（材料加工工程专业论文）立式两旋轮车轮辋旋压机数控系统研究.pdf

摘要 摘要 数控机床是以数控系统为基础的机电一体化产品。其技术范围覆盖很 多领域，如机械制造技术、信息处理加工传输技术、自动控制技术、伺服 驱动技术、传感器技术和软件技术等。计算机对传统机械制造产业的渗透， 完全改变了制造业。先进的制造业不但是工业化的象征，而且由于信息技 术的进步，使制造业具有广阔的发展天地。 本课题耳标是研制车轮轮毂旋压控制系统，利用西门子8 4 0 d 控制系 统实现整个系统的控制功能。研究内容包括以下四个方面。 首先，分析旋压机床的结构及其特点，在此基础上确定8 4 0 d 系统作为 旋压机床的数控系统。根据机床的性能指标及加工件的特点对机床主要参 数进行设置。 其次，完成对机床的p l c 进行总体设计，根据机床的控制功熊对其进 行p l c 程序开发。 再次，通过对数控进给伺服系统原理的理论分析，降阶简化系统，建 立了控制系统的数学模型，并对其干扰源进行分析，并提出相应措施，改 善系统性能，完成伺服系统驱动参数的优化和匹配，从而满足机床控制系 统的要求。 最后，对控制系统的连接做了详细描述，在此基础上对伺服系统和机 床的总体分别进行调试。实践表明，机床运行稳定可靠，加工精度高。 关键词数控机床；西门子8 4 0 d ；立式两旋轮车轮辋旋压机；p l c ；轮毂 燕山大学工学硕士论文 a b s t r a c t b a s e do nn cs y s t e m , n c ( n u m e r i c a lc o n t r o l l i n g ) m a c h i n ei san e w m e c h a t r o n i c sp r o d u c t s 1 1 1 et e c h n o l o g y sa r e ac o v e r sw i t hal o to ff i e l d ，f o r e x a m p l e ，l a c h i n cm a n u f a c t u r et e c h n o l o g y ，i n f o r m a t i o n 蛳o s m g ，p r o c e s s i n g ， t r a n s f e r st e c h n o l o g y ，a u t o c o n t r o lt e c h n o l o g y ，s e r v od r i v i n gt e c h n o l o g y ，s e n s o r t e c h n o l o g y s o f t w a r et e c h n o l o g y a n ds oo n 1 1 1 ef i l t e r i n go fc o m p u t e rt o t r a d i t i o n a lm a n u f a c t u r i n gc h a n g e dm a n u f a c t u r i n gc o m p l e t e l y n o to n l ym a n u f - a c t u r i n gb e c o m e ss y m b o lo fa d v a n c e di n d u s t r i a l i z a t i o n ，b u t a l s om a k e m a n u f a c t u r i n gp o s s e s sw i d ea n dd e v e l o p m e n t a lw o r l d t 1 l i st o p i cm a i n l ys t u d i e sc o n t r o ls y s t e mi nt h ew h e e lh u b c o n t r o l f u n c t i o no ft h es y s t e mi sr e a l i z e db yu s i n gs i e m e n s8 4 0 dc o n t r o ls y s t e m t h er e s e a r c hc o n t e n ti n c l u d e sf o u ra s p e c t s f i r s to f 雒o nt h eb a s eo fc o n f i g u r a t i o na n dc h a r a c t e r i s t i co ft h es p i n n i n g m a c h i n e ，c o n f o r m e du s i n g8 4 0 dc o n t r o l l i n gs y s t e mt ob en u m e r i c a lc o n t r o l l i n g s y s t e m b a s i n gc 印a b i l 时o f m a c h i n ea n dc h a r a c t e r i s t i co f t o o l ，w es e tp a r a m e t - e ro f m a c h i n e n e x t ，w em a d ew h o l ed e s i g no fp l c ，b a s i