饲料粉碎机锤片的碳化钨堆焊工艺

饲料粉碎机锤片的碳化钨堆焊工艺
C
搏ERE
铷AL&F
饲
EED
科iND
工
USTRY
2010,
饲料粉碎机锤片的碳化钨堆焊工艺
刘学军,马松柏
(北京工商大学机械工程学院,北京100048)
词鹪加工一
摘要:通过对饲料粉碎机锤片的4种硬化处理工艺的比较,从碳化钨合金材料的性质,母材和焊接方式的选择,
焊前预热以及机器人焊接技术的应用等方面对锤片的碳化钨堆焊工艺进行了分析研究,针对此工艺中可能出现
的问题提出了有效的解决方案.
关键词:饲料粉碎机;锤片;碳化钨堆焊;机器人焊接;硬化处理
中图分类号:$+0;TG444+.74文献标识码:A文章编号:1003—6202(201O)04—0039—03
Tungstencarbidebuilt-upweldingtechnologiesforhammersofahammermill ABSTRACT:Fourkindsofhardeningtreatmenttechnologiesforhammersofaha mmerraillwerecompared,the tungstencarbidebuilt—upweldingtechnologiesforhammersfromsuchperspect ivesaspropertiesoftungstencarbide
alloymaterials,selectionofbasematerialsandweldingmethods,preheatingforwel dingandapplicationofrobot
wereputforwardaccordingtopracticalexperiences.
KEYWORDS:feedstuffhammermill;hammer;yungstencarbidebuilt—upweldi ng;weldingbyrobot;hardening
treatment
锤片是饲料粉碎机中最重要也是最易磨损的部
件,因此提高锤片的耐磨性以延长其使用寿命一直
是锤片式饲料粉碎机的关键技术问题之一.为了提
高锤片的耐磨性,就要对锤片进行硬化处理.锤片
的硬化处理工艺主要有4种.第1种是对低碳钢锤
片进行表面渗碳热处理,其表面硬度可达
55~60HRC.但由于受成本的限制,其渗碳层的
厚度一般都比较小.因此在使用过程中,当渗碳层
逐渐磨损完之后,锤片就无法继续正常工作,只能更
换口].第2种是对中碳钢的锤片进行整体淬火.受
热处理方式的限制,其硬度一般只能达到45～
50HRC.为防止出现淬火裂纹,一般采用油作为冷
却介质.这种工艺制造出的锤片耐磨性虽不是很
好,但其成本较低,在中小型饲料粉碎机中应用比较
广泛.第3种是在锤片表面堆焊碳化钨硬质合金
(见图1),其堆焊层硬度超过6OHRC,耐磨料磨损
的能力很高.虽然其制造成本是整体淬火锤片的2
倍,但其使用寿命比后者远远超出2倍.因此综合
考虑,经这种工艺处理过的锤片具有较高的性价比.
另外,由于近年来,机器人焊接技术的快速发展和在
制造业中的广泛应用,使得碳化钨在锤片上的堆焊
工艺已经可以实现半自动化甚至全自动化,从而大
大提高了生产效率.第4种工艺是通过烧结的方式
在锤片的击打边缘上固结某种硬质合金,其表面硬
收稿日期:2009—10—10
作者简介:刘学军(1968一),男,讲师,研究方向为机械制造工艺等. 度也超过60HRC,耐磨性能也很好.但因为制造
成本较高,生产周期较长,目前尚未得到广泛应用.
图1堆焊碳化钨合金的锤片
综上所述,实践表明在锤片表面上堆焊碳化钨
合金总的来说是一种比较理想的锤片硬化处理工艺.因此,这种工艺在国内外的锤片生产过程中已
经得到了广泛的应用,而且国内还有极少数饲料加工设备的大型生产厂家采用了这种工艺的机器人自动焊接生产线,因此有必要对此工艺的几个重要方面进行仔细的研究和探讨.
