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参数控制的数控旋压成形工艺 |
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作者：吴坚赵东福约翰.迪特里希 |
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摘要：应用于数控车削加工中心上的数控旋压成形工艺充分利用了数控加工中心的柔性对零件的最终形状、成形的轨迹、旋压的转速、滚轮的进给速度等参数进行任意调整，以获得最佳的工艺参数。可以旋压出各种不同形状的零件，具有加工效率高、劳动强度低、无须进行切削加工等特点。
关键词：数控旋压 参数选择 成形控制
旋压成形工艺是一种老的成形方法，具有生产周期短、技术要求高，能在普通机床上用简单的模具制造形状复杂的零件，且能适合于钢、铝、铜等不同的金属材料，节约原材料和工具费用，缩短了加工时间。但其在普通机床上旋压则需要制造专门的靠模机构来实现其运动轨迹，且当产品需要经常更新换代时，就不能较快地相适应。同时对旋压轨迹变化来优化零件质量就无能为力了。
数控旋压原理
数控旋压成形是利用数控车削中心来实现旋压所需的各种运动轨迹，并利用其轨迹变化来优化零件质量，同时滚压的靠模也可直接在数控机床上加工。尤其适合于经常更新换代的产品或大批量生产的旋压成形工艺选择最佳的工艺参数和运动轨迹。
图1为典型的滚压示意图。旋压靠模安装在机床主轴上，可用40Cr调质处理，滚轮头的滚轮通常用GCr15或工具钢制造，表面经过淬火处理，其外表进行抛光，其表面粗糙度与旋压后的表面质量密切相关。滚轮与薄板之间为纯滚动，为减少摩擦(由于旋压不锈钢等塑性较大的材料时发热较大)旋压时应加上适当的润滑油。薄板位于旋压靠模与安装在尾架上的顶压板件之间，工作时薄板、顶压件随滚压主轴一起转动。旋压时滚轮沿所要求的运动轨迹逐次将薄板成形。
图1典型的滚压示意图
旋压成形存在一个旋压成形极限比，即毛坯直径d0与最后成形的圆锥最小直径dmin之比：
β=d0/dmin
对许多场合下，不能一次旋压成形，以避免工件表面产生皱纹，要将旋压过程分为多个阶段，每次完成一定的成形，其每次旋压成形比也必须满足一定的条件，如表1。表中β1为第一次旋压前后的直径比，βn为第n次旋压前后的直径比，βk为旋压成形极限比。表1旋压成形比需满足的条件
 数控旋压的参数选择
由反复实验得知，要旋压出合格的零件，除了选择正确的材料、主轴转速、旋压成形比外，旋压还与进给速度、旋压直线的倾角有密切关系。
毛坯材料的塑性、热处理状态直接影响到零件的表面质量。一般选用塑性较大的材料，多进行退火处理(对钢材)。
旋压时合理地选择靠模的转速。转速过低，毛坯边缘起皱，增加成形阻力，甚至导致工件破裂；转速过高，材料变薄严重。由于提高转速可提高生产率和零件表面质量，故在允许的情况下，应尽可能地选择较高的主轴转速。钢最大转速选定为1 200m/min；铝、钢则选定为2 000m/min；不锈钢为500m/min。每次旋压的成形比均不能超过其成形极限比，否则会出现破裂。
旋压的进给速度f即主轴转动一圈滚轮沿母线移动的距离，对旋压过程影响较大。进给速度过高，会产生毛坯起皱；进给速度过低，则会使壁厚减小而产生破裂。故f应合理地控制在一定的范围之内。
旋压直线的倾角A是直线与Z轴正方向的夹角，同样会影响旋压过程。夹角过大，会产生径向撕裂；夹角过小则会发生切向破裂。
倾角A和进给速度f的合理选择如图2。
图2倾角和进给速度的合理选择
当参数选择不正确时就会产生各种失效，常见的失效有切向撕裂、径向撕裂和起皱。其原因如下：
1. 切向撕裂：径向拉应力σr过大；旋压成形比β过大；每次旋压的步长过大。
2. 径向撕裂：切向压应力στ过大；弯曲应力过大；已产生起皱。
3. 起皱：切向的压应力στ过大；旋压成形比β过大。
可以根据图2来合理地粗选旋压时所需的、不产生失效的各种参数，然后再优化其参数，以期取得满意的旋压效果和质量。
旋压的质量除了与上述的各种参数有关外，还与其旋压的运动轨迹有关。
对不锈钢等难旋压材料可分成几个工步进行，旋压不一次到位，而分成几个中间过程，并对材料进行相应的热处理，以提高其可旋压性。
数控旋压的运动轨迹
数控旋压可采用各种不同运动轨迹沿或不沿靠模来完成最终的母线。旋压时并不是滚轮一次性地沿所需的母线进行滚压，而是分多个阶段进行，每次仅完成一部分成形，其运动轨迹与母线并没有直接关系，因此，每阶段可根据不同的工况，使用不同的运动轨迹获得较佳的旋压效果和旋压质量。事实上，各阶段运动轨迹的包络线构成了零件的母线。
旋压的运动轨迹有直线型、圆弧型、圆弧-直线型、往复圆弧型4种(如图3)。
图3不同运动轨迹的旋压路径
1. 直线型旋压轨迹：实现直线运动较为方便，在旋压时其倾角在不断变化，以形成母线的包络线。
2. 圆弧-直线旋压轨迹：在每一次以小段圆弧切入，然后在以平行的直线运动，其倾角不变。这可使切入时更光滑，提高表面质量。
3. 圆弧旋压轨迹：整个旋压过程较为平滑，旋压过程中的回伏较小，但其编程则较为复杂，要计算出圆弧的终点、中心点坐标。
4. 交替圆弧轨迹：其旋压效果和质量最好，旋压过程平稳，但编程最为复杂。
在选择每次旋压切入点时要注意与上一个切入点要离开一定的距离，以防止两点过近在附近区域产生重复旋压，造成此处壁厚减薄，最终产生撕裂。
经过多次的反复实验，我们对铝、紫铜、热轧钢和不锈钢等不同的材料进行了旋压试验，得到了一批实验数据、失效区域和其应用范围，取得了较好的效果。对具有凹、凸形状的工件也进行旋压试验，并针对使用和不使用靠模的情况也进行了对比。
实践证明，在数控车削中心上采用参数法的数控旋压成形工艺，能用参数对传统的旋压成形工艺进行各种不同类型的调整，以旋压出各种形状各异的零件。该成形工艺充分利用了数控加工中心的柔性对零件的最终形状、成形的轨迹、旋压的转速、滚轮的进给速度等参数进行任意调整，以获得最佳的工艺参数。它可充分利用数控车削中心来实现旋压所需的各种运动轨迹变化来优化零件质量，同时滚压靠模也可直接在数控机床上加工。尤其适合于经常更新换代的产品或为大批量生产的旋压成形工艺选择最佳的工艺参数和运动轨迹。
作者单位：
吴坚赵东福杭州应用工程技术学院 (310012)
约翰.迪特里希德累斯顿技术经济高专(德国)(end)
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(6/12/2005) |
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