Машина сварки трением с инерционным приводом вращения шпинделя

Полезная модель относится к области машиностроения, а именно к устройствам для сварки трением цилиндрических деталей с большой площадью стыка.
Известны машины для ротационной сварки трением, например, машины фирмы «Thomson», «KUKA», «КТИАМ» и других изготовителей, имеющие классическую конструкцию и содержащие станину, шпиндельную бабку со шпинделем, на котором установлен зажим для вращаемой детали, зажим для не вращаемой детали, привод сближения и сжатия свариваемых деталей, а также привод вращении шпинделя и тормоз для быстрой его остановки [Виль В.И. Сварка металлов трением. М.,"Машиностроение", 1970, 131 с.].
1
Недостатком конструкций известных машин является сложность их применения для сварки деталей с большим свариваемым сечением. При сварке деталей с большим свариваемым сечением в качестве привода вращения шпинделя требуются электродвигатель большой мощности. Например, машина сварки трением ПСТ50 для сварки максимального сечения в виде кольца с наружным диаметром 80 мм и толщиной стенки 10 мм имеет электродвигатель мощностью N=75 кВт [Сварка трением в автомобилестроении, РТМ 37.002.0365-82, стр. 70]. Поскольку мощность по преодолению сопротивления относительному вращению свариваемых деталей пропорциональна среднему диаметру в квадрате и определяется по формуле:
где р - удельное давление, V - тангенциальная скорость трения, то для деталей со свариваемым сечением диаметром, например, D=400 мм и толщиной стенки S=20 мм с той же скоростью и удельным давлением, требуется применение приводного двигателя, по сравнению с вышеуказанным, согласно приведенной формуле, мощностью:
При этом кроме необходимости подвода сети большой мощности, последняя загружается очень неравномерно, поскольку время нагрева, при котором подключается привод вращения шпинделя, составляет не более 20÷30% от времени цикла сварки. Поэтому в цехе, в котором установлена такая машина, при ее работе возникают скачки напряжения и возможны сбои в работе другого оборудования, установленного в этом цехе.
Известны машины для инерционной сварки трением, например, машины фирмы «MTI Welding», имеющие станину, шпиндельную бабку со шпинделем, на котором установлен маховик и зажим для вращаемой детали, задняя бабка с зажимом для не вращаемой детали, привод сближения и сжатия свариваемых деталей, а также электропривод или гидропривод для разгона шпинделя с маховиком [Рекламный проспект Manufacturing Technology, Inc. Приложение 1].
В таких машинах при сварке деталей со свариваемым сечением диаметральным размером большим, чем в выше рассмотренном примере, используется электродвигатель или гидродвигатель, примерно, на порядок меньшей мощности, чем в машинах ротационной сварки. Это достигается за счет того, что используемый в этом случае маховик, предварительно перед сваркой медленно (в течение 100÷120 с.) разгоняемый до заданной скорости, накапливает кинетическую энергию, достаточную для осуществления процесса сварки, и затем интенсивно отдает ее в сварной стык за счет сил трения в стыке прижатых заготовок. Шпиндель с маховиком тормозятся до полной остановки, кинетическая энергия маховика преобразуется в тепловую, идущую на нагрев стыка заготовок, что осуществляется за 5÷10 с. [Сварка трением в автомобилестроении. РТМ 37.002.0365-82, стр. 4÷8].
Недостатком конструкции известных машин является установка маховика непосредственно на шпиндель. Поскольку маховик вращается со скоростью шпинделя, которая ограничивается стойкостью подшипников, воспринимающих осевую нагрузку, и требованиями к режиму сварки (так как при повышенной начальной скорости в начале сварки возможно расплавление поверхности контакта и образование некачественного соединения), маховик из-за ограничения скорости для обеспечения необходимого запаса кинетической энергии должен иметь повышенные габариты. При уменьшении начальной скорости обеспечение необходимого запаса кинетической энергии достигается за счет увеличения размеров маховика, но большой диаметр маховика требует увеличения габаритов станины и других узлов. Кроме этого, при большой инерционной массе скорость вращения шпинделя уменьшается медленнее, и на заключительной стадии процесса сварки, когда скорость вращения шпинделя приближается к нулю, медленное падение скорости приводит к многократному росту момента сопротивления относительного вращения свариваемых деталей. Это требует увеличенных усилий закрепления деталей в зажимах машины, а также приводит к образованию трещин в стыке.
