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球销类零件滚压铆接设备的关键技术研究 摘要 球销铆接机是加工汽车球销类零件的专用设备。现存的铆接机由于控制精度 不高，控制方式单一等原因导致产品出现质量不稳定，废品率较高等问题。论文 对铆接工艺进行了研究，结合零件的质量要求及实际加工的特点，提出了滚压铆 接方式；根据产品扭距的要求，提出并采用了扭动力矩的实时检测及反馈控制技 术，建立了球销扭距的数学模型进行理论分析，并提出了动态测量方法，设计了 测量机构；针对控制系统响应速度快、无超调量、稳定性好等要求，采用了电液 伺服控制技术，并结合p i d 控制算法；由于设备运行有稳定性和可靠性的要求， 采用上下位机级连控制，工控机作为上位机进行全系统的监控和管理。p l c 作为 下位机，可以执行有效的分散控制；在零件数学模型及加工特点的研究基础之上 提出设备的工作原理，根据工作原理进行设备的总体规划设计，再将其分为液压、 机械、电气三个子系统进行设计，研制开发了一台全新的综合了液压、先进制造、 检测与控制、计算机与网络等相关技术与学科的球销类零件滚压铆接设备。最后 通过大量的实验来对前面理论分析及方案设计进行验证，并对考虑不完善的部分 提出改进的建议，为设备性能的进一步优化提供指导。 通过对设备的加工工艺，控制方式，控制策略等方面进行研究设计，开发了 具有高技术装备的高性能电液系统。以期达到能够保证产品质量的稳定性，提高 生产效益，增强在国际市场竞争力的目地。 关键词：球销类零件滚压铆接扭动力矩伺服控制p i d 电液系统 登壁鲞至竺鲨里塑堡堡墨竺差堡垫查堕窒 a b s t r a c t b a l l - j o i n tr i v e t i n gm a c h i n ei st h es p e c i a ld e v i c ew h i c hm a n u f a c t u r e sb a l l - j o i n t p r o d u c t so fa u t o m o b i l e p r o d u c t sa l w a y sh a v el o wq u a l i t ya n dh i g hw a s t e rb e c a u s eo f t h er i v e t i n gm a c h i n e sl o wc o n t r o lp r e c i s i o na n ds i m p l e xc o n t r o lm e t h o d r o l l - r i v e t i n g t e c h n i q u ew a sp r o p o s e db a s e do na n a l y z i n gt h et e c h n o l o g yo fr i v e t i n ga n dp r o d u c t s s f a b r i c a t i n gc h a r a c t e r i s t i c t o r q u esm e a s u r i n ga n df e e d b a c kc o n t r o li nr e a l t i m ew e r e p r o p o s e da n da p p l y e d o nd e m a n d so ft h ep r o d u c t s ，e s t a b l i s h e dt h eb a l l - j o i n t m a t h e m a t i c s m o d e l ，p r o p o s e d t h e d y n a m i cm e a s u r i n g m e t h o da n dd e s i g n e d c o n f i g u r a t i o n e l e c t r o h y d r a u l i c s e r v oc o n t r o ls y s t e ma n dp i da r i t h m e t i cw e r e p r o p o s e d ，w h i c hm e tt h er e q u e s to ff a s tr e s p o n s e ，n o n - o v e r s h o o ta n dh i 【g h c o n t r o l p r e c i s i o n o nm cd e m a n do fd e v i c e ss t a b i l i t ya n dr e l i a b i l i t y , a c t u a l i z e d t h es e r i e s c o n t r 0 1 p cm o n i t o r sa n dc o n t r o l st h ew h o l es y s t e m ，w h i l es 7 2 0 0s e r i e sp l ce x e c u t e s d i s p e r s i v ec o n t r 0 1 d e v i c ew o r k i n gp r i n c