40T相位摩擦焊控制系统设计郭卫兴

时，工件 1 首先高速旋转，然后工件 2 向工件 1 方向移动、接触，并施加足够 大的摩擦压力，开始摩擦加热过程，摩擦表面消耗的机械能转换成热能。摩擦一 段时间后，接头金属的温度达到焊接温度，立即停止工件 1 的转动，同时工件 2 向前快速移动，对接头施加较大的顶锻压力，使其产生一定的顶锻变形。压力持 续一段时间后，松开两个夹头，取出焊件，全部过程结束。通常只有 2~3s。整 个焊接过程摩擦界面温度一般不会超过材料熔点，所以属于固相焊接[1]。
图 2.2 插销配合摩擦焊示意图
（3）同步驱动摩擦焊 采用两个电动机驱动，为了保证工件两端旋转时的相 位关系，两主轴通过齿轮、同步杆和花键作同步旋转，在整个焊接过程保持工件 的相位关系不变。 传统的相位摩擦焊机的电气控制系统一般都是采用继电器进行控制，其体积 庞大、结构复杂、可靠性差、控制精度低、程序固化修改不易等缺点。为避免以 上的缺点，将可编程序控制器应用于摩擦焊机的电气控制系统，大大提高了工作 效率。可编程控制器(PLC)是一种数字运算的电子系统，可在内部存储、进行逻 辑运算、 顺序控制、 定时、 计数和算术运算操作， 并通过数字式和模拟式的输入、 输出，控制各类的机械和生产过程。可编程控制器及其相关设备均能与工业自动 控制系统连成一个统一的整体，易于扩充，具有功能强、性价比高、可靠性好、 抗干扰能力强等特点。采用梯形图进行编程，编程方法简单易学，修改容易[7] 。
相位摩擦焊的工艺流程相位摩擦焊的工作方式分为调试、自动焊 2 种工作状 态，备有多种联锁、保护环节和紧急复位动作。调试方式的工艺流程为：电源送 电、油泵和电机得电、调试及检测夹具夹紧、夹具松开、主轴旋转、滑架快进、 工进、快退等，其主工作程序流程图见附录 A。
1.2 摩擦焊基本原理
摩擦焊接是一种焊接锻造过程。 利用工件接触端面相对旋转运动中相互摩擦 所产生的热，使端部达到热塑性状态，然后迅速顶锻，完成焊接。图 1.1 所示为 摩擦焊接的基本原理示意图，以两个圆断面的金属工件为例，摩擦焊前，工件 1 夹持在可以旋转的夹头上，工件 2 夹持在能够向前移动加压的夹头上。焊接开始
1 概述
1.1 摩擦焊简介
摩擦焊是利用焊件相对摩擦运动产生的热量来实现材料可靠连接的一种压 力焊方法。其焊接过程是在压力的作用下，相对运动的待焊材料之间产生摩擦， 使界面及其附近温度升高并达到热塑性状态，随着顶锻力的作用界面氧化膜破 碎， 材料发生塑性变形与流动， 通过界面元素扩散及再结晶冶金反应而形成接头。 摩擦焊接可用于塑料制品、钢－钢、钢－铝、铜－铝等不同表面的焊接， 而 这些是普通焊接很难做到的。摩擦焊接速度很快，每个工件只需要几秒，而普通 焊接需要数倍的时间，而且摩擦焊接不产生电焊烟尘和锰、镍等对人体有害的职 业病危害因素。摩擦焊接的强度也很大，有时甚至比材料本身的强度还要大， 也 就是当外力用力拉扯时，首先断裂的是没有焊接的材料本身而不是焊接点。
（1）机械同步相位摩擦焊如图 2.1 所示，焊接前压紧校正凸轮，调整两工件
的相位并夹持工件， 将静止主轴制动后松开并校正凸轮， 然后开始进行摩擦焊接。 摩擦结束时，切断电源并对驱动主轴制动，在主轴接近停止转动前松开制动器， 此时立即压紧校正凸轮，工件间的相位得到保证，然后进行顶锻。
图 2.1 机械同步相位摩擦焊示意图
2 相位摩擦焊
2.1 相位摩擦焊简介及分类
