1 6 论文的总体结构图 图卜2 是本文的总体结构图。 第1 章绪论 第2 章沥青压路机钢轮传统制造工艺分析 第3 章沥青压路机钢轮制造工艺优化设计 第4 章沥青压路机钢轮优化工艺的生产实践 第5 章沥青压路机钢轮新工艺和传统工艺比较 第6 章全文总结 图卜2 论文的总体结构图 5 青岛理工大学工程硕士学位论文 第2 章压路机钢轮传统的制造工艺分析 2 1 沥青压路机钢轮基本结构 沥青压路机钢轮通常由外部的圆筒和内部的辐板焊接而成。外面的圆筒通常是 钢板切割下料，然后两端打坡口，接着在卷板机上卷板而成。内部的辐板通常是 先切割下料，再车外圆，然后再钻孔。 从图2 1 沥青压路机钢轮基本结构图我们可以看出，沥青压路机钢轮由外围圆 筒及内部三层辐板组成。其中，三层辐板中中间一层辐板在安装时与振动装置连 接，两端两层辐板在安装时通过连接板与压路机的车架连接。 川衙 图2 1 沥青压路机钢轮基本结构图 为了说明沥青压路机钢轮传统制造工艺的流程，下面先画出流程图来，如图 2 2 沥青压路机钢轮传统的制造工艺流程图。在画这个流程图时，对于一些简单的 工序，不再使用图片进一步说明，本文重点关注研究的工序使用图片加强说明。 另外，图中图片中黑色实线代表焊缝。 青岛理工大学工程硕士学位论文 一 3 焊接外围板直线焊缝。 6 焊接外围圆筒与内侧辐板 之间的环形焊缝。 、鬟 t 一。 o 玳* 一j ，等 鼍强，一；蠹。菇篓褒翁襻：醵蕊蘸 图2 2 沥青压路机钢轮传统的制造工艺流程图 2 3 沥青压路机钢轮传统的工艺流程分析 2 3 1 沥青压路机钢轮传统的制造工艺流程分析 首先根据图2 2 沥青压路机钢轮传统的制造工艺流程图，然后结合实际生产 过程中传统工艺流程的问题对沥青压路机钢轮的传统制造工艺进行一下分析。从 图上我们可以看出，传统的沥青压路机钢轮的制造工艺工序繁多，流程在卷板和 青岛理工大学工程硕士学位论文 焊接工序中有回流( 加工过程中在多个工序之间反复进行) 。结合实际生产情况， 可以将沥青压路机钢轮传统的制造工艺流程的缺点归纳入下。 ( 1 ) 压路机钢轮外侧的钢轮制作过程中两次使用卷板机加工。第一次钢板在 卷板机上卷成圆筒，并在卷板机上将对接处点焊在一起，然后吊下卷板机。接着， 在焊接工位，对点焊后的圆筒进行焊接，焊接对接坡口焊缝。焊接完成后，工件 要再次吊到卷板机上，这次是为了校正其圆度，如果不校正，后序点焊时内部的 辐板将无法放进去。两次使用卷板机加工，不仅费时费力，而且对整个沥青压路 机钢轮的制造流程影响很大，不利于车间平面布局和生产安排。通过测量，第一 次占用卷板机的时间大约为6 0 分钟，第二次占用卷板机的时间大约为2 0 分钟， 两次占用卷板机的总时间约为8 0 分钟。 ( 2 ) 点焊时，内侧辐板放到外围圆筒时比较困难，需要预留一定的间隙，且 受外围圆筒的圆度的影响比较大，造成调整困难，点焊时间长，一个钢轮光点焊 就需要约9 5 分钟。 ( 3 ) 受以上两点的影响，车削加工时，由于外部圆筒与内侧辐板的同轴度较 差，且外部圆筒本身的圆柱度由于经过两次卷板加工变得不是很理想，使得加工 余量不均匀，再加上传统工艺选用的车削刀具也比较落后，所以每次加工余量不 能太大。这些不利因素导致了我们在加工时不得不至少两次走刀。不仅如此，受 刀具和余量的影响，车削时的的进给速度和转速也无法提高。导致加工一个沥青 压路机钢轮需要2 0 个小时，足足两个半班( 每班8 小时) 。质量方面，加工完成 的钢轮壁厚变动也比较大，影响钢轮的使用性能，通常会造成振动不稳定，甚至 间歇振动等故障【2 2 1 。 