Технологическая оснастка и механическое оборудование сварочного производства


Б. И. Мандров, А. А. Попова








            ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ОСНАСТКА И МЕХАНИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ СВАРОЧНОГО ПРОИЗВОДСТВА



Учебное пособие





2-е издание, переработанное и дополненное







Для студентов направления 15.00.00 «Машиностроение», направленность (профиль) «Оборудование и технология сварочного производства»







Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2022

УДК 621.791
ББК 34.641
     М23


Рецензенты:
главный сварщик ОАО «Межрегионэнергосервис» (г. Барнаул) Демин Михаил Михайлович;
кандидат технических наук, доцент, заместитель заведующего кафедрой технологии машиностроения АлтГТУ (г. Барнаул)
Маркова Маргарита Ивановна





     Мандров, Б. И.
М23 Технологическая оснастка и механическое оборудование сварочного производства : учебное пособие / Б. И. Мандров, А. А. Попова. - 2-е изд., перераб и доп. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2022. - 208 с. : ил., табл.
       ISBN 978-5-9729-0868-4

     Рассмотрено технологическое оснащение сварочного производства, вопросы проектирования сборочно-сварочной оснастки и выбора серийно выпускаемого механического оборудования сварочного производства.
     Для студентов, обучающихся по профилю «Оборудование и технология сварочного производства» направления «Машиностроение». Может быть полезно специалистам-сварщикам.

УДК 621.791
ББК 34.641



ISBN 978-5-9729-0868-4    © Мандров Б. И., Попова А. А., 2022
                            © Издательство «Инфра-Инженерия», 2022
© Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2022

            СОДЕРЖАНИЕ



Введение...........................................6
ГЛАВА 1. ПРИМЕНЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ОСНАСТКИ
И МЕХАНИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ В СВАРОЧНОМ
ПРОИЗВОДСТВЕ.........................................7
  1.1. Специфика сварочного производства.............7
   1.2. Понятие о технологической оснастке и механическом оборудовании сварочного производства............10
   1.2.1. Технологическая оснастка для сборки и сварки конструкций.....................................12
   1.2.2. Вспомогательная оснастка................15
   1.2.3. Оборудование для размещения и перемещения свариваемых изделий................................16
   1.2.4. Оборудование для размещения и перемещения сварочных аппаратов и сварщиков....................18
   1.3. Повышение эффективности сварочного производства за счет применения технологической оснастки........20
   1.4. Классификация технологической оснастки сварочного производства.......................................22
   1.5. Требования, предъявляемые к технологической оснастке и
  механическому оборудованию сварочного производства.25
  Контрольные вопросы для самопроверки...............26
ГЛАВА 2. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ОСНАСТКА СВАРОЧНОГО
ПРОИЗВОДСТВА.........................................27
  2.1. Методика проектирования сборочно-сварочной оснастки ....27
   2.1.1. Сбор исходных данных для проектирования технологической оснастки........................27
   2.1.2. Разработка технического задания на проектирование сборочно-сварочной оснастки........................32
   2.1.3. Разработка технического проекта технологической оснастки...........................................33
   2.1.4. Подготовка рабочего проекта сборочно-сварочной оснастки...........................................34
   2.2. Общие принципы конструирования деталей и узлов сборочно-сварочной оснастки........................35

3

   2.3. Разработка задания на проектирование приспособления ....45
   2.3.1. Основы базирования заготовок в приспособлении.45
   2.3.2. Условное изображение опорных точек, опор и зажимных устройств на схемах.......................66
   2.3.3. Пример разработки схемы базирования при сборке хребтовой балки......................................68
   2.3.4. Определение усилий закрепления листовых заготовок ....69
   2.3.5. Определение усилий закрепления балочных конструкций........................................74
   2.4. Разработка принципиальной схемы приспособления..79
   2.5. Детали и узлы технологической сборочно-сварочной оснастки...........................................82
   2.5.1. Основания приспособлений....................82
   2.5.2. Установочные элементы приспособлений........84
   2.5.3. Зажимные устройства приспособлений и их расчет ....92
   2.5.3.I. Расчет механических зажимных устройств......92
   2.5.3.2. Расчет пневматических, гидравлических и вакуумных прижимов...........................................96
   2.5.3.3. Расчет электромеханических, электромагнитных и магнитных прижимов..............................100
   2.6. Схемы зажимных устройств, применяемых в промышленности..................................102
   2.7. Рычажные системы зажимных устройств..........106
   Контрольные вопросы для самопроверки..............113
ГЛАВА 3. ВСПОМОГАТЕЛЬНАЯ ОСНАСТКА СВАРОЧНОГО
ПРОИЗВОДСТВА.........................................114
   3.1. Токоподводы..................................114
   3.2. Устройства для удержания флюса и уплотнения стыков ..118
   3.3. Устройства для приема, подачи и уборки флюса.121
   3.4. Манипуляторы для вспомогательных работ (автооператоры)...................................124
   Контрольные вопросы для самопроверки..............127
ГЛАВА 4. МЕХАНИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ
ДЛЯ РАЗМЕЩЕНИЯ И ПЕРЕМЕЩЕНИЯ СВАРНЫХ КОНСТРУКЦИЙ..........................................128
   4.1. Столы сварщика, стеллажи.....................128
   4.2. Сварочные кантователи........................133

