汽车变速箱双联齿轮激光焊接机

汽车变速箱双联齿轮激光焊接机 ()李小帄 汤漾帄 段正澄 华中理工大学 ,武汉 430074 The La ser Welding Machine f or Double - linked Gear in Automobile’s Gearbox L I Xiao - pin TANG Yang - ping DUAN Zheng - cheng ( )Huazhong University of Science and Technology Wuhan 430074 , China [ 摘要 ]在分析汽车变速箱双联齿轮的基础上 ,阐述了汽车变速箱双联齿轮焊接机设计开发过 程中需解决的四个关键问题 ,通过对的比较和论证 ,确定了激光焊接机的整体结构 ,并详叙了 设备的结构和设计原理 。 关键词 :激光焊接 ;齿轮 [ Abstract ] On the basis of analyzing the double - linked gear in automobile’s gearbox , f our key ques2 tions that must be solved in the course of designing the laser - welding machine are discussed in this paper. The general structure of the laser welding machine is established af ter comparing projects , the detailed structure and design principles are also presented Key words :la ser welding ; gear 中图分类号 : TH132 . 41文献标识码 :A 齿轮焊接既可减少零件数量 ,又能提高齿轮质量和降低 齿轮的制造成本 ,因此 ,在汽车工业中早已广泛应用 。在激光 2 整体方案的确定 焊接齿轮以前 ,齿轮的焊接一般采用电阻焊 、感应焊 、电子束 在进行双联齿轮的激光焊接机的整体方案的设计时 ,我 焊等工艺方法 。与上焊接工艺相比 , 激光焊接齿轮无需在真 们对双联齿轮进行了认真的分析 ,确定了需要解决的四个关 空中进行 ,而且可避免焊接变形 ,保证了焊接后的齿轮无需再 键问题 : 精加工 。不仅如此 ,激光焊接可使焊缝深宽比高达 10 :1 ,且焊 () 1双联齿轮压装过程中齿圈的内孔和齿轮的外圆过盈 缝处具有相当或优于母材的综合机械性能 ,保证了齿轮可以 传递较大的扭矩 1 。因此 , 齿轮激光焊接是一个发展趋势 。 量的检测 。双联齿轮压装过程中须对齿圈的内孔 D、齿轮的 1 目前世界各大汽车制造厂竟相采用激光焊接齿轮 ,以提高产 外圆 D之间的配合进行检查 ,保证过盈量控制在一定的范围 3 品在国际市场上的竞争力 。我国齿轮激光焊接设备设计制造 内 。齿圈的内孔 D和齿轮的外圆 D的尺寸一 般 呈 正 态 分 1 3 水帄和能力目前还比较薄弱 ,国内主要汽车厂的齿轮激光焊 布 ,即使合格的齿圈和齿轮 ,当齿圈的内孔 D靠近上偏差 ,而 1 接设备主要依赖进口 ,且价格昂贵 。因此 ,研制开发汽车变速 箱双联齿轮激光焊接机 ,对推动我国汽车工业的发展具有一 齿轮的外圆 D靠近下偏差 ;或者 ,当齿圈的内孔 D靠近下偏 3 1 定意义 。 差 ,而齿轮的外圆 D靠近上偏差 ,都会出现压装后的双联齿 3 轮不符合质量要求 ,这是在压装前无法检测出来的 。 (2) 双联齿轮压装过程中齿圈的装配方向的检测 。齿圈 A 面齿侧倒角 ,装配时要求齿圈 A 面向外 ,由于齿圈两面的差别 1 双联齿轮 细微 ,在压装时如何判别齿圈的安装方向是一个难点 。 汽车变速箱双联齿轮激光焊接机的焊接对象是富康轿车 (3) 双联齿轮压装前齿圈的扶正 。由于齿圈的内孔 D和 1 的五速箱四档从动齿轮 、四速箱五档从动齿轮和五档从动齿 轮三种 ,它们的结构形式相同 ,都由齿轮 、齿圈和垫片组成 ,齿 D 的公差配合为过盈配合 ,齿轮的前段有一小台 齿轮的外圆 3 () ( ) 轮材料为 27MC5 法国牌号,齿圈材料为 16MC5 法国牌号, 阶 ,所以齿圈套在齿轮上的自然状态容易为倾斜状态 ,导致无 如图 1 所示 。齿圈的两面有细微的差别 , A 面齿侧倒角 ,装配 压装 ,因此 ,压装前必须将齿圈扶正 。时要求齿圈 A 面向外 ,其内孔 D与齿轮轴外圆 D为过盈配 1 3 () 4双联齿轮的激光焊接工艺参数的确定 。激光焊接的 合 ,过盈量要求控制在一定的范围 ; 垫片的内孔 D与齿轮轴 2 焊缝容易出现气孔 、裂纹 、咬边等缺陷 , 如何通过激光焊接工 外圆 D为间隙配合 。设备生产率要求能达到每小时生产 64 3 艺参数的优化避免这些缺陷的出现 。不仅如此 , 汽车用的双 件 ,双联齿轮要求焊缝深度为 1. 5 ?0. 25mm , 焊缝宽度小于 1. 联齿轮还要求较大的焊缝深宽比 ,以便传递较大的转矩 ,且焊 缝首尾相接处不允许有凹坑等外观缺陷 。虽然在设计整体方 1mm ,焊缝偏移量为 ?0. 1mm ,双联齿轮传递扭矩大于 1000Nm。案时并不需要也不可能每一项工艺参数都确定下来 ,但对于 3 来稿日期 :1999 - 03 - 04 — 56 — Machinery Design & Manufacture 《机械设计与制造》 Feb. 2000 ?1 激光功率 、焊接速度等对设备的结构有较大影响的工艺参数 3 . 2 齿圈安装方向的检测 必须通过试验得到 。 在汽车变速箱双联齿轮激光焊接机方如图 3 为双联齿轮的夹具结构图 ,待压合的齿圈 7 放在定 案确立的过程中 , 位盖 3 上 ,以齿圈 7 外圆定位 ,并由销 8 确定其周向位置 。若 我们始终把上述问题作为重点解决的问题 。由于对齿圈的内 齿圈安放正确 ,则测量头 4 被齿圈压下 ,通过杠杆 1 (2 为支点) 孔 D和齿轮的外圆 D的尺寸进行在线测量技术难度较大 , 1 3 将行程放大 ,使行程开关 12 发出信号 ;如果齿圈安装方向错误费用高 ,不可能对齿圈的内孔 D和齿轮的外圆 D的配合过 () 1 3 即齿圈轮齿倒角在上,此时 ,测量头继续被压下 , 则行程开 关 10 发出信号 。待压合的垫片 6 放在齿圈 7 上面并套在齿轮 盈量进行 直 接 检 测 。我 们 用 相 同 的 材 料 加 工 一 批 齿 圈 和 齿 轮 ,控制齿圈的内孔 D和齿轮的外圆 D的实际尺寸接近上 5 上 ,齿轮由心轴 9 定位 。工件安装好后 ,压装机床压头压下 , 1 3 偏差或下偏差 ,通过在压力机上进行装配 ,测出在过盈量上限 齿轮 5 沿心轴 9 与垫片 6 、齿圈 7 压合在一起 。压装不同规格 和下限所需的压力值 ,从而通过间接的方法检测齿圈的内孔 的双联齿轮 ,需调整开关档块 11 、13 的位置 ,此时 ,可以松开螺 D和齿轮的外圆 D的过盈量 。对于对设备的结构有较大影 1 3 母 ,仔细调整好开关档块 11 、13 的位置 ,直到能灵敏地检测齿 响的工艺参数的确定 ,我们借助已有的三坐标激光加工设备 圈的方向为止 。