2 3 2 沥青压路机钢轮传统的工艺流程工件质量分析 为了全面的了解使用传统的制造工艺生产的钢轮的质量状况，我们收集了5 个工件的关键数据，并使用m i n i t a b 对这些数据进行了分析。m i n i t a b 是现代质量 管理统计的先进工具，全球六西格玛实施的共同语言，以无可比拟的强大功能和 简易的可视化操作深受广大质量学者和统计专家的青睐【2 3 】。 首先，选取了对工件质量影响最大的一个尺寸一工件加工后的壁厚作为质量分 析的对象。为了全面说明工件的壁厚情况，测量时每个工件测量1 6 个点。图2 3 工件壁厚测量位置指示图指示的位置就是工件实际测量的位置。这里特别说明一 青岛理工大学工程硕士学位论文 点，之所以没有选加工完后的钢轮的直径为研究对象，是因为这个直径加工完后 1 3 4 4 o 5 是很容易保证的。另外钢轮的壁厚不均就会造成钢轮的质心偏离工件中 心，对压路机的使用性能会造成严重影响，而直径的影响相对较小。最后，外围 圆筒的壁厚往往很难保证加工完后足够均匀，达到图纸要求的2 2 1 5 。 图2 3 工件壁厚测量位置指示图 表2 1 传统工艺5 台工件壁厚测量数据汇总表的数据就是测量记录的5 台工 件的壁厚数据。从表内数据仅能大体看看工件的壁厚情况是否符合图纸要求，但 是无法看出流程的稳定性究竟有多大。 为了进一步对表5 1 的数据进行分析，下面把这些数据导入m i n i t a b 中，并 使用m i n i t a b 软件里的一些数据处理和分析工具对这些工具进行分析。 首先使用m i n i t a b 对表5 1 的数据进行箱式图分析，看看各个工件的数据分 布情况。分析结果直接在图中列出。见图2 4 到2 9 。 青岛理工大学工程硕士学位论文 表2 1 传统工艺5 台工件壁厚测量数据汇总表 点 工件1工件2 工件3工件4工件5 12 42 0 12 2 32 1 32 0 1 22 32 1 22 3 62 0 11 9 8 32 1 52 2 3 2 3 81 9 92 2 2 42 0 42 2 8 2 4 3 2 1 22 3 6 5 2 2 52 3 2 2 2 12 2 32 4 2 6 2 2 72 3 9 2 1 22 3 62 1 6 7 2 1 2 2 1 52 1 12 3 92 2 7 82 0 12 0 62 1 52 2 42 1 2 92 0 52 2 32 2 62 3 72 3 6 1 02 2 52 1 91 9 32 2 52 2 5 1 1 2 3 42 3 82 1 5 2 1 62 1 3 1 2 2 4 1 2 42 0 22 0 72 0 4 1 3 2 3 2 2 3 12 2 62 0 22 1 1 1 42 1 82 l i22 3 72 2 52 2 6 1 52 0 72 0 32 2 52 3 62 1 7 1 62 1 42 1 62 1 92 1 8 2 1 2 图2 4 传统工艺5 台工件箱式图 1 0 青岛理工大学工程硕士学位论文 图2 5 传统工艺工件1 箱式图 图2 6 传统工艺工件2 箱式图 青岛理工大学工程硕士学位论文 图2 7 传统工艺工件3 箱式图 图2 8 传统工艺工件4 箱式图 1 2 下面再使用m i n i t a b 中的质量工具分析一下沥青压路机钢轮传统制造流程的 过程能力情况。如图2 1 0 传统工艺过程能力图。 图2 1 0 传统工艺过程能力图 从图上不难看出，传统的制造工艺流程 说明制造过程很不稳定。 1 3 c p = 0 3 3 ，c p k ：o 3 9 。