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輪焊接既可減少零件數(shù)量，又能提高齒輪質(zhì)量和降低齒輪的制造成本，因此，在汽車工業(yè)中早已廣泛應(yīng)用。在激光焊接齒輪以前，齒輪的焊接一般采用電阻焊、感應(yīng)焊、電子束焊等工藝方法。與上焊接工藝相比，激光焊接齒輪無需在真空中進(jìn)行，而且可避免焊接變形，保證了焊接后的齒輪無需再精加工。不僅如此，激光焊接可使焊縫深寬比高達(dá)10：1，且焊縫處具有相當(dāng)或優(yōu)于母材的綜合機(jī)械性能，保證了齒輪可以傳遞較大的扭矩［1］。因此，齒輪激光焊接是一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)。目前世界各大汽車制造廠竟相采用激光焊接齒輪，以提高產(chǎn)品在國(guó)際市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)力。我國(guó)齒輪激光焊接設(shè)備設(shè)計(jì)制造水平和能力目前還比較薄弱，國(guó)內(nèi)主要汽車廠的齒輪激光焊接設(shè)備主要依賴進(jìn)口，且價(jià)格昂貴。因此，研制開發(fā)汽車變速箱雙聯(lián)齒輪激光焊接機(jī)，對(duì)推動(dòng)我國(guó)汽車工業(yè)的發(fā)展具有一定意義。

1 雙聯(lián)齒輪

汽車變速箱雙聯(lián)齒輪激光焊接機(jī)的焊接對(duì)象是富康轎車的五速箱四檔從動(dòng)齒輪、四速箱五檔從動(dòng)齒輪和五檔從動(dòng)齒輪三種，它們的結(jié)構(gòu)形式相同，都由齒輪、齒圈和墊片組成，齒輪材料為27MC5(法國(guó)牌號(hào))，齒圈材料為16MC5(法國(guó)牌號(hào))，如圖1所示。齒圈的兩面有細(xì)微的差別，A面齒側(cè)倒角，裝配時(shí)要求齒圈A面向外，其內(nèi)孔D1與齒輪軸外圓D3為過盈配合，過盈量要求控制在一定的范圍；墊片的內(nèi)孔D2與齒輪軸外圓D3為間隙配合。設(shè)備生產(chǎn)率要求能達(dá)到每小時(shí)生產(chǎn)64件，雙聯(lián)齒輪要求焊縫深度為1.5±0.25mm，焊縫寬度小于 1.1mm，焊縫偏移量為±0.1mm，雙聯(lián)齒輪傳遞扭矩大于1000Nm。

 
圖1雙聯(lián)齒輪

2 整體方案的確定

在進(jìn)行雙聯(lián)齒輪的激光焊接機(jī)的整體方案的設(shè)計(jì)時(shí)，我們對(duì)雙聯(lián)齒輪進(jìn)行了認(rèn)真的分析，確定了需要解決的四個(gè)關(guān)鍵問題：

(1)雙聯(lián)齒輪壓裝過程中齒圈的內(nèi)孔和齒輪的外圓過盈量的檢測(cè)。雙聯(lián)齒輪壓裝過程中須對(duì)齒圈的內(nèi)孔D1、齒輪的外圓D3之間的配合進(jìn)行檢查，保證過盈量控制在一定的范圍內(nèi)。齒圈的內(nèi)孔D1和齒輪的外圓D3的尺寸一般呈正態(tài)分布，即使合格的齒圈和齒輪，當(dāng)齒圈的內(nèi)孔D1靠近上偏差，而齒輪的外圓D3靠近下偏差；或者，當(dāng)齒圈的內(nèi)孔D1靠近下偏差，而齒輪的外圓D3靠近上偏差，都會(huì)出現(xiàn)壓裝后的雙聯(lián)齒輪不符合質(zhì)量要求，這是在壓裝前無法檢測(cè)出來的。

(2)雙聯(lián)齒輪壓裝過程中齒圈的裝配方向的檢測(cè)。齒圈A#p#分頁標(biāo)題#e#面齒側(cè)倒角，裝配時(shí)要求齒圈A面向外，由于齒圈兩面的差別細(xì)微，在壓裝時(shí)如何判別齒圈的安裝方向是一個(gè)難點(diǎn)。