1碳化钨硬质合金
在堆焊碳化钨硬质合金之前,首先应了解该种
材料的成分和性质.碳化钨硬质合金是由碳化钨颗粒分布在金属基体上构成的一种堆焊合金,其主要成分是:～4,W40～70,还含有少
量的Ni等其它元素[2].由于碳化钨颗粒的硬度极一
高,因此其堆焊合金的耐磨料磨损的性能非常好,且具有一定的耐高温和耐腐蚀性能,这使得堆焊碳化钨合金的锤片特别适合于粉碎坚硬而又具有酸性的饲料颗粒.另外,在我国金属钨的矿产资源比较丰富,也有一些生产碳化钨合金的大型厂家,这也使得此工艺的成本有所降低.
2母材和焊接方式的选择
为节省成本,大部分饲料粉碎机的锤片都是采
用普通碳钢制成,因此堆焊碳化钨合金的母材就采
用普通碳钢.其中高碳钢的可焊性比较差,焊接后
锤片淬硬倾向严重,容易出现裂纹,冲击韧性也不理想,因此不适合于用作此工艺的母材.低碳钢的可
焊性良好,冲击韧性也较高.但由于其含碳量较低,
如果用作堆焊母材的话,其对堆焊层的稀释率较大,
从而使堆焊层的硬度下降过多,耐磨性能变差,因此
也不适宜于用作堆焊的母材.而中碳钢的可焊性一般,但对堆焊层的稀释率不大,能保证堆焊层的硬度
高于60HRC,因此总的来说是比较理想的堆焊工
艺母材.国外已有大量的采用普通中碳钢AI—
SI1045进行碳化钨合金堆焊制作锤片的成功经验.
此工艺采用的是氩弧焊焊接方式,它是一种利用
氩气作为保护气体的电弧焊,具有很多优点.首先氩
弧焊形成的热影响区小,焊接变形与应力都比较小,
不易发生裂纹,尤其适用于薄板焊接[3].因此,堆焊
后的锤片一般不用进行焊后热处理,只需放在静止的空气中慢慢冷却下来即可,这对降低其成本是大有好处的.此外,由于堆焊后锤片的变形小,可使锤片上
的销孑L与销轴之间保持设计所规定的正确间隙,这样就减小了当粉碎机运转时锤片发生冲击振动的幅度以及销轴发生疲劳断裂的可能性.再者,由于氩气的
保护性能优良,氩弧的温度又很高,因此无需使用相
应的焊剂或熔剂就能获得纯净的高质量的焊缝.即
采用这种焊接工艺的碳化钨堆焊层内很少有气孔和
夹杂,从而使得硬质合金一般不会从锤片基体上剥
落,保证了锤片具有足够的使用寿命.
3焊前预热
所有的锤片在进行碳化钨堆焊之前,都必须先
放人工业炉中进行预热.焊前预热的主要目的是减
小堆焊层金属的冷却速度,从而减小焊接产生的热
应力并防止堆焊层及其周围的热影响区产生裂纹.
大部分锤片的厚度都比较薄,因此所需的预热
温度不用太高,一般仅为100～150℃.若是预热温
度过高,就有可能产生两个不良后果.一是会降低
锤片的冲击韧性,二是会使空气进入堆焊层内部,形
成气孔,从而使堆焊的合金在粉碎饲料的过程中容
刘学军等:饲料粉碎机锤片的碳化钨堆焊工艺/2010年一4期易出现剥落.
4机器人焊接技术的应用
手工焊接具有生产效率低下,焊缝质量无法保
证,劳动环境差等诸多问题.为此,早先的时候一些
专用的焊接自动化设备得以开发并应用在汽车生产
线上.但这些自动焊接机的价格昂贵,而且柔性较
差,因此不适用于锤片的堆焊工艺.