n gc o n t r o l l i n go fm a c h i n e ，w e e x p l o i t e dp r o g r a mo f p l c a g a i n ，b a s i n ga n a l y s i so f n cs e r v o - c o n t r o l se l e m e n t s ，p r e d i g e s t e ds y s t e m ， b a s e dm a t h e m a t i cf o r m e ro fc o n t r o ls y s t e m a n a l y z ei t sf o u n t a i n h e a do f i n t e r f e r e n c e ，a n da tt h es a n l et i m e ，l o 姑e dm e a s u r e ，i m p r o v e dc a p a b i l i t yo f s y s t e m ，a c h i e v e do p t i m i z i n ga n dc o l l o c a t i n go fs e r v o s y s t e m sd r i v i n gp a r a m e t e l , s a t i s t i e dt h er e q u e s to f m a c h i n ec o n t r o l l i n gs y s t e m f i n a l l y ，b a s i n gd e t a i l e dd e s c r i p t i o no fc o n t r o l - s y s t e m sc o n n e c t i o n ，w e d e b u g g e dt h es e r v o s y s t e ma n dm a c h i n e t h ep r a c t i c ei n d i c a t e d ，t h em a c h i n e r a ns t e a d i l y ，p r e c i s i o no f p r o c e s s i n gi sh i 乒 h a b s t r a c 【 k e y w o r d sn cm a c h i n e ；s i e m e n s8 4 0 d ；u p r i g h tt w ow h e e l ss p i n n i n g m a c h i n e ；p l c ；w h e e l m 燕山大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文立式两旋轮车轮辋旋压 机数控系统研究，是本人在导师指导下，在燕山大学攻读硕士学位期间独 立进行研究工作所取得的成果。据本人所知。论文中除已注明部分外不包 含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文的研究工作做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人 承担。 1 作者签字卫畦别i 同期：加以年r 月哥日 j 燕山大学硕士学位论文使用授权书 立式两旋轮车轮辋旋压机数控系统研究系本人在燕山大学攻读硕 士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归燕山 大学所有，本人如需发表将署名燕山大学为第完成单位及相关人员。本 人完全了解燕山大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向 有关部门送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授 权燕山大学，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论 文的全部或部分内容。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密d 。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名 导师签名 王硅维 j 拇 日期：芦蛑r 月砷日 日期：年j - j e i ，硐 第1 章绪论 1 1 课题的研究背景 第1 章绪论 轮毂作为汽车行驶系统中的重要部件之一，不仅承载着汽车的重量， 同时也体现着汽车的外观造型。由于它的制造难度大、需求量大而具有较 高的技术附加值。高质量的车轮产品，对于轿车的启动、制动、加速、安 全性和能耗等指标有较大的影响。 随着轿车轻量化的需求，国际上的先进国家近几年开发了采用锻旋方 法进行车轮生产的新工艺。锻旋【】是在热锻工艺基础上发展起来的，锻造制 坯后进行旋压成型。提高了制造精度和机械性能，机械加工余量大大减少。 此工艺在德国已经发展成为成熟技术。与传统的压铸工艺铝合金轮毂相比， 锻旋新工艺生产的轮毂具有重量轻、机械强度高的显著优点。相同产品的 重量要比铸造的低1 5 左右，强度提高3 0 。这一显著优点，对于追求更轻、 更快的轿车轻量化的需求具有重要的现实意义。