異型管數(shù)控化加工的應(yīng)用工藝研究

余 軼，彭 磊

（1.漯河職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 漯河 462002；2.中國重型機械研究院股份有限公司 基礎(chǔ)件與成套研究所，陜西 西安 710032）

0 引言

產(chǎn)品外形曲面的成型質(zhì)量，直接影響著儀器的精度和質(zhì)量。由于常規(guī)彎曲成型裝備結(jié)構(gòu)的制約，產(chǎn)品質(zhì)量難以達到技術(shù)要求。再則該產(chǎn)品型號規(guī)格較多，使得此問題更為突出。提高異型管加工的精度質(zhì)量，無疑有著良好的應(yīng)用前景。本文探討實現(xiàn)此類零件數(shù)控化加工的應(yīng)用工藝研究。

1 零件精度質(zhì)量失控的原因分析

1.1 零件彎曲成型的受力分析

圖1 所示零件為壓力儀表中的核心零件，材料為H62 管材。常規(guī)彎曲成型的加工裝備結(jié)構(gòu)如圖2 所示。異型管在進行常規(guī)彎曲成型加工時，管材寬度方向的變形未受約束，但在厚度方向上，由于變形區(qū)內(nèi)金屬各層之間的擠壓作用，會使得管材的內(nèi)層材料向?qū)挾确较蜓由欤沽慵膶挾仍龃?；管材的外層材料在受到切向拉伸后，零件形狀的不足部分由管材的寬度和厚度來補充，由此造成工件的寬度變窄，從而使得工件彎曲的橫剖面產(chǎn)生畸變。在彎曲產(chǎn)生的徑向壓應(yīng)力F 的作用下，管材在厚度方向失去穩(wěn)定而產(chǎn)生波形翹曲變形，從而使零件的加工質(zhì)量失控，這是零件彎曲精度質(zhì)量失控的理論原因。

圖1 異型管零件圖

1.2 零件彎曲變形的運行速度分析

圖2 原彎曲裝置結(jié)構(gòu)

異型管在進行普通彎曲成型時，零件一端裝夾在主動滾輪1 的牽引槽內(nèi)。在兩滾輪進行滾壓運動時，零件纏繞在主動滾輪1 上，產(chǎn)生塑性彎曲變形；此時，在產(chǎn)生滾壓運動和彎曲變形的過程中，主動滾輪1 和從動滾輪3 的滾壓運行速度是等同的，零件是強制地被動地纏繞在主動滾輪1 上進行彎曲變形，由此使得工件承受錯綜復(fù)雜的交變應(yīng)力（管材的內(nèi)層材料受壓縮，管材的外層材料受拉伸，且各層材料承受的載荷均不同）。這是零件彎曲精度質(zhì)量失控的主要原因。

如能減緩或降低上述因素的影響，尤其是零件彎曲變形時滾動速度的可調(diào)整控制，可使零件外形曲面的成型精度質(zhì)量得以顯著的提高。

應(yīng)用數(shù)控技術(shù)，利用伺服電動機分別帶動主動滾輪和從動滾輪進行異速轉(zhuǎn)動，來進行異型管彎曲成型的數(shù)控化加工，可以收到超出常規(guī)加工方式的效果。

2 數(shù)控車床的改動

數(shù)控車床的改動結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

數(shù)控車床橫向部的改動： 在橫向滾珠絲桿9 的左側(cè)將X 向伺服電動機1 安裝固定在中拖板5 的外端處，并在橫向滾珠絲桿9 與X 向伺服電動機1 的聯(lián)接間增加過渡齒輪2，在橫向滾珠絲桿9 的最外端加裝外滾輪7（從動滾輪體）。利用X 向伺服電動機1 來控制實現(xiàn)外滾輪7 的旋轉(zhuǎn)運動。

圖3 數(shù)控車床改動結(jié)構(gòu)

