宏程序在數(shù)控車床改裝冷旋壓設(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，有很多知名學(xué)者都對(duì)冷旋壓過程中應(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)購買數(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)很棘手的問題。

1 問題提出

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)控車床2臺(tái)，該數(shù)控車床的技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 某企業(yè)數(shù)控車床技術(shù)參數(shù)表

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

2 數(shù)控車床改裝冷旋設(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，可以在車床空間內(nèi)擺放，也會(huì)增加安全隱患，車床內(nèi)空間狹小，加熱裝置周圍都是橡膠密封條、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)控車床改裝熱旋壓設(shè)備的方案只能作廢。

2.2 數(shù)控車床改裝冷旋設(shè)備實(shí)施方案

基于條件的限制，來改裝冷旋設(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?？梢匝b在車床主軸上，也可以通過工裝定位和車床主軸直連來獲得主運(yùn)動(dòng)。毛坯經(jīng)過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)控車床的液壓尾座改造得到；可以把數(shù)控車床本來的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中沒有體現(xiàn)，會(huì)在下面的實(shí)際改裝中展示出來。

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)控車床配合車削成形，保證了芯模的輪廓度以及消除了裝配過程中的偏心，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)過程中不會(huì)因?yàn)榕ぞ夭粔蚨＼嚒?位工件毛坯，工件毛坯經(jīng)過嚴(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)過測(cè)量完全符合圖紙要求，側(cè)面論證了本次數(shù)控車床改裝冷旋壓設(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)過多次改進(jìn)的改裝旋壓設(shè)備用戶宏程序書寫如下。

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。

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。

N220 M30;整個(gè)加工結(jié)束，并且程序流向程序開頭。

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來驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果如圖4所示。

圖4 CIMCOEditv7.0模擬刀軌

用戶宏程序開發(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，沒有重新購買設(shè)備，利用本車間原有的設(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，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)控車只有一個(gè)徑向?qū)к?，所以，改裝的數(shù)控車中的兩個(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)控車的改裝過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，通過用戶宏程序開發(fā)，解決了旋壓過程中旋輪的運(yùn)動(dòng)軌跡問題，也解決了數(shù)控程序不容易調(diào)試等技術(shù)難題。