i p l ew a sp r o p o s e do nt h eb s a eo fr e s e a r c h i n g t h ep r o d u c i n gt e c h n o l o g ya n dc h a r a c t e r i s t i c ，t h ew h o l ed e v i c ew a sc o m p a r t m e n t a l i z e d i n t oh y d r a u l i c ，m e c h a n i s m ，e l e c t r i c a lt od e s i g n an e wr o l l i n gr i v e t e ri nb a l l - j o i n t p r o d u c t sm a n u f a c t u r i n g w a s p r o d u c e d w h i c h c o m p r i s eh y d r a u l i c ，a d v a n c e d m a n u f a c t u r e ，m e a s b r e a n dc o n t r o l ，c o m p u t e rn e t w o r k t e c h n i q u e s a tl a s t ，l o t s o f e x p e r i m e n tr e s u l tt e s t i f i e dt h et h e o r ya n a l y s i sa n db l u ep r i n t ，s u g g e s to fi m p r o v e m e n t w a sb r i n g e df o r w a r d , i n t e n t e dt oo p t i m i z ed e v i c esp e r f o r m a n c e o nt h eb a s eo fr e s e a r c h i n gt h et e c h n o l o g yo fr i v e t i n g ，c o n t r o lm o d ea n dc o n t r o l a r i t h m e t i c ，e l e c t r o - h y d r a u l i cs y e t e mo fh i g ht e c h n o l o g ya n dh i g l lc a p a b i l i t yw a s m a n u f a c t u r e d ，i t sa i mw a st oi n c r e a s ee f f i c i e n c ya n de n h a n c et h ep o w e ro f c o m p e t i t i v e k e yw o r d s ：b a l l - j o i n tp r o d u c t s ；r o l l i n gr i v e t e r ；t o r q u e ；s e r v e oc o n t r o l ；p i d ； e l e c t r o - h y d r a u l i cs y s t e m 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 饱人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获缛逝垄叁茎或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者躲参蚺签字魄加- 7 年6 月f 争日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝垄盘鲎有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阀。本人授权逝望盘生可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 签字嗍川年6 啦明 月f 垆 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 蜘鳓的萎j f j 蜀 扣辑筠鳓城硌坛 导师签名 红 签字嗍吁1 月【p 同，l 蛳，j 口，；巾夕l 邮编：b 黟 第一章绪论 1 1 铆接技术的发展 第一章绪论 铆接技术作为金属结构零件相互联结的方法，适用于铆钉的联接，零件的翻 边和封口、永久连接等。在精密机械、纺织器材、钢制家具、建筑五金、高低压 电器、汽摩零配件、五金工具、飞机制造维修等行业中有着广泛的应用。生产实 践表明，铆接材料以铜、铝、低碳钢、中碳钢及不锈钢居多。 在铆接技术的发展中，最早出现的是冲压铆接，其工艺方法为：铆头在垂直 方向作上下运动，利用其产生的巨大压力将被铆件铆合在一起。在汽车车身的制 造中需要轻金属与非金属的联结，冲铆工艺存在大量的应用“。