Наиболее близким к заявляемому решению является известная машина для инерционной сварки трением производства фирмы «KUKA» - RS1000 с осевым усилием до 1000 тонн, и позволяющая сварку деталей с диаметром кольцевого сечения до 1000 мм [Машина сварки трением RS1000. Приложение 2]. Для уменьшения размеров маховика он установлен на дополнительном валу, соосном со шпинделем и соединенным с последним планетарным редуктором, при этом солнечная шестерня установлена на дополнительном валу, эпициклическая шестерня закреплена неподвижно на корпусе, а водило соединено со шпиндельным валом. Благодаря соединению маховика со шпиндельным валом через планетарный редуктор, накопление кинетической энергии, по величине соизмеримой с величиной кинетической энергии для выше приведенной машины MTI, обеспечивается маховиком, момент инерции которого уменьшен многократно. Это определяется тем, что дополнительный вал с маховиком, приводимый во вращение непосредственно приводом машины, имеет скорость в i раз большую, чем скорость шпиндельного вала (i - передаточное число редуктора, ориентировочно равно 10÷12). А поскольку величина кинетической энергии пропорциональна скорости в квадрате, то диаметр маховика уменьшен в несколько раз по сравнению с диаметром маховика машины конструкции MTI такой же мощности.
Недостатком известной машины RS1000 является разгон и торможение маховика до полной остановки, а также наличие многократного роста момента сопротивления относительному вращению свариваемых деталей на завершающей стадии процесса сварки, при приближении скорости вращения к нулю, что связано с недостаточно быстрым снижением скорости вращения шпинделя на стадии остановки.
Остановка маховика по завершению сварки и начало разгона совместно со шпинделем в каждом новом цикле сварки после установки заготовок снижают производительность машины.
Наличие многократного роста момента сопротивления относительному вращению свариваемых деталей при приближении скорости вращения к нулю усложняет конструкцию зажимных устройств, снижает ресурс их работы, а также вызывает образование трещин в шовной зоне.
Технической задачей предлагаемого решения является разработка конструкции машины сварки трением с инерционным приводом, имеющей маховик для накопления кинетической энергии с последующей интенсивной ее передачей в сварной стык, обеспечивающей работу без обязательной остановки маховика на завершающей стадии сварки и возможность разгона его во время извлечения сварного узла и установки заготовок, а также без многократного роста момента сопротивления относительного вращения свариваемых деталей при приближении скорости вращения к нулю.
Поставленная задача решается тем, что в машине сварки трением с инерционным приводом вращения, содержащей станину, привод вращения, шпиндельную бабку со шпинделем, зажим для вращаемой и зажим для не вращаемой заготовок, привод сближения и сжатия заготовок, смонтированный на дополнительном валу маховик, соединяющий дополнительный вал и шпиндель планетарный редуктор, солнечная шестерня которого посажена на дополнительный вал, а водило соединено со шпинделем, согласно предложению, корпус планетарного редуктора в сборе с эпициклической шестерней установлен с возможностью вращения относительно оси шпинделя на подшипниках, при этом корпус планетарного редуктора с эпициклической шестерней и шпиндель для удержания их от вращения снабжены тормозными устройствами.
Выполнение машины сварки трением с инерционным приводом вращения, имеющей маховик, смонтированный на дополнительном валу соосном шпинделю, соединяющий их планетарный редуктор, корпус которого в сборе с эпициклической шестерней установлен с возможностью вращения относительно шпинделя, и снабжение последних тормозными устройствами для удержания от вращения, позволяет использовать для накопления кинетической энергии привод вращения маховика постоянно без перерывов при смене свариваемых заготовок и последующей интенсивной ее передаче в сварной стык, а также снизить рост возникающего момента сопротивления относительного вращения свариваемых деталей по завершению процесса сварки при и приближении скорости вращения шпинделя к нулю.
Заявляемая машина сварки трением с инерционным приводом вращения иллюстрируется чертежами, где представлены на:
фиг. 1 - общий вид варианта исполнения заявляемой машины сварки трением с инерционным приводом вращения шпинделя;
фиг. 2 - графики изменения скорости вращения шпинделей машин, обеспечивающих ротационную, инерционную и сварку по предложению заявляемой машины;
фиг. 3 - графики изменения момента сопротивления относительного вращения свариваемых заготовок.
Машина сварки трением с инерционным приводом вращения, показанная на фиг. 1, содержит станину 1, шпиндельную бабку 2 со шпинделем 3, маховик 4, зажим 5 для вращаемой и зажим 6 для не вращаемой заготовок 7 и 8, гидроцилиндр 9 для сближения и сжатия заготовок 7 и 8, электродвигатель 10 для разгона маховика 4.
