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(jī)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(dá)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(shí)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(jìn)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?，使零件的寬度增大；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(bǔ)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(yùn)行速度分析

圖2 原彎曲裝置結(jié)構(gòu)

異型管在進(jìn)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(jìn)行滾壓運(yùn)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(yùn)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(yùn)行速度是等同的，零件是強(qiáng)制地被動地纏繞在主動滾輪1 上進(jìn)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(jī)分別帶動主動滾輪和從動滾輪進(jìn)行異速轉(zhuǎn)動，來進(jìn)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(jī)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(jī)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(jī)1 來控制實(shí)現(xiàn)外滾輪7 的旋轉(zhuǎn)運(yùn)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(jī)3，并將內(nèi)滾輪6 （主動滾輪體） 直接裝在Z 向伺服電動機(jī)4 的軸頭上，利用Z 向伺服電動機(jī)4來控制實(shí)現(xiàn)內(nèi)滾輪的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動；Z 向伺服電動機(jī)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(jìn)行普通的數(shù)控車削加工。

將Z 向伺服電動機(jī)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(yùn)動的Z 向伺服電動機(jī)，即滿足了進(jìn)行數(shù)控滾旋壓加工的所需運(yùn)動要求。

利用數(shù)控車床的縱向運(yùn)動，可以控制中拖版5 沿車床在縱向進(jìn)行直線移動，從而帶動外滾輪7 移動，利用此運(yùn)動進(jìn)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(yùn)動，分別由Z 向伺服電動機(jī)4 和X 向伺服電動機(jī)1 控制實(shí)現(xiàn)，都是主動運(yùn)動。應(yīng)用數(shù)控運(yùn)行指令，可以在等同的時間內(nèi)，控制Z 向伺服電動機(jī)4 和X 向伺服電動機(jī)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(yùn)行速度相異，異速運(yùn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(yàn)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(jī)的控制原理可知： 給定伺服電動機(jī)配套絲杠螺距值P（mm）的運(yùn)行長度，必定可使得伺服電動機(jī)帶動內(nèi)滾輪轉(zhuǎn)動一轉(zhuǎn)，當(dāng)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(jìn)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(yuǎn)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(shí)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(diǎn)。特別適應(yīng)型號規(guī)格多的產(chǎn)品加工，并且擴(kuò)展了數(shù)控技術(shù)的應(yīng)用范圍，具有很強(qiáng)的實(shí)用性。

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

[2] 林其駿.微機(jī)控制機(jī)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(jī)床數(shù)控改造設(shè)計與實(shí)例[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1998.