汽车车身制造中 冲铆工艺与点焊工艺的质量比较如下： 比较项目冲压铆接点焊 连接方法与过程机械方法，无热量交换，焊接方法，有热量交 通过压力变形连接换，通过金属熔化 连接材质能连接多种金属和有镀只适合复合钢材 层的金属 密封效果好一般 连接层数 2 42 静应力低高 模具寿命次 l 1 0 5 2 1 0 52 5 0 0 能量消耗小大 表1 1 冲铆与点焊工艺的比较 另外冲压铆接的疲劳极限要高于点焊，所以冲压铆接在加工上有一定的优势，又 由于该工艺有加工时间短、效率高、操作简单等特点，为车身的快速生产和实现 大批量流水线作业提供了条件“1 。 但冲压铆接也存在一定的缺陷，主要表现为：铆接力过大( 一般在3 5 0 k n 6 3 0 k n ) 和瞬间变形等原因，材料往往出现变形不均匀、密封不严的现象，而且被 铆件上留有剩磁，产品使用时，铆接空隙会吸引许多灰尘和污垢，影响性能。 第一章绪论 壶留童殛罗 图1 1 冲压铆接图1 2 摆碾铆接 2 0 世纪7 0 年代出现了摆碾铆接技术，其挤压过程与冲压铆接有较大区别， 工艺方法为，铆头轴线与被铆件轴线成一定夹角。铆头铆接时，每次只接触工件 的一个点区域，在较小的压力作用下使之变形，然后通过摆动将变形区域扩展到 整个变形端面，从而完成整个端面的变形，几乎不产生冲击”1 。 这种铆接原理同普通方法的工艺特性相比：靠连续的局部变形使被铆件成 型，离轴心越远其所施压力越大，这恰恰符合材料变型的自然规律。由于摆碾铆 接是在被铆件表面作摆动，使工件表面的变形顺从金属自然流向，不会降低材料 的缺口冲击韧性和延展性，铆后材料无折断纤维流，能提高承载能力”1 。此外， 还可以控制摆辗铆接力，实现定时、定压铆接。 摆碾铆接也存在一定的缺点：被铆件长径比不能太大，否则加工容易出现缺 陷；由于机架受偏心载荷作用，铆头轴承工作条件恶劣。 此外，还出现了滚压铆接技术。其工艺方法为：利用回转成型模具使金属变 形达到联结的效果。滚压过程中，滚轮对被铆件逐点压下，近似点接触，单位力 较大，适合加工高强度难变形材料。由于所需总变形力较小，从而使功率大大降 低。被铆件的金属晶粒在三向变形力( 切向、径向、轴向) 的作用下使品格结构存 在应变，强度大大提高；滚轮不仅对滚压的金属有压延的作用，还有整平的作用， 因此制品表面光洁度高。 除圆筒形，圆锥形等回转体零件外，其他复杂形状零件用该法加工往往是不 经济或难以加工的。此外，大批生产的简单零件用该法时间较长，生产效率较低。 2 0 世纪9 0 年代出现了t o x 圆点连接铆接技术。该技术是利用t o x 气、液增力缸 式冲压设备和一种独特连接模具，通过一个冲压过程，依据板件本身的工艺性能 挤压成形，形成t o x 圆点“1 。它可将厚度不同的两层或多层板连接起来，对板件 表面无任何要求，自动化程度高。此后，陆续出现了摆碾t o x 圆点连接，t o x 圆点 与液压成形相结合的铆接，自穿孔铆接与液压成形相结合的铆接，无腔铆接等新 技术“1 。其中t o x 圆点与液压成形相结合的铆接工作原理为；它没有采用铆接冲 头，以高压液体直接作用取代冲头铆接。先在夹紧件上加工了一个圆孔，开始时 低压液体压住液压成形件与被连接件，使夹紧件与被连接件结合；在高压的作用 下液压成形件与被连接件进一步贴合，并向夹紧件孔内变形，实现t o x 连接。 2 第一章绪论 图1 3t o x 圆点 图1 4 摆碾t o x 圆点连接 图1 5 自穿孔铆接与液压成形 随着科技的进步，铆接技术也在不断的发展，其现代化应用对提高劳动效 率、经济效率都有着很重要的现实意义。 1 2 铆接设备的概况 1 2 1 铆接机的分类 铆接机是铆接加工中重要的技术装备，与铆接工艺的互存、互动关系非常突 出，铆接工艺的改进或者采用新的技术，都要与之相应的或新型的铆接机作为技 术支撑。所以，在铆接技术的发展进程中，铆接机始终担负着重要的角色，起着 积极的、直接的推动作用。生产过程即是铆接机和被铆件两大要素进行有权组合 并加以运用同时加上各个参数的调节和控制的过程。铆接机是生产中重要的基础 技术装备，对产品的质量、生产效率、运行成本、劳动强度等有着直接的影响。 目前，国内外各种形式的铆接机较多，按铆接原理分：有冲压式、径向式、摆辗 式、滚压式；按结构形式分：有立式机型、台式机型、卧式机型、落地式机型、 悬挂式机型；按系统驱动类型分：电动式机型、液压式机型、气压式机型。 第一章绪论 图1 6 卧式机型 图1 8 液压式 i 2 2 铆接机的控制系统 圈1 7 径向系列 图i 9 气压式 近年来，随着计算机技术的发展，特别是微型计算机的普及和应用，为铆 接机工艺参数的检测和控制提供了良好的物质基础。在铆接机控制方面逐渐使用 可编程控制器来取代继电器、接触器。微型计算机也开始出现在铆接机生产的管 理之中，与可编程控制器组成一个分级控制系统，对工艺参数实现自适应或闭环 调节，进而发展到应用微型计算机组成分布式控制系统对整个生产车间的控制和 管理。 铆接机控制方式有： 1 可编程控制器( p l c ) 控制方式 由p l c 结合按钮开关、行程开关和其他辅助开关一起来完成动作控制的，其 典型的控制框图如图所示。 4 第一章绪论 圈1 1 0 可编程控制器控制框图 它以p l c 作为中央处理器，由中央控制器、输入装置、输出装置、执行系统 四部分组成。其作用是通过预先编好的程序对铆接工序进行顺序控制，来满足控 制系统对工艺流程的要求。