3.3　混合型摩擦焊機液壓系統

3.3.1　主機功能結構

摩擦焊接是一種固相熱壓焊接方法，是以摩擦熱為熱源，通過機械摩擦運動及施加載荷使兩物體表面之間產生熱量，把兩個焊接件表面加熱到塑性狀態，然后利用此熱量將同種材料、異種材料通過頂鍛加壓牢固地連接起來的焊接方法。焊接時，接合面不熔化，所形成的焊縫金相組織為鍛造組織，焊縫力學性能高于母材強度。由于無需填充金屬、焊條、焊劑及保護氣體，故是一種綠色環保的焊接方法，世界各國普遍采用摩擦焊接生產工藝制造石油鉆桿。混合型摩擦焊機則是在連續驅動模式下加入一定的慣量并配合形變熱處理工藝的新型摩擦焊機，本混合型摩擦焊機，最大頂鍛力達200t，最大焊接面積16000mm²，焊接時間1min。

200噸級混合型摩擦焊機由床身、主軸箱、移動滑臺、直線導軌、傳動裝置、潤滑系統、液壓系統、電氣控制系統及計算機監控系統等部分組成（圖3-3）。

主軸箱6主要由主軸、上下箱體、頂鍛缸（2個）、楔形卡爪（5個）、平衡缸、皮帶輪、離合器、離合缸（2個）、旋轉給油器、主軸缸及軸承等零部件組成。用于帶動鉆桿接頭旋轉及內沖切除飛邊。并由裝在主軸兩側的頂鍛缸帶動移動滑臺往復運動，進行摩擦和頂鍛加壓。在頂鍛焊接瞬間產生的200t軸向力通過兩套推力調心滾子軸承來承載，一套采用固定安裝，另一套采用平衡缸活動安裝，每個軸承只承受軸向力的一半。楔形卡爪用于夾緊鉆桿接頭，其原理是主軸缸的活塞帶動楔形卡爪沿斜面做往復運動，從而將工件夾緊或松開，松開工件的同時能夠內沖切除焊縫內飛邊。主軸缸通過旋轉給油器供油。主軸的旋轉通過離合器來實現，離合器采用圓錐離合器，由離合缸帶動離合器沿花鍵套往復運動，當離合器和皮帶輪接合時帶動主軸轉動，脫開時，主軸在頂鍛力的作用下剎車。主軸箱內各滾動軸承均采用30號機油強制潤滑；由潤滑泵從潤滑站打出壓力油，進入上、下箱體孔流到各軸承上；潤滑油流量大小，可由出口處節流閥進行調節。

移動滑臺由工件前、后對中機構，夾緊缸（4個），夾具（6套），滑臺體等零部件組成。工件前、后對中機構用于工件的前、后端自動定心，其原理是裝于滑臺體上的液壓缸活塞桿帶動一側夾具通過等臂連桿帶動另一側活塞桿及夾具實現同步移動，達到自動對中定心。完成后工件夾緊機構的夾緊缸開始動作帶動夾具夾緊工件。

傳動裝置由直流電機、皮帶輪、皮帶、軸承座、滑座、地腳板等組成。通過調整螺栓可調整傳動裝置與焊機主體部分之間的中心距，從而調整皮帶的預緊力。

整機的控制流程簡圖如圖3-4所示。

3.3.2　液壓系統原理

機器的液壓系統原理如圖3-5所示，圖3-5中給出了液壓泵的流量及各壓力控制元件的調節參數。

（1）元件作用

系統的油源為低壓大流量葉片泵7和高壓小流量變量柱塞泵3，雙泵壓力與卸荷分別由電磁溢流閥6-1和6-2設定和控制，并分別由壓力表2-1和2-2顯示。單向閥5用于防止壓力油倒灌以保護液壓泵。系統有頂鍛缸、離合缸、工件前對中缸、夾緊缸、工件后對中缸和主軸缸共6組液壓執行元件，它們的運動方向依次分別由三位四通電液換向閥10，二位四通電磁換向閥15，二位四通電液換向閥17、19、22和25進行控制。

頂鍛缸的工作壓力由三級減壓閥8設定（由壓力表2-3顯示）和三位四通電磁換向閥9進行切換；二位四通電液換向閥12和節流閥11配合用于控制頂鍛缸快慢速進退時回油和進油的切換。電磁溢流閥6-3作為頂鍛缸的回油背壓閥使用（調壓由壓力表2-4顯示）。

