宏程序在數(shù)控車(chē)床改裝冷旋壓設(shè)備中的具體應(yīng)用

殷春云 黃 可 王林海

（常州機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，常州 213164）

旋壓技術(shù)已經(jīng)是很成熟的技術(shù)，日常生活中許多用品都是通過(guò)旋壓技術(shù)得到的，小到廚房的不銹鋼鍋，大到許多航天航空器的罩殼。

近年來(lái)，有很多知名學(xué)者都對(duì)冷旋壓過(guò)程中應(yīng)力應(yīng)變分布的情況、旋壓載荷的大小情況、材料流變的情況、殘余應(yīng)力的分布情況、工件成形質(zhì)量的情況等方面進(jìn)行了大量細(xì)致詳實(shí)的研究[1-4]，魏準(zhǔn)[5]等對(duì)薄壁筒減薄旋壓成形的擴(kuò)口現(xiàn)象進(jìn)行了研究得出結(jié)論，在有工藝端口結(jié)構(gòu)的筒體旋壓能提高旋壓構(gòu)件整體剛度。趙小凱[6]等對(duì)TA15鈦合金筒－錐復(fù)合曲母線構(gòu)件旋壓成形的工藝進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)采用多道次強(qiáng)旋/普旋復(fù)合成形和剪切旋壓預(yù)成形的方案可以獲得幾何形狀、尺寸精度和壁厚均勻性都較良好的鈦合金筒-錐復(fù)合曲母線構(gòu)件。但目前市場(chǎng)上旋壓設(shè)備不足，小企業(yè)單獨(dú)購(gòu)買(mǎi)數(shù)控旋壓設(shè)備對(duì)企業(yè)形成不小的負(fù)擔(dān)。如果市場(chǎng)波動(dòng)，旋壓設(shè)備很可能就此閑置。怎么利用公司現(xiàn)有的設(shè)備進(jìn)行旋壓生產(chǎn)是一個(gè)很棘手的問(wèn)題。

1 問(wèn)題提出

某企業(yè)需要加工一批燈罩殼，民用燈罩殼是典型的旋壓加工件。該企業(yè)有手工旋壓設(shè)備，由于手工旋壓最終的工件成形很大程度上依賴(lài)于工人師傅的手感，產(chǎn)品的輪廓度不能達(dá)到一致，同時(shí)工人師傅的勞動(dòng)強(qiáng)度也太大，無(wú)法保質(zhì)保量地完成生產(chǎn)任務(wù)。該企業(yè)剩下的只有數(shù)控車(chē)床2臺(tái)，該數(shù)控車(chē)床的技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 某企業(yè)數(shù)控車(chē)床技術(shù)參數(shù)表

根據(jù)表1可以得出，完全可以利用本車(chē)間的數(shù)控車(chē)床改裝成數(shù)控冷旋設(shè)備。

2 數(shù)控車(chē)床改裝冷旋設(shè)備

2.1 冷旋壓基礎(chǔ)知識(shí)

所謂冷旋壓區(qū)別于熱旋壓，熱旋壓是指在旋壓的同時(shí)給工件持續(xù)加熱，加熱溫度達(dá)到晶變溫度以上，在進(jìn)行強(qiáng)力旋壓，使工件的壁厚發(fā)生改變，同時(shí)得到圖紙所要求的各項(xiàng)參數(shù)。顯然熱旋壓效果更好。可以使旋壓過(guò)程更流暢。由于條件的限制在改裝設(shè)備時(shí)不便增加加熱裝置，一是因?yàn)樵O(shè)備空間的限制，沒(méi)有足夠多的地方增加加熱裝置。二是即使采用小的加熱裝置，可以在車(chē)床空間內(nèi)擺放，也會(huì)增加安全隱患，車(chē)床內(nèi)空間狹小，加熱裝置周?chē)际窍鹉z密封條、塑料冷卻水管、鐵塑導(dǎo)軌等易燃裝置，介于總總條件限制，數(shù)控車(chē)床改裝熱旋壓設(shè)備的方案只能作廢。

2.2 數(shù)控車(chē)床改裝冷旋設(shè)備實(shí)施方案

基于條件的限制，來(lái)改裝冷旋設(shè)備。冷旋設(shè)備的基本原理如圖1所示。

圖1 冷旋設(shè)備基本原理圖

從圖1基本可以看出冷旋設(shè)備的工作原理，即芯模可以裝在車(chē)床主軸上，也可以通過(guò)工裝定位和車(chē)床主軸直連來(lái)獲得主運(yùn)動(dòng)。毛坯經(jīng)過(guò)尺寸換算得出合適的直徑保證旋壓結(jié)束時(shí)毛坯仍有少些余量，由于本次改造的是冷旋設(shè)備，不考慮毛坯厚度的變化，只考慮毛坯外形輪廓的變化。尾頂可以由數(shù)控車(chē)床的液壓尾座改造得到；可以把數(shù)控車(chē)床本來(lái)的60°尾座頂尖改造成需要的任何形狀。至于毛坯在芯模和尾頂之間如何定位，在改裝時(shí)可以另外設(shè)計(jì)一個(gè)定位裝置，保證毛坯在裝夾時(shí)的準(zhǔn)確定位，定好位后在尾頂?shù)淖饔孟旅鞯玫搅藠A緊這是定位裝置應(yīng)不得干涉毛坯的正常加工。至于定位裝置的具體設(shè)計(jì)在圖1中沒(méi)有體現(xiàn)，會(huì)在下面的實(shí)際改裝中展示出來(lái)。

