汽車消聲器內組件隆脊裝置設計 ①

蔣 玲， 張 超

(1.蕪湖職業(yè)技術學院電氣工程學院,安徽 蕪湖 241006；2.東南大學數學學院，江蘇 南京 210096； 3.杰鋒汽車動力系統(tǒng)股份有限公司，安徽 蕪湖 241000)

0 引 言

汽車消聲器的內組件目前主要采用焊接的生產方式，焊接過程中會產生電弧光和煙塵，電弧光中紫外光不僅會損傷皮膚組織，進入眼睛還會刺激結膜、角膜,從而引起巨痛，嚴重的情況下會引起白內障等眼病。焊接中產生的煙是由焊接煙塵(0.01～5μm固體微粒)及焊接氣體混合組成，焊接工作者如果吸進大量的焊接煙塵或焊接氣體的話，將會引起各種各樣的身體疾病。在進行電弧焊接時會有飛濺及灼熱的焊渣飛出。由于飛濺及焊渣濺到眼睛及皮膚上后引起的燙傷或由于不注意直接接觸沒有完全冷卻的母材后造成的燙傷等是經常發(fā)生的事故。而消聲器內組件隆脊設備利用材料塑性變形方式將兩物體連接在一起，采用隆脊工藝生產消聲器內組件達到了一次運行多處成型，單件生產周期能在30s內完成，極大的提升了生產效率，沒有了焊接工藝，消除了焊接帶來的不良影響。因此，采用隆脊方式生產消聲器內組件是一種綠色環(huán)保、高效節(jié)能、精確制造的生產方式。另外隆脊設備利用伺服電機作為動力源提升了產品的控制精度。隆脊生產工藝將逐步被人們所認識、所接受，也會成為人們重點研究和發(fā)展的方向。該設計已獲得實用新型專利[1](專利號ZL2015210825725)。

圖1 力學模型圖

1 隆脊工藝介紹

隆脊是將空心管件局部直徑加以擴大而與另一工件進行連接固定的加工工序，管件局部脹形是在壓力作用下使管件沿徑向擴張的成形工藝。汽車消聲器內組件隆脊就是將消聲管局部金屬拉伸變形，達到將隔板以及消聲管兩個零件固定在一起的內組件組裝工藝。管件在脹形過程中，若僅對管件內壁施加徑向壓力(內脹力)，其脹形成形主要靠管件壁厚度的局部變薄和軸向的自由收縮(縮短)來完成。最終使管件的局部徑向尺寸變大，其它部分的管徑不變。在管件脹形部位局部變薄的同時，管件軸向上還伴隨著自由收縮，從而讓軸向收縮部分的材料補充到脹形部位，緩解了脹形區(qū)材料的不足[3]。

1.1 隆脊脹形系數和伸長率計算

隆脊脹形時的變形程度是受材料的極限伸長率的限制，脹形系數Kp一般用Kp=dmax/d0表示，其中dmax為管件隆脊脹形后最大直徑，d0為管件脹形前原始直徑。則管件隆脊成形的脹形系數為

Kp=dmax/d0=54/50=1.08

其中,dmax=54,d0=50,而伸長率=(dmax-d0)/d0=4/50=8%，查閱手冊可知，汽車消聲器常用低鉻鐵素體不銹鋼00Cr11Ti(409L)，其線性脹形系數為12.0，伸長率≥37%，即管件隆脊成形的脹形系數1.08小于線性脹形系數，管件的伸長率8%小于伸長率37%.所以汽車消聲器可以通過一次隆脊成形來完成[4-5]。

圖2 汽車內組件隆脊裝置結構圖

圖3 隆脊模具

1.2 隆脊成形特點及擴徑力

隆脊過程中，金屬管件是在內壓力p作用下自然脹形，其力學模型如圖1所示。隆脊脹形變形區(qū)主要承受雙向拉應力的平面應力狀態(tài)和兩向拉伸、一向壓縮的應變狀態(tài)。由于金屬管件隆脊脹形區(qū)材料處于雙向受拉的不利變形條件，其成形主要靠管件壁厚的變薄和管件軸向的自由收縮(縮短)來完成，故管件隆脊脹形區(qū)管壁極易嚴重變薄甚至破裂。因此，控制隆脊脹形區(qū)管件壁厚的過度變薄和防止破裂，是隆脊脹形工藝需要考慮的主要問題[2-3]。

