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提高大型數控旋（xuán）壓機加（jiā）工精度的調試方法及研究

2018-2-1 來源：北京航空製造工程研究所作者：王海濤李初曄關大（dà）力

摘要: 針對自主研發的大型旋壓機，裝配完（wán）成後，通過調試過（guò）程以及對調試方法的研究，積累了大量機（jī）械、工藝、電氣和液（yè）壓等方麵的經驗，優化了加工工藝和控製參數，提高了機床的加工精度和穩定（dìng）性（xìng），效果顯著。

關鍵詞: 大型數控裝備; 調試; 加工精度; 參數

大型數控裝備與國家的重大戰略息息相關，是製造產業鏈中關鍵的基礎裝備（bèi），從一定程（chéng）度上體現（xiàn）了一個（gè）國家前沿的製造能力和製造水平，是國民經濟和（hé）國（guó）防安全的重要保障，同時也是我國實現工業化振興的重要（yào）支撐。

大型立式數控強（qiáng）力旋壓機作為大型數控裝（zhuāng）備的一個代表，是國內首台具有完全自主知（zhī）識產權的大型專用裝備，填補了我國（guó）在該類裝備領域的（de）戰（zhàn）略空白（bái），達到了國際（jì）先進水平，打破了國外（wài）相關加工技術的封鎖局（jú）麵，滿足了我國航天領域回轉體大型關鍵件的旋壓成型（xíng）加工，為我國軍工行業（yè）提供了強有力的（de）技術支持。

該數控裝備為（wéi）三旋輪 120°均布的封閉式框架（jià）結構( 如圖 1 所示) ，總重量達 600 餘噸，整體高度 17 000mm 左右，占地麵積約 25 000 mm × 23 500 mm，單旋輪最大推力可達 1 000 k N。因（yīn）此，大型立式強（qiáng）力旋壓機具有受力（lì）結構合理（lǐ）、噸位重、外形大、負載高（gāo）以及工作狀態複雜等特點。

大型立式數控（kòng）強力旋壓機裝配完成（chéng）後，根（gēn）據用戶需求，隨後（hòu）展開一係列（liè）的調試工作。由於該大型數控裝備（bèi）為國（guó）內首台，而且對加工精度要求較高，另外，各部件的功能結構、液壓冷卻潤滑係（xì）統和控製係統相對都很複雜，目前國內尚無該方麵的調試經驗可以借鑒，加之該裝（zhuāng）備擔負著重要的國防生（shēng）產任務，因（yīn）而，調試工作麵臨（lín）前所未有的（de）挑戰。

為了使該裝備（bèi）盡快在最（zuì）短時間內（nèi）發揮應有的（de）作用，滿足生（shēng）產的需要，針對試運行和（hé）加工過程中出現的影響設備運行和加工精度的問題，進行相應的研究和調試，並予以解決。1 調試流（liú）程簡述通過分析大型立式數控強力旋（xuán）壓機（jī）的結構特點、功（gōng）能屬性、工藝要求和技術參數等實際（jì）情況，在（zài）充分論證的基礎上（shàng），製定了（le）調試的具體方案流程，如圖 2所示

。

由流程框圖可以看（kàn）出，整個設備的主要調試工作和（hé）順序都已經逐一（yī）列出。接下來，參照（zhào）流程框圖，著手開始設備的調試工作，為提高調試的效率，有些調試工作可穿插進行（háng），針對（duì）調試過程中出（chū）現的（de）實際問題和情（qíng）況，在一定範圍內，可以進行適當的調整。根據調試現場的環（huán）境和（hé）條件（jiàn），結合設（shè）備的實際，將調試過程大概劃分成以下幾個部分:

1． 1 準備工作

在調（diào）試工作展開（kāi）之前，首先對設備周邊清理幹淨，檢查機床所有墊塊是否都已受力，如有鬆動，務必進行調整使其著力。然後對機電液（yè）及附件進行全麵的自查自檢，對於（yú）能（néng）夠進行檢測的項目，比如工作台的（de）水平、立柱（zhù）和滑枕導軌麵的垂（chuí）直和水平等，都必須複檢並進行記（jì）錄。

再者，在設備通電前，要（yào）嚴格檢查（chá）所有接電位置是（shì）否（fǒu）正確可靠，接地是否良好，如沒有問題方可送電。另外，還要檢查確認液壓、潤滑油以及冷卻水的容量等情況。

1． 2 基本動作和功能的調試

包括機械、液壓、電氣以及冷卻潤滑等。這期間，逐一對（duì）動作和功能進行調試，以下僅（jǐn）列出幾項，用以說明:

( 1) 檢查主軸電動機的正反相，如（rú）果接（jiē）反，需及（jí）時調整，類（lèi）似的工作（zuò）還包括油泵和水泵等電（diàn）動機。

( 2) 檢查操作麵板各按（àn）鍵是（shì）否完好靈敏，數據傳輸接口是否完好。

( 3) 檢查數控係統與設備之間的數據（jù）傳輸功能。

整台設備需要調試的動（dòng）作和功能非常繁雜（zá），其中很多項的調試都需要反複多（duō）次進行，對調試的情況（kuàng）和結果，也都需（xū）仔細觀察和檢測。對於出現的特殊問題，在研究和論證後進行調試，直至（zhì）符合使用要求。

1． 3 機電液的聯合調試

該項工作（zuò）是一個係統性的“工程”，是整（zhěng）個調試工作的關鍵。主要目的就是為設備的（de）整體運行（háng）、加工可靠以及穩定的協同聯動，提供堅實（shí）的基礎和（hé）保（bǎo）障，成功（gōng）與（yǔ）否（fǒu），最終決（jué）定該（gāi）設備研發的成敗。