摩擦焊是一种非常有发展前景的焊接技术，近年来国内外发展很迅速。作为 一种金属固相热压焊方法，它是将 2 种焊件的结合面作相对高速运动，借助于摩
擦生热使接触部分达到塑性状态， 再经加压而连接成一体的一种工艺方法。 但是， 在焊接一些有相位配合要求的工件，如六方钢和汽车操纵杆等产品时，要求 2 个工件焊后的棱边或方向对正，相位配合适当，这样就限制了摩擦焊技术的应用 范围，为此引入了相位摩擦焊。 相位摩擦焊也称控制摩擦焊。普通摩擦焊在停车顶锻后，两焊件焊接相位是 不能控制的。相位摩擦焊可实现有相位要求工件的摩擦焊接，扩大了摩擦焊的应 用领域。目前生产中对诸如六方形断面的零件、八方钢、汽车操作杆、花键轴、 拨叉、两端带法兰的轴等均要求采用相位摩擦焊。在电控和机械技术高度发展的 前提下，为大吨位相位摩擦焊机的研制提供了保障。位摩擦焊具有焊接质量高且 稳定、焊接尺寸精度高、可焊性广泛\生产效率高、耗能低、节能效果显著、节 约原材料以及易于自动化等优点。 因此， 相位摩擦焊已经越来越引起人们的重视， 发展前景也愈加的广泛。在实际应用中，主要有机械同步相位摩擦焊、插销配合 摩擦焊和同步驱动摩擦焊。
机电工程学院
机电接口技术大作业
学 专
号：S312070060 业：机械制造及自动化
学生姓名：郭卫兴 任课教师：杨 勇 副教授
2013 年 5 月
40T 相位摩擦焊控制系统设计
摘要：随着焊接技术的发展，摩擦焊技术也日益成熟和完善。可实现有相位要求的工件的摩 擦焊接，扩大了摩擦焊的应用领域。但是，对于焊接具有一些有相位配合要求的工件时， 要 求两个工件焊后的棱边或方向对正，相位配合适当，这样就限制了摩擦焊技术的应用范围。 由此产生了相位摩擦焊，其扩大了摩擦焊的应用领域。基于这一现状，本文研究设计一种相 位检测装置，以实现摩擦焊的精确定位。并着重设计了基于 PLC 的电气控制系统，取代传 统的摩擦焊机所采用继电器控制方式，提高了系统的可靠性、控制精度和可扩展性。 在电控技术和机械技术高度发展的前提下，为大吨位相位摩擦焊机的研制提供了可能。 本文设计了一种 40T 相位摩擦焊机，主要任务包括在研究和分析了摩擦焊的工作原理、焊 接过程及种类的基础上， 探讨出相位摩擦焊的技术关键在于检测到合适的速度的同时启动相 位检测装置，并对此本文所设计出的相位检测装置，设备简单，操作方便，并对对于摩擦焊 机的电气控制系统进行了重点设计， 选用西门子公司的 SIMATIC S7 一 200 型可编程序控制 器对摩擦焊工艺程序的进行控制。将 PLC 应用于摩擦焊机系统的控制，极大的提高了系统 的可靠性和抗干扰能力，同时也增强了控制精度，进一步提高了焊接自动化的程度。因此， 具有良好的研究价值和市场开发前景。 关键词:相位摩擦焊；相位控制；可编程序控制器(PLC)；速度检测
1.4 摩擦焊工艺过程
摩擦焊接过程包括四个阶段： 1）将焊接工件近焊接环； 2）使焊接工件与填充环接触，并使焊接环开始旋转； 第二个阶段为干摩擦阶段，此时使焊接组件在最初的低压下开始接触，以清 理端面，使之达到预热程度，并在第三个阶段开始之前减小摩擦系数。本阶段需 要持续一段时间。因为此时摩擦系数颇大，故需颇大的功率来旋转焊接圆环。 3）轴向压力开始上升，从而使温度升高，直至达到锻造温度； 第三阶段压力开始升高，焊接组件之间的摩擦加大。施焊材料变得脆弱并呈 现流淌状态，即形成烧化的现象。材料的熔化使污物从焊缝界面上清除掉。