(3)雙聯(lián)齒輪壓裝前齒圈的扶正。由于齒圈的內(nèi)孔D1和齒輪的外圓D3的公差配合為過盈配合，齒輪的前段有一小臺(tái)階，所以齒圈套在齒輪上的自然狀態(tài)容易為傾斜狀態(tài)，導(dǎo)致無壓裝，因此，壓裝前必須將齒圈扶正。

(4)雙聯(lián)齒輪的激光焊接工藝參數(shù)的確定。激光焊接的焊縫容易出現(xiàn)氣孔、裂紋、咬邊等缺陷，如何通過激光焊接工藝參數(shù)的優(yōu)化避免這些缺陷的出現(xiàn)。不僅如此，汽車用的雙聯(lián)齒輪還要求較大的焊縫深寬比，以便傳遞較大的轉(zhuǎn)矩，且焊縫首尾相接處不允許有凹坑等外觀缺陷。雖然在設(shè)計(jì)整體方案時(shí)并不需要也不可能每一項(xiàng)工藝參數(shù)都確定下來，但對(duì)于激光功率、焊接速度等對(duì)設(shè)備的結(jié)構(gòu)有較大影響的工藝參數(shù)必須通過試驗(yàn)得到。

在汽車變速箱雙聯(lián)齒輪激光焊接機(jī)方案確立的過程中，我們始終把上述問題作為重點(diǎn)解決的問題。由于對(duì)齒圈的內(nèi)孔D1和齒輪的外圓D3的尺寸進(jìn)行在線測(cè)量技術(shù)難度較大，費(fèi)用高，不可能對(duì)齒圈的內(nèi)孔D1和齒輪的外圓D3的配合過盈量進(jìn)行直接檢測(cè)。我們用相同的材料加工一批齒圈和齒輪，控制齒圈的內(nèi)孔D1和齒輪的外圓D3的實(shí)際尺寸接近上偏差或下偏差，通過在壓力機(jī)上進(jìn)行裝配，測(cè)出在過盈量上限和下限所需的壓力值，從而通過間接的方法檢測(cè)齒圈的內(nèi)孔D1和齒輪的外圓D3的過盈量。對(duì)于對(duì)設(shè)備的結(jié)構(gòu)有較大影響的工藝參數(shù)的確定，我們借助已有的三坐標(biāo)激光加工設(shè)備通過插補(bǔ)的方式模擬齒輪焊接，取得了相當(dāng)多的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。在此基礎(chǔ)上經(jīng)過設(shè)計(jì)和反復(fù)論證，確立了汽車變速箱雙聯(lián)齒輪激光焊接機(jī)的技術(shù)方案為：整個(gè)設(shè)備由雙聯(lián)齒輪壓裝機(jī)床和雙聯(lián)齒輪激光焊接機(jī)床組成，兩臺(tái)機(jī)床之間由輸送裝置連接，由兩名工人操作。該方案結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造成本較低，設(shè)備的可靠性大大提高，其加工工藝過程和工作原理為：齒輪、齒圈和墊片在齒輪壓裝機(jī)床上裝配、壓緊，然后由輸送裝置傳送至齒輪激光焊接機(jī)床，在齒輪激光焊接機(jī)床上進(jìn)行焊接。

3 雙聯(lián)齒輪壓裝機(jī)床

3.1 工藝過程和工作原理

雙聯(lián)齒輪壓裝機(jī)床由主機(jī)、液壓系統(tǒng)和控制系統(tǒng)構(gòu)成，其主機(jī)結(jié)構(gòu)示意如圖2所示。將齒輪4、墊片5及齒圈6按規(guī)定順序安裝定位于機(jī)床工作臺(tái)面的夾具7上。夾具中的檢測(cè)裝置自動(dòng)對(duì)齒圈的安裝方向進(jìn)行檢測(cè)，如果齒圈安裝方向不正確?？刂葡到y(tǒng)控制機(jī)床壓頭3不能壓下，如果齒圈安裝方向正確，則按動(dòng)啟動(dòng)按鈕后，由液壓缸1推動(dòng)機(jī)床壓頭3下壓，從而將具有過盈配合的齒輪4、齒圈6及墊片5壓合在一起。在機(jī)床壓頭上裝有壓力傳感器2，能對(duì)壓裝過程的壓力信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，控制系統(tǒng)將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，壓力值一旦超出規(guī)定裝配過盈量的壓力上下限時(shí)，表明齒輪或齒圈的配合不符合要求，系統(tǒng)則發(fā)出報(bào)警和停機(jī)，等待操作人員進(jìn)行處理。這樣，可避免不合格的工件流入下一道工序。壓裝夾具中的檢測(cè)裝置不僅可檢測(cè)齒圈的安裝方向，而且還可以對(duì)是否安裝了工件進(jìn)行判斷。齒輪壓裝機(jī)床采用了全封閉的防護(hù)結(jié)構(gòu)，只有在有機(jī)玻璃的拉門關(guān)閉后，門檢測(cè)開關(guān)發(fā)出信號(hào)，左右手同時(shí)按下左右兩個(gè)啟動(dòng)按鍵后，壓裝工作才能進(jìn)行。