锻旋工艺生产的车轮毂除 了重量轻强度高以外，还有如下两个优点。 第一，从产品的内在组织性能来说，与低压铸造铝合金车轮相比它的 优点是：金属的内部组织无气孔、缩松、缩孔，金属组织致密不漏气。同 时，锻造铝合金车轮在组织上有明显的纤维流线，大大提高了车轮的整体 强度和耐腐蚀性。由于材料强度高、产品重量轻，从而使车轮的使用寿命 和安全性大幅提高，有利于车辆减重、节油。 第二，从工艺路线上来说，锻造铝合金车轮生产线采用了旋转锻+ 锻造 + 冷旋压的工艺流程，选用旋转锻造的方式进行制坯，大大降低了金属的变 形抗力，从而降低了设备吨位。成形过程中金属变形量较大，变形过程中 将铸棒的心部金属翻到车轮的正面，从而有效地保障了车轮正面菲加工区 域的表面质量，优于传统的锻造方式。冷旋压的生产工艺与热旋工艺相比 减少了中间加热环节，不仅使车轮从内部组织上获得了冷变形组织，增强 了整体性能，而且由于减少了加热环节从而降低了能源消耗。 燕山大学工学硕士学位论文 锻造铝合金轮毂是一种很有前途的新兴成形工艺，其在轿车铝合金轮 毂生产中的成功应用，更显示了该技术巨大的市场潜力和良好的应用前景。 当前，我国的汽车工业，尤其是轿车制造业正处在发展时期，此时开发一 台用于车轮锻旋工艺生产车轮的新型旋压机就十分必要，从而使我国的轿 车铝合金轮毂生产有一个高的起点。 本项目所开发的这台用于车轮锻旋生产的新型旋压机是生产中必不可 少的关键设备，是一项集机械制造、数字化控制、液压传动、成形工艺于 一体的高新技术产品。我国在数字化控制方面比较薄弱，数字化控制系统 的研发成为旋压机开发过程中的重中之重。国内的数控系统刚刚开始产业 化，水平质量还达不到国际水平，与国外先进产品相比，在可靠性、稳定 性和精度等方面均存在较大差距1 2 】。目前高档次的系统几乎全都是进1 ：2 ，因 此，对数控系统的研究与设计是势在必行的。由此可见，深入研究合适的 数控技术，来提高机床数控系统的性能，实现车轮毂的锻旋压加工控制， 不仅对研发新型车轮旋压机是至关重要的，而且对推动数控装备的产业化 进程有着十分重要的意义。 1 2 数控技术的现状 我国数控技术起步于2 0 世纪5 0 年代末期，经历了初期的封闭式开发阶 段，“六五”、“七五”期间的消化吸收、引进技术阶段，“八五”期间 建立国产化体系阶段，“九五”期间产业化阶段，现已基本掌握了现代数 控技术，建立了数控开发、生产基地，培养了一批数控专业人才，初步形 成了自己的数控产业【3 】。目前，较具规模的企业有广州数控、航天数控、华 中数控等，生产了具有中国特色的经济型、普及型数控系统。经过半个世 纪的发展，产品的性能和可靠性有了较大的提高，逐渐被用户认可，在市 场上站稳了脚跟。如广州数控设备有限公司( 原广州数控设备厂) 生产的经济 型、普及型数控系统自1 9 9 9 年起连续四年产销量居国内同行业第一位，产 品畅销全国、配套国内5 0 多家机床厂。生产的d a 9 8 全数字式交流伺服驱动 装置填补了国内空白，并且在2 0 0 2 年承担了国家8 6 3 研究项目。2 0 0 3 年生产 和销售g s k 9 8 0 t 、g s k 9 2 8 t c 、g s k 9 2 8 t a 等系列机床的数控系统近1 2 0 0 0 2 第1 章绪论 套，改造数控机床3 0 0 多台，经销数控机床5 0 0 多台，完成年产值及工贸总 额达2 2 亿元1 j 。 我国现有数控机床生产厂家1 0 0 多家，生产数控产品几千种以上。产品 主要分为3 种类型：经济型、普及型、高档型。在第八届中国国际机床展览 会上，展出大陆国产机床7 0 0 多台，在6 0 0 多台金属切削机床和近1 0 0 台金属 成形机床展品中，数控机床分别占7 5 和5 4 。这既体现了中国机床市 场的需求趋势，也反映了中国在数控机床产业化方面取得的突破性进展。 尽管如此，国产数控机床在机床中的比重还是很低的( 中国机床数控化率不 足5 、日本已达到7 5 、欧美亦达至1 j 6 5 ) 。由此可见，中国数控产业还有 很大的发展空间、广阔的市场和无限的发展潜力。 目前，国产数控系统用于旧机床改造的多，用于装备新机床的少，用 于全功能性机床装备的就更少，使用国外系统装备国产数控机床的尚为数 不少a 由此说明，国产数控系统在用户一1 1 , 中的地位较国外产品低。我国数 控技术的现状：系统技术含量低，产生的附加值少，不具备与迸1 ：3 系统进 行全面抗衡的能力，只在低端市场占有一席之地，还不能为我国数控产业 起到支撑的作用，与国外相比，至少还有2 0 年的差g e t m 坨】。主要问题有以 下几方面 1 3 】。 ( 1 ) 技术创新成分低、消化吸收能力不足目前我国数控技术的研究主 要还是依照国外开发的一些模式按部就班地进行。国外数控市场上有什么， 我们就模仿什么，老是跟在别人后面走，按国外已有的模式来丌发我国的 数控产品，真正创新的成分不多，对国外技术的依赖度较高，对所引进技 术的消化依旧停留在掌握已有技术和提高国产化率上，没有完全上升到形 成产品自主开发能力和技术创新能力的高度。技术引进是加快我国数控技 术发展的一条重要途径，但引进的技术要实现从根本上提高我国数控技术 水平，必须进行充分的消化吸收。消化吸收的力度不强，不但无法摆脱对 国外技术的依赖，而且还会造成对国外技术依赖性增强的反作用。 ( 2 ) 技术创新环境不完善其一，我国尚未形成有利于企业技术创新的 竞争环境。企业技术创新的动力来源于对经济利益的追求和外部市场的竞 争力，其技术创新意识不强；其二，企业还没有建立良好的技术创新机制， 燕山大学工学硕士学位论文 绝大部分企业的技术创新组织仍处于一种分散状态，很难取得高水平的科 研成果。 ( 3 ) 产品可靠性、稳定性不高可靠性的指标一般采用平均无故障时间 ( 单位为h ) ，国外数控系统平均无故障时间在1 0 0 0 0h 以上，国产数控系统平 均无故障时间仅为3 0 0 0h - 6 0 0 0h ，这使得可靠性、稳定性上就与国外技术相 差很大，必然影响产品的市场占有率。 ( 4 ) 网络化程度不够我国数控技术的网络化程度不够，目前主要用于 n c 程序传送，采用纸带阅读器、串口通讯技术，其集成化、远程故障排除、 网络化水平有限。 ( 5 ) 体系结构不够“开放”大部分数控产品体系结构不够开放，用户 接口不完善，少数具有开放功能的产品又不能形成真正的产品，只是停留 在试验、试制阶段。用户不能根据自己的需要将积累的技术经验融入到系 统中，无形中流失了很多对数控技术改进、创新和完善的资源。 1 3 数控技术的发展趋势 随着科学技术的发展，世界先进制造技术的兴起和不断成熟，对数控 加工技术提出了更高的要求。超高速切削、超精密加工等技术的应用，对 机床的数控系统、伺服性能、主轴驱动等提出了更高的性能指标。随着 f m s ( f l e x i b l em a m t f a c t u r es y s t e m ) 的迅速发展和c i m s 的不断成熟，又将对 数控机床的可靠性、通信功能、人工智能和自适应控制等技术提出了更高 的要求 川。随着微电子计算机技术的发展，数控系统性能日益完善，数控 技术应用的领域日益扩大。当今数控机床正在不断采用最新技术成就，朝 着高速度化、高精度化、多功能化、智能化、系统化与高可靠性等方向发 展。今后，数控发展的趋势主要有三个方面【i ”。 第一，向高精度、高速度方向发展。提高生产率与产品质量是机床技 术追求的基本目标，而实现这个目标最直接的手段就是提高机械加工速度 与精度。数控机床最重要的目标是提高加工零件的精度和速度，不断开发 高精高速的功能是数控技术创新的体现。目前，工作进给速度已高达1 0 0 m m i n ，c p u 频率由原来的5m n z 、1 0m h z 提高到几百兆m h z 、上千兆m h z ， 4 第1 章绪论 甚至更高，进一步提高了系统的运算速度。 第二，向工艺的复合化和功能的集成化发展。工艺复合化，简单地说， 就是“一次装夹，多工序加工”，在这方面最典型的机种是加工中心和车削 中心，加工中心是数控机床向工艺及功能集成化方面发展的产物。一台具 有自动换刀装置、自动交换工作台和自动转换立卧主轴头的加工中心，不 仅一次装夹便可完成铣、钻、铰、攻丝等工序。而且还可完成箱体五个面 粗、精 n 7 - 的全部工序。功能集成化是数控机床的另一重要趋势，随着向 柔性化和无人化发展，功能集成化的水平更高地体现在工件自动定位、机 内对刀、刀具破损监控、机床与工件精度的检测和补偿方法。 第三，向智能化方向发展。随着人工智能在计算机领域的不断渗透和 发展，数控系统的智能化将不断提高。如自适应控制技术、专家系统指导 加工和智能化驱动装置等【i “。智能化发展的最终目标是由计算机取代或延 伸加工过程中人的部分脑力劳动，实现加工过程中监测、决策与控制的自 动化，实现智能数控系统1 1 7 l 。 总之，数控系统综合了当今世界上许多领域的最新的技术成果，对社 会生产力的提高起巨大的推动作用。 1 4 课题内容及研究意义 旋压机床的数控化始于2 0 世纪6 0 年代后期，不过当时是由数控带和机 床控制器控制的简易数控旋压机。其后，获得飞速发展的计算机控制技术 和微型计算机技术被引入这个领域，从而产生了机床结构和控制技术得到 显著改进的各种自动旋压机床。 同其它机电设备一样，旋压机床的设计制造也体现了一个国家的综合 国力，它包括机械、电子、化工等多方面。以往的国产旋压机床同其它国 产机电设备一样无外乎存在以下几个问题：首先，可靠性差，故障频繁； 其次，液压系统存在严重渗漏油现象，各种阀、密封原件质量不过关；再 次，电气系统不稳定，电器元件质量差；最后，设计人员对工艺不了解， 致使有些机床在使用过程中存在功能上的缺陷。 上世纪八十年代之前的国产旋压机床与今日的旋压机床绝对不可同日 燕山大学1 ：学硕士学位论文 而语。目前的国产旋压机床应该说是综合了国际上最先进的数控系统、液 压系统及关键的机械零部件，结合国内的机械加工工艺而成。所以现在的 国产旋压设备应该这样理解：集国际上最先进的数控系统、液压系统、机 械及控制元器件于一身，结合自身的机械3 n t 优势，能体现国际先进水平 的旋压机床。这样一台机床其价格为国外同类进口机床的1 3 2 5 。目前国 产旋压机的此种制造模式与国际上的其他旋压机生产厂商是一致的，并且 国产旋压机在售后服务、维修等各方面存在较大优势 1 9 , 2 。 本课题是与企业合作的项目，主要对立式两旋轮车轮辋旋压机的数控 系统进行开发。其技术路线如下。 ( 1 ) 机床本体包括主传动箱、旋轮座、c n c 装置、驱动系统和上、下 料装置等。