Маховик 4 смонтирован на дополнительном валу 11 соосно шпинделю 3. Дополнительный вал 11 соединен со шпинделем 3 планетарным редуктором 12, солнечная шестерня 13 которого посажена на дополнительный вал 11, водило 14 с сателлитами 15 на осях 16 посажено на хвостовик шпинделя 3, а эпициклическая шестерня 17 закреплена в корпусе планетарного редуктора 12, установленного с возможностью вращения на паре подшипников 18. На корпусе планетарного редуктора 12 установлен диск 19 тормозного устройства, обеспечивающего удержание корпуса планетарного редуктора 12 с эпициклической шестерней 17 от вращения. Тормозное устройство состоит из корпуса 20, установленного на бабке 2, смонтированных в нем нажимного кольцевого поршня 21 и опорного диска 22. В шпиндельной бабке 2 смонтированы на радиальном двухрядном подшипнике 23, радиально-упорном 24 и радиальном 25 шпиндель 3, зубчатая передача, состоящая из шестерни 26, посаженной на шпиндель 3, и зубчатого колеса 27 для обеспечения взаимодействия шпинделя с тормозной электромагнитной муфтой 28, смонтированных на оси 29.
На дополнительном валу 11 рядом с маховиком установлен шкив 30 клиноременной передачи, другой шкив 31 которой установлен на валу двигателя 10.
Машина сварки трением с инерционным приводом работает следующим образом.
В исходном положении перед началом работы включается тормозная муфта 28, обеспечивающая исключение вращения шпинделя 3 при установке заготовки 7. Тормозной диск 19 свободен, между ним и нажимным кольцевым поршнем 21, а также опорным диском 22 имеются зазоры S.
Для разгона маховика включается электродвигатель 10, который за установленное время (10÷15 минут) через клиноременную передачу разгоняет маховик 4 до заданной скорости. При этом, поскольку шпиндель 3 с водилом 14 заторможены муфтой 28, вращение солнечной шестерни 13 через сателлиты 15 на неподвижных осях 16, передается на эпициклическую шестерню 17 и корпус планетарного редуктора 12 с тормозным диском 19.
Вращение эпициклической шестерни 17 с корпусом планетарного редуктора 12 и тормозным диском 19 будет направлено в сторону противоположную направлению вращения маховика 4, а скорость вращения эпициклической шестерни 17 с корпусом планетарного редуктора 12 в i-1 раз меньше скорости маховика 4 (где i - передаточное число редуктора от солнечной шестерни 17 к водилу 14).
По достижению маховиком 4 заданной скорости, а также после установки и фиксации заготовок 7 и 8 в зажимах 5 и 6, начинается цикл сварки.
Для этого отключается тормозная муфта 28 и подается давление в полость Р в корпусе 20 тормозного устройства под кольцевым поршнем 21. Кольцевой поршень 21, выбирая зазоры S, прижимает к опорному диску 22 тормозной диск 19 для его остановки вместе с эпициклической шестерней 17 и корпусом планетарного редуктора 12. При замедлении вращения эпициклической шестерни 17 с корпусом планетарного редуктора 12, связанного с тормозным диском 19, сателлиты 15 начинают обегать по эпициклической шестерне 17 и через оси 16 вращать водило 14 со шпинделем 3. При полной остановке тормозного диска 19 шпиндель 3 разгоняется до заданной скорости в i раз меньшей скорости маховика 4 в соответствии с передаточным числом планетарного редуктора. При разгоне шпинделя 3 скорость маховика 4 практически не уменьшается, а время разгона шпинделя составит 2÷3 с, так как момент инерции шпинделя 3 на несколько порядков меньше момента инерции маховика 4.
По достижении заданной скорости шпинделя 3 гидроцилиндром 9 при подаче давления в полость Q производится сближение и сжатие торцов заготовок 7 и 8 с необходимым для нагрева усилием. При трении торцов заготовок кинетическая энергия маховика 4 расходуется на преодоление сил трения, превращаясь в тепловую энергию, а скорость вращения маховика 4 уменьшается.
тр
Момент М сил сопротивления трению, обусловленный силами трения свариваемых торцов заготовок, в планетарном редукторе разделяется на:
сш
М - момент сил на солнечной шестерне 13, тормозящий маховик 4;
эш
М - момент сил на эпициклической шестерне 17, передающийся через диск 19, корпус 20 на корпус шпиндельной бабки 2.