近20年来,由于工业机器人技术的飞速发展,
焊接机器人开始大量地应用在锤片的堆焊工艺中. 主要原因是它具有成本上的优势,可实现中,小批量产品的焊接自动化.另外,焊接机器人都具有示教再现的编程功能.比如,要在某一型号的锤片上堆焊出某种样式的碳化钨合金层,只需要工人给机器人做一次示教,随后它就能精确地再现先前教过的每一步操作.因此通过机器人手臂的运动,焊枪即可在锤片上描绘出设计者想要的那种样式的堆焊层.下一次如果锤片的型号或堆焊层的样式变了, 无需改变任何硬件,只要对机器人重新做一次示教即可.因此焊接机器人具有极大的柔性,这一点正是锤片的生产制造商所需要的.当然,焊接机器人也同样具有上述自动焊接机的优点,诸如焊接质量较高,均匀性较好,劳动生产率得以大幅提高,工人的劳动条件得以改善等等].
要想将机器人焊接技术成功地应用在锤片的堆
焊工艺中,其中涉及到很多关键因素.本文在此只重点讨论如何选择机器人焊接系统的布置方案. 很多的机器人焊接系统是将焊枪与机器人的手
臂固定在一起,将工件固定在夹具上,而夹具又安装
在变位机上,焊枪跟随着机器人手臂的运动而在工
件上再现预先教好的焊接路径.但由于锤片较薄而
且两面都需堆焊,焊接空间比较小,因此如果在锤片
的堆焊工艺中采用这种方案的话,势必对变位机的
功能提出很高的要求,从而增加了设备的复杂性和
成本,为此本文推荐采用另外一种解决方案.在这
种方案中,焊枪与机器人手臂是分离的,焊枪固定在
地基上的某个位置,机器人则安装在地基上的另一
个位置.机器人手臂的最前端实际上是一个抓手,
主要功能是抓取,运送和卸下锤片以及在焊接时改
变锤片的方位.整个工作过程是这样的,首先机器
人抓手抓取一个锤片,然后沿着事先教好的路径将
其移到焊枪下开始进行碳化钨合金的堆焊.同时回
转工作台开始转动,使得下一个夹具里的锤片转到
前一个锤片所在的工位上,随后重复上述的焊接过
程.这样的布置方案有两大优点:一是不需要复杂
的变位机,只需要一个可控的单轴回转的工作台即
可,从而简化了设备;二是在焊接的同时,工人可以
刘学军等:饲料粉碎机锤片的碳化钨堆焊工艺/2010年囊4期进行其它锤片的装夹工作,从而提高了劳动生产率.
5锤片堆焊工艺中的质量问题
为确保机器人焊接的质量,每一批锤片在堆焊
碳化钨合金之前,都必须从中取一个锤片先进行试焊,以检验已经教好的焊接程序能否得到与设计相符的堆焊尺寸和样式.在某些情形下,以前曾经检验过的焊接程序在隔了一段时间后,当其再次用在同种型号的锤片上时,仍然会出现堆焊层尺寸或样式与设计不符的质量问题.造成这种情况的主要原因有以下几个方面.一是在经过一段时间使用后, 夹具会有所磨损,造成此次锤片的实际位置与以前示教程序中所指定的位置偏离过大.二是由于前面各工序的质量控制没有做好,使得同种型号但不同批次的锤片的尺寸和形状都相差较大.因此遇到这种质量问题,理论上讲应该从以上两个方面着手进行改进.但实际上由于工装夹具的成本较高,不可能稍有磨损就完全更换.另外,一般的锤片也不是通过精密的机器加工制成的,其尺寸和形状的公差范围本来就不可能太小,因此从这两方面对其进行改进的空间不大.