擴徑力是指隆脊過程中施加在隆脊模具上的軸向作用力，是決定隆脊質量的一個重要參數 ,擴徑力的分析計算對隆脊裝置的設計都具有重要意義。

金屬管件在擴徑力作用下進行隆脊作業(yè)時，金屬管件局部產生塑性變形。在金屬管件隆脊成形過程中，管件的變形區(qū)、傳力區(qū)的范圍及尺寸不斷變化和互相轉化，當金屬管件變形區(qū)或傳力區(qū)有兩種以上的變形時，需要變形力最小的變形方式會最先進入塑性狀態(tài)，產生塑性變形。在金屬管件隆脊工藝過程設計和隆脊模具設計時，優(yōu)先選用要求最小的變形力就能夠實現的變形方式。

金屬管件隆脊時變形區(qū)材料主要受切向拉應力作用容易破裂。同時，在進氣管零件錐形過渡部位隆脊脹形所需的擴徑力作用，對管件傳力區(qū)產生軸向力，該軸向力等于或超過縱向彎曲失穩(wěn)時的臨界力時就會造成管坯底部彎曲失穩(wěn)。所以金屬管件隆脊脹形的極限變形程度要受破裂條件限制和失穩(wěn)條件限制。因此，為避免隆脊過程中管坯底部失穩(wěn)，同時減少隆脊脹形中的開裂現象，需要考慮降低管件過渡部位擴口脹形所需的擴徑力。

圖4 內組件裝配夾具

2 隆脊裝置結構組成

汽車消聲器內組件隆脊裝置由機架本體機構、伺服驅動機構、電控系統(tǒng)及模具組成。加工不同產品時更換模具即可。機架本體機構是該裝置的最基本機構，支撐伺服驅動機構、模具機構、電控箱等；伺服驅動機構是該裝置的動力驅動機構，將裝配好孔管和隔板的夾持移動到隆脊的位置，然后主伺服電機帶動隆脊模具徑向擴張將孔管和隔板加工成一個整體部件。電控系統(tǒng)是該裝備的中樞神經系統(tǒng)，對這個裝備動作進行統(tǒng)一協調，按規(guī)定要求進行動作；模具機構根據產品的不同而采用不同的模具。[1]汽車消聲器內組件隆脊裝置的結構如圖2所示，隆脊工作流程如下：先將所有的孔管和隔板裝配到待隆脊的工裝夾具上，然后按下啟動按鈕(為了安全起見采用雙手啟動)，工裝自動夾持零件，定位伺服電機通過滾珠絲杠帶動安裝在導軌上的裝配有零件的工裝夾具運動到待隆脊的位置后停止。主伺服電機通過滾珠絲杠帶動隆脊機構徑向擴張，擴張到設定位置后，隆脊機構收縮復原，并通過計數器記錄所加工產品的數量；定位伺服電機回到原位，松開壓緊機構，取出工件，進入下一次循環(huán)工作過程。模具的活動座、固定座分別與主機的活動座、固定座通過卡槽方式相連接。模具的活動座和固定座之上分別安裝有分瓣的凸緣隆脊模具和支承芯軸，芯軸形式是圓錐的外表面，分瓣的凸緣隆脊模具形式為圓錐的內表面。隆脊模具和內組件夾具分別如圖3、圖4所示。

3 控制系統(tǒng)設計

3.1 系統(tǒng)硬件設計

選用伺服電機+減速機+絲桿的方案控制工裝車運動，工裝車移動速度：0-100mm/s可調；工裝由零件定位工裝 + 隆脊工裝構成：選用伺服電機+滾珠絲杠控制隆脊機構，雙作用氣缸+雙電控電磁閥控制夾緊機構。根據所要實現的功能要求、數據類型及 I/O點數，本隆脊設備選用三菱FX2N-32MT的PLC作為控制器，對其I/O地址進行分配，I/O分配表如表1所示[4-5]。