在數(shù)控車床中拖板部5 的外端，新增加支座固定Z向伺服電動機3，并將內(nèi)滾輪6 （主動滾輪體） 直接裝在Z 向伺服電動機4 的軸頭上，利用Z 向伺服電動機4來控制實現(xiàn)內(nèi)滾輪的旋轉(zhuǎn)運動；Z 向伺服電動機4 與支座3 部件安裝在鑄鐵支架上。移開鑄鐵支架就可恢復(fù)進行普通的數(shù)控車削加工。

將Z 向伺服電動機4 的控制電路插頭插接在數(shù)控系統(tǒng)上，用來替代原數(shù)控車床控制縱向運動的Z 向伺服電動機，即滿足了進行數(shù)控滾旋壓加工的所需運動要求。

利用數(shù)控車床的縱向運動，可以控制中拖版5 沿車床在縱向進行直線移動，從而帶動外滾輪7 移動，利用此運動進行外滾輪7 和內(nèi)滾輪6 間中心距的調(diào)整。

3 數(shù)控化加工的成型原理與數(shù)控成型加工工藝

在數(shù)控化加工中，內(nèi)滾輪6 和外滾輪7 的運動，分別由Z 向伺服電動機4 和X 向伺服電動機1 控制實現(xiàn)，都是主動運動。應(yīng)用數(shù)控運行指令，可以在等同的時間內(nèi)，控制Z 向伺服電動機4 和X 向伺服電動機1 分別（控制內(nèi)滾輪6 與外滾輪7）轉(zhuǎn)動零件內(nèi)圈圓周弧長和零件外圈圓周弧長，由于內(nèi)圈、外圈圓周弧長不等值，必然使得兩轉(zhuǎn)動運行速度相異，異速運動的控制，使得零件外圈的滾動速度大于零件內(nèi)圈的滾動速度，因此，零件的外層是（主動的）進行擠壓彎曲變形。而在普通彎曲成型中，零件的外層是（被動的）進行拉伸彎曲變形，因此，數(shù)控化加工彎曲成型可以使零件管材承受的交變應(yīng)力（管材的內(nèi)層受壓縮，管材的外層受拉伸）得到有效的改善，從而使零件成型后的穩(wěn)定性得到長足的提高。

制定數(shù)控化加工工藝時，如果控制內(nèi)滾輪體6 先以較快的速度轉(zhuǎn)動一周，先進行零件的預(yù)彎曲成型，然后再控制內(nèi)滾輪體6 慢速轉(zhuǎn)動一至二周，并利用延時指令使內(nèi)滾輪6 與外滾輪7 在轉(zhuǎn)至零件的弧形末端處靜止數(shù)秒至數(shù)十秒，進行零件的定型控制，可以起到整形的效果。此工藝措施可使得零件管材承受的彎曲應(yīng)力緩慢地進行變化，可以有效的控制和減弱零件成型后的回彈變形。

在數(shù)控化加工中，利用數(shù)控技術(shù)的功能，可以任意變換零件彎曲的弧形長度（最小的弧長變化單位可為0.005mm）；也可以任意變換內(nèi)滾輪6 與外滾輪7 的異速轉(zhuǎn)動速度（最小的速度變化單位可為0.01mm/min）；數(shù)控技術(shù)的優(yōu)越，可以為調(diào)試確定最佳的加工參數(shù)，提供可靠的基礎(chǔ)保證。

4 內(nèi)滾輪半徑的確定

內(nèi)滾輪6 的結(jié)構(gòu)參見圖3。由于零件在加工時纏繞在內(nèi)滾輪6 上，所以加工卸載后必然有回彈變形，由此造成零件加工精度失控。內(nèi)滾輪6 的外徑由零件成型半徑R 和回彈系數(shù)K 決定。

回彈系數(shù)K 是零件回彈后圓弧弧長所對中心角 與零件回彈前圓弧弧長所對中心角之比，即K=α0/α；由于回彈前后圓弧弧長長度等值，故α（R+0.5t）=α0（R0+0.5t）。

