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为了解决传统人工砂轮磨削效率低、劳动强度大的问题，设计制造了一种简单实用的焊缝加工装置，可以将焊缝切割到高于母材的位置，切割后稍加打磨。生产效率提高40%，劳动强度大大降低，达到节能降耗的目的。
1.前言
随着输配电技术的不断发展，气体绝缘金属封闭组合电器的生产规模越来越大，而导电棒作为GIS圆柱体内部传输电流的主要原件，需求量也随之增加。为了降低导电棒的质量，降低制造成本，一般设计为焊接结构，最典型的结构形式是铝管两端焊接的铝材镀银接头。通常焊缝会比母材高出2 ~ 4 mm，因此需要对焊缝凸出部分进行平滑打磨。以前的工具是气动砂轮，工作效率低，劳动强度大，噪音大。而且抛光质量受操作者熟练程度、操作技能水平等因素限制，稳定性差。为了解决这些问题，我们根据导电棒的结构特点，查阅了机械设计的相关资料，设计制造了一种简单实用的加工装置。首先通过切割去除焊缝凸出部分，然后通过气动砂轮进行平滑打磨，提高生产效率，降低劳动强度。
2.存在的问题
气体绝缘金属封闭组合电器用导电棒由6063铝合金制成，固溶处理后硬度达到75 ~ 90 HBW。其结构形式基本为铝管两端焊接镀银接头，焊接焊缝比母材高2 ~ 4 mm，焊缝区域硬度一般等于或略低于母材。导电棒的规格型号很多，一般长度为2000~5000mm，成品质量多为20 ~ 50 kg。由于开关柜产品对电场的要求很高，所以在组装前需要对焊缝进行打磨和平整。传统的方法是用气动砂轮打磨，其他制造方法也差不多。虽然这种方法可以满足导电棒加工的需要，但在长期的生产实践中，这种操作方法存在以下问题。
图1导电棒打磨前后焊缝对比
1)操作者手持砂轮时长时间保持同一姿势，容易使身体疲劳，劳动强度大。
2)打磨后焊缝凸出部分完全转化为粉尘，对环境影响较大。
3)操作人员长期接触粉尘和噪声，对健康有害。
4)由于研磨的研磨量很小，需要反复打磨，生产效率低。
5)操作者手持砂轮不够光滑，焊缝外观质量难以保证。
6)焊缝磨削量大，砂轮磨损快，消耗大，生产成本居高不下。
3.改进措施
为了解决导电棒焊缝加工中的上述问题，我们设计制造了一种简单实用的焊缝加工装置，并进行了运动学分析和仿真，采用铣削代替砂轮来降低劳动强度，提高生产效率和加工质量，减少环境污染和对人体的危害。
图2导电棒焊缝加工装置结构
1-滚轮2-配重3-滑轮4-支架焊接5-钢丝绳6-控制器7-钢丝绳接头8-折叠臂焊接9-电主轴固定板10-电主轴11-刀具限位装置12-铣刀13-轴销14-导轨系统15-限位板16-底架焊接17-手柄18-顶板19和29
该装置主要包括支撑部分、动力和刀具部分、机械传动和调节部分、辅助和保护部分以及电气控制部分。支撑部分底部有四个万向轮，便于人力推动装置在车间内自由移动，到达预定位置后便于不同加工工位锁紧。
加工时，导电杆的两端放置在滚轮架上，无需固定和定位。电机带动滚轮架转动，摩擦带动导电杆同步转动。转速可根据加工需要调节。加工导电杆所需的小幅度位置调整由可折叠悬臂实现，电主轴和铣刀的位置可以配合导轨上下、前后、左右自由调整，从而可以精确定位加工导电杆的焊缝位置。
电主轴下端设有刀具随动限位装置，用于铣削焊缝时调节切削量，避免损坏刀具或伤害导电杆。
图3限位装置的结构
1-定位轮2-卡环3-限位件4-连接螺栓5-定位螺钉6-过渡螺母7-固定端盖8-连接块
为了减小操作力，该装置设计了配重，可以根据电主轴运动所需的力来调节配重的质量，直到电主轴可以灵活地上下运动。动力和刀具的选择是焊缝加工装置的核心。电主轴驱动并控制铣刀加工焊缝。电主轴可实现0 ~ 6000转/分的无级调速。当铣削速度不变时，电主轴功率按下式计算:PC = WDFTNNS× 10-3/MRM，其中MRM为每千瓦功率的切削能力，通常为20 cm3/；d为铣削深度；w为铣削宽度；Ft是每转的进给量；n为铣刀齿数；Ns是主轴速度。