测量头 4 、销 8 和定位心轴 9 是夹具部件的易 通过插补的 方 式 模 拟 齿 轮 焊 接 , 取 得 了 相 当 多 的 试 验 数 据 。 在此基础上经过设计和反复论证 ,确立了汽车变速箱双联齿 损件 ,应经常检查 。当压装质量无法保证时 ,应进行更换和调 轮激光焊接机的技术方案为 : 整个设备由双联齿轮压装机床 整 。测量头 4 因长期使用而发生磨损后 , 可以通过调整开关 和双联齿轮激光焊接机床组成 ,两台机床之间由输送装置连 档块 11 、13 的位置进行补偿 。 接 ,由两名工人操作 。该方案结构简单 , 制造成本较低 , 设备 的可靠性大大提高 ,其加工工艺过程和工作原理为 : 齿轮 、齿 圈和垫片在齿轮压装机床上装配 、压紧 ,然后由输送装置传送 至齿轮激光焊接机床 ,在齿轮激光焊接机床上进行焊接 。 图 2 压装机床示意图 图 1 双联齿轮 3 双联齿轮压装机床 3 . 1 工艺过程和工作原理 双联齿轮压装机床由主机 、液压系统和控制系统构成 ,其 主机结构示意如图 2 所示 。将齿轮 4 、垫片 5 及齿圈 6 按规定 顺序安装定位于机床工作台面的夹具 7 上 。夹具中的检测装 图 3 夹具结构图 置自动对齿圈的安装方向进行检测 ,如果齿圈安装方向不正 确 。控制系统控制机床压头 3 不能压下 , 如果齿圈安装方向 4 双联齿轮激光焊接机床 正确 ,则按动启动按钮后 ,由液压缸 1 推动机床压头 3 下压 ,从 而将具有过盈配合的齿轮 4 、齿圈 6 及垫片 5 压合在一起 。在 4 . 1 聚焦方式的选择 机床压头上装有压力传感器 2 ,能对压装过程的压力信号进行 激光焊接有透镜聚焦和反射镜聚焦两种方式 , 如图 4 所 数据采集 ,控制系统将采集的数据进行处理 ,压力值一旦超出 示 , 透 镜 的 材 料 要 求 比 较 严 格 , 一 般 选 用 砷 化 镓 材 料 , 它 对 规定装配过盈量的压力上下限时 ,表明齿轮或齿圈的配合不 10. 6μm 波长的 CO激光的吸收系数很小 ,具有较高的热传导 2 符合要求 ,系统则发出报警和停机 , 等待操作人员进行处理 。 率 、较小的热膨胀系数和较好的机械性能和光学均匀性好等 这样 ,可避免不合格的工件流入下一道工序 。压装夹具中的 特点 。但在大功率激光透射系统中 , 常遇到的问题是因连续 检测装置不仅可检测齿圈的安装方向 ,而且还可以对是否安 工作时间过长而引起透镜的热畸变 。透镜受热膨胀后 , 各处 装了工件 进 行 判 断 。齿 轮 压 装 机 床 采 用 了 全 封 闭 的 防 护 结 光强分布不均匀 ,中心部分温度高而击起 , 产生光学畸变 , 使 构 ,只有在有机玻璃的拉门关闭后 , 门检测开关发出信号 , 左 ( ) 焦斑位置向透镜方向移动 实际焦距变小。另外 , 在激光透 右手同时按下左右两个启动按键后 ,压装工作才能进行 。 射系统中 ,为了提高功率密度 ,一般缩短透镜的焦距 , 但当透 Machinery Design & Manufacture — 57 — 《机械设计与制造》 Feb. 2000 ?1 镜到被焊接材料的表面的距离很短时 ,焊接过程中的金属飞 溅物容易污染透镜表面 2 。当激光器的输出功率数千瓦时 , 砷化镓材料也容易损坏 。为克服透镜的热畸变 , 本齿轮激光 焊接机采用了非球面抛物镜传输聚焦系统 ,并通过加大冷却 水的流量和冷却面积的方法 ,达到快速 、充分冷却聚焦镜 , 取 得了较好的效果 。 4 . 