数据很不理想， 青岛理工大学工程硕士学位论文 其中：制程能力指数- c p & c p k 制程能力 c p ：旦号地 6o 制程表现c p k = m i n c p u ，c p l c p u = c p l = u s l l i 3o | i l s l 3o 式中：c p 一表示制程分布的紧致程度。 c p k 一表示制程平均值与目标值的接近程度【2 4 】。 2 4 沥青压路机钢轮传统的工艺流程优化设想 通过前面的分析，可以看出沥青压路机钢轮传统的工艺流程最大的弊端便是两 次使用卷板机加工，造成流程的不顺畅和质量的不稳定。为了解决这个问题，本 文提出了下面一种设想。如果第一次使用卷板机卷制圆筒时不将接缝处点焊在一 起，这样工件吊下卷板机时，工件接缝处会有一定的开口( 如下图) 。然后，在点 焊时就会很容易将内部的辐板放进去，如果再使用一定的设备或工装对外围圆筒 施加一定的外力使得开口缩小到需要的大小后再点焊，最后在焊接工位焊接相关 的焊缝，那么就可以避免传统工艺存在的不足之处了。见图2 1 1 。 。“ ， ，。 ， 图2 1 1 工艺优化设计关键点说明图 青岛理工大学工程硕士学位论文 2 5 沥青压路机钢轮传统的工艺优化可行性理论计算分析 前面提出了一种优化设想，即一种新的方法，但是究竟这种方法能不能行得 通还要先从理论上进行计算分析。其中最主要的就是证明可以在点焊之前在圆筒 上预留一定的间隙，然后在点焊过程中使用合适的工装或设备再缩小这个开口， 达到圆筒与内部辐板紧密贴合的目的。通常，开口预留6 0 1 0 0 唧时，点焊时外围 圆筒的直径就会比内部辐板的直径大2 0 、3 0 衄，在点焊时我们就能很轻松地将内部 辐板放进外部圆筒。那么，接下来如何让外围圆筒与内部辐板紧密贴合呢? 需要 多大的力作用到外围圆筒上才能消除预留的开口呢? 为此，首先确定了下面的一 种方案，然后计算所需要的外力的大小，从而证明设想方案的可行性及可操作性。 如图2 1 2 钢轮捆绑方案图及图2 1 3 钢轮捆绑方案细节放大图，该方案计划通 过使用液压油缸的推力拉紧缠绕在沥青压路机钢轮上的钢丝绳，然后钢丝绳勒紧 钢轮，并迫使钢轮外围板上的开口不断缩小，最后外围圆筒就会紧密和内部辐板 贴合在一起。 压块 铜 图2 1 2 钢轮捆绑方案图 青岛理工大学工程硕士学位论文 图2 一1 3 钢轮捆绑方案细节放大图 钢轮捆绑方案操作过程说明：由于卷板时在外围圆筒上留有一定开口，外围 圆筒与辐板配合时之间就会有定间隙，这样外围圆筒及内部辐板就容易装在一 起。然后再把装配好的钢轮用钢丝绳缠绕，启动液压马达，让油缸伸长拉紧钢丝 绳，利用油缸拉紧缠绕在外围圆筒上的钢丝绳，让外围圆筒与辐板贴紧，图上所 示的开口也会相应缩小，然后就可以对钢轮实施点焊。点焊完成后，松开勒紧钢 轮的钢丝绳，即可取下工件。 油缸拉紧时受力分析如图2 1 3 所示，外围圆筒紧靠在固定的垫块上，钢丝绳 主要通过压块对外围圆筒施加压力，使外围圆筒与辐板贴紧。 下面开始计算需要的油缸的推力大小。首先计算出总计需要的油缸的推力的 大小，然后再除以油缸的个数，就可以得到每个油缸的推力大小。 首先说明本文研究的工件的情况。本文研究的沥青压路机钢轮外侧圆筒的板 厚2 5 姗，工件的长度2 1 3 0 m 以及工件卷板后的直径1 5 0 0 衄，材料的屈服极限为 2 9 0 m p a ，材料的拉伸强度为4 3 5 m p a 。 然后，对设想的方案进行受力分析，如图2 一1 4 钢轮捆绑受力分析图。钢轮主 要受力f l 及f 2 。 但是直接根据工件计算f l 和f 2 很困难，即便计算出来，误差也可能很大。 为此本文采用一种简化的方法进行计算。方法虽然简单，但误差小、实用。 