并概括了机床的主要性能指标，为下面的数控系统选择及其参 数配置奠定了基础。 ( 2 ) 数控系统采用德国西门子公司生产的8 4 0 d 数控系统。首先概括数 控系统选择的基本原则，并在此基础上对8 4 0 d 系统的可行性进行了分析。 在确定选择8 4 0 d 系统作为旋压机的数控系统后进行机床参数设置，包括轴 的基本参数设置，轴软、硬限位参数设定以及机床参考点的参数设置等等。 ( 3 ) 可编程控制器在选择完数控系统后，将根据工艺路线对p l c 程序 进行编制。p l c 采用西门子的s 7 3 0 0 ，编程软件为s t e p 7 。 ( 4 ) 伺服系统旋压机的进给伺服传动采用滚珠丝杠。 本课题主要研究内容如下。 ( 1 ) 数控加工技术的研究。主要有机械结构技术、数控编程技术、数控 装置、伺服系统等。 ( 2 ) 在对旋压机的生产工艺、操作编程、技术性能指标认真分析的基础 上，提出数控系统选型方案及其系统配置。 ( 3 1 利用西门子s 7 3 0 0 的p l c 进行逻辑控制及信息处理。确定p l c 输入输 出点数，设计接口电路，并根据机床操作及运动要求编制控制程序，使数 控系统、伺服系统与机床其他部分之间协调一致。 f 4 ) 根据机床的具体配置和要求，对有关机床轴定义、参考点和软硬限 位等机床参数进行正确设置。 第1 苹绪论 ( 5 ) 西门子8 4 0 d 数控系统和驱动单元6 1l d 等设备在机床上的安装调试。 本文通过对立式两旋轮车轮辋旋压机控制系统的开发，保证了其数控 系统的加工精度和系统运行的稳定性。在后期的调试过程中发现其成形过 程中所出现的缺陷和不足，寻求其解决方法。 7 燕山大学工学硕士学位论文 第2 章铝合金轮毂的成形原理及工艺 2 1引言 近年来，随着国际市场上车轮生产厂商生产工艺的不断改进，欧美车 轮行业逐步用铝合金轮毂取代传统的车轮生产工艺，国内车轮行业也朝着 先进的铝合金车轮生产工艺方面发展【2 ”。1 9 8 8 年我国第一家铝合金车轮企 业戴卡铝轮毂制造有限公司成立，进入2 0 世纪9 0 年代，广东南海中南铝等 一批铝合金车轮制造企业迅速建立起来，铝合金车轮迅速在我国得到推广。 到2 0 0 3 年，我国摩托车铝车轮装车率已超过5 5 ，汽车装车率已超过 5 0 2 ”。铝合金车轮正在向轻量化、大直径、宽轮辋方向发展。 国外铝合金车轮的制造方法有多种，但以低压铸造为主，约占全部产 量的8 0 以上四】。另外，还有少数企业采用锻造法、焊接组装法生产。 国内铝合金车轮制造主要采用较低成本的低压铸造工艺，约占全部产 量的8 0 以上；其次是采用最简便的重力铸造工艺，约占其全部产量的2 0 不到。上海金合利采用挤压铸造工艺，其产品质量都有提高，取得了较好 的效果1 2 4 0 5 1 。 2 2 轮毂旋压工艺方案 2 2 1 轮辋旋压工艺方案的选择 设计中旋压机主要是对轮毂轮辐加工，对轮毂加工的工艺方式一般可 采用板材劈开式旋压或用铸( 锻件) 毛坯进行强力旋压成型两种工艺方式。 劈开式旋压工艺是将圆盘状板坯用劈开轮通过分层工艺，使毛坯在中部被 劈成两个等分之后，再用成型轮渐进普旋成型即可；强旋工艺是将铸铝毛 坯或锻造毛坯进行若干道次的强旋成型工艺，旋压达到轮毂型面尺寸要求。 强旋工艺生产出来的轮毂重量比锻造轮毂重量可减轻大约2 5 ，这是因为 强旋工艺可旋制出变截面厚度，在满足车轮强度指标要求的前提下，可适 第2 章铝合金轮毂的成形原理及工艺 当减薄轮毂厚度。根据以上分析和机械的物理特性，选择强力旋压工艺冷 加工一道次成型铝轮毂加工。 2 2 2 轮毂旋压基本原理及工艺路线 轮毂旋压的基本原理：将由平钢板卷制成的圆筒形坯件，放入装在旋 压机主轴上的旋压模的芯模上，定位并夹紧后与旋压模一起随主轴高速旋 转，同时通过旋轮对坯件施力，使坯料流动变形而成形 2 6 】。 旋压机采用一道次旋压成型，其工艺路线为：精密锻造毛坯完全 退火一道次强旋成型固溶时效热处理转数控车间机加成轮毂 成品。 旋压过程如图2 1 所示。 l 旋轮1 l _ 、厂一i 旋轮2 l l j z iz 2l j 一卜 图2 1 旋压过程 f i g 2 - 1p r o c e s so f s p i n n i n g 2 2 3 轮毂材料6 0 6 1 合金铝的旋压性能分析 生产实践表明，所有塑性材料都可以旋压，我国已成功旋压的材料如 表2 一l 所示 2 7 j 。 9 燕山人学上学硕士学位论文 表2 - 1 国内旋压制品常用的材料 t a b 2 - 1m a t e r i a lo fs p i n n i n gp r o d u c e sa th o m e 材料牌号 优质碳素钢2 0 号钢、3 0 号钢、3 5 号钢、4 5 号钢、6 0 号钢，1 5 m n 、1 6 m n 、4 0 c r 、 4 0 a 血2 、3 0 c r m n s i 合金钢 1 5 m r l p v 、1 5 m n c r m o v 、1 4 m n n i 、4 0 s i h 血c r m o v 、2 8 c r s i n i m o w v 小锈钢1 c r l 3 、1 c r l 8 n i 9 t i 、1 c r 2 l n i 5 t i 耐热合金c h - 3 