浮动支撑机构在焊接结构件加工中的设计及应用

邸现宾，杨秀金，林一

山东临工工程机械有限公司 山东临沂 276023

1 序言

工程机械结构件一般是由一些零部件焊接而成，焊接后都存在一定的焊接变形，即便经过机械校正、火焰校正等矫正手段也很难恢复到焊前状态，尤其对体积、质量及外形尺寸大的结构件来说制作难度更大，而有些具有装配要求的部位还需要通过机械加工来保证设计要求。这些结构件加工工艺较复杂，在加工过程中如出现工件装夹变形、需加工部位结构刚性不足等现象，易引起加工后几何公差超差的问题。本文以我公司生产的50T大型挖掘机主架加工为例，就如何解决铣削回转支承安装面后平面度超差的问题进行探讨。

2 问题点

回转支承作为挖掘机回转机构的重要组成件，机器回转作业是通过回转电动机与回转支承大小齿轮内啮合完成的，这就要求主架上安装回转支承连接面平面度及主架上回转支承安装面与回转电动机安装面间的平行度满足设计要求，若连接安装面的平面度超差，则会出现回转支承异响、连接螺栓松动和大小齿轮啮合不良等现象。为满足装配及使用要求，主架上连接回转支承、回转电动机的安装面均需要机械加工。在生产过程中，我公司生产的50T大型挖掘机在主架回转支承安装面加工后，曾出现局部区域平面度达到0.7mm的现象，而设计要求平面度≤0.3mm，如这样流转装配后，可能会影响整机使用，造成设备故障。为避免质量隐患，该问题亟需解决。

3 原因分析及解决方法

我公司主架在卧式加工中心采用竖立装夹在工装上的方式加工，装夹、加工情况如图1所示，工件竖立后以底板底边、侧边及回转支承安装面对应的底板平面完全定位，为避免工件出现过定位，工装中定位底板平面时有三点定位和一点用液压缸做的浮动支撑。为了降低操作人员装夹工件的劳动强度、提高装夹效率，工装设计为多机型通用、自动夹紧的液压夹具。针对上述出现的主架回转支承安装面局部区域平面度超差的问题，通过在加工现场观察，在铣削回转支承安装面过程中，刀具走到浮动支撑点对应的图1中虚线框区域有共振现象，初步判断此处浮动支撑点可能因液压缸内泄或液压系统压降所致。

图1 装夹、加工情况

为了验证原因判断的准确性，对加工后的主架回转支承安装面利用三坐标测量仪多处采点检测平面度，连续检测5个工件，发现平面度超差部位均集中在图1中标注虚线框的区域，并且此区域平面度数值较其他位置偏大，其中一件平面度最大值达到0.7mm，远超过0.3mm的设计要求。由此说明工件发生了弹性变形，液压缸作为浮动支撑点，不是刚性支撑，不可靠，虽然看似工件与支撑点贴实，但由于液压缸内泄或液压系统压降出现轻微浮动。鉴于以上情况，浮动支撑点要求既需要自适应贴实工件，又要保证支撑可靠，工件还不能发生装夹变形。所以，工装中浮动支撑点需要设计改进。

3.1 楔形弹性浮动支撑机构设计

根据以上原因分析，考虑设计一种既能利用液压缸提供动力源，又能可靠锁紧的弹性浮动支撑机构，来替代单独用液压缸作为浮动支撑的方式。通过对工件结构特点、使用场合和功能要求等因素综合研究，设计出了一种用液压缸自动锁紧的楔形弹性浮动支撑机构[1，2]。

楔形弹性浮动支撑机构主要由浮动支撑安装座、楔形伸缩轴、弹簧、无油润滑轴承、弹簧套筒、支撑块、楔形轴、限位销及液压缸等组成，机构装配关系如图2所示。其工作原理：当机构在空载状态下，弹簧处于伸长状态，顶出楔形伸缩轴，楔形伸缩轴、楔形轴上都设有键槽，与各自的限位销配合使用，限制伸缩行程，楔形伸缩轴连接支撑块，无润滑轴承安装在浮动支撑座安装座中，以使楔形伸缩轴顺畅伸缩。液压缸通过螺纹座安装在浮动支撑安装座上，液压缸活塞杆连接楔形轴，与楔形伸缩轴垂直方向接触或分离。当机构承受负载时，亦即当工件压到支撑块时，楔形伸缩轴在移动行程范围内一直压缩弹簧，始终保持工件与支撑块贴实，并且工件与其他定位点贴合后，开起液压缸，带动楔形轴顶紧楔形伸缩轴，使两楔形面贴合锁紧，确保工件在装夹及切削过程中不发生弹性变形和共振，起到浮动刚性支撑作用。

图2 楔形弹性浮动支撑机构装配

楔形弹性浮动支撑机构中的圆柱螺旋压缩弹簧作为关键支撑件，受到外载荷时弹簧收缩变形、储存形变能。根据加工工况和使用场合，机构在空载（最小载荷）时弹簧处于自然伸长状态，因工件需要竖立装夹，所以当工件接触机构中支撑块并确保其他定位点贴实时，弹簧受压承受最大载荷。通过以上分析，本机构中应用的压缩弹簧设计需要从弹簧材料、负载、弹性变形量、圈数、工作行程、线径、直径、自由高度和间距等方面综合考虑[3]，避免弹簧弹力过大导致装夹工件变形、过小起不到支撑作用，机构中的弹簧设计如图3所示，参数见表1。

表1 弹簧主要参数

图3 圆柱螺旋压缩弹簧设计

3.2 应用效果验证

将主架加工工装上作为浮动支撑的液压缸拆除，更换为新设计的楔形弹性浮动支撑机构后，经连续加工5件主架验证及三坐标测量仪检测，铣削后的回转支承安装面平面度均不超过设计要求的0.3mm。楔形弹性浮动支撑机构的设计应用，成功地解决了我公司大型挖掘机主架加工回转支承安装面平面度超差的问题，同时为设计工装开拓了一种新思路。

4 结束语

工程机械大型结构件结构复杂、焊接变形大，对加工工艺有较高要求。本文介绍的新机构不但解决了加工过程中存在的质量问题，而且为工艺人员在机床夹具设计方面提供了一种新的设计思路，同时对同类加工具有一定的借鉴意义。