4

  4.3. Манипуляторы, вращатели, позиционеры...141
  4.4. Роликовые стенды.......................146
  4.5. Электромагнитные стенды................149
  4.6. Выбор серийно выпускаемого оборудования
  для размещения и перемещения свариваемых изделий.151
  Контрольные вопросы для самопроверки........156
ГЛАВА 5. МЕХАНИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ
ДЛЯ РАЗМЕЩЕНИЯ И ПЕРЕМЕЩЕНИЯ СВАРОЧНЫХ
АППАРАТОВ И СВАРЩИКОВ..............................157
  5.1. Стационарные направляющие, колонны.....157
  5.2. Тележки, катучие балки.................163
  5.3. Специальные направляющие...............168
  5.4. Устройства для перемещения сварщиков...171
  Контрольные вопросы для самопроверки.............172
ГЛАВА 6. ПРИМЕНЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ОСНАСТКИ И МЕХАНИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ В УСТАНОВКАХ, ПОТОЧНЫХ ЛИНИЯХ И РОБОТОТЕХНИЧЕСКИХ
КОМПЛЕКСАХ.........................................173
  6.1. Технологическая оснастка и механическое оборудование в сварочных установках и станках.................173
  6.2. Технологическая оснастка и механическое оборудование в сварочных поточных линиях и робототехнологических комплексах.......................................175
  Контрольные вопросы для самопроверки.............182
ГЛАВА 7. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ
КОМПЬЮТЕРНЫХ ПРОГРАММ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СБОРОЧНО-СВАРОЧНОЙ
ОСНАСТКИ......................................183
  7.1. Выбор программного продукта для проектирования технологической сборочно-сварочной оснастки.183
  7.2. Пример проектирования оснастки в программном
  продукте КОМПАС 3D..........................187
  Контрольные вопросы для самопроверки........189
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.............................190
ПРИЛОЖЕНИЕ А..................................192
ПРИЛОЖЕНИЕ Б..................................197

5

            ВВЕДЕНИЕ



    В основе производства любого вида продукции лежит технологический процесс, состоящий из целенаправленных операций (действий), изменяющих состояние предмета труда. Под изменением состояния предмета труда понимается изменение его физических, химических, механических свойств, геометрических размеров, формы и т. п. Кроме прямых преобразующих операций в технологическом процессе выполняются дополнительные операции, направленные на объект: транспортировка, отделка, контроль качества и др. Для осуществления технологического процесса необходимо наличие персонала, производственных площадей, энергоносителей, технологического оснащения.
    По данным [1] при производстве сварных конструкций трудоемкость сборочных, транспортных и вспомогательных операций составляет (70...75) %. Их выполнение производится с помощью технологической оснастки и механического сварочного оборудования, расширяющих возможности сварочного оборудования. Это обусловливает то, что на долю вышеуказанной части технологического оснащения приходится основная доля всего состава оборудования сварочного участка, цеха.
    Часть технологической оснастки и механического оборудования выпускается серийно, поэтому нужно знать, как его выбрать. Остальная часть проектируется и изготавливается под конкретную техническую задачу, что требует знания методик расчета, умений и компетенций проектирования данного типа оборудования.
    В предлагаемом учебном пособии обсуждается технологическое оснащение сварочного производства, вопросы проектирования сборочно-сварочной оснастки и выбора серийно выпускаемого механического оборудования сварочного производства. Оно призвано оказать помощь студентам при освоении программы дисциплины. Приведены вопросы для самопроверки по каждому разделу учебного пособия.