由此得內(nèi)滾輪6 半徑的計算公式R內(nèi)為：

R內(nèi)=K（R0+0.5t）-0.5t

回彈系數(shù)K 可根據(jù)R0/t 由 圖4 查 得。為 簡便編程參數(shù)計算，選取外滾輪7 半徑與內(nèi)滾輪6 半徑等值。

圖4 H62 的回彈系數(shù)

5 滾輪轉(zhuǎn)速的確定與數(shù)控編程參數(shù)的轉(zhuǎn)換

異型管數(shù)控化加工彎曲成型的基本條件是： 在等同的時間內(nèi)，內(nèi)滾輪與外滾輪轉(zhuǎn)動零件內(nèi)圈圓周弧長和零件外圈圓周弧長，即內(nèi)滾輪轉(zhuǎn)速n內(nèi)與外滾輪的轉(zhuǎn)速n外間存在著如下關(guān)系：

n內(nèi)：n外=πd：π（d+2t）

經(jīng)彎曲成型加工試驗對比，設(shè)定數(shù)控彎曲成型時內(nèi)滾輪的轉(zhuǎn)速選擇為n內(nèi)=8r/min，設(shè)定數(shù)控整型時內(nèi)滾輪的轉(zhuǎn)速依次選擇為n內(nèi)=4r/min，n內(nèi)=2r/min；則可相應(yīng)求得：

彎曲成型時外滾輪的轉(zhuǎn)速： n外=8（d+2t）/d。整型時外滾輪的轉(zhuǎn)速分別為： n外=4（d+2t）/d；n外=2（d+2t）/d。

由伺服電動機的控制原理可知： 給定伺服電動機配套絲杠螺距值P（mm）的運行長度，必定可使得伺服電動機帶動內(nèi)滾輪轉(zhuǎn)動一轉(zhuǎn)，當給定內(nèi)滾輪單位時間轉(zhuǎn)速n內(nèi)=8r/min，即可計算求得Z 向的旋轉(zhuǎn)位移長度L1=P×n=8P（mm），與此對應(yīng)的外滾輪的旋轉(zhuǎn)位移長度L2=p×n=8P（d+2t）/d（mm）。其它計算（略）。

6 結(jié)束語

應(yīng)用數(shù)控技術(shù)進行異型管的數(shù)控化加工，可以使得零件管材的內(nèi)層材料、外層材料的表面組織在彎曲變形過程中同時承受（比常規(guī)加工）更均勻地切向擠壓力，所以，零件材料表面組織的結(jié)構(gòu)（比普通彎曲成型加工）更為理想，因此使得零件的穩(wěn)定性提高。與普通彎曲成型加工方法相比，零件的使用壽命提高了2～4 倍；由于彎曲成型速度、彎曲成型長度的任意變換和控制，零件的成型尺寸能夠穩(wěn)定地控制在φd±0.3mm 之內(nèi),遠較工件要求φd±1mm 的公差要求為小。異型管精度質(zhì)量的提高，是壓力儀表度量精度提高的可靠保證。實踐證明，數(shù)控化彎曲成型加工，具有加工質(zhì)量穩(wěn)定，生產(chǎn)效率高，操作簡便和適應(yīng)性較廣等特點。特別適應(yīng)型號規(guī)格多的產(chǎn)品加工，并且擴展了數(shù)控技術(shù)的應(yīng)用范圍，具有很強的實用性。

[1] 張新義.經(jīng)濟型數(shù)控機床系統(tǒng)設(shè)計[M].北京：機械工業(yè)出版社，1994.

[2] 林其駿.微機控制機械系統(tǒng)設(shè)計[M].上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，1991.

[3] 余英良.機床數(shù)控改造設(shè)計與實例[M].北京：機械工業(yè)出版社，1998.