離合缸工作壓力由減壓閥1設定并由壓力表2-5顯示，單向節流閥13、14用于調節離合缸的進、退速度。

工件前對中缸的工作壓力由單向減壓閥16調整并由壓力表2-6顯示，缸的速度由固定節流器26-1調節。

夾緊缸工作壓力由單向減壓閥18調整并由壓力表2-7顯示，速度由固定節流器26-2調節。

工件后對中缸的夾緊和松開的工作壓力分別由單向減壓閥20和單向減壓閥21調整，并分別由壓力表2-8和2-9顯示。

主軸缸夾緊工作壓力分別由單向減壓閥24和單向減壓閥23調整，并分別由壓力表2-10和2-11顯示。

蓄能器29是系統的輔助動力源，溢流閥28用于設定蓄能器最高壓力。

（2）工作原理

液壓泵啟動后，電磁鐵1YA通電和2YA通電，閥6中的二位二通電磁換向閥切換至右位，葉片泵7和柱塞泵3建立壓力。

①移動滑臺。快速前進：電磁鐵7YA通電使電液閥10切換至右位。葉片泵7和柱塞泵3的壓力油→單向閥5→三級減壓閥8→電液閥10→頂鍛缸的有桿腔；無桿腔油液→電液閥12→電磁溢流閥6-3→油箱。實現頂鍛缸帶動滑臺快進。

快速退回：電磁鐵6YA通電使電液閥10切換至左位，其余同上。

當Ⅰ、Ⅱ工作進給和快速頂鍛時，電磁鐵2YA斷電使閥6-1中的二位換向閥復至圖示左位，葉片泵7卸荷，柱塞泵3單獨向頂鍛缸供油。

Ⅰ工進：電磁鐵4YA通電使換向閥9切換至下位，7YA通電使閥10切換至右位，此時電磁鐵8YA通電使電液閥12切換至右位，電磁鐵3YA通電使閥6中二位閥切換至右位。壓力油→減壓閥8（一級壓力）→電液閥10→頂鍛缸的有桿腔；無桿腔油液→節流閥11→電磁溢流閥6-3→油箱。實現了Ⅰ工進，Ⅰ工進速度由節流閥開度決定。

Ⅱ工進：電磁鐵5YA通電使換向閥9切換至上位，電磁鐵7YA通電使電液閥10切換至右位，8YA通電使電液閥12切換至右位，電磁鐵3YA斷電使閥6-3中的二位閥復至圖示左位。壓力油→三級減壓閥8（二級壓力）→電液閥10→頂鍛缸有桿腔；無桿腔油液→節流閥11→電磁溢流閥6-3→油箱。實現了Ⅱ工進，Ⅱ工進速度由節流閥開度決定。

快速頂鍛：電磁鐵4YA和5YA同時斷電使電磁閥9復至中位，電磁鐵7YA通電使電液閥10切換至右位，電磁鐵3YA斷電使閥6-3中的二位閥復至圖示左位。壓力油→三級減壓閥8（三級壓力）經電液閥10向頂鍛缸的有桿腔；無桿腔油液→電液閥12→電磁溢流閥6-3→油箱。實現快速頂鍛。

由于快速頂鍛位移很小，由柱塞泵3和蓄能器29供油完成快速頂鍛，快速頂鍛比Ⅱ工進速度快10倍。

②離合缸進退。由柱塞泵3供油。電磁鐵9YA通電使電磁閥15切換至右位，離合缸前進；電磁鐵9YA斷電使電磁閥15復至圖示左位，離合缸后退。離合缸的進、退速度取決于單向節流閥13、14的開度。

③工件前對中缸及夾緊缸。由雙泵供油，速度分別取決于固定節流器26-1和26-2的開度。電磁鐵10YA通電使電液閥17切換至左位；松開時電磁鐵11YA通電使電液閥17切換至右位，前對中缸夾緊。電磁鐵12YA通電使電液閥19切換至左位，電磁鐵13YA通電使電液閥19切換至右位，夾緊缸夾緊。

④工件后對中缸及主軸夾緊缸。由雙泵供油。電磁鐵14YA通電，閥22切換至左位，后對中缸夾緊；電磁鐵15YA通電使電液閥22切換至右位后，對中缸松開時。電磁鐵16YA通電使電液閥25切換至左位，主軸缸夾緊；電磁鐵17YA通電使電液閥25切換至右位，主軸缸松開。

3.3.3　液壓系統特點

①機器采用了液壓傳動和工控機+ PLC控制方式，具有焊接性能好、精度高、效率高、操作方便及結構緊湊、人機交互好、自動化程度高的優點，可用于航空航天、石油鉆桿、船舶制造及工程機械行業大截面工件摩擦焊接。

②液壓系統采用高低壓雙泵組合供油，并以蓄能器作為系統的輔助動力源。在高壓小流量工況，通過電磁溢流閥使低壓大流量泵零壓卸荷，降低了能量損失和液壓系統噪聲，同時縮小了油箱容量。

③在頂鍛缸進油路設置三級減壓閥，以滿足不同工況對工作壓力的需求；在頂鍛缸回油路設置電磁溢流閥作為頂鍛缸的回油背壓閥使用，提高了缸的工進運行平穩性。

④液壓站中的閥組采用疊加閥方式，結構緊湊、節省了管件，減小了壓力損失和泄漏，提高了系統效率。