输入装置是检测输入信号的，并把各种输入信号转换 为电信号，输入至i j p l c 中央控制器的元件中。输出装置是接受中央控制器发出的 输出信号，保证相应动作节拍，完成各工序的要求。但其缺乏良好的人机界面， 不利于参数的设定与修改。 2 工控机( i p c ) 控制方式 工控机控制系统主要由工控机、开关量输入板、开关量输出板、模拟量输入 板、继电器板及其外围辅助电路构成。工控机主要完成控制指令的发出和模拟量 的运算。具体控制过程：由行程开关和控制按钮发出的开关信号指示出目前所作 的动作，经过开关量输入板进入工控机，通过定期读取工控机的相应端口，可检 测到铆接机工作的状态，通过逻辑运算，形成相应的开关量输出，再通过输出继 电器板控制铆接机电磁阀通断电，控制铆接机的动作。由于其良好的图形界面， 完整的故障诊断给操作和维修带来了极大的方便，同时也提高了生产效率。但由 于工控机的稳定性不是很高，万一出现故障，会影响整个生产过程的正常进行。 图1 1 1 铆接机的工控机控制框图 第一章绪论 3 两级控制方式 两级控制方式采用p l c 做下位机、工控机做上位机，采用通信的方式进行级 连控制。下位机作为直接控制单元来控制设备的基本动作，而上位机主要完成检 测信号的采样、数据运算处理、动作监控、反馈控制、画面显示、报警等工作。 在控制过程中，工控机一直对铆接机的关键工艺参数进行检测和数据处理，并根 据数据处理的结果来控f i i i j p l c 和其他动作执行元件，使铆接机的工艺参数保持在 设定的范围内。 输岿g 图1 1 2 铆接机两级控制方式的控制流程图 从控制流程图可以看到两条闭环控制路线：一条直接作用于执行元件；一条 作用于p l c 。由于这两条闭环控制线路的存在，使微机控制铆接机能够在一些重 要工艺参数偏离设定范围时自动进行调整，使其保持在设定范围内。 有数据显示，中国汽车制造业正以每年平均2 4 5 的速度在增长，2 0 0 6 年我 国民用汽车社会保有量已超过2 9 0 0 万辆。旺盛的汽车消费市场是汽配销售市场的 原动力，由此亦使包括汽车用品、汽车配件在内的汽车后市场有着很大的消费潜 力。如此庞大的汽车消费市场，必然带动整个产业链的发展，其中汽车零配件首 当其冲，如今全国每年的汽车零配件成交额达n s o o o 亿元。 由于铆接工艺的特点，比较适合转向器、球销( 球接头) 、刮水器、制动器、 离合器、后门撑杆、门铰链、玻璃升降器、化油器、手制动器等汽车零配件的制 造加工，所以铆接机的开发研制具有广大的市场前景。 1 3 论文研究内容及意义 1 3 1 论文研究背景与研究目标 在汽车零配件行业中，生产球销类的企业占了2 0 。球销产品是汽车的重 要部件和安全件，对汽车整体的性能起到了关键的作用，在加工上应具有足够的 强度、刚度和使用寿命。而作为众多工序中的关键工序球销封口属于翻边联结， 在加工上普遍采用冲压铆接，部分采用摆碾铆接。球销产品的一项重要技术要求 6 第一章绪论 是球销绕纵轴的扭动力矩值，扭动力矩也就是球碗与球销之间的摩擦力矩，由于 球头的光洁度很高，可以认为它们的摩擦系数恒定，所以最终决定值大小的是球 座对盖板的压紧力”1 。 从结构上看出，球座通过翻边将盖板压合。由于产品的扭动力矩有定量要求， 用于加工汽车球销类产品的球销铆接机一般对下行铆接力进行控制，其方式有： 1 ) 限压式；通过普通阀或者压力继电器控制铆头的下行压力，间接控制铆接 力。 2 ) 行程控制：控制铆头行程，间接控制铆接力。 图1 1 3 球销结构图1 球销2 。球座3 球碗4 盖板5 垫片 也有将两种方式结合即以行程控制为主，辅以对铆头的下行压力进行闭环控 制。实际生产中：由于个别工件尺寸偏差较大的缘故，扭动力矩难以保持一致； 工件翻边收口、铆合后相关配合间隙控制困难，易造成漏油现象；所以这几种方 式的控制效果不甚理想。 通过对零件的研究发现：铆合后扭动力矩是关键，其次是外观和气密性的要 求；所以将扭动力矩值作为控制系统设计的主要考虑对象，提出对扭动力矩采取 实时测量并反馈控制的方式，辅以对系统压力的闭环控制，即采用力矩和压力的 双闭环控制来达到所需的精度要求。 根据球销类加工企业对产品的质量要求，确定论文的研究对象为球销类零 件铆接设备的关键技术，期望达到的研究目标包括： 1 、根据球销产品的特点建立数学模型，从理论上分析扭动力矩，为实际动 态测量提供指导； 2 、考虑到零件的加工质量及扭动力矩的实时控制，对铆接工艺进行研究， 提出适合本设备加工特点的工艺方法。 3 、研制开发一台全新的集液压传动、先进制造、检测控制、计算机网络等 相关技术与学科为一体的球销类产品加工专用设备。 7 第一章绪论 4 、提出合适的控制方式及控制策略达到对压力及扭力的闭环控制，使其满 足响应速度快、无超调、稳定性好等指标： 5 、建立上下位机级连系统，使设备具有良好的人机界面和自动记录装置； 1 3 2 主要研究内容和关键技术 论文从汽车球销类零件铆接专用设备的关键技术出发，主要研究内容包括： 1 、扭动力矩的数学模型分析 在汽车球销类零件的铆接加工中，现存的球销铆接机中都没有对被铆件的扭 动力矩进行实时控制，而扭动力矩作为检验产品是否合格的一个重要标志，如果 在加工中能够控制其大小，则对设备的性能具有很大的提高。