2.3 冷旋設(shè)備的實(shí)際改裝

圖2中1實(shí)際改裝的尾頂有足夠的推力保證在加工過(guò)程中工件能夠牢靠地貼合芯模，2為改裝的旋輪，旋輪為600目金剛砂輪，金剛砂輪替代了手工旋壓的軸承和數(shù)控旋壓的橡膠輪使成形后的工件能夠獲得更好的輪廓度，3為芯模，芯模為P20模具鋼調(diào)質(zhì)高頻淬火處理，與主軸直連后數(shù)控車(chē)床配合車(chē)削成形，保證了芯模的輪廓度以及消除了裝配過(guò)程中的偏心，使芯模真正與主軸軸線同心，4為主軸，主軸提供的功率為7.5kW保證了主運(yùn)動(dòng)過(guò)程中不會(huì)因?yàn)榕ぞ夭粔蚨＼?chē)。5位工件毛坯，工件毛坯經(jīng)過(guò)嚴(yán)格計(jì)算毛坯的外形尺寸能夠保證毛坯旋壓完后仍有少些余量，6位裝夾定位裝置，裝夾定位裝置設(shè)計(jì)了2個(gè)位置用以滿足毛坯尺寸的變化，7為已經(jīng)旋壓好的工件，旋壓好的工件經(jīng)過(guò)測(cè)量完全符合圖紙要求，側(cè)面論證了本次數(shù)控車(chē)床改裝冷旋壓設(shè)備比較成功。

圖2 實(shí)際改裝現(xiàn)場(chǎng)圖

3 宏程序在冷旋設(shè)備中的應(yīng)用

冷旋設(shè)備改裝好后，重點(diǎn)在數(shù)控程序的編制上面，程序編制初期即用數(shù)控車(chē)床模擬手工旋壓，工人師傅怎樣操作數(shù)控程序就怎樣編制，結(jié)果工件出現(xiàn)了好多破裂，分析原因是工人師傅在手工旋壓的過(guò)程中當(dāng)旋壓力明顯變大，工人師傅則會(huì)降低手上的力量保證旋壓正常進(jìn)行，可是，完全一樣的旋壓路線數(shù)控車(chē)床不能實(shí)現(xiàn)柔性加工，導(dǎo)致初步編制程序失敗。數(shù)控旋壓設(shè)備采用的是雙輪旋壓，而且旋壓輪采用的是橡膠輪，所以，數(shù)控旋壓設(shè)備的走刀路線也不具備參考價(jià)值。

3.1 宏程序?qū)嵗?/h3>

現(xiàn)將經(jīng)過(guò)多次改進(jìn)的改裝旋壓設(shè)備用戶(hù)宏程序書(shū)寫(xiě)如下。

O0001;程序名,1號(hào)程序

N10 M21;尾頂頂緊，尾頂處于工作狀態(tài)。

N20 T0101;選擇一號(hào)刀具，一號(hào)坐標(biāo)偏置。

N30G54;選擇總坐標(biāo)偏置G54。

N40 M08;二硫化鉬冷卻液打開(kāi)。

N50 G0X150Z5;快速點(diǎn)定位到X150Z5的位置，準(zhǔn)備旋壓加工。

N60 M3s1300;根據(jù)庫(kù)侖摩擦定理，確定主運(yùn)動(dòng)的速度為1300r/min。

N70 G0X30Z1;快速定位到旋壓的起始點(diǎn)。

N80 #3=0.5;賦予燈罩初始加工位置。

N90 WHILE[#3GE[0.1]]DO2;賦予燈罩最終加工位置。

N100 #1=0;賦予輪廓線初始加工位置。

N110 WHILE[#1GE[-30]]DO1;賦予輪廓線最終加工位置。

N120 #2=[#1*#1/#3];賦予輪廓線上每一點(diǎn)的加工位置。

N130 G1X[30+2*#2]Z[#1]F0.1;直線插補(bǔ)輪廓線上每一點(diǎn)坐標(biāo)，以0.1mm/r的速度進(jìn)行。

N140 #1=#1-1;輪廓線的精度取值。

N150 END1;輪廓線車(chē)削完畢。

N160 #3=#3-[0.4/5];燈罩分5次加工完成

N170 END2;燈罩加工完成。

N180 G0X150Z5;旋輪快速撤離旋壓好的工件。

N190 M9;關(guān)閉二硫化鉬冷卻液。

N200 M5;主運(yùn)動(dòng)停止。

N210 M22;尾頂松開(kāi)。

N220 M30;整個(gè)加工結(jié)束，并且程序流向程序開(kāi)頭。

3.2 宏程序程序流向圖

從圖3中可以很清晰地看出用戶(hù)宏程序設(shè)計(jì)的巧妙，在一個(gè)程序內(nèi)實(shí)現(xiàn)了單個(gè)輪廓線的多次加工，彌補(bǔ)了數(shù)控系統(tǒng)自身循環(huán)的不足。