青岛理工大学工程硕士学位论文 压块 垫块 图2 1 4 钢轮捆绑受力分析图 下面使用简化方法计算油缸推力。 为了计算出需要的油缸的推力的大小，本文分两步进行简化计算。第一步，首 先计算出卷板需要的压力的大小。第二步，以卷板需要的力作为计算捆绑所需要 的力的基础，计算出捆绑需要的力的大小。之所以这样计算，是因为卷板所需要 的压力和捆绑需要的力有一定的联系，而卷板需要的力的大小相对比较容易计算， 所以使用这样的方法计算起来相对简单且实用。 下面计算卷板所需要的压力，在此，也采用一种简化实用的方法，首先根据 所研究的工件的厚度2 5 硼，工件的长度2 1 3 0 姗以及工件卷板后的直径1 5 0 0 姗， 材料的屈服极限为2 9 0 m p a ，材料的拉伸强度为4 3 5 m p a ，选择一种合适的卷板机作 为计算基础，在这里选择w 1 1 s t n c 一6 0 水3 0 0 0 ( 6 9 0 t ) 型数控上辊万能式卷板机作 为计算基础。该卷板机上辊直径6 5 0 ，下辊直径3 8 0 ，两下辊中心距7 0 0 。由于有 了卷板机作为计算依据，就可以很方便的计算出卷制这种圆筒时的机器负荷为 0 1 6 ( 由于是卷板机程序自动计算，计算过程在此不再列出) 。那么，卷板时的压 力就是0 1 6 6 9 0 = 1 1 0 4 ，这里力的单位为吨力。 下面分别对钢轮卷板及捆绑作受力分析。如图2 1 4 钢轮卷板受力分析图，钢 青岛理工大学工程硕士学位论文 轮卷板时主要受三个力，卷板机上辊对钢轮的压力f 3 ，下辊对钢轮的支撑力f 4 及 f 5 。夹角a 可通过卷板机的参数及工件的尺寸求得。 图2 1 5 钢轮卷板简化受力分析图 图2 1 6 钢轮捆绑简化受力分析图 青岛理工大学工程硕士学位论文 上面已经计算出了f 3 = 1 1 0 4 n 根据方程式：f 5 c o sq 2 = f 1 s i n q = ( c 2 ) ( d + d ) 2 f 6 d = f 5 ( d 2 ) s i na 将d = 1 5 0 0 咖，d = 3 8 0 咖，c = 7 0 0 咖代入上面方程组，计算得：f 6 = 1 1 0 5 ，单位 吨力。 这样我们就计算出了钢丝绳的总的拉力，如果使用3 根钢丝绳的话，再将钢丝绳 的总拉力除以3 既得到单根钢丝绳的拉力为大约为3 6 8 吨力。 然后再根据油缸和钢丝绳之间的夹角的大小就可以计算出油缸的推力了。这 里以最大夹角3 0 度为例计算一下油缸的推力大约需要：3 6 8 c o s 3 0 = 4 2 5 吨力。 由于4 2 5 吨力的油缸在日常使用中也是非常常见的，所以前面设想的可行性 还是非常大的【2 5 1 。这样就可以根据计算的理论数据设计相应的优化方案并在生产 实践中进行验证了。 青岛理工大学工程硕士学位论文 第3 章沥青压路机钢轮制造工艺优化流程设计 为了对沥青压路机钢轮制造工艺进行优化设计，首先设计出新工艺的流程图 来，如图3 1 沥青压路机钢轮工艺优化新流程图。与画2 2 沥青压路机钢轮传统 的制造工艺流程图一样，在画这个流程图时，对于一些简单的工序，未使用图片 进一步说明，只对本文重点关注研究的工序使用图片加强说明。另外，图中图片 中黑色实线代表焊缝。 5 焊接外围圆筒与内侧 辐板之间的环形焊缝。 - 麓誊纛鬻。、。7 。i 笺。j 蓬篙纛麓越 l 猢豳黼 6 在大卧车上车削外圆。 图3 1 沥青压路机钢轮工艺优化新流程图 3 2 沥青压路机钢轮优化后设备选择及工装设计 3 2 1 下料、坡口设备选择 在机械加工过程中，板材切割常用方式有手工切割、半自动切割机切割及数控 切割机切割f 2 6 l 。