连接块的上端与电主轴连接，下端通过螺栓与固定端盖固定连接；固定端盖的外圆上有一段与过渡螺母螺纹配合的螺纹；过渡螺母两侧钻有螺纹孔；通过调节定位螺钉控制过渡螺母在固定端盖上的上下位移，从而限制限位件在轴向的最高点；限位件的两侧设有长方形孔，通过连接螺栓挂在固定端盖上。由于固定端盖与限位件间隙配合，过渡螺母位置固定后，限位件可沿长圆孔上下移动，并可靠重力自由滑动至轴向最低点。定位轮与限位件的轴销间隙配合，并可随导电杆自由转动。
3.1功能介绍
支撑部分:包括第1部分、第4部分和第16部分，第16部分是焊缝加工装置的基本框架，第1部分是滚轮，设计用于方便移动装置。动力和刀具零件:包括零件10和12。该部分是焊接加工设备的核心，即电主轴和铣刀。电主轴驱动并控制铣刀加工焊缝。电主轴可在0 ~ 6000 r/min范围内实现无级调速，铣刀采用DLC涂层钨钢铣刀。
机械传动和调整部分:包括第2、3、5、7、8、9、11、13、14、15和22部分。其中，第2部分为配重块，用于调节电主轴和铣刀运动的灵活性；第五部分是与配重连接的钢丝绳；第三部分为滑轮，作为钢丝绳运动的支撑滑轮，左右两端各设置一个滑轮；第七部分是钢丝绳的连接接头；部件8焊接有折叠臂并具有折叠功能。中间部分由四个铰链组装而成，可以调节前后电主轴和铣刀的位置；部件9是用于固定电主轴的固定板；第11部分为刀具限位装置，可调节切削量，通过设定滚轮支撑导电杆外圆，实现对焊缝的精确控制，保护导电杆和铣刀不受损坏。零件13是通过组装折叠臂焊接的轴销；部件14为上下方向的导轨，用于调整电主轴和铣刀的上下位置；部件15是导轨的限位板，一个在最上端，一个在最下端；零件22是一个手柄，用于向电主轴和铣刀施加力，以便通过手动力提升电主轴，并将铣刀精确地放置在待加工的焊缝上。在加工过程中，需要手动按压手柄，以保持铣刀正常切削。辅助和保护部分:包括第17、18、19、20和21部分。其中，17部分为推动装置移动的手柄，其余为保护挡板。
电气控制部分:包括第6和第23部分。第6部分是变频器和调节按钮，用于控制电主轴的运动，带有电源开关；第23部分是电主轴的启停开关，安装在手柄上操作非常方便。
3.2使用说明
安装调试:不再介绍该设备的安装过程。安装后，需要进行调试和测试。首先，通过部件6上的调节旋钮调试电气开关的稳定性和电主轴的转速；二是调整机械结构传动的灵活性。手持部分22被推动、拉动和提升。如果有任何堵塞，可以通过增加或减少零件2的数量来调节操作力，直到运动灵活为止。
设备就位:打开部件1上的自锁机构，待握持部件17将装置推到待加工导电棒的工位后，锁紧滚轮，防止加工时打滑。
加工前准备:双手22握住电主轴和铣刀在待加工导电杆上方，根据焊缝情况调整刀具限位装置，将铣刀伸出长度调整到合理位置。
加工过程:打开滚轮架电源，带动导电杆开始转动，然后下压零件22，使电主轴和铣刀将刀具限位装置上的滚轮压靠在导电杆的外圆上，用左手按下零件23的启停按钮，开始加工。在加工过程中，双手应保持对零件22的手柄施加力，以确保滚轮与导电杆的外圆紧密接触，从而确保切割深度均匀恒定。导电棒旋转一周后，加工完成。提起零件22，再次按下零件23的启停按钮，关闭电主轴，切断电源。
4.测试验证
通过开发导电棒焊缝加工装置，利用手持空气砂轮对焊缝凸出部分进行打磨，提高了操作自动化水平，降低了劳动强度，减少了粉尘和噪音的产生，提高了生产效率和加工质量，改善了操作人员的工作环境。
因为导电棒需要非常光滑，用这种装置加工后有局部尖角和毛刺，仍需要抛光处理，但抛光量极小。
图4使用焊接加工装置的加工情况
图5风砂轮磨削情况
5.结论
生产实践证明，导电棒焊缝加工装置稳定可靠，加工效果很好。焊缝加工效率提高40%，大大降低了劳动强度，达到了预期目标。
本文发表于《金属加工》2021年第4期，第56-59页。作者:河南高萍电气有限公司刘勇军、张全民、陈思远、丁森，原标题:导电杆焊接设备设计。
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