提高大型數(shù)控旋壓機(jī)加工精度的調(diào)試方法及研究
2018-2-1 來(lái)源：北京航空制造工程研究所 作者：王海濤 李初曄 關(guān)大力
摘 要: 針對(duì)自主研發(fā)的大型旋壓機(jī)，裝配完成后，通過(guò)調(diào)試過(guò)程以及對(duì)調(diào)試方法的研究，積累了大量機(jī)械、工藝、電氣和液壓等方面的經(jīng)驗(yàn)，優(yōu)化了加工工藝和控制參數(shù)，提高了機(jī)床的加工精度和穩(wěn)定性，效果顯著。
關(guān)鍵詞: 大型數(shù)控裝備; 調(diào)試; 加工精度; 參數(shù)
大型數(shù)控裝備與國(guó)家的重大戰(zhàn)略息息相關(guān)，是制造產(chǎn)業(yè)鏈中關(guān)鍵的基礎(chǔ)裝備，從一定程度上體現(xiàn)了一個(gè)國(guó)家前沿的制造能力和制造水平，是國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)防安全的重要保障，同時(shí)也是我國(guó)實(shí)現(xiàn)工業(yè)化振興的重要支撐。
大型立式數(shù)控強(qiáng)力旋壓機(jī)作為大型數(shù)控裝備的一個(gè)代表，是國(guó)內(nèi)首臺(tái)具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的大型專用裝備，填補(bǔ)了我國(guó)在該類裝備領(lǐng)域的戰(zhàn)略空白，達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平，打破了國(guó)外相關(guān)加工技術(shù)的封鎖局面，滿足了我國(guó)航天領(lǐng)域回轉(zhuǎn)體大型關(guān)鍵件的旋壓成型加工，為我國(guó)軍工行業(yè)提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持。
該數(shù)控裝備為三旋輪 120°均布的封閉式框架結(jié)構(gòu)( 如圖 1 所示) ，總重量達(dá) 600 余噸，整體高度 17 000mm 左右，占地面積約 25 000 mm × 23 500 mm，單旋輪最大推力可達(dá) 1 000 k N。因此，大型立式強(qiáng)力旋壓機(jī)具有受力結(jié)構(gòu)合理、噸位重、外形大、負(fù)載高以及工作狀態(tài)復(fù)雜等特點(diǎn)。
大型立式數(shù)控強(qiáng)力旋壓機(jī)裝配完成后，根據(jù)用戶需求，隨后展開(kāi)一系列的調(diào)試工作。由于該大型數(shù)控裝備為國(guó)內(nèi)首臺(tái)，而且對(duì)加工精度要求較高，另外，各部件的功能結(jié)構(gòu)、液壓冷卻潤(rùn)滑系統(tǒng)和控制系統(tǒng)相對(duì)都很復(fù)雜，目前國(guó)內(nèi)尚無(wú)該方面的調(diào)試經(jīng)驗(yàn)可以借鑒，加之該裝備擔(dān)負(fù)著重要的國(guó)防生產(chǎn)任務(wù)，因而，調(diào)試工作面臨前所未有的挑戰(zhàn)。
為了使該裝備盡快在最短時(shí)間內(nèi)發(fā)揮應(yīng)有的作用，滿足生產(chǎn)的需要，針對(duì)試運(yùn)行和加工過(guò)程中出現(xiàn)的影響設(shè)備運(yùn)行和加工精度的問(wèn)題，進(jìn)行相應(yīng)的研究和調(diào)試，并予以解決。1 調(diào)試流程簡(jiǎn)述通過(guò)分析大型立式數(shù)控強(qiáng)力旋壓機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、功能屬性、工藝要求和技術(shù)參數(shù)等實(shí)際情況，在充分論證的基礎(chǔ)上，制定 了調(diào)試的具 體方 案流程，如圖 2所示
。