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圖2壓裝機(jī)床示意圖

3.2 齒圈安裝方向的檢測(cè)

如圖3 為雙聯(lián)齒輪的夾具結(jié)構(gòu)圖，待壓合的齒圈7放在定位蓋3上，以齒圈7外圓定位，并由銷8確定其周向位置。若齒圈安放正確，則測(cè)量頭4被齒圈壓下，通過杠桿1(2為支點(diǎn))將行程放大，使行程開關(guān)12發(fā)出信號(hào)；如果齒圈安裝方向錯(cuò)誤(即齒圈輪齒倒角在上)，此時(shí)，測(cè)量頭繼續(xù)被壓下，則行程開關(guān)10發(fā)出信號(hào)。待壓合的墊片6放在齒圈7上面并套在齒輪5上，齒輪由心軸9定位。工件安裝好后，壓裝機(jī)床壓頭壓下，齒輪5沿心軸9與墊片6、齒圈7壓合在一起。壓裝不同規(guī)格的雙聯(lián)齒輪，需調(diào)整開關(guān)檔塊11、13的位置，此時(shí)，可以松開螺母，仔細(xì)調(diào)整好開關(guān)檔塊11、13的位置，直到能靈敏地檢測(cè)齒圈的方向?yàn)橹?。測(cè)量頭4、銷8和定位心軸9是夾具部件的易損件，應(yīng)經(jīng)常檢查。當(dāng)壓裝質(zhì)量無法保證時(shí)，應(yīng)進(jìn)行更換和調(diào)整。測(cè)量頭4因長(zhǎng)期使用而發(fā)生磨損后，可以通過調(diào)整開關(guān)檔塊11、13的位置進(jìn)行補(bǔ)償。

 
圖3夾具結(jié)構(gòu)圖

4 雙聯(lián)齒輪激光焊接機(jī)床

4.1 聚焦方式的選擇

激光焊接有透鏡聚焦和反射鏡聚焦兩種方式，如圖4所示，透鏡的材料要求比較嚴(yán)格，一般選用砷化鎵材料，它對(duì)10.6μm波長(zhǎng)的CO2激光的吸收系數(shù)很小，具有較高的熱傳導(dǎo)率、較小的熱膨脹系數(shù)和較好的機(jī)械性能和光學(xué)均勻性好等特點(diǎn)。但在大功率激光透射系統(tǒng)中，常遇到的問題是因連續(xù)工作時(shí)間過長(zhǎng)而引起透鏡的熱畸變。透鏡受熱膨脹后，各處光強(qiáng)分布不均勻，中心部分溫度高而凸起，產(chǎn)生光學(xué)畸變，使焦斑位置向透鏡方向移動(dòng)#p#分頁標(biāo)題#e#(實(shí)際焦距變小)。另外，在激光透射系統(tǒng)中，為了提高功率密度，一般縮短透鏡的焦距，但當(dāng)透鏡到被焊接材料的表面的距離很短時(shí)，焊接過程中的金屬飛濺物容易污染透鏡表面［2］。當(dāng)激光器的輸出功率數(shù)千瓦時(shí)，砷化鎵材料也容易損壞。為克服透鏡的熱畸變，本齒輪激光焊接機(jī)采用了非球面拋物鏡傳輸聚焦系統(tǒng)，并通過加大冷卻水的流量和冷卻面積的方法，達(dá)到快速、充分冷卻聚焦鏡，取得了較好的效果。