эш
тр
При достаточной степени разогрева торцов заготовок 7, 8, что задается временем трения или величиной осадки заготовок, снимается давление в полости Р корпуса 20 под кольцевым поршнем 21. Кольцевой поршень 21 отходит от тормозного диска 19, обеспечивая ему свободу вращения. При этом корпус планетарного редуктора 12 с эпициклической шестерней 17 и тормозным диском 19 под действием момента сил М разгоняется, а шпиндель 3 под действием момента сил М тормозится. Поскольку изменение скоростей вращения шпинделя 3, а также корпуса планетарного редуктора 12 с эпициклической шестерней 17 и тормозным диском 19 определяется величинами действующих на них больших моментов сил и незначительными величинами их маховых моментов инерции, остановка шпинделя 3 происходит значительно быстрее, чем при известной инерционной сварке, когда осуществляется остановка маховика, обладающего большим моментом инерции.
Для безопасного извлечения сварного узла и установки новых заготовок включается тормозная муфта 28. Поскольку маховик 4 имеет остаток энергии и после остановки шпинделя 3 продолжает вращаться, то электродвигатель 10 сразу может подключаться для восполнения энергии маховика 4.
На фиг. 2 представлены графики изменения скоростей вращения шпинделей машин для ротационной и инерционной сварки, [Сварка трением в автомобилестроении. РТМ 37.002.0365-82, стр. 5, 7]. Кривая А показывает изменение скорости вращения шпинделя у машины ротационной сварки, кривая В показывает изменение скорости вращения шпинделя у машины инерционной сварки. Кривая С показывает изменение скорости вращения шпинделя при сварке у заявляемой машины с инерционным приводом вращения.
3
1
Как следует из представленных графиков кривая В имеет резкое изменение при снижении скорости ниже некоторой критической, в точке О, после чего замедление резко увеличивается. Это связано с процессами образования соединения в стыке и определяется соответствующим увеличением момента сил сопротивления относительному вращению заготовок. Время до остановки от критической скорости у всех разное. Наибольшее при инерционной сварке - Т, наименьшее при ротационной - Т, среднее при сварке на заявляемой машине.
На фиг. 3 представлены графики изменения моментов сил сопротивления относительному вращению заготовок [Сварка трением в автомобилестроении. РТМ 37.002.0365-82, стр. 4÷8]: кривая D характерна для машины ротационной сварки, кривая Е - для машины инерционной сварки, кривая F показывает изменение момента сил сопротивления относительному вращению заготовок у заявляемой машины с инерционным приводом вращения.
3
1
2
1t
3
Величины пиков моментов сил сопротивления относительному вращению заготовок на заключительной стадии цикла сварки определяются в соответствии со временем от критической скорости до остановки и у всех разное: наибольший - М, наименьший - М, и М - немного больший, чем M, но существенно меньший, чем М.
Многократное увеличение момента сил в стыке на заключительной стадии цикла сварки нежелательно, так как это приводит к износу зажимов, а также образованию трещин в стыке. По этой причине ряд сталей инерционной сваркой не свариваются.
При сварке на заявляемой машине с инерционным приводом вращения шпинделя за счет ускорения падения скорости до остановки на заключительной стадии, остановка происходит при меньшем росте момента сил сопротивления относительному вращению заготовок.
Таким образом, предлагаемая машина сварки трением с инерционным приводом вращения шпинделя и с применением приводного электродвигателя пониженной мощности позволяет использовать его для накопления кинетической энергии маховика постоянно без перерывов при смене свариваемых заготовок, выполнять сварку деталей с большим свариваемым сечением без повышенных нагрузок на зажимные устройства на заключительной стадии процесса и тем самым исключать трещинообразование в стыке.
Особенностью заявляемой машины сварки трением с инерционным приводом вращения, имеющей маховик, смонтированный на дополнительном валу соосном шпинделю, соединяющий их планетарный редуктор, является то, что корпус планетарного редуктора в сборе с эпициклической шестерней установлен на подшипниках с возможностью вращения относительно шпинделя, и снабжение последних для удержания от вращения тормозными устройствами, что позволяет использовать маховик постоянно без перерывов при смене свариваемых заготовок для накопления кинетической энергии и последующей интенсивной ее передаче в сварной стык, снизить рост возникающего момента сопротивления относительного вращения свариваемых деталей по завершению процесса сварки при приближении скорости вращения шпинделя к нулю.
Заявляемая полезная модель может найти применение в области машиностроения, в частности в производстве специальных изделий, когда требуется сварка деталей с большим свариваемым сечением, а также из трудно свариваемых сплавов, например, жаропрочных, требующих низкую скорость трения, и поэтому она соответствует критерию «промышленная применимость».
Заявляемая машина сварки трением с инерционным приводом вращения проектируется в ООО «КТИАМ» (г. Челябинск) для сварки гильз гидроцилиндров диаметром от 200 до 600 мм по заявке промышленности.