由流程框圖可以看出，整個(gè)設(shè)備的主要調(diào)試工作和順序都已經(jīng)逐一列出。接下來(lái)，參照流程框圖，著手開(kāi)始設(shè)備的調(diào)試工作，為提高調(diào)試的效率，有些調(diào)試工作可穿插進(jìn)行，針對(duì)調(diào)試過(guò)程中出現(xiàn)的實(shí)際問(wèn)題和情況，在一定范圍內(nèi)，可以進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。根據(jù)調(diào)試現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境和條件，結(jié)合設(shè)備的實(shí)際，將調(diào)試過(guò)程大概劃分成以下幾個(gè)部分:
1． 1 準(zhǔn)備工作
在調(diào)試工作展開(kāi)之前，首先對(duì)設(shè)備周邊清理干凈，檢查機(jī)床所有墊塊是否都已受力，如有松動(dòng)，務(wù)必進(jìn)行調(diào)整使其著力。然后對(duì)機(jī)電液及附件進(jìn)行全面的自查自檢，對(duì)于能夠進(jìn)行檢測(cè)的項(xiàng)目，比如工作臺(tái)的水平、立柱和滑枕導(dǎo)軌面的垂直和水平等，都必須復(fù)檢并進(jìn)行記錄。
再者，在設(shè)備通電前，要嚴(yán)格檢查所有接電位置是否正確可靠，接地是否良好，如沒(méi)有問(wèn)題方可送電。另外，還要檢查確認(rèn)液壓、潤(rùn)滑油以及冷卻水的容量等情況。
1． 2 基本動(dòng)作和功能的調(diào)試
包括機(jī)械、液壓、電氣以及冷卻潤(rùn)滑等。這期間，逐一對(duì)動(dòng)作和功能進(jìn)行調(diào)試，以下僅列出幾項(xiàng)，用以說(shuō)明:
( 1) 檢查主軸電動(dòng)機(jī)的正反相，如果接反，需及時(shí)調(diào)整，類似的工作還包括油泵和水泵等電動(dòng)機(jī)。
( 2) 檢查操作面板各按鍵是否完好靈敏，數(shù)據(jù)傳輸接口是否完好。
( 3) 檢查數(shù)控系統(tǒng)與設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸功能。
整臺(tái)設(shè)備需要調(diào)試的動(dòng)作和功能非常繁雜，其中很多項(xiàng)的調(diào)試都需要反復(fù)多次進(jìn)行，對(duì)調(diào)試的情況和結(jié)果，也都需仔細(xì)觀察和檢測(cè)。對(duì)于出現(xiàn)的特殊問(wèn)題，在研究和論證后進(jìn)行調(diào)試，直至符合使用要求。
1． 3 機(jī)電液的聯(lián)合調(diào)試
該項(xiàng)工作是一個(gè)系統(tǒng)性的“工程”，是整個(gè)調(diào)試工作的關(guān)鍵。主要目的就是為設(shè)備的整體運(yùn)行、加工可靠以及穩(wěn)定的協(xié)同聯(lián)動(dòng)，提供堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)和保障，成功與否，最終決定該設(shè)備研發(fā)的成敗。
1． 4 加工調(diào)試
包括試加工和實(shí)際加工兩個(gè)階段，是對(duì)設(shè)備加工精度、運(yùn)行穩(wěn)定性和可靠性的提高和完善。
2 、問(wèn)題的提出
大型立式數(shù)控強(qiáng)力旋壓機(jī)的液壓潤(rùn)滑冷卻調(diào)試、坐標(biāo)運(yùn)行調(diào)試和機(jī)電液聯(lián)調(diào)等前期調(diào)試工作，為旋壓加工生產(chǎn)提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)和保證。對(duì)工件進(jìn)行旋壓加工時(shí)，旋輪徑向推力 F1最大可達(dá) 1 000 k N，縱向推力 F2最大為 700 k N，工作臺(tái)最高轉(zhuǎn)速 n 能達(dá)到 100 r/min，如圖 3 所示。因此，旋壓工件的過(guò)程對(duì)設(shè)備加工能力帶來(lái)了嚴(yán)峻的考驗(yàn)和檢驗(yàn)，特別是對(duì)高強(qiáng)度鋼和超高強(qiáng)度鋼的旋壓加工，尤為突出。