论文通过建立被铆 件的扭动力矩数学模型进行理论分析。 2 、球销类零件的铆接工艺研究 研究过程中发现铆接工艺对球销类产品质量起到决定性作用，而且不是所 有的铆接工艺在加工过程中都能对扭动力矩进行动态测试，所以需要对常见的几 种铆接技术进行研究。 冲压式铆接由于是一次挤压成形，产品扭动力矩的渐变是瞬间完成，而且 其加工质量已难以适应较高的要求。 摆辗铆接虽然比较成熟，产品加工效果也较理想，但存在径向铆接力，不 适用于加工过程力矩的动态测试，但其铆头旋转实现点接触，表面加工质量较好 的优点可以借鉴。 滚压铆接中，滚轮在垂直方向模拟滚刀对工件表面进行滚动达到变形的效 果，铆后产品无折断纤维流，能提高承载能力，加工效果较理想；其加工方式是 逐步成形，且不存在径向力，比较符合本设备的加工特点。但由于涉及到后期系 统参数，工艺参数的选择，需要对滚压铆接的工艺特点、零件受力过程中变形分 析、滚压力等做深入研究。 t o x 圆点连接铆接、摆碾t o x 圆点连接、无腔铆接等新技术大都用于铆钉 的铆接，而没有在球销产品加工上的应用。 3 、铆接设备的研制 在零件数学模型及加工特点的研究基础之上提出设备的工作原理，根据工作 原理进行设备的总体规划设计，再将其分为液压、机械、电气三个子系统进行设 计。液压子系统包括液压原理图的设计、系统主要参数p 、q 值的计算；机械子 系统中根据设备加工特点设计扭动力矩的动态测量方法及测试机构；电气子系统 包括强电部分电路设计、保护装置电路设计、上下位机软硬件设置、通信系统的 设计等。 第一章绪论 4 、上下位机级连控制 采用上下位机级连控制，工控机作为上位机可以提供良好的人机界面，进行 全系统的监控和管理：p l c 作为下位机，可以执行有效的分散控制。工控机一般 用于参数设定与修改，现场的控制执行者为p l c 。即使工控机出现故障，也不会 影响整个生产过程，大大提高了系统的可靠性。 5 、控制方式与控制策略的研究 在现行球销铆接机的控制系统中，由于零件尺寸缘故，加工后产品扭动力矩 波动范围较大，往往不能满足精度要求较高的场合。根据以往项目中控制系统设 计的经验及前期类似控制系统知识的积累，对所选择的控制系统采用力矩和压力 的双闭环控制方式，针对实际工况选用合适的控制方式和控制策略，以期把力矩 控制在一个较小的波动范围内，避免加工过程中出现封盖铆接过松或者太紧的情 况。 主要关键技术包括： 1 、滚压铆接工艺 考虑到产品外观、密封性及扭动力矩实时控制等要求，加工过程零件的翻边 为逐步成形，且不应存在径向铆接力的特点，提出采用滚压铆接的加工方式，并 从工艺特点、零件受力分析、滚压力等方面研究，该工艺完全适合本设备对加工 方式的要求。 2 、扭动力矩的实时控制 提出并实现了扭动力矩的实时测量及反馈控制，按照传感器采集到的扭力值 信号连续、实时地控制伺服阀的开度，对每个零件都根据扭力设定值来控制铆接 的程度。比起原先的开环控制具有响应速度较快，控制精度较高的优势，在考虑 零件本身公差波动较大的情况，能够将产品扭矩控制在相当小的误差范围内，满 足加工一致性的要求。 3 、电液压力伺服控制 根据零件铆接的特点，系统压力控制有无超调、上升时间短、响应速度快等 要求，提出并实现了通过电液伺服技术来达到控制要求。由伺服阀、伺服阀放大 器、压力传感器构建电液伺服压力控制系统，并根据所选元件的传递函数建立数 学模型进行仿真研究，再根据实际加工条件修正控制参数。 1 3 3 研究意义 汽车球销类产品有很大的消费市场，所以球销铆接装备的生产有广阔的发展 前景。但现行的铆接机在控制方式、控制精度上存在一定的缺陷，导致产品无法 达到很高的质量要求。如果能够解决扭动力矩控制精度及外观的问题，那么产品 9 第一章绪论 在技术含量上有了很大的提升，较国外同类设备重新具备了竞争优势。本论文的 研究旨在提升相应产品质量水平，降低行业总体成本，提高球销类产品n q - 企业 的竞争力。 论文从产品的加工特点出发，基于控制对象及控制目标的考虑，在对多种铆 接工艺研究的基础上提出了滚压铆接技术；并对液压系统进行重新设计，采用了 电液伺服控制技术，根据设备特点使用p i d 控制策略，旨在提高控制的精度及响 应时间；在电气系统设计中采用上下位机级连控制，提高系统的稳定性与可靠性。 此外针对衡量产品是否合格的标准一一扭矩大小，系统采用了扭动力矩的实时检 测及反馈控制，最终需要研制一台全新的集液压传动、先进制造、检测控制、计 算机网络等相关技术与学科为一体的球销类产品滚压铆接设备。设备通过在测试 机构，控制方式，控制策略等方面的设计提高系统的稳定性，保证产品质量的稳 定性，提高生产效益，增强在国际市场的竞争力。 1 4 本文组织结构 本文主要由七个章节构成； 第一章：介绍课题的研究背景与意义，阐述了铆接工艺的发展，铆接机的分 类及控制系统，在此基础上提出论文的主要研究内容及关键技术。 第二章：针对产品合格的主要衡量标准一扭动力矩，将其分成摆动力矩和转 动力矩两种类型，分别建立数学模型给出理论分析。 第三章：对滚压铆接工艺进行了研究。从工艺特点，球销类零件的受力变形 过程及在假设条件下的滚压力入手进行分析，并对滚铆和冲铆方式下加工的产品 进行质量比较。 