圖3 宏程序程序流向圖

3.3 宏程序模擬仿真

任何一個(gè)程序編制好后，都需要驗(yàn)證程序的正確性，本文采用CIMCOEditv7.0來(lái)驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果如圖4所示。

圖4 CIMCOEditv7.0模擬刀軌

用戶(hù)宏程序開(kāi)發(fā)的刀軌與手工旋壓的軌跡大體相似，只是在旋壓變形驗(yàn)證的區(qū)域采用拋物線進(jìn)刀法，有效避免了工件某區(qū)域內(nèi)因?yàn)樾龎毫Χ冈龆鴮?dǎo)致的工件局部破損。

4 工藝完善

采用以上改裝方式，結(jié)果表明改裝是成功的，沒(méi)有重新購(gòu)買(mǎi)設(shè)備，利用本車(chē)間原有的設(shè)備實(shí)現(xiàn)了旋壓加工。但在實(shí)際生產(chǎn)中也暴露出許多問(wèn)題，比如，單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)能只和手工旋壓相當(dāng)，和數(shù)控雙輪旋壓相比單位時(shí)間內(nèi)的產(chǎn)能只是數(shù)控雙輪旋壓的三分之一。諸多弊端需要在工藝上進(jìn)一步完善。從幾個(gè)方面著手，在其他情況不變得情況下，將旋壓的旋壓速度由0.1mm/r提高到0.15，這樣生產(chǎn)效率理論上提高了百分之五十，實(shí)際檢測(cè)下來(lái)，效果顯著，單位時(shí)間內(nèi)的效能提高了百分之三十五。從提高旋壓線速度著手，即提高芯模的旋轉(zhuǎn)速度，由于數(shù)控系統(tǒng)默認(rèn)的指令是轉(zhuǎn)進(jìn)給，即旋壓的走刀量和芯模的轉(zhuǎn)速是成正比的，提高了芯模的轉(zhuǎn)速也就間接提高了單位時(shí)間內(nèi)的旋壓速度。實(shí)驗(yàn)結(jié)束，效果不是很理想。單位時(shí)間的效能是提高了，但產(chǎn)品的質(zhì)量出現(xiàn)了波動(dòng)，有些工件出現(xiàn)了斷裂、粘輪等現(xiàn)象。結(jié)合庫(kù)侖摩擦定理綜合考慮芯模的轉(zhuǎn)速維持不變。

以上理解的用戶(hù)宏程序僅僅是粗加工旋輪的程序，圖2中的2可以看出有兩只旋輪在刀架上，2只旋輪和數(shù)控旋壓機(jī)的雙輪旋壓是兩種概念，數(shù)控旋壓機(jī)的雙旋輪是指旋輪一前一后的包圍著工件，旋輪同時(shí)接觸工件保證工件的持續(xù)變形，由于改裝的數(shù)控車(chē)只有一個(gè)徑向?qū)к?，所以，改裝的數(shù)控車(chē)中的兩個(gè)旋輪是不能同時(shí)使用的，只能分成粗旋和精旋，以上列舉的用戶(hù)宏程序是改裝的數(shù)控旋壓設(shè)備的粗旋程序，由于精旋程序與粗旋程序相當(dāng)即沒(méi)有贅述。

以上的工藝改進(jìn)也只是對(duì)粗旋部分做了正交實(shí)驗(yàn)，下面來(lái)討論改裝數(shù)控裝置的精旋部分，精旋后的工件如圖5所示。

粗旋后工件基本與芯模貼合，精旋的時(shí)候設(shè)置了更細(xì)的走刀點(diǎn)數(shù)保證了工件與芯模的貼合度，粗旋時(shí)拐角處留下了很生硬的痕跡，精旋時(shí)降低芯模轉(zhuǎn)速與精旋輪的走刀量這個(gè)問(wèn)題也很好地得到了解決。

圖5 精旋后的燈罩

5 結(jié)論

第一，利用本車(chē)間現(xiàn)有的設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了對(duì)旋壓件的加工，獲得了良好的加工效果，旋壓后的工件尺寸精度和輪廓精度良好。

第二，對(duì)數(shù)控車(chē)的改裝過(guò)程中整合了手工旋壓和數(shù)控雙輪旋壓的特點(diǎn)，也體現(xiàn)出改裝后數(shù)控旋壓裝置的獨(dú)特性，為今后的設(shè)備改裝或改造提供了參考。

第三，通過(guò)用戶(hù)宏程序開(kāi)發(fā)，解決了旋壓過(guò)程中旋輪的運(yùn)動(dòng)軌跡問(wèn)題，也解決了數(shù)控程序不容易調(diào)試等技術(shù)難題。