当预 先设置的短管到达限定的位置时，本阶段的工作结束，旋转应尽可能快的停止。 4）焊接环停止旋转并施以最后的锻造力。 第四个阶段即最后一个阶段，压力会上升到足以使焊接组件达到能锻 接在一起的程度。由于没有热输入，该阶段可对接合件进行附加的 机械加 工，以促进显微组织的进一步精细化。可借助 液压缸或气动锤冲击管端的 方式施加锻造压力。本阶段一旦结束，焊接过程便宣告完成，便可将焊接 工件立即拆卸。 工艺特点： 1) 焊接施工时间短， 生产效率高。 例如发动机排气门双头自动摩擦焊机的生 产率可达800～1200件/小时。对于外ф127mm、内径ф95mm的石油钻杆与接头的 焊接，连续驱动摩擦焊仅需要十几秒钟。 2) 因焊接热循环引起的焊接变形小， 焊后尺寸精度高， 不用焊后校形和消除
（2）插销配合摩擦焊如图 2.2 所示，相位确定机构由插销、插销孔和控制系 统组成。插销位于尾座主轴上，尾座主轴可自由转动，在摩擦加热过程中制动器 B 将其固定。加热过程结束时，使主轴制动，当计算机检测到主轴进入最后一转 时，给出信号，使插销进入插销孔，与此同时，松开尾座主轴的制动器 B，使尾 座主轴能与主轴一起转动，这样，即可保证相位，又可防止插销进入插销孔时引 起冲击。
1.5 摩擦焊特点与应用场合
摩擦焊新技术具有一系列突出优点：焊接质量高、稳定可靠、焊件尺寸精度 高，能耗低，节能效果显著，节约原材料，摩擦焊新技术不用焊条、不用焊丝、 不用焊药、不用保护气体，生产效率高，便于实现自动化，具有广泛的可焊性， 摩擦焊无弧光、无火花、无毒害。操作环境整洁，有利于环境保护。摩擦焊所用 的摩擦焊机包括驱动系统（惯性摩擦焊机还包括飞轮）和加压装置。全自动焊机 还有上、下料装置、去飞边装置和参数自动监控系统。摩擦焊适合于焊接杆件和 管件，工艺简单、质量好，劳动条件好，生产率高，耗电量少，易于机械化和自 动化。摩擦焊在工厂生产线上广泛用于发动机燃烧室、排气阀、轴、轴套、杆件、 管子与法兰、石油钻杆和钻芯的连接和变截面杆件的连接。接头焊后不会产生金 属间化合物[4,5,6] 。
—△转换器等对主驱动电动机、液压系统电动机等强电部分进行控制。弱电控制 系统则是根据设定的焊接程序与焊接过程中的反馈信号， 通过控制液压系统的电 磁阀与强电系统的离合器，实现焊接过程的顺序控制与模拟量控制。根据控制目 标要求和控制功能的强弱，弱电控制系统可以有继电器控制系统、PLC 等[8] 。

2.3 相位摩擦焊的工艺流程
应力。用摩擦焊生产的柴油发动机预燃烧室，全长误差为±0.1mm；专用焊机可 保证焊后的长度公差为±0.2mm，偏心度为0.2mm。 3) 机械化、自动化程度高，焊接质量稳定。当给定焊接条件后，操作简单， 不需要特殊的焊接技术人员。 4) 适合各类异种材料的焊接，对常规熔化下不能焊接的铝 -钢、铝-铜、钛铜、金属间化合物-钢等都可以进行焊接。 5) 可以实现同直径、不同直径的棒材和管材的焊接。 6) 焊接时不产生烟雾、弧光以及有害气体等，不污染环境。同时，与闪光焊 相比，电能节约5～10倍。 但是，摩擦焊也具有如下缺点与局限性： 1) 对非圆形截面焊接较困难，所需设备复杂；对盘状薄零件和薄壁管件， 由 于不易夹固，施焊也比较困难。 2) 对形状及组装位置已经确定的构件，很难实现摩擦焊接。 3) 接头容易产生飞边，必须焊后进行机械加工。 4) 夹紧部位容易产生划伤或夹持痕迹。