手工切割灵活方便，但手工切割质量差、尺寸误差大、材料浪费 大、后续加工工作量大，同时劳动条件恶劣，生产效率低【2 7 1 。半自动切割机中仿 形切割机，切割工件的质量较好，由于其使用切割模具，不适合于单件、小批量 和大工件切割【2 8 1 。其它类型半自动切割机虽然降低了工人劳动强度，但其功能简 单，只适合一些较规则形状的零件切割。数控切割相对手动和半自动切割方式来 说，可有效地提高板材切割地效率、切割质量，减轻操作者地劳动强度【2 9 1 。根据 上述各种切割方式的特点，该公司决定选择数控切割方式。 而数控切割又有数控火焰切割机、数控等离子切割机及数控激光切割机等1 3 m 。 其特点分别如下：数控火焰切割机，切割具有大厚度碳钢切割能力，切割费用较 低，它的应用场合主要限于碳钢、大厚度板材切割。数控等离子切割具有切割领 域宽，可切割所有金属板材，切割速度快，效率高，切割速度可达1 0 m m i n 以上。 等离子在水下切割能消除切割时产生的噪声，粉尘、有害气体和弧光的污染，有 效地改善工作场合的环境。采用精细等离子切割已使切割质量接近激光切割水平， 目前随着大功率等离子切割技术的成熟，切割厚度已超过1 5 0 唧，拓宽了数控等离 子切割机切割范围。数控激光切割机，具有切割速度快，精度高等特点，激光切 割机价格昂贵，切割费用高，目前只适合于薄板切割、精度要求高的场合f 3 1 1 。 考虑到沥青压路机钢轮外围板及内部辐板的板厚在2 0 4 0 舢之间，比较适合用 数控火焰切割机切割，且在设备投资及设备稳定性方面数控火焰切割机也有一定 的优势，最终确定使用数控火焰切割机进行钢板的下料加工。 坡口方面，由于工件长和宽尺寸都比较大，分别超过了4 米和2 米。如果使用 机加工设备加工，设备尺寸必然很大，成本很高，所以不适合选用。而使用半自 动切割小车结合导轨进行加工，不仅操作方便，而且投资较少，成本低，所以综 合考虑后，选择了半自动切割小车来加工坡口。 工装方面也无需太大投入，只需在坡口加工时制作一个放置工件的平台或架子 即可。 青岛理工大学工程硕士学位论文 3 2 2 卷板设备选择及工装设计 大直径的圆筒通长都由钢板卷制而成，卷制钢板使用的设备就是卷板机。卷板 机( r o l l i n gm a c h i n e ) 是对板料进行连续点弯曲的塑形机床，具有卷制o 型、u 型、多段r 等不同的形状工件的功能。 卷板机由于使用的领域不同，种类也就不同。从辊数上分三辊卷板机和四辊卷 板机。三辊又分对称式三辊卷板机，水平下调式三棍卷板机，弧线下调式卷板机， 上辊万能式三辊卷板机，液压数控卷板机。从传动上分机械式和液压式【3 2 】。 三辊卷板机可以把金属板材卷制成筒形、弧形、扇形、锥形等工件，是专门用 于金属板材弯曲、成型、校正的一种通用设备，在造船、化工、锅炉、水电、压 力容器以及机械制造各行业中，有着广泛的应用。 机械三棍对称式卷板机，卷出的工件两头多有直边还需要焊接起来再进行卷板 费时间又降低了工作效率；而上棍万能式卷板机上棍能做水平移动可以先给板材 做预弯消除直边，原理就是使上棍偏心再进行压制消除了直边从而提高了工作效 率 3 3 】。 上辊万能式三辊卷板机具有以下特点： ( 1 ) 高精度的端部预弯 端部预弯时，能够自由地设定直边长度，上辊压下，在一定的压力下，实行高 精度的端部预弯，制品精度超群【3 4 1 。 ( 2 ) 由于连续弯曲，以及高精度的端部预弯，从而得到精度超群的制品；另 外上辊呈鼓形状，托辊配合调节，从薄板到厚板这一广泛的范围内能够卷到理想 的产品。 ( 3 ) n c 控制高的生产效率：一人作业，操作简单，效率大幅度提高。 ( 4 ) 不同的用途相应的控制方法 根据用途，有以下控制方法：t n c ( 上n c ) ：多品种小量生产用t b n c ( 上 n c ) ：少品种大量生产用c n c ( c n c ) ：多品种大量生产用。 ( 5 ) 丰富的弯曲形状 具有卷制o 型、u 型、多段r 等不同的形状，其方式：o 型变曲：后方变曲方 式、u 型弯曲：前方弯曲方式、特殊弯曲：组合式方式。 结合沥青压路机钢轮的产品特点及制造流程，在综合考虑了各种卷板机的特点 青岛理工大学工程硕士学位论文 的情况下，决定选用上辊万能式三辊卷板机。 另外，卷板所用工装已非常简单，只需一圆弧样板检验卷制的工件的圆弧是否 符合要求即可。 3 2 3 点焊工装方案设计 前期提出的设想方案，也为钢轮的点焊工装方案指明了方向。根据前面的思想， 点焊工装要由两部分组成。其中第一部分就是支撑定位部分，第二部分就是勒紧 钢轮消除开口间隙部分。 首先设计点焊定位工装工装方案。为了方便工件的吊装以及接下来捆绑方案的 实施，这里设计了一种“树”形的点焊工装方案。见图3 2 点焊定位工装方案图。 田 可旋转支 b c 图3 - 2 点焊定位工装方案图 a 点焊定位工装方案；b 内部辐板装夹演示；c 外部圆通装夹演示 由于外围圆筒预留有6 0 1 2 0 咖缺口，所以外围圆筒的直径比内部辐板的直径 大大约2 0 4 0 锄，这样外围圆筒与内部辐板之间单边就会有大约1 0 2 0 硼的间隙， 所以在放置外围圆筒的时候就会很轻松的放上。最上面一层支撑臂可旋转，保证 下部工件先放到工装上，再放置上层工件。等内部辐板全部装好，最后将外部圆 筒装到工装上。 青岛理工大学工程硕士学位论文 油缸固定 压块 翻 n且 珊i 口= 县l - = = j r 1i 广。1 i_ 。 i _ j l _ j _ t n r - 1 r 。一出k 一 ， b 口 ， 音一l _ d m r 1 一 奠l j r 1 1 一i 一 、 、 ， - _ a 油缸 油缸可动端 放上工件后 的示意图。 d 图3 3 点焊捆绑工装方案图 a 点焊捆绑工装方案：b 点焊捆绑工装方案模拟 接下来，再设计第二部分工装方案。为了消除上面的圆筒的开口，需要对工 - 2 4 - 一且p可 女 青岛理工大学工程硕士学位论文 件施加一定大小的外力，并且前面已经计算了需要的捆绑力的大小。结合沥青压 路机钢轮的特点，内部有三层辐板，设计捆绑方案时，设计三根钢丝绳进行捆绑。 钢丝绳捆绑的位置基本和内部辐板的位置一致。这样设计有利于勒紧工件时保证 外围圆筒和内部辐板的紧密贴合，且能够避免捆绑时造成外围圆筒的变形。 如图3 3 点焊捆绑工装方案图所示，油缸一端为可动端，可以在工装上滑动， 另一端为固定端，与工装固定在一起。工作时，三个油缸的推力不断拉紧三根钢 丝绳，钢丝绳捆绑住钢轮，使得钢轮的开口逐渐缩小，外围圆筒与内部辐板逐渐 贴合，然后将工件点焊在一起。最后松开油缸，取下钢丝绳，吊下工件。 3 2 4 直线焊缝焊接工艺工装设计 焊接滚轮架是借助主动滚轮与焊件间的摩擦力来带动焊件旋转的变位机 械3 5 1 。为了实现沥青压路机钢轮直线纵缝的焊接，首先设计制作了下图的焊接滚 轮架。该滚轮架借助焊件与主动滚轮间的摩擦力来带动圆筒焊件旋转，从而 可以调整工件的焊缝到合适位置进行焊接。 图3 - 4 钢轮直缝焊接滚轮架方案图 另外，为了提高焊接质量和减轻焊工的劳动强度，选购一台焊接小车来实现 工件纵向焊缝的半自动焊接。焊接小车是实现现垂直焊接、横向焊接和水平焊 接等多种位置焊接的一种装置【3 6 1 。 