在加工過(guò)程中，由于受機(jī)械、控制、工藝、液壓等綜合因素的影響，設(shè)備加工運(yùn)行中出現(xiàn)了一些問(wèn)題，主要
表現(xiàn)如下:
( 1) 旋壓過(guò)程中產(chǎn)生振動(dòng)，影響工件外觀質(zhì)量。
( 2) 縱向?qū)к売?ldquo;爬行”現(xiàn)象。
( 3) 連續(xù)旋壓時(shí)，后面工件比前件壁厚偏薄。
( 4) 主軸回油時(shí)，有跳閘現(xiàn)象發(fā)生。
( 5) 其他原因。
3 、分析解決
針對(duì)上節(jié)在旋壓加工中出現(xiàn)的 4 類重要問(wèn)題，分別經(jīng)過(guò)有針對(duì)性的分析、研究和論證，找出問(wèn)題發(fā)生的主要原因，并提出解決問(wèn)題的針對(duì)性措施。
( 1) 振動(dòng)的發(fā)生，不但影響產(chǎn)品的外觀質(zhì)量，長(zhǎng)時(shí)間的反復(fù)振動(dòng)，也會(huì)影響設(shè)備的連接剛性，降低機(jī)床的加工穩(wěn)定性和可靠性，降低加工精度。導(dǎo)致振動(dòng)產(chǎn)生的因素比較復(fù)雜，在旋壓過(guò)程中，通過(guò)反復(fù)多次對(duì)相關(guān)參數(shù)數(shù)值進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，觀察和記錄振動(dòng)發(fā)生的坐標(biāo)位置、旋壓力大小的變化、工藝參數(shù)等數(shù)值，結(jié)合加工后的旋壓件壁厚和直徑的測(cè)量結(jié)果、表面振紋和外觀質(zhì)量的實(shí)際，梳理出導(dǎo)致振動(dòng)的原因，對(duì)機(jī)床進(jìn)行調(diào)試，情況如下所述:
①原因一: 三旋輪旋推力不平衡，偏載較大。受加工工藝的影響，橫向推力偏載量在旋壓過(guò)程中有時(shí)超過(guò)了平均值的 20% ，該載荷改變了受力平衡狀態(tài)，進(jìn)而引發(fā)振動(dòng)。參照旋壓工藝壓下量參數(shù)，結(jié)合旋壓加工過(guò)程，通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)旋壓力( 控制系統(tǒng)通過(guò)采集壓力傳感器反饋數(shù)據(jù)) 進(jìn)行調(diào)整，使得三旋輪旋壓推力差在 5 k N 以內(nèi)，精旋時(shí)更小。
②原因二: 芯模緊固差，旋壓時(shí)整體剛性不足。該情況導(dǎo)致工作臺(tái)回轉(zhuǎn)時(shí)，徑跳方向和大小發(fā)生不斷的變動(dòng)，也是引起振動(dòng)的重要原因之一。改進(jìn)現(xiàn)有芯模的固定方式，周邊增加連接固定件，既能增強(qiáng)芯模的整體剛性，又能方便快捷地調(diào)整芯模徑向跳動(dòng)，在很大程度上可以使振動(dòng)得到減小。
③原因三: 旋輪切入工件時(shí)線速度不匹配。增加和實(shí)時(shí)采集旋輪的測(cè)速功能，保證旋輪線速度 v1和工件線速度 v2的合理匹配( v1≈v2) ，如圖 4 所示，以減小旋輪與工件瞬接觸時(shí)的沖擊載荷，減小或消除由該因素導(dǎo)致的振動(dòng)。
④原因四: 加工工藝參數(shù)不合理。不合理的工藝參數(shù)，也會(huì)導(dǎo)致旋壓時(shí)的振動(dòng)，不僅影響工件的加工精度，也對(duì)設(shè)備造成損害。