0 、c h l 2 8 、n i c r - m o 、t 2 、h i 6 5 5 、h s n 6 2 - 1 、l 0 2 有色金属硬) 合金1 0 8 、l f 3 、l f 5 、l f 6 、l f l 2 、l f 2 1 、i y 1 2 、l d 2 、l d l 0 、l c 4 、烧 结纯钼、纯钨、纯钽、铌 难熔金属稀有金属 合金、c 1 0 3 c b 2 7 5 、纯钛、t l l 、t b 2 、6 a i 4 v - t i 、纯锆 本次设计的旋压机旋制的轮毂采用6 0 6 1 铝合金，它属于c u m g s i m n 系铝基合金，其化学成份主要有c u ( 0 1 5 o 0 4 】，m g ( 0 4 5 o 0 9 0 ) ， s i ( 0 4 - - 0 8 ) ，m n ( 0 1 5 ) 。该种材料在固溶时效状态下的机械性能指标 为：c t b _ 3 2 0 m p a ，6 5 1 2 ，v b 2 5 ，h b _ 1 2 0 。因此，6 0 6 1 合金铝在固溶 时效状态下的可旋性指标值单道次极限减薄率见下式。 。= ( o 1 7 + ) 1 0 0 = o 2 5 ( 0 1 7 4 - o 2 5 ) x 1 0 0 = 6 0 0( 2 1 ) 这个指标值说明它的可旋性比高强度钢的可旋性要差一些。旋压工艺 中，必要时应适当加热旋压毛坯，工件加热温度3 1 0 。c 3 5 0 0 c 。另外，为 提高铝合会的可旋性，可适当加入一些矿物元素锑和锶。 2 3 旋压工艺方案的实施 2 3 1 工装设计 在轮毅旋压过程中采用的工艺装备主要有芯模和旋轮。 2 3 1 1 芯模设计对于这种长径比很大的工件，芯模悬臂量非常大，它的 圆度、同轴度、止口安装精度以及在工作状态下的刚性都对工件的壁厚等 尺寸产生极为重要的影响，因此我们在芯模转接盘处增加六根筋板以提高 芯模的刚性。同时对安装止口、贴合端面的垂直度以及芯模工作段的圆度、 1 0 第2 章铝合金轮毂的成形原理及工艺 芯模的刚性。同时对安装止口、贴合端面的垂直度以及芯模工作段的圆度、 同轴度也严格要求。 旋压芯模的外形应与工件形状一致，安装在旋压机主轴上，安装方式 是用连接螺栓将旋压模底板与主轴连接盘连接。圆筒旋压属流动强旋。在 加工过程中，芯模承受极大的摩擦力，芯模的硬度、表面粗糙度直接影响 金属的顺利流动、工件内壁表面粗糙度，并防止芯模在旋压过程中因受到 旋压力的作用而产生的变形。因此我们采用7 0 c r 3 n i m o 合金工具钢制作芯 模胎体，其硬度为5 5 6 0h r c ，表面粗糙度为0 4 m 。 2 3 1 2 旋轮设计旋轮是旋压的另一个重要的工艺装备。它的r 圆弧、成 形角等参数直接影响工件的质量精度。因为在旋压过程中我们采用一道次 成形，所以旋轮的成形角及半径都至关重要。既要使工件被“压透”，又要 保证精度。旋轮工作边的圆角半径要选择恰当，圆角半径大，旋轮和工件 坯料接触面积大，旋出的工件表面较光滑，但所需的旋压力也大；反之， 接触面积小，需要的旋压力也小，但工件表面易出现沟槽( 旋纹) ，影响工件 表面质量。一般旋轮工作边圆角半径应随旋轮直径的增大而增大。所以考 虑各个因素，我们在旋程中分别使用r 1 8 2 2 5 。、r 1 8 1 8 0 旋轮，同时增大变 形区域，减小直径差，提高母线直线度精度。 同样，旋轮也应该具有很高的硬度和表面质量，我们采用冷作模具钢 c d 2 m o v 制作旋轮，其硬度为5 5 - - 5 8h r ，表面粗糙度0 ，4l a m 。 2 3 2 旋压工序工艺参数 ( 1 1 旋压力 旋压力分为轴向旋压力和切向旋压力。它们都由交流伺服 电机提供。切向旋压力受主轴功率限制，切向力过大，主电机超载，电流 很大，会造成闷车。旋压力是设计旋轮的依据之一。旋压力可以按有关公 式进行计算或由试验得出。旋压力与旋簿量、进给量的大小有关。旋簿量、 进给量越大，所需的旋压力就越大。 ( 2 ) 进给量旋压时旋轮的进给量s 是旋压工序的一个重要的工艺参数 2 8 1 ，可由下式计算。 s = 1 0 0 0 y n( 2 2 ) 燕山大学_ r = 学硕士学位论文 式中，哟旋轮的轴向工作进给速度( 米分) ， 为旋压机主轴工作转速( 转 分) 。 旋轮的工作进给速度v = o o 1 米分，主轴转速n 选定后即可计算出进 给量。当进给量和主轴转速已定时，也可计算出进给速度玑根据工件旋压 长度，则可以计算出旋压所需的时间。 进给量要选择恰当。进给量大，可以减少加工时间，提高生产率，但 进给量越大，所需的旋压力也就越大，同时会降低工件表面质量。一般进 给量应随旋簿量的增大而减小。 2 4 本章小结 本章主要介绍了铝合金轮毂的成形原理与旋压工艺方案。首先进行轮 辋旋压工艺方案的选择，在选择了强旋冷旋压一道次成型方案后，阐述了 旋压成形的基本原理，并对轮毂材料进行了分析。随后根据旋压工艺对工 装进行设计，其中包括芯模与旋轮。最后对旋压机的旋压力和进给量进行 了分析。 1 2 第3 章数控旋压机床的系统结构 第3 章数控旋压机床的系统结构 3 1 机床结构介绍 本次设计的数控旋压机床是一种中小型旋压机，主要用于车轮毂的旋 压成型。旋压成型方式主要是普旋中的拉伸旋压和强旋中的锥体剪切旋压。 