2 反射镜的冷却与调整 激光反射镜有帄面反射镜和反射聚焦镜 ,用于对激光束 作 90?的反射和反射聚焦 。镜片在反射激光的同时还会吸收 少量的能量从而导致镜片发热 ,如果过热 ,镜片会变形乃至损 坏 ,因此 , 反射镜必须有冷却装置 , 如图 5 所示 。2 为 冷 却 压 图 5 反射镜的冷却与调整 盖 ,其靠近镜片 1 的一端开有循环水槽 ,冷却水从管接头 3 进 入水槽 ,从管接头 4 排出 ,不断地带走镜片 1 所产生的热量起 到冷却作用 。镜片 1 角度通过调整在圆周上均匀分布的三个 螺钉 5 和弹簧 6 来调节 ,角度调整好后 ,拧紧与三个调整螺钉 相同的圆周上的紧定螺钉 ,发防止意外的振动 。 图 6 激光焊接机床 图 4 激光聚焦方式 4 . 4 工艺参数 激光功率 、焊接速度和焦距等工艺参数对焊缝质量均有 4 . 3 工艺过程和工作原理 影响 。工艺参数的不当容易导致焊缝首尾衔接处出现小凹孔 齿轮激光焊接机床由主机 、激光器 、冷水机组 、辅助气供 和表面呈黑褐色 ,甚至会出现气孔 、裂纹等严重影响产品质量 气系统 、计算机控制系统等主要部分构成 ,图 6 为其结构示意 的缺陷 ,我们通过优化工艺参数 ,无需采用常用的“T 型功率” 图 。激光束由激光器产生并水帄送出 ,通过两个 45角帄面?反 的方法 ,成功地解决了这个问题 , 大大降低了设备的成本 , 而 射镜 7 、8 传输到 45角反射式曲面聚焦?镜 6 上 ,由其聚焦垂直 且保证了 焊 缝 质 量 。经 切 片 金 相 检 查 和 与 国 外 同 类 零 件 比 照射到被装夹在工作台 4 上的双联齿轮 5 上 ,在焊接过程中 , 较 ,焊接质量完全达到国外先进水帄 。由于篇幅的原因 ,齿轮 由帄面反射镜 8 和反射式曲面聚焦镜 6 组成的激光头固定不 激光焊接工艺这里不作详述 ,将另文讨论 。本设备激光器采 动 ,伺服电动机 2 通过蜗轮蜗杆副 3 驱动工作台 4 带动双联齿 用德国 Rofin - Sinar 公司生产的 2000WCORS2000SM 快速轴流 2 轮作旋转运动 ,使双联齿轮的齿轮和齿圈整个接缝圆周都能 激光器 ,主要焊接工艺参数如下 : 被激光焊接 。整个数控工作台由气缸 1 从上料位置推到焊接 位置 ,焊接位置的精确定位通过手柄 9 调整得到 ,激光头在垂 表 1 焊接工艺参数 直方向可以连续调整 ,这样 ,通过调整激光焦点与焊缝的位置 激光器功率 焊接速度 离焦量 可以焊接不同规格的齿轮 。 激光焊接机是一种全封闭式的深宽比 ( )()()W mΠmin mm 全自动焊接机床 ,各个动 作之间相互联锁 ,既能保证机床的正常运转 ,同时也能保证设 1500 1 . 005 - 0 . 2 1 . 58Π0. 9 备的安全和操作者的人身安全 。激光焊接过程中 ,激光直射 、 反射到人体时 ,都会造成不同程度的损伤 , 尤其是人的眼睛 。 为了避免激光给操作者造成损伤和对操作者视线的干扰 ,操 参考文献 作者视区范围内设置了自动感光安全保护视窗 。在正常的状 1 王家金. 激光加工技术. 北京 :中国计量出版社 ,1992 . 态下 ,通过该视窗可以看到工件的定位状态 ,一旦加工时产生 2 汤漾帄. 段 正澄 . 自适 应 元器 件 在激 光 加工 中 的应 用 . 激 光技 术 ,强烈的激光 ,该视窗可自动感光在 0. 02 秒的时间内由亮变暗 , 1999 . 8 . 具有全自动防护功能 ,该视窗的设置可大大降低因目晕而产 3 阎毓禾. 钟敏霖. 高功率激光加工及其应用. 天津 :天津科学技术出版 生的误操作 。 社 ,1994 .