 
圖4激光聚焦方式

4.2 反射鏡的冷卻與調(diào)整

激光反射鏡有平面反射鏡和反射聚焦鏡，用于對(duì)激光束作90°的反射和反射聚焦。鏡片在反射激光的同時(shí)還會(huì)吸收少量的能量從而導(dǎo)致鏡片發(fā)熱，如果過熱，鏡片會(huì)變形乃至損壞，因此，反射鏡必須有冷卻裝置，如圖5所示。2為冷卻壓蓋，其靠近鏡片1的一端開有循環(huán)水槽，冷卻水從管接頭3進(jìn)入水槽，從管接頭4排出，不斷地帶走鏡片1所產(chǎn)生的熱量起到冷卻作用。鏡片1角度通過調(diào)整在圓周上均勻分布的三個(gè)螺釘5和彈簧6來調(diào)節(jié)，角度調(diào)整好后，擰緊與三個(gè)調(diào)整螺釘相同的圓周上的緊定螺釘，發(fā)防止意外的振動(dòng)。

 
圖5反射鏡的冷卻與調(diào)整

4.3 工藝過程和工作原理

齒輪激光焊接機(jī)床由主機(jī)、激光器、冷水機(jī)組、輔助氣供氣系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)等主要部分構(gòu)成，圖6為其結(jié)構(gòu)示意圖。激光束由激光器產(chǎn)生并水平送出，通過兩個(gè)45°角平面反射鏡7、8傳輸?shù)?/span>45°角反射式曲面聚焦鏡6上，由其聚焦垂直照射到被裝夾在工作臺(tái)4上的雙聯(lián)齒輪5上，在焊接過程中，由平面反射鏡8和反射式曲面聚焦鏡6組成的激光頭固定不動(dòng)，伺服電動(dòng)機(jī)#p#分頁標(biāo)題#e#2通過蝸輪蝸桿副3驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)4帶動(dòng)雙聯(lián)齒輪作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，使雙聯(lián)齒輪的齒輪和齒圈整個(gè)接縫圓周都能被激光焊接。整個(gè)數(shù)控工作臺(tái)由氣缸1從上料位置推到焊接位置，焊接位置的精確定位通過手柄9調(diào)整得到，激光頭在垂直方向可以連續(xù)調(diào)整，這樣，通過調(diào)整激光焦點(diǎn)與焊縫的位置可以焊接不同規(guī)格的齒輪。

 
圖6激光焊接機(jī)床

激光焊接機(jī)是一種全封閉式的全自動(dòng)焊接機(jī)床，各個(gè)動(dòng)作之間相互聯(lián)鎖，既能保證機(jī)床的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，同時(shí)也能保證設(shè)備的安全和操作者的人身安全。激光焊接過程中，激光直射、反射到人體時(shí)，都會(huì)造成不同程度的損傷，尤其是人的眼睛。為了避免激光給操作者造成損傷和對(duì)操作者視線的干擾，操作者視區(qū)范圍內(nèi)設(shè)置了自動(dòng)感光安全保護(hù)視窗。在正常的狀態(tài)下，通過該視窗可以看到工件的定位狀態(tài)，一旦加工時(shí)產(chǎn)生強(qiáng)烈的激光，該視窗可自動(dòng)感光在0.02秒的時(shí)間內(nèi)由亮變暗，具有全自動(dòng)防護(hù)功能，該視窗的設(shè)置可大大降低因目暈而產(chǎn)生的誤操作。

表1焊接工藝參數(shù)
激光器功率(W) 焊接速度(m/min) 離焦量(mm) 深寬比
1500 1.005 -0.2 1.58/0.9

4.4 工藝參數(shù)

激光功率、焊接速度和焦距等工藝參數(shù)對(duì)焊縫質(zhì)量均有影響。工藝參數(shù)的不當(dāng)容易導(dǎo)致焊縫首尾銜接處出現(xiàn)小凹孔和表面呈黑褐色，甚至?xí)霈F(xiàn)氣孔、裂紋等嚴(yán)重影響產(chǎn)品質(zhì)量的缺陷，我們通過優(yōu)化工藝參數(shù)，無需采用常用的“T型功率”的方法，成功地解決了這個(gè)問題，大大降低了設(shè)備的成本，而且保證了焊縫質(zhì)量。經(jīng)切片金相檢查和與國(guó)外同類零件比較，焊接質(zhì)量完全達(dá)到國(guó)外先進(jìn)水平。由于篇幅的原因，齒輪激光焊接工藝這里不作詳述，將另文討論。本設(shè)備激光器采用德國(guó)Rofin-Sinar公司生產(chǎn)的2000WCO2RS2000SM快速軸流激光器。

參考文獻(xiàn)：
［1］王家金.激光加工技術(shù).北京：中國(guó)計(jì)量出版社，1992.
［2］湯漾平.段正澄.自適應(yīng)元器件在激光加工中的應(yīng)用.激光技術(shù)，1999.8.