旋壓中的靈魂--力的控制

旋壓成型中旋壓力的控制

旋壓技術是無屑加工的典型代表工藝，在軍工、航空航天、風電、石油化工等領域具有很廣泛的應用。目前，軍工方面導彈彈體、炮彈彈體、彈頭、彈殼等成型、航空方面發動機蒙皮、槳帽、噴口等、醫藥化工等的大型罐體、醫藥料筒等零件成型方面都具有很廣闊的應用前進。但是，歐美等國家對于我們在旋壓成型設備進口中限制很多，而我們國家在這方面的研究近幾年才有一定的初步發展。

國內目前傳統的數控旋壓成型設備基本上采用電氣和液壓成型兩種方法，控制方式均為位置控制，即旋壓輪壓著材料在旋轉中根據預設軌跡進行運行，來使材料完成旋壓成型。但是對于眾多形狀變化復雜、或者成型道次多的旋壓工藝中，由于材料厚度變化很難預計而且各處壁厚均有不同，從而產生的預設軌跡與實際軌跡有區別，如果旋壓輪僅以預設軌跡作位置控制運行，間隙大于零件壁厚會行成產品表面不光滑、間隙小于零件壁厚則容易造成機床振動同樣表面質量不良甚至材料拉斷。

如上圖，為某型號發動機噴口剪切旋壓成型，材料為不銹鋼，厚度12mm，每處的產品厚度為材料厚度*該處切線方形的SIN值，由于弧線每處的切線角度一直在連續變化，因此，預設估計需要在弧面上取相當數量的點來預設每處間隙，工作量大，且很難控制。

A=C*sin(B)

產品厚度A ；   原料厚度C ；  O點切線單邊夾角 B

另外，對于下邊這種多道次旋壓成形，由于材料旋壓道次比較多，成型后材料從D點到E點旋壓次數不同，材料厚度也不同，一般當旋壓成型后需要從D到E點還需要一次連續軌跡整形以獲得良好的產品表面，同樣由于各處厚度不同，預設間隙也很難預計。

對于已成型產品，如果再次進行整形時間隙控制過大，旋壓輪無法對產品壁厚進行有效的施壓壓力而無法起到整形目的，如果間隙控制過小，則容易試產品壁厚減薄造成面積過大而形成鼓包，如下圖。

為解決上述旋壓中間隙控制的難題，我們推出旋壓過程中力的控制，我們根據不同材料強度，在旋壓過程中給與旋壓輪施加一定量的旋壓力，在剪切旋壓時可以使材料剛好能達到理論厚度、普旋整形時使材料能在厚度減薄的情況下能緊貼模具。經過我們大量試驗，同樣材料旋壓力范圍區間相對比較寬，遠簡單于旋壓中間隙的控制。

解決防法：

1. 基于力的控制，我們在旋壓時，對于最后一個道次的旋壓編程，使旋壓輪與模具的間隙控制為0，開啟旋壓機位置與力控制雙重模式，旋壓輪理論上會沿著模具表面運行，當力達到預設壓力時，即使旋壓輪未到達預設位置，也將沿著預設路徑偏移運行，這樣，旋壓輪始終在產品表面施加著一定的壓力。

2. 實現辦法，

一，伺服電機電流開環控制旋壓力，由于我們旋壓機大多采用絲桿傳動，間隙小精度高，我們可以控制伺服電機電流的方式來對于旋壓輪壓力進行控制，但是由于滾珠絲桿與直線導軌有輕預壓、中預壓、重預壓以及絲桿預緊等因素，這種控制方法適合推力在10KN以上的旋壓場合應用，絲桿、導軌以及其他因素對于旋壓力影響占比很小，不到2%，可以忽略不計。

二，電流開環+氣液伺服控制，我們旋壓機在大于10KN的旋壓中，我們采用電流開環控制，對于0.5KN-10KN之間的旋壓壓力，我們采用傳感器+氣液伺服閉環控制，壓力控制范圍20mm，在這20mm范圍內，旋壓輪處于預設壓力控制，20mm以外，旋壓輪處于位置控制。

如上圖示，伺服電機1和伺服電機2進行曲線插補，用于產品形狀的準確控制，而旋壓輪通過伺服電機1然后再通過伺服油缸驅動，當旋壓輪工作于已經貼膜的區域1時，伺服電機通過絲桿螺母驅動旋壓輪插補母線軌跡，間隙控制可適當小于產品壁厚，此時啟動液壓伺服壓力閥通過伺服油缸將設定推力作用于旋壓輪上。

 電氣硬件框圖如下

考慮到便于客戶掌握使用方法，我們的使用語句依然采用通用G代碼來完成，大推力情況下電流開環控制，對于每條軌跡，我們需要在該條軌跡指令中加入EN（R9=**）來預設該軌跡運行時電機電流的大小。

10KN以下推力閉環控制，控制方法依然采用PID控制，具體軟件框圖如下：

由于比例閥控制的是氣缸的壓力，而實際的旋壓力是與氣缸缸徑成正比的，所以壓力傳感器選用與氣缸缸徑需要配套。

基于以上方法，除了可以對不同材料的旋壓力進行控制，以獲得良好的產品表面和理想形狀。另外，在不控制力的情況下，我們也可以借助旋壓輪的壓力傳感器來初步掌握各種不同材料所需要的旋壓壓力。

2mm鋁板，

形狀：錐形體，單邊角度20度

牌號：3A21

狀態：O態

抗拉強度 σb (MPa) ) 120-160

旋壓輪直徑：R8

經測試，在130kg壓力時，材料具有良好的形狀變化，厚度變化可忽略。

mm鋁板，

牌號：3A21

狀態：H1態

硬度：HL

強度：

旋壓輪直徑：R8

經測試，在500kg壓力時，材料具有良好的形狀變化，厚度變化可忽略。

6mm碳板，

牌號：SPHE

狀態：退火

抗拉強度（σb/MPa）：≥270

旋壓輪直徑：R5

經測試，在1200kg壓力時，材料具有良好的形狀變化，厚度變化可忽略。

另外，我們公司的旋壓編程以及仿真軟件也已經在升級過程中，完成后將免費為廣大客戶升級。

以上控制旋壓力的兩種方法，經過我們的實際測試和驗證，均達到預期效果，打破了國外旋壓機在這方面的技術壟斷，取得了良好的經濟和社會效益。

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