由于該機(jī)床是國(guó)內(nèi)首臺(tái)最大的立式旋壓裝備，工藝都是全新的，對(duì)于該結(jié)構(gòu)類型機(jī)床的加工工藝參數(shù)的制定，需要經(jīng)過(guò)多次的摸索才能逐步趨于合理。因此，根據(jù)工件的材料、尺寸等條件，對(duì)加工工藝參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，也有利于減小和改善振動(dòng)情況。
( 2) 爬行的發(fā)生，往往影響設(shè)備的加工精度、表面粗糙度和定位精度，也是振動(dòng)產(chǎn)生的原因之一，是重型機(jī)床和精密機(jī)床必須解決的問(wèn)題。該設(shè)備導(dǎo)軌為帶潤(rùn)滑的滑動(dòng)導(dǎo)軌，經(jīng)檢查，是由于潤(rùn)滑系統(tǒng)供油不穩(wěn)定造成的，潤(rùn)滑系統(tǒng)是設(shè)備正常運(yùn)行必需的重要條件之一，當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致潤(rùn)滑狀態(tài)不穩(wěn)定，特別是潤(rùn)滑不足時(shí)，導(dǎo)軌出現(xiàn)爬行現(xiàn)象，從而影響機(jī)床加工工件表面質(zhì)量。
通過(guò)優(yōu)化潤(rùn)滑系統(tǒng)的管路和布置方式，并增加了潤(rùn)滑量進(jìn)出的檢測(cè)和調(diào)整功能，使得整個(gè)導(dǎo)軌潤(rùn)滑形成一個(gè)實(shí)時(shí)監(jiān)控和反饋的封閉系統(tǒng)，確保了潤(rùn)滑的合理性和準(zhǔn)確性，消除了由此引發(fā)的“爬行”問(wèn)題。
( 3) 經(jīng)對(duì)旋壓加工的分析，主要原因是芯模發(fā)熱膨脹所致。
根據(jù)測(cè)量的結(jié)果，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，通過(guò)加工程序參數(shù)，做出相應(yīng)的補(bǔ)償。再者，可以適當(dāng)增大旋壓時(shí)的冷卻量，以減小芯模的膨脹量，減小壁厚差值。另外，也可以根據(jù)實(shí)際情況，調(diào)整加工工藝或生產(chǎn)節(jié)拍，最大限度地提高工件壁厚差的精度。
( 4) 通過(guò)觀察，主要原因是主軸冷卻油的輸入量Q1和輸出量 Q2不匹配，造成循環(huán)過(guò)程的不平衡，使得回油泵超負(fù)荷運(yùn)行，積累到一定程度，便發(fā)生跳閘現(xiàn)象。
通過(guò)計(jì)算和核對(duì)設(shè)備所需冷卻油的流量，對(duì)回油油路的布置進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化，在冷卻油的進(jìn)油口和回油口增加流量傳感器，通過(guò)數(shù)控系統(tǒng)對(duì)流量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，如圖 5 所示，并根據(jù)實(shí)際情況，調(diào)整進(jìn)出油口的冷卻量，既準(zhǔn)確量化了冷卻量，又避免了故障的發(fā)生。
( 5) 至于其他影響設(shè)備振動(dòng)的原因，從機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)方面做一個(gè)簡(jiǎn)述。該設(shè)備的數(shù)控系統(tǒng)屬于包括電流環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán)三環(huán)節(jié)的一個(gè)控制系統(tǒng)。例如，當(dāng)改變位置環(huán)增益時(shí)，可以相應(yīng)改變系統(tǒng)的固有頻率，進(jìn)而使得系統(tǒng)的響應(yīng)速度發(fā)生變化。通過(guò)優(yōu)化和調(diào)試系統(tǒng)伺服參數(shù)，使其處于最佳狀態(tài)，避免系統(tǒng)振蕩發(fā)生，保持系統(tǒng)的穩(wěn)定，提高系統(tǒng)的控制精度，同時(shí)，配合機(jī)械上的一些調(diào)試調(diào)整，也可減小和改善機(jī)床的振動(dòng)情況。