第四章：介绍了开发研制的滚压铆接机的工作原理及总体指标，并从液压、 机械、电气三个子系统的设计进行详细阐述。 第五章：介绍了液压系统所采用的控制技术，就电液伺服压力系统的特点， 采用了经典的p i d 控制策略，针对不同的控制参数对系统的动态响应特性进行 m a t l a b 仿真实验，通过现场调试得到最佳参数。t 第六章：设备开发研制后，通过大量的工件实验来调试性能，对实验的结果 分析中发现影响产品扭动力矩变化的因素很多，包括工件自身的相关尺寸及塑性 变形中不可避免发生的蠕变效应。 第七章：总结了论文的主要研究内容及所做工作，并就需要进一步改进的地 方进行阐述，为设备性能的提高提供指导。 1 0 第二章球销扭动力矩数学模型建立及理论分析 第二章球销扭动力矩的数学模型建立及理论分析 2 1 球销零件运动副 汽车球销类零件中球销与球座之间的相对运动属于空间运动，其构成的运动 副属于球面运动副。在拖拉机、叉车、工程机械的转向横拉杆及前桥悬架摆臂中 均安装有各种形式的球面运动副“”。在运输工程专业中，这种球面运动副也被称 为转向拉杆接头总成。这些运动副由于各种车型的不同需要，常设计成不同的结 构形式。 一基 1 苏堋 图2 1 汽车前桥转向拉杆球销 2 2 球销扭动力矩的数学模型分析 汽车球销零件中这种球面运动副有一个重要的性能参数：扭动力矩，合适的 扭动力矩有利于提高整车的性能，所以它是检验产品是否合格的重要标志。由于 部分零件尺寸与图纸要求相差较大，在加工过程中往往出现产品铆接的太紧或者 太松，一次合格率较低。针对此情况，认真研究了球销铆接机的控制系统，发现 其一般通过控制铆头的行程、限制铆头下行压力、系统压力闭环等方式来对铆接 力进行控制，从而达到对产品扭动力矩的间接控制。注意到扭动力矩是系统最终 的控制目标，遂考虑加入力矩的闭环控制，即采取扭动力矩实时检测并反馈控制 技术。在实际加工过程中，又根据扭动方式的不同，把扭动力矩分为摆动力矩和 转动力矩，根据其不同的受力特点分别建立数学模型进行理论分析。 第二章球销扣动力矩数学模型建立及理论分析 2 2 1 摆动力矩数学模型分析 图2 2 所示为球销、球座的简化示意图，其上下半球均为球座b ( 图中影线部 分) 所包围。先取下半球进行分析： 图2 3 所示为下半球受力情况，设球销a 在球座正压力n 作用下，在球座b 内按 规定频率均匀摆动，这时它们的接触面间的压力应按某种规律分布着，通常认为 压力呈球心对称分布状态。根据摆动过程中，球销的受力特点，取平行于z 轴的 球带面积d s ： 2 d s = 2r ( r e o s a ) d f l ( r d c t )( 2 1 ) 则其上正压力d n ： 图2 2 摆动力矩数学模型 b k - g 4 - - 一 y k 图2 3 下半球受力分析 图2 4k - - k 方向视图 d n = p d s ( 2 - 2 ) p 为球座b 对球销a 的压力强度。 微小摩擦力d f 为： d f = f d n ( 2 3 ) 球销在摆动的过程中由静到动，再由动到静，来回往复摆动，因此上式摩擦系数 ，应取最大静摩擦系数值。 由于在下半球内摩擦力在z 轴方向上的投影和为零，所以力平衡可知： 1 2 第二章球销扣动力矩数学模型建立及理论分析 = d n c o s y ( 2 - 4 ) d e = y c o s y ( 见图2 3 所示) d e = y c o s a c o s 3 ( 见图2 4 所示) 即c o s yc o s a c o s p将此关系代入可得( 2 4 ) 式可得： = d n e o s a c o s p = r a a ) 2 f ：，c o s 口d p c 。s 口c 。s p 化简后可得： n = 2 cos2(zda(2-5) 球销产品在使用过程中出现的磨损一般分为跑合阶段、稳定磨损阶段和剧烈 磨损阶段”“。 第一种情况：对于非跑合球销来说。p 可近似为常数，则( 2 - 5 ) 式简化得： n = p z r 2 ( 2 6 ) 下半球摩擦力巧可由下式求出： e = 丘印= 丘倒 = ，丘p 2 f ，c o s 口d f l ( r d a ) ( 2 - 7 ) 当p = 常数时： 最= 力胛2 丘c o s o r d 口= 2 勿万r 2 ( 2 - s ) 下半球非跑合球接头当量摩擦系数矗： 五= 导= 2 口万，：= 2 厂 ( 2 9 ) 下半球摆动所需力矩即为克服下半球的摆动摩擦力矩 4 ，： “= r , r = 石l n r = 矗i n r = 2 f n r ( 2 1 0 ) 上半球的受力分析如图2 2 所示，其正压力n 应与下半球相等，其摩擦力e ： 最= f 卵= ，i 柳= 勿f 凼= f p 2 z r h ( 2 - 1 1 ) 式中h 为上半球球台高。 上半球非跑合球接头当量摩擦系数血： 允= 每= 笔笋= 等， ( z 一z ， 上半球摆动所需力矩即为克服上半球得摆动摩擦力矩 ： m 2 = 印= 厶，= 2 f n h ( 2 - 1 3 ) 第二章球销扭动力矩数学模型建赶及理论分析 总摆动摩擦力矩m ： m = m r l + 鸠2 = 2 f n ( r + ) ( 2 - 1 4 ) 第二种情况：对于跑合球销来说，通常球销比球座硬得多，所以可以认为只 有球座被磨损。