6

ГЛАВА 1


ПРИМЕНЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ОСНАСТКИ И МЕХАНИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ В СВАРОЧНОМ
ПРОИЗВОДСТВЕ

        1.1. Специфика сварочного производства

    Неразъемные соединения деталей широко используются в конструкциях изделий машиностроительной, строительной, судостроительной и других сферах производства. К таким изделиям могут быть отнесены прессы, котельные агрегаты, металлические каркасы зданий, мосты, трубопроводы, суда и многие другие виды конструкций. В свою очередь, конструкция изделия может состоять из отдельных узлов, которые в дальнейшем необходимо будет укрупнять также с помощью неразъемных соединений. Одним из наиболее эффективных способов изготовления неразъемных соединений является сварка. Кроме того, с ее помощью наплавляют рабочие поверхности деталей, производят ремонт или реконструкцию ранее изготовленных конструкций.
    Через сварочные подразделения проходит большое количество типоразмеров изготавливаемых конструкций, что приводит к частой смене изделий, значительной многономенклатурно-сти продукции и мелкосерийности производства. Это затрудняет применение специализированного и специального автоматизированного высокопроизводительного оборудования и обусловливает необходимость разработки большого числа технологических процессов, в т. ч. и процессов сварки с использованием универсального оборудования и технологической оснастки с ручным управлением. Такие процессы по-прежнему остаются трудоемкими и наиболее сложными для механизации.
    При сборке детали или узлы (далее - заготовки) устанавливаются в приспособление, последовательно начиная с базовой заготовки. Эта заготовка имеет наибольшее число точек кон

7

такта с установочными и зажимными устройствами приспособления. Другие заготовки базируются на ней или других ранее установленных.
    Для уменьшения деформаций и короблений собираемые элементы закрепляются устройствами приспособления. Закрепление устанавливаемых заготовок производится в большинстве случаев независимо друг от друга. В то же время для заготовок из материалов с большим коэффициентом расширения должна быть обеспечена податливость зажимного устройства, например, за счет применения клавишей. Величина закрепляющего усилия определяется реактивными усадочными силами в сварных соединениях и силами тяжести собираемых заготовок.
    Элементы приспособления находятся в зоне горения дуги, а при сварке закаливающихся сталей - в зоне предварительного подогрева. Это обусловливает необходимость защиты элементов приспособления от перегрева и брызг расплавленного металла.
    В конструкции сварные швы могут находиться в разных пространственных положениях. В этом случае при выполнении прихваток или сварных швов необходимо кантовать приспособление с собираемой конструкцией в удобное пространственное положение.
    Определенную специфику сварочному производству придает сложность конструкции, собираемой под сварку. Согласно «Общемашиностроительным нормативам времени на слесарносборочные работы сборки металлоконструкций под сварку» [6], степень сложности выполняемых работ считается простой при количестве деталей до 15 шт., средней - до 50 шт. и сложной - свыше 50 шт., что следует учитывать при проектировании оснастки.
    Конструктивные особенности свариваемого изделия также оказывает влияние на трудоемкость. При большой толщине свариваемых заготовок кромки могут иметь большую разделку, что требует многопроходной сварки. Сложные конфигурации сварных швов и пространственное положение, неудобное для их выполнения, делают необходимым слежение за стыком и поворотом изделия в удобное для сварки положение. Кроме того, при изготовлении конструкции может возникнуть потреб

8

ность в перемещении либо свариваемого изделия, либо сварочного аппарата, что также требует наличия специальной оснастки.
     Анализ технологических процессов изготовления разнотипных сварных конструкций [1] показывает, что доля сварочных операций невелика (> 29 %) (таблица 1.1).


Таблица 1.1
Трудоемкость операций сварочного цикла

                                   Трудоемкость
           Вид операций             выполнения 
         сварочного цикла          операции, % 
1. Сборка                             до 29    
2. Сварка, в т. ч. вспомогательные    до 29    
операции                                12     
3. Отделка (правка, термообработка             
и т. п.)                                13     
4. Вспомогательные операции,            29     
в т. ч. транспортные                    22     

     Такая структура трудоемкости сварных конструкций обусловливает необходимость учета следующих обстоятельств:
     1)      применение комплексной механизации и автоматизации всех технологических операций для повышения эффективности сварочного производства;
     2)     структуры оборудования сварочного цеха (таблица 1.1):
     •  долю сварочного оборудования < 29 %;
     •      долю технологической оснастки и механического оборудования сварочного производства > 70 %;
     3)     тип производства.
     Рассмотрим влияния типа производства на выбор оборудования. При единичном и мелкосерийном производстве сборка и сварка изделия осуществляется, в основном, по разметке с использованием ручных, переносных, как правило, немеханизированных или универсальных слабо механизированных приспо