表1 I/O地址分配表

伺服驅動器選用三菱MR-JE-40A驅動器、伺服電機選用HF-KN13J-S400 AC電機，伺服電機控制采用脈沖串+方向信號脈沖輸出形式，伺服驅動器的指令脈沖串輸入脈沖數PP(CN1-10)和指令脈沖方向輸入NP(CN1-35)與 PLC 輸出端通過電纜相連接，伺服開啟SON(CN1-15)、強制停止EM2(CN1-42) 正轉行程末端LSP(CN1-43)和反轉行程末端LSN(CN1-44)與 D0COM(CN1-46)通過電纜相連，外加伺服驅動器的控制回路電源接線：20(DICOM)與12(OPC)短接后，接到24VDC正極，46(DOCOM)接到0V，可實現對伺服電機的位置控制。觸摸屏與 PLC 的 RS232端口連接，實現PLC與觸摸屏之間通信。[5]利用接線端子連接外部設備與PLC的I/O端子，方便了設備接線和日常的維護，同時也起到了保護PLC的作用，規(guī)整了控制柜內接線?？刂葡到y(tǒng)所需的各種邏輯控制均在PLC內部通過軟件程序來實現，工作過程通過外部指示燈顯示。考慮設備操作和日常維護的安全性，控制系統(tǒng)選用了電壓類型相同的電氣元器件，通過開關電源進行電壓的轉換，提供直流24V控制工作電壓，為控制系統(tǒng)元器件供電，使其運行安全平穩(wěn)?？刂葡到y(tǒng)所選擇的各元器件的電壓類型相同，因此所有元器件共用一個開關電源。在系統(tǒng)設計時考慮調試和維修的方便性，電柜里安裝與電源相連插座，方便了設備檢修、維護。

圖5 PLC程序中的SFC塊

圖6 急停程序

3.2 軟件設計

隆脊設備的設計核心是控制程序設計，控制程序的好壞關系到隆脊設備的性能、工作效率和可操作性。程序設計不僅需要結合現場實際工作流程，還要滿足功能性、安全性和穩(wěn)定性三大原則。隆脊裝置的程序設計能實現自動回原點、自動隆脊和手動操作三種工作方式。

3.2.1 SFC塊中自動隆脊和手動程序

在三菱GX Works2軟件中采用SFC的編程語言來設計隆脊裝置的PLC程序設計，其中自動隆脊程序設計是根據隆脊設備的動作順序，采用三菱SFC 塊及程序步自帶的互鎖跳轉功能，實現自動隆脊操作；另外，為了避免雙線圈輸出問題出現，將手動程序放在順序功能圖SFC的初始步S0步，也即將手動程序和自動程序放在SFC塊。隆脊裝置的順序功能圖中SFC塊如圖5所示。

圖7 初始化和原點指示燈程序

手動操作是一種間斷而不連續(xù)的運行方式，其用于更換工裝模具時調試，便于對所設的參數和每步動作慢速而仔細地檢查。為了保證系統(tǒng)的安全運行，在手動程序中應設置一些必要的連鎖和互鎖，如工件夾緊與松開是由雙電控電磁閥實現的，為了避免2個線圈同時得電，因此Y4與Y5采用軟件互鎖措施，工裝夾緊移動和隆脊機構擴張與收縮都屬于伺服定位控制，分別設置了2個按鈕，用于一個控制脈沖信號一個控制方向。

在返回原點的定位控制程序中，為了保證能可靠地回到原點位置，可以采用設置一個很大的脈沖數，確保到達原點之前不會停止發(fā)脈沖，將原點開關的常閉觸點作為定位控制程序的驅動條件，達到原點，其常閉觸點斷開，使得驅動條件斷開，定位控制指令不執(zhí)行，從而確保在原點位置停止。

3.2.2 梯形圖塊

而PLC程序中急停功能、初始化程序以及原點指示燈程序則放在梯形圖程序塊。分別如圖6、圖7所示。

急停程序利用區(qū)間復位指令ZRST將所有步復位并將初始步S0激活，這樣急停之后可以進行回原點操作或手動調整。

隆脊裝置的控制程序結構清晰，調試、故障診斷和維修都很方便。

4 結 論

隆脊裝置自投產以來，運行穩(wěn)定，極好地完成汽車消聲器內組件的生產，完全滿足生產工藝要求。對安裝在工裝上的所有孔管和隔板自動一次性地完成它們之間的隆脊固定，取代了人工一點一點地焊接工作。該設備采用伺服電機、PLC控制，提升了系統(tǒng)的工作可靠性，運行的穩(wěn)定性，實現了生產自動化，提高了生產效率，減輕了工人勞動強度。而且內組件隆脊制造，消除了污染耗能的焊接方式，真正做到了綠色環(huán)保、高效節(jié)能的生產。