通過(guò)以上調(diào)試工作的有序?qū)嵤煜げ⒄莆樟舜笮蛿?shù)控裝備調(diào)試的流程和方法，對(duì)研制開(kāi)發(fā)該類型重大裝備，積累了大量一手的資料和經(jīng)驗(yàn)，與此同時(shí)，也進(jìn)一步提升了大型數(shù)控強(qiáng)力旋壓機(jī)的加工穩(wěn)定性和可靠性，滿足了生產(chǎn)的要求。
4 、結(jié)語(yǔ)
通過(guò)大型立式數(shù)控強(qiáng)力旋壓機(jī)的調(diào)試工作，有以下幾點(diǎn)啟發(fā):
( 1) 大型數(shù)控裝備在設(shè)計(jì)、制造、管理等方面和國(guó)外的先進(jìn)水平還存在著較大的差距，我們需要通過(guò)自己的努力，在學(xué)習(xí)和借鑒國(guó)外先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，不斷探索和積累裝配、調(diào)試、工藝等方面經(jīng)驗(yàn)，以此反過(guò)來(lái)促進(jìn)設(shè)計(jì)和制造水平，逐步縮小和國(guó)外的差距。
( 2) 國(guó)內(nèi)大型數(shù)控裝備所取得的成果，很多都是通過(guò)引進(jìn)、消化、吸收后的再設(shè)計(jì)、再制造，如果我們?cè)谶@個(gè)過(guò)程中不能有新的感悟和創(chuàng)新，就很難達(dá)到或趕超國(guó)際先進(jìn)水平。因此，通過(guò)對(duì)設(shè)備進(jìn)行調(diào)試，對(duì)調(diào)試過(guò)程中機(jī)電液所出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行綜合分析研究，從根本上促進(jìn)對(duì)大型裝備研制綜合專業(yè)水平的提升。
( 3) 大型數(shù)控裝備的創(chuàng)新研發(fā)，不能一蹴而就，了解和把握自身的強(qiáng)項(xiàng)，正視國(guó)外先進(jìn)技術(shù)的現(xiàn)狀，找出突破口，在設(shè)計(jì)、制造和調(diào)試等工作中穩(wěn)中求升。
( 4) 本文僅僅針對(duì)大型立式數(shù)控強(qiáng)力旋壓機(jī)在調(diào)試過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行分析、研究和解決，完全可以以點(diǎn)帶面，借鑒和應(yīng)用于其他大型數(shù)控裝備的調(diào)試工作，提高大型裝備的調(diào)試水平。大型數(shù)控裝備的調(diào)試工作，是一項(xiàng)綜合性、系統(tǒng)性和實(shí)踐性的重要工作，本文所提出的方法雖然只是針對(duì)大型立式數(shù)控強(qiáng)力旋壓機(jī)，但是對(duì)于該類型和其他類型的大型數(shù)控裝備的調(diào)試工作，具有一定的借鑒和指導(dǎo)作用，也希望通過(guò)本文，起到拋磚引玉的效用，對(duì)于以后國(guó)內(nèi)各行業(yè)所開(kāi)發(fā)的新型的、填補(bǔ)國(guó)內(nèi)空白的大型數(shù)控裝備，能夠在調(diào)試、裝配、改進(jìn)完善等各類工作上，作深入細(xì)致的研究，總結(jié)出更多更好的方式方法和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，提高我國(guó)重大裝備的創(chuàng)新力和國(guó)際市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力，為國(guó)家大型數(shù)控裝備的研制工作增磚添瓦。
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