9

соблений. Исключение составляют уникальные дорогостоящие конструкции, исправление дефектов в которых весьма трудоемко.
     С увеличением объема производства сварной конструкции условия для применения оснастки улучшаются, поэтому в серийном и крупносерийном производстве возможно применение технологической оснастки непереналаживаемого типа с высоким уровнем механизации и специализации.
     В массовом производстве оправдано применение дорогостоящих высокопроизводительных станков-автоматов, поточных механизированных и автоматизированных линий, робототехнических комплексов, состоящих из электротехнического сварочного оборудования и механического оборудования, оснащенного установочными, зажимными и т. п. устройствами.
     Одним из путей снижения затрат на изготовление сварных конструкций как в части оборудования, так и в части технологии, является типизация сварных конструкций. Для этого целесообразно выявлять общие признаки однотипности сварных конструкций. Такой подход позволяет уменьшить потребность в сварочном оборудовании, затраты на него, широко использовать типовые технологии, что снизит трудоемкость их разработки и стоимость.
     В настоящее время сварные конструкции принято классифицировать [4] по характерным особенностям их работы на следующие группы: 1) балки; 2) стойки; 3) решетчатые; 4) оболочковые; 5) корпусные транспортные; 6) детали машин и приборов.
     Такая разбивка сварных конструкций на группы позволяет выявить общие характерные признаки сварных соединений и швов и разработать типовые схемы компоновки оборудования [1, 2].

        1.2.      Понятие о технологической оснастке и механическом оборудовании сварочного производства

     При выполнении заготовительных, сборочных, сварочных, транспортных и других операций технологического процесса

10

в сварочном производстве используется технологическое оборудование (средства технологического оснащения) [10]. Основная технологическая операция (наложение шва) при изготовлении сварных соединений выполняется электротехническим сварочным оборудованием: сварочной головкой, трактором, полуавтоматом (рисунок 1.1), машиной для контактной сварки и т. п.

Рисунок 1.1 - Сварочный полуавтомат ЗАО «Гудвилл» (Россия)

     Следует отметить, что любое сварочное оборудование имеет ограниченный набор функций, поэтому его дополняют технологической оснасткой [10], а также механическим оборудованием сварочного производства [12] - устройствами для размещения и перемещения конструкций, оборудования и сварщиков. Таким образом, в состав технологического оборудования в сварочном производстве входит:
     -     основное оборудование, выполняющее технологическую операцию (заготовительную резку, механическую обработку, сборку, сварку и т. п.);
     -     технологическая оснастка, расширяющая возможности основного оборудования (сборочный кондуктор, центратор для труб, токоподвод, сварочная горелка и т. п.);
     -     механическое оборудование сварочного производства (стол сварщика, манипулятор, колонна для сварочного аппарата и т. п.).


11

    Сварочное оборудование, объединенное технологическим процессом с оснасткой и механическим оборудованием в сварочном производстве, принято называть установками (в машиностроении - технологическая система). Наиболее распространенные типовые схемы компоновки сварочных установок приведены в Приложении А.
    По функциональному признаку оснастку можно разделить на технологическую и вспомогательную. Механическое оборудование сварочного производства можно разделить на оборудование для размещения и перемещения свариваемых изделий и оборудование для размещения и перемещения сварочных аппаратов и сварщиков. Рассмотрим далее эти темы подробнее.

        1.2.1. Технологическая оснастка для сборки и сварки конструкций

    К этому виду технологического оснащения относятся сборочные приспособления, кондукторы, стенды, которые могут оснащаться внутренними механизмами для поворота, перемещения собираемых изделий. Оно предназначено для установки деталей и узлов при сборке в последовательности, предписанной технологическим процессом, и с точностью, указанной в нормативной документации (далее НД).
    Технологическая оснастка в общем случае состоит из основания, установочных элементов, зажимных устройств и вспомогательных элементов. В большинстве случаев она индивидуально проектируется и изготавливается для конкретной сварной конструкции.
    Технологическая оснастка играет значительную роль в средствах технологического оснащения, расширяя возможности сварочного оборудования при выполнении технологического процесса - наложении сварных швов.
    К технологической оснастке могут быть отнесены установочные детали, приспособления для установки и крепления заготовок, сварочных головок, а также средства, служащие для выполнения сборочных операций и т. п.
    В зависимости от выполняемых функций и конструктивных особенностей технологическую оснастку разделяют на следующие группы:


12

     •     специализированные приспособления для сборки и сварки конкретного узла (рисунок 1.2);
     •     переналаживаемые универсально-сборные приспособления для сборочно-сварочных работ (по ГОСТ 4.433-86 [11]), предназначенные для сборки различных по форме или размерам узлов (рисунок 1.3);
     •     универсальные сборные приспособления, используемые для различных по форме узлов без переналадки (рисунки 1.4, 1.5).


Рисунок 1.2 - Специализированное приспособление для контроля сборки резонатора автомобиля

Рисунок 1.3 - Переналаживаемое приспособление - позиционер для сборки пластмассовых труб муфтой или трубы с седловым отводом:
1 - основание; 2 - зажимное устройство;
3 - редукционные вкладыши (установочные элементы);
4 - крепление зажимного устройства

13