这时，球销沿载荷方向磨损各处相同，设为u 。与力q 成角口作 用处径向磨损u 和o o 关系为： “= z o c o s g r ( 2 - 1 5 ) 磨损试验证明；材料磨损与压力强度及相对滑动速度成正比，同时也与摩擦 面的光滑状态及球头销与球座的材料等因素有关。不过对于球头销与球座的接触 面上各点而论，除了压力强度以外，其他各种影响磨损的因素是一样的，因此球 座的径向磨损只与压力强度成正比，即： “= c p 及 = 钒 式中p 。及p 各为力q 的作用线及与力q 作用线成口角处的压力强度。所以有关 系p l p o = u u o = c o s g i ，即有关系：p = p o c o s 口将此关系代入式( 5 ) 经化简可得； n = ( 8 1 3 ) p o r 2 ( 2 1 6 ) 下半球的摩擦力巧可将关系p = 既c o s 口代入式( 7 ) 可得： 正= ( 万2 2 ) r 2 f p o ( 2 - 1 7 ) 此时摩擦系数矗： 石1 = e n = 3 2 2 1 6 厂* 1 8 5 f ( 2 - 1 8 ) 跑合时下半球摆动摩擦力矩j i l “： m ，l = 3 2 2 1 6 f n r ( 2 - 1 9 ) 同理可得跑合时上半球摆动摩擦力矩时，； m ，2 。= 3 矿1 6 f n h ( 2 2 0 ) 总摆动摩擦力矩m ： 珥= 鸠l + 鸠2 = 3 2 2 1 1 6 f g ( r + h ) z 1 8 5 g ( ，+ ) ( 2 - 2 1 ) 2 2 2 转动力矩数学模型分析 转动过程中，其球销的受力特点与摆动中有所不同，所以取平行于x 轴的球 带面积d s ： 西= ( 2 万r s i n g ) r d g 1 4 ( 2 2 2 ) 第二章球销扭动力矩数学模型建也j 乏理论分析 图2 5 转动力矩模型 图2 6所取球面 式中r 为下半球半径 其上微小正压力为： d i g = p d s = p ( 2 x r s i n c t ) r d a ，= 1 2 d n = 2 刀r 2 p ( 2 2 3 ) 微小摩擦力d f d f = f d n 转动时球销始终是以一定频率在转动，因此摩擦系数应取动摩擦系数值。 对于非跑合球销，p 为常数，则转动摩擦力矩 坼。= l r ”r d f = 2 z c r 3 彦弘i n o c d a = 2 ，r r 3 f p = ( 2 - 2 4 ) 同理可得上半球的转动摩擦力矩 m r 2 = 州 则总的摩擦力矩为 坼= 鸩z + 晦i = f i v ( r + 功 ( 2 2 5 ) 对于跑合球销来说其压力强度为= p c o s a ，则n = ( 1 2 ) n = 7 r 2 p 。 下半球转动摩擦力矩为： m t 、= 2 7 r r 二& 鼍c o s 盘 虹c c d 。c = y t r 3 密 = ( 1 2 ) f l v r 上半球转动摩擦力矩为： 鸠2 = ( 1 2 ) f n h 则总的摩擦力矩为 坼= 坼l + 坼2 = ( 1 2 ) f n ( r + 而) ( 2 - 2 6 ) 第二章球销扭动力矩数学模型建j z 及理论分析 2 3 本章小结 本章首先介绍了球销零件中的运动副，其有一个重要的性能参数：扭动力矩， 它是检验产品是否合格的重要标志。在现行的铆接机控制系统中，均未见对扭动 力矩实施闭环控制。为了提高产品的质量，考虑加入扭动力矩实时检测并反馈控 制。针对加工过程中球销运动方式的不同将扭动力矩分成摆动力矩和转动力矩， 分别建立数学模型进行分析。 1 6 第三章滚压铆接丁艺的研究 第三章滚压铆接工艺的研究 3 i 滚压工艺的特点 2 0 1 滚压铆接是一种综合了挤压、拉伸、弯曲、剪切等工艺特点的少无切削加工 的工艺，有如下显著特点； 1 滚压过程中，滚轮对坯料逐点下压，近似点接触，因此接触面积小，单位 压力可达2 5 0 3 5 0 公斤力毫米2 以上，适合加工高强度难变形材料，而且所需 总变形力较小，从而使功率消耗也大大降低。 2 坯料的金属晶粒在三向变形力( 切向变形力、径向变形力和轴向变形力) 的作用下，沿变形区滑移面错移。晶粒的伸长随着变形量增加而增加。滑移面各 滑移层的方向与变形方向十分一致，因此，金属纤维保持连续完整。由于金属晶 格结构中的应变，滚压制品的强度提高，即制品硬度、抗拉强度吒和屈服极限以 增加。 3 由于在滚压过程中，滚轮不仅对滚压的金属有压延的作用，而且还有整平 的作用，因此制品表面粗糙度低，一般可达r a o 1 ，最好的可达r a o 0 5 ，经过多 次滚压可达r a o 0 2 。 4 在铆接过程中，由于被滚压坯料近似逐点变形，因此，其中任何夹渣、夹 层、裂纹、砂眼等缺陷很容易暴露出来。所以，滚压过程也附带起到对制品的自 动检验过程。 3 2 球销类零件滚压过程分析及影响因素 滚压铆接应用在汽车球销类产品的加工上是指利用回转成型模具一滚轮实 现零件的翻边从而达到金属联结的目地。过程为：滚轮在实施点与球销封口接触， 沿着圆周方向做滚动而无滑动，即变形点区域在封口圆周面上作往复运动，由于 将压力总作用于有限的区域中，所以能够使球销封盖与球座之间逐步形成严密的 封口。