青岛理工大学工程硕士学位论文 图3 5 钢轮直缝焊接小车 3 2 5 环形焊缝焊接工艺工装设计 为了高效且高质量的焊接沥青压路机钢轮的环形焊缝，设计下面的一台半自动 焊接专机进行焊接。该自动焊接机是实现压路机支重轮筒体纵缝及简体与辐板环 缝的自动焊接设备。机床配备一台唐山松下制造的y m 一6 0 0 l ( h 型焊接电源：一套冷 却水循环装置，对焊枪进行冷却，从而保证焊枪能够长时间的连续工作；电控系 统部分以三菱p l c 为控制核心，能够准确控制机床的各种动作，操作盒上安装有 触摸屏，便于修改各项控制参数，使用安全可靠，故障率低，是提高焊接质量与 焊接效率的理想设备。 钢轮环形焊缝焊接工艺如下： ( 1 ) 焊接采用自动m a g 焊接，焊缝采用船形位置焊接形式，焊接滚子里边三 个幅板和滚筒内部之间的环行焊焊缝。中间幅板两边环行焊缝为1 0 舢，必须三次 成型，保证打底焊缝的熔深达到2 5 咖，焊缝两边焊高相互不超过1 舢。工件被焊 部位不应有毛刺，锈蚀，翘曲，油污等影响焊接质量的缺陷。 ( 2 ) 内幅板法兰总成焊接，在变位机上装好内幅板法兰总成( 夹具以工作内孔 定位，一次装夹焊完整个工件) ，调整变位机上到4 5 0 ( 焊接时根据实际情况调整) ， 通过自动到位系统移动横梁使焊枪深入工件内，和摄像配合用微调装置将机械手 臂使其和工件轴心平行，并将焊枪姿势与工件距离等调整到最佳位置。调整操作 机使焊枪到达焊缝位置并使两靠模都紧贴工件内开始焊接。焊完一道后再次调整 好焊枪焊下一道焊缝，焊完一侧的焊缝后掉转工件再焊另一侧。对第一道焊缝进 行焊接，然后对第二道第三道焊缝进行焊接。 青岛理工大学工程硕士学位论文 焊接结束将变位机放平后吊转工件1 8 0 度对三个内幅板的另一边焊缝进行焊 接，焊接形式和方式和前三遍焊缝焊接相同。 钢轮环形焊缝焊接专机包括： 底座、端部定位机构、主( 从) 动滚轮架、水冷自动枪、焊接电源及送丝装置、 冷却水循环装置、伸缩机构、升降机构、液压翻转机构、液压站、导电机构、监 视系统、线缆系统、电控系统及操作盒。机床的主要组成结构参见图3 6 钢轮环 焊缝专机及工装方案图。设备的技术参数参见表3 1 钢轮焊接专机参数表。 表3 1 钢轮焊接专机参数表 分类项目参数 焊接工件最大长度2 3 0 0 衄 焊接工件最大直径 中1 5 0 0 姗 由1 2 0 0 咖 焊接工件最小直径 由6 4 0 衄 主要技术参数焊接工件辐板最小孔径 焊接速度 1 0 0 6 5 0 衄m i n 设备输入容量 4 8 k v a 设备输入电压( 三相) 3 8 0v5 0 h z 额定输入电压 3 8 0v 额定负载持续率 1 0 0 c 0 2 焊接电源 ( y m 一6 0 0 删2 h g k ) 技焊接电流 6 0 一6 0 0 a 术参数 输出电压 1 6 5 5 v 额定输入容量 4 5l ( 、r a 额定输入电压 3 8 0 v 冷却水循环装置 额定输入容量 o 3 5k v a 钢轮环形焊缝焊接专机包括： 底座、端部定位机构、主( 从) 动滚轮架、水冷自动枪、焊接电源及送丝装置、 冷却水循环装置、伸缩机构、升降机构、液压翻转机构、液压站、导电机构、监 青岛理工大学工程硕士学位论文 视系统、线缆系统、电控系统及操作盒。机床的主要组成结构参见图3 6 钢轮环 焊缝专机及工装方案图。设备的技术参数参见表3 1 钢轮焊接专机参数表。 伸缩机构由交流伺服电机通过减速器、齿轮齿条驱动伸缩臂运动，带动焊枪做 直线运动，与升降机构合成，使焊枪到达和退出焊接位置。 升降机构由交流伺服电机驱动，通过滚珠丝杠副带动伸缩机构及焊枪升降， 与伸缩机构合成，使焊枪到达和退出焊接位置。