纵向伺服进给分别为y 1 轴和y 2 轴，横向两个旋轮呈1 8 0 。布置，分别为z 1 轴和z 2 轴。加工时横向z 1 轴和z 2 轴分别同时与纵向y 1 轴和y 2 轴进行插补， 满足旋压工艺的要求。系统构成如下。 第一，主轴传动箱。此部分包括主轴及传动装置。主轴由两台交流伺 服电机驱动。电机经皮带的传动机构带动主轴旋转。 由于旋压时主轴会承受一定的径向旋压分力和轴向旋压分力，从而引 起一定的弹性变形( 主要是弯曲绕度、扭转等) 或热变形( 热旋时) ，因此，主 轴及有关零件的强度和刚度应根据单旋轮工作时最大径向分力和双旋轮工 作时最大轴向分力，以及尾座顶紧力和最大扭矩进行计算。计算结果表明， 主轴具有足够大的刚度，完全可以满足旋压精度的要求。 根据力学计算和具体结构，在主轴的前支点处装有一个3 5 3 0 型双列向 心球面滚珠轴承，其能承受的动载荷大大超过实际承受的载荷，而且，此 轴承具有自动调心作用，其内环带有的承载能力也是足足有余的。主轴上 装的一个8 3 2 2 型推力球轴承用来承受最大轴向旋压分力和尾顶杆最大顶紧 力的合力，另一个8 1 2 2 型推力球轴承承受向尾座方向旋压时的轴向旋压分 力，或承受卸下芯模( 工件) 时顶出油缸的顶出力。这两个推力轴承的承载 能力也有很大的富裕量。 主轴头部设计成由7 5 0n - l i l 的法兰形式。芯模或中间卡盘与此法兰用 螺栓固紧。主轴是空心的，其头部中有一个锥度为1 ：6 的锥度和一个圆柱孔， 它们分别用来与芯模配合或起定心作用。此外，在法兰上还各有两个锥销 孔，用锥销和定心锥孔结合面( 产生摩擦力矩) 来传递负载力矩。 在主轴尾顶附近，装有一个顶出油缸和水冷装置。顶出油缸用来卸下 燕山人学工学硕士学何论文 芯模和工件，而水冷装置是用于旋压时冷却主轴端部及有关的轴承与零件。 水冷装置是由两根套在一起的不锈钢管组成，其问保持一定的间隙。冷却 水经内管流到主轴前端部，而已吸热的水由两管间的间隙排出。 第二，旋轮座。左、右旋轮座结构相同，对称配置在主轴轴线两侧， 它们都是用来装夹旋轮，并能沿横向和纵向运动，以完成旋压过程的工作 循环。旋轮直径一般随工件尺寸的增大而增大。旋轮工作面的形状应与工 件外表面形状一致。为了适应工艺上的要求，旋轮的安装角度攻角可 以改变。 关于双旋轮的同步问题，在设计中是这样考虑的：若以一个旋轮座( 例 如右旋轮座) 为参照系，则左旋轮座跟随变化。因此，只需将它们的位移差 检测出来，通过一定环节予以补偿纠正，就可实现同步。位移检测装置( 即 “同步协调装置”) 由一个自整角机与其传动机构组成，传动机构的一个齿 轮通过一个滑轮与固定的齿条齿和，而同步协调装置装在可纵向移动的旋 轮座上，跟随其运动。纵向进给时，上述两个齿轮的转动使自整角机也转 动。这样的装置在左、右旋轮上各装有一个，但其中一个为发送机，另一 个为接收机。两个自整角机发出的信号经过鉴别比较、放大等环节输入左 旋轮座的电机和随动阀指令机构，使其得到补偿跟随。根据策动，全程不 同步度在0 2i n r n 左右，完全满足强力旋压工艺的要求。 第三，c n c 装置。要组成用于旋压的c n c 装置，既要有对大量数据处 理能力，又要有实时控制功能，而目前市场上流行的工业p c 机的硬件配置 偏于数据系统，对实时控制支持不足。因此，应采用多处理器结构，将管 理层与控制层分开，这样人机界面和控制效果都很好，抗干扰能力强，可 靠性高。本项目采用的c n c 系统西门子8 4 0 d 数控系统具有这些优点。 相应的软件部分根据用户要求并结合数控旋压系统的特点，主要分为 在线实时控制系统和离线道次规划图形编程系统两大部分。离线规划部分 主要是采用图形编程方式，完成道次规划数据生成及工艺参数、系统参数 的输入与修改等功能。在线控制部分主要是实现旋轮轨迹的真正再现及原 点复位、故障检测、报警、位置数据采样及调节等功能，即主要是实现旋 压机床运动过程中的相应功能。 1 4 第3 苹数控旋压机床的系统结构 第四，驱动装置。这里所讨论的驱动装置主要是指旋轮进给的驱动。 它采用两台交流伺服电机作为伺服系统的执行部件。通过编码器进行位置 检测，实现闭环控制，与纵向伺服驱动系统相互插补，满足旋轮加工轨迹 的要求。由于两个旋轮在旋压的过程中，既有错距的需求又有同步的要求， 这就要求每个旋轮各自与级向进行相互插补，各走自己的旋压轨迹曲线。 第五，上、下料系统。上料系统采用机械手自动上料。机械手通过多 个油缸驱动旋转轴、四连杆机构，实现机械手的旋转、伸缩、上升、下降、 旋转、夹紧和松开等功能动作。上料时机器手直接夹持毛坯套在尾顶的定 位销上，下料时机器手夹持工件放到下一个工位上，可以实现与锻压设备 连线、同步节拍生产。 在工件旋压结束，尾顶、旋轮退回到原位后，顶料缸自动顶料后并退 回，把旋制的工件从芯模上卸下来，然后由机械手取出旋制好的工件。 3 1 1 机床的特点 机床的结构特点主要如下。 ( 1 ) 结构紧凑，占地面积小，采用西门子8 4 0 d 数控系统，非生产时间极 短，工具费用低，生产率高，产品质量均匀。 ( 2 ) 传给旋轮和芯模的热量少，因此冷却剂消耗少。冷却剂的循环按旋 压机自动周期控制。防护装置可以防止喷浇工件表面的冷却剂飞溅。 ( 3 ) 床身具有特别高的刚性结构，因而能保持极高的精确度。 ( 4 ) 坯料液压对中装置能简便、精确而迅速地将坯料置于工作位置。 ( 5 ) 所有滑动面都采用自动润滑。 此旋压机加工轮毂的过程如下。 ( 1 ) 操作者将坯料放入旋压机的对中装置中。 ( 2 ) 尾顶自动合模，将坯料压到芯模上。 ( 3 ) 电机带动主轴和芯模回转，同时，冷却剂被输入到芯模和坯料之间。 ( 4 ) 旋轮进给到坯料上变形的起始点。 ( 5 ) 旋轮对坯料进行旋压加工，使其产生连续的塑性变形而成车轮毂的 形状。 燕山人学上学硕士学佛论文 f 6 ) 旋轮退回。 f 7 1 切断电机，制动主轴，中止冷却剂的供给。 ( 8 1 尾顶自动开模。 ( 9 1 旋轮架回到初始位置。 ( 1 0 ) 顶出器将旋好的零件从芯模上项下。 ( 1 1 ) 操作者取下成品。 3 1 2 机床的主要陛能技术指标 立式旋轮个数：2 旋轮径向行程：2 2 5 唧 旋轮轴向行程；5 0 0 m m 传动形式：滚珠丝杠 径向力：2 0 吨 轴向力：2 0 吨 尾顶力：3 0 吨 尾顶行程：6 5 0i n l t l 主轴转数：0 - 8 0 0r p m 无级可调工件直径范围：3 0 0 6 0 0 n l r l l 控制形式：c n c 数控5 轴联动 控制系统：德国西门子8 4 0 d 液压系统：德国力士乐产品 生产拍节：1 件分钟 3 2 数控系统选择的基本原则 为了使数控系统与机床相匹配，在选择数控系统时应遵循以下几条基 本原则1 2 9 】。 第一，根据数控机床类型选择相应的数控系统。一般说来，不同类型 的数控系统是适应于车、铣、镗、磨、冲压等不同的加工类别，选择时要 有针对性。 1 6 第3 章数控旋压机床的系统结构 第二，根据数控机床的设计指标选择数控系统。数控系统的性能差别 很大，价格上可相差数倍。选用时应该对系统的性能和价格等做一个综合 分析。 第三，根据数控机床的性能选择数控系统的功能。一个数控系统具有 许多功能，有的属于基本功能，系统中本来就已经具备；有的属于选择功 能，用户选择后由供货方提供。数控系统生产厂商对具有基本功能的系统 定价比较便宜，而对有选择功能要求的系统却相对较贵。所以，对于选择 功能一定要根据机床的性能需要加以选择，否则会使产品的成本大幅度增 加。 第四，订购系统时要考虑周全。订购时把需要的系统功能考虑全面， 对于那些价格增加不多，但对使用会带来许多方便的功能，应该适当配置 齐全，附件也应成套配置，保证机床到厂后可立即投入生产。切忌因漏订 功能而使机床功能降级或不能使用。用户选用机床数控系统种类不易过多、 过杂，否则会给使用和维修带来极大困难。 3 3 西门子8 4 0 d 数控系统选择的可行性分析 西门子8 4 0 d 是西门子公司2 0 世纪9 0 年代推出的高性能数控系统。它是 建立在综合系统平台上，通过系统设定功能而适用于所有的控制系统口州。 它采用全数字模块化数控设计，用于复杂机床和传送线。最大可控锖1 1 31 个 坐标轴，其中可有1 0 个主轴。最多可有1 0 个方式组，1 0 个加工通道j 。其 系统的开放性，如p l c 、h m i ( 人机对话单元) ，尤其是h m i 的开放性可使机 床更具特色功能。 西门子8 4 0 d 、6 1 1 d 数字驱动系统和s 7 可编程控制器一起，构成了一个 全数字控制系统，用于各种复杂零件加工，并具有优于其他系统的动态品 质和控制精度。使用西门子8 4 0 d ，将具有一个集成的控制解决方案，大大 提高了企业的生产效率。它保持西门子前两代数控系统西门子8 8 0 和 8 4 0 c 的三个c p u 结构：入机通信c p u ( m m c - c v u ) 、数字控制c p u ( n c - c p u ) 和可编程逻辑控制器c p u ( p l c c p u ) 。三部分在功能上既相互分工，又互为 支持。西门子8 4 0 d 系统的组成如图3 - l 所示。 1 7 燕山大学工学硕士学位论文 图3 1西门子8 4 0 d 系统的组成【3 2 】 f i g 3 - 1s i e m e n s 8 4 0 ds y s t e m sc o m p o s i n g 相对于前几代系统，西门子8 4 0 d 具有以下几个特点【3 3 1 。 ( 1 ) 数字化驱动在8 4 0 d 中，数控和驱动的接口信号是数字量，通过 驱动总线接口，挂接各轴驱动模块。 ( 2 ) 轴控规模大最多可以配3 1 个轴，其中可配1 0 个主轴。 ( 3 ) 可以实现五轴联动8 4 0 d 可以实现x 、y 、z 、a 、b 五轴的联动加 工，任何三维空间曲面都能加工。 ( 4 ) 操作系统视窗化8 4 0 d 采用w i n d o w s 9 5 作为操作平台，使操作简 单、灵活，易掌握。 ( 5 ) 软件内容丰富功能强大8 4 0 d 可以实现力i t ( m a c h i n e ) 、参数设置 但a r a m e t e r ) 、服务( s e r v i c e s ) 、诊断( d i a g n o s i s ) 及安装启动( s t a r t u p ) 等凡大软 l 窖 第3 章数控旋压机床的系统结构 件功能。 ( 6 ) 具有远程诊断功能如现场用p c 适配器、m o d e m 卡，通