由于是在工件表面作滚动，在垂直方向模拟滚刀对工件的变形作用从而达 到翻边的效果。 其翻边变形如下图所示 第三章滚压铆接工艺的研究 零件 滚轮 阑一黼熟 滚压前滚压后 图3 1 零件翻边变形 从图中看出零件的翻边是靠主轴的旋转及进给量来实现，变形过程比较复 杂，可以理解为：将旋转和进给看成是两个独立的过程。首先，主轴下降滚轮与 零件相接触，零件由于滚轮的弯曲力和剪切力，接触的两点出现适度的弯曲( 弯 曲量由进给量确定) ：然后主轴带动滚轮旋转，滚轮在滚动轴承的作用下自身也 在旋转，这样实现一个段面的弯曲。然后主轴下降一定距离再实现另一个段面的 弯曲，最终包住盖板，这是一个逐步成形的过程。滚压过程中，零件的翻边受到 弯曲力与剪切力的作用，同时发生了弹性变形和塑性变形。 就滚压过程中，影响最终成形质量有几个主要工艺因素； 一滚轮的设计 滚轮是滚压加工的主要工具之一，也是滚压工艺取得良好效果的一个重要影 响因素。工作时，它与零件直接接触，承受着巨大的接触压力，剧烈的摩擦和一 定的工作温度。滚轮设计得正确与否，将直接影响零件的成形质量和滚压力的大 小。滚轮工作部分的表面状况( 形状尺寸，精度，硬度和光洁度等) 也直接反映到 工件的外表面上。因此，对于滚轮的要求是具有足够的强度刚度硬度和耐火度， 合理的结构形状和尺寸精度以及良好的工作表面。 滚轮面的结构要素包括工作圆角半径厶，滚轮直径d 。以及滚轮的工作表面 状况。 图3 2 滚轮面结构要素 1 滚轮的圆角半径0它是滚轮对滚压过程影响的一个重要因素。当0 增 1 8 第三章滚班铆接工艺的研究 大时，可使滚轮运动轨迹的重叠部分增加，从而提高工件外表面的光洁度和滚压 速度，但此时滚压力却增大，易造成翻边部分失稳现象。相反，当减少，虽使 变形区的单位接触压力增大，但它与毛坯的接触面积减少比例要更大些，所以总 的结果使滚压力减少。但是，过小则又会造成切削现象，使工件表面光洁度破坏， 甚至出现裂纹。 2 滚轮直径d 。滚轮直径大小对滚压过程影响不甚大，d 。取大一些有利 于提高工件表面光洁度，但使滚压力略有增加。滚轮的最小直径是受有管零部件 ( 轴和轴承等) 机械强度的限制。因此，应尽可能使滚轮的直径稍大些。 3 滚轮的工作表面状况滚轮的工作表面状况直接反映到滚压零件上去。 因此，滚轮面应是均匀圆滑的过渡连接，滚轮必须选用优质的工具钢或含钒的高 速钢制造，并淬火到极高的硬度。在使用过程中，若发现有小的损伤。需要立即 修复。 二主轴转速n 增加转速有利于提高生产率，但过高的转速往往引起机床振动。此外高转速 也使金属变形时热量增加，需要用大量的冷却液冷却。当转速过低时为保持一定 的进给率需要低进给速度相配合。通常线速度可根据具体情况取3 0 0 6 0 0 n m i n ， 较硬的材料取较小值，较软的材料取较大值。 三主轴的进给率v 进给率增大，生产率提高，但也使滚压力增大和表面光洁度降低。进给率过 大或过小都可能造成机床的振动或爬行，会影响工件的表面质量。而且进给率应 与转速配合，转速过慢进给率过快工件表面会出现裂痕；转速过快进给率过慢， 滚轮和工件都会因为摩擦剧烈导致发热。 四偏心度 由于滚压时轴向滚压力大，主轴和装在底模上的零件在滚压时产生的偏心现 象会大大影响产品的精度。为了解决偏心问题，可以增加滚轮数。实践证明：采 用两个相对的滚轮，可以平衡很高的滚压力。采用三个滚轮时，不仅可以防止偏 心，而且可以防止振动。 五z 。一零件滚轮的接触投影面的形状 乙为滚轮移动方向的接触长度，靠为滚轮旋转方向的接触长度。滚压零件 时，和靠可分别由c o t r p ，和o c d ，乃表示，因此，为了提高产品 精度，可设定小和靠大的条件。这样，就可选定大滚轮直径d ，高进给速度 v 。但是滚轮直径的大小受机械结构和经济性的限制。若进给速度高，则滚轮进 给痕迹大，产品表面粗糙。 实际生产中，需要根据加工产品的特点综合考虑各因素，选定最合适的工艺 1 9 第三章滚压铆接工艺的研究 参数。 3 3 金属变形滚压力的研究，7 】 在变形开始阶段，产生的毛坯塑性变形过程，通常是不希望的，但对于塑性 材料这是不可避免的。滚压过程中，毛坯的分离是靠毛坯相邻近部分在毛坯厚度 方向上的相对移动来实现。为了限制分离表面附近的塑性变形，滚轮的凸起和下 凹部分间隙不应太大。 滚压铆接过程中，无论是在垂直于中心面的方向，还是在沿着表面的方向， 变形区的应力和变形分布的特点具有很大的不均匀性。现在以滚轮行程压力变化 曲线为基础，可以在粗略的假设条件下求出最大形变压力。由滚轮行程变形压 力曲线可得 p 、k 、一。 sl 图3 。3 变形压力曲线 其特点是压力比较平缓地增加到最大值。这以后，对于低塑性材料压力将急 剧下降；而对于高塑性材料，在0 。以后，将呈现不大一段压力平缓下降，随后 便急剧降低下来。压力的急剧下降相应与毛坯的破坏，而到这点以前，压力的变 化决定于塑性变形部分的变形抗力。 变形开始时，毛坯一部分相对另一部分产生移动的截面积单调地减少。可以 假设，当变形区宽度相当小时，在垂直与毛坯表面的方向上，毛坯部分产生相对 移动，基本变形为弯曲变形，而且在滚轮穿过的表面上作用着最大弯曲力，在塑 性变形的条件下等于f 。 考虑到这个表面的母线