在实际生产中可以选择以下3种方法来解决这个问题.第1种方法就是在发现问题后,工人重新对机器人进行示教,从而使原有的焊接程序得以修改调整.这种方法最简单,但需要占用机器人的焊接时间,会在一定程度上降低生产效率.第2种方
法是在生产线之外另外安装一台机器人,用它重走有问题的示教程序所对应的锤片的焊接路径,然后将修正好的示教程序再传给生产线上的机器人.在此过程中,生产线上的机器人不必等待,可先进行其它的焊接作业,这就是最低级的离线示教编程.这
种方法的好处是提高了生产效率,但付出的代价是增加了一台额外的机器人设备,从而增加了生产成本.第3种方法是增加一个激光传感器系统,利用
激光探测原理将锤片的实际尺寸和位置参数及其它信息输入一个离线编程系统,从而对已有的焊接程序自动进行修正,然后再把修正好的程序调入焊接机器人的控制系统中去.这是比较高级的离线编程系统,但增加了系统的复杂性及设备的成本,也提高了对操作工人的技术要求.
堆焊碳化钨合金的锤片有时还会出现一个质量
问题,就是少数锤片即使使用的时间不太长,其堆焊层就发生剥离脱落的现象.仔细观察常常会发现有一
些气孔和夹杂在堆焊层里.造成这种现象的原因
一
是使用的碳化钨或氩气不纯净,对于后者,特别要
注意检查送气管道,接头以及阀门等处有无泄漏产
生;二是焊接场所内空气流动强烈或是氩气的压力不够高,致使氩气无法有效地保护和屏蔽焊缝区不受外界环境的影响.
6健康和安全方面的考虑
氩弧焊采用的是明焊,光辐射污染严重,因此锤
片的堆焊作业应在封闭的场所内进行.但同时氩弧焊还会产生一定的烟尘,污染环境.因此出于保护工人健康的考虑,还必须对焊接作业的场所进行通风.为防止通风气流对氩气保护作用的破坏,一般是将排风扇安装在焊接封闭场所的顶部.
如果将机器人焊接技术应用到锤片的堆焊工艺上,那么首先要防止机器人伤人事故的发生.在安装焊接机器人的时候,一定要明确其手臂最大活动空间范围的尺寸参数.应根据这些参数在焊接作业区域的周围设立具有一定强度的保护围栏,同时应在围栏上标注警示性用语.在机器人进行焊接作业的时候,任何人不得进入此围栏内.工人在进人焊接工作区进行在线示教编程或设备维修之前,一定要先将机器人的焊接作业完全停止.在示教编程时,应适当调慢机器人手臂的移动速度.当机器人示教好之后,一定要将所生成的程序预先执行一遍, 以确保整个过程无干涉,即机器人不会与任何设备
发生碰撞,也不会与各种软管,电缆等缠绕在一起.
另外应在机器人作业区域附近多个位置处设置急停
按钮,以便在机器人伤人,设备毁损或失火等紧急情
况下,能及时地切断整个焊接生产线的动力来源.
7结论
本文首先对饲料粉碎机锤片的4种硬化处理工
艺进行了比较,认为在锤片上堆焊碳化钨合金是一
种使锤片具有最佳性价比的工艺.然后从碳化钨合
金的性质,焊接母材和焊接方式的选取,焊前预热,
机器人焊接技术,锤片堆焊的质量问题以及安全考
虑等方面,对此工艺进行了仔细的研究和探讨.特
别是根据实践经验重点阐述了用于锤片堆焊工艺的
机器人焊接系统的布置方案以及对引起质量问题的
焊接程序重新进行修正的3种方法.这些对饲料粉
碎机锤片的生产厂家都具有一定的参考价值.
[参考文献]
[1]黄涛.畜牧机械I-M].北京:中国农业出版社,2008.
[2]吴树雄,尹士科,李春范.金属焊接材料手册EM],北京:化学工业出版社,2008.
[3]技工学校机械类通用教材编审委员会.焊接工艺学[MJ.北京:机械工业出版社,2005.
[4]芮延年.机器人技术及其应用[M].北京:化学工业出版社,
2008.
(责任编辑:俞兰苓)。