1． 4 加工（gōng）調試

包括試加工和實際加工兩個階段，是（shì）對設備加工精度、運行穩定性和可靠性的提高和（hé）完善。

2 、問題的提（tí）出

大型立式數控強力旋壓機的液壓（yā）潤滑冷卻（què）調試、坐標運行調（diào）試和機電液聯調等前期調試工（gōng）作，為旋（xuán）壓加工生產（chǎn）提供了堅實（shí）的基礎和保證。對工件進行旋壓加工時（shí），旋輪徑向推力 F1最大可達 1 000 k N，縱向推（tuī）力 F2最大為 700 k N，工作台最高轉速 n 能達到 100 r/min，如圖 3 所示。因此，旋壓工件的過程對設備加工能力帶來了（le）嚴峻的（de）考驗和檢驗，特別是對高強度鋼和超（chāo）高強度鋼的旋壓（yā）加工，尤為突出（chū）。

在加工過程中，由於受機械、控製、工藝、液壓等綜合因素的影響，設備（bèi）加工運行中出現了一些問題，主要

表現如下:

( 1) 旋壓過程中產生振動，影響工件外觀質量。

( 2) 縱向導軌有“爬行”現象。

( 3) 連續旋壓時（shí），後麵工件比前件壁厚偏薄（báo）。

( 4) 主軸（zhóu）回油時，有跳閘現象（xiàng）發生。

( 5) 其他原因。

3 、分析解決

針對上（shàng）節在（zài）旋壓（yā）加工中出現的 4 類重要問題，分別經過有針對（duì）性的分析、研究和論證，找（zhǎo）出問題發（fā）生的主要原因，並提出解決問題的針（zhēn）對性措施。

( 1) 振動的發生，不但影響產品的（de）外觀（guān）質（zhì）量，長時間（jiān）的反複振動，也會影響設備的連接剛性，降低機床的加工（gōng）穩定性和可（kě）靠性，降（jiàng）低加工精（jīng）度。導致振動產生的因素比較複（fù）雜，在旋壓過程中，通過（guò）反複多次對相關參數數值進行實時監（jiān）測，觀察和記錄振動發生的坐（zuò）標位置（zhì）、旋壓力大小的變化（huà）、工藝參數等數值，結合加工後的旋壓件壁厚和直徑的測量結果（guǒ）、表麵振紋和外（wài）觀質量（liàng）的實際，梳理出導（dǎo）致振動的原因，對機床進行調試，情況如下所述:

①原因一: 三旋輪旋（xuán）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程中有時超過了平均值的 20% ，該載荷改（gǎi）變了受力平衡狀態，進而引（yǐn）發振動（dòng）。參照旋壓工藝壓下量參數（shù），結合旋（xuán）壓加工過程，通過實時（shí）監控係統，對旋壓力( 控製係統通過采（cǎi）集壓力傳感器反饋數據) 進行調整，使得三旋輪旋壓推（tuī）力差在 5 k N 以內，精旋時更小。

②原因二: 芯模緊（jǐn）固差，旋（xuán）壓時整體剛性不（bú）足。該情況導致工作台回轉時，徑（jìng）跳方（fāng）向和大小發生（shēng）不斷的變動，也是引（yǐn）起振動的重要原（yuán）因之一。改進現有芯模的固定方式，周邊增加連（lián）接固定件，既能增強芯模的整體剛性，又能方便快捷（jié）地調（diào）整芯模徑向跳動，在很大程度（dù）上（shàng）可（kě）以使振動得到減小。

③原因三: 旋輪切入工件時線速度（dù）不匹配。增加和實時采集旋輪的測速功能（néng），保證旋輪（lún）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（yǔ）工件瞬接觸時（shí）的衝擊載荷，減小或消除由該因（yīn）素導致的振動。

④原因四: 加工工（gōng）藝參數不合理。不合理的工藝（yì）參數，也會導致旋壓時的振（zhèn）動，不僅影（yǐng）響工件的加工精度，也對設（shè）備（bèi）造成損害（hài）。

由於該機（jī）床是國內首台最大的（de）立式（shì）旋壓裝備，工藝都是全新的，對於該結構類型機床的加工工藝參數的製定，需要經過多次的摸索才能逐步趨於合理。因此，根據工（gōng）件（jiàn）的材料、尺寸等條件（jiàn），對加工工（gōng）藝參（cān）數進行相應的調整，也（yě）有利於減小（xiǎo）和（hé）改善振動情況。

( 2) 爬行的發生，往往影響設備的加工精（jīng）度、表（biǎo）麵粗糙（cāo）度和定位（wèi）精度，也是振動產生的原因（yīn）之一，是重型機床和精密機床必須解決的問題。該設備導軌為帶潤（rùn）滑的滑（huá）動導（dǎo）軌，經檢查，是由於（yú）潤滑係統（tǒng）供油不穩（wěn）定（dìng）造成的，潤滑係統（tǒng）是設備正常運行必需的重要條（tiáo）件之一，當發（fā）生故障（zhàng）時，就會導致潤滑狀態不穩定，特別（bié）是潤滑（huá）不足時，導軌出現（xiàn）爬行現象，從而影響機床加工（gōng）工件表麵質量。

通過優化潤滑係統（tǒng）的管路和布置方式，並增加了潤滑（huá）量進出的檢測（cè）和調整功能，使得整個（gè）導軌潤（rùn）滑形成一（yī）個實時監控和（hé）反饋的（de）封閉係統，確保了潤滑的合理性和準確性，消（xiāo）除了由此引發的“爬行”問題。

( 3) 經對旋壓（yā）加工的分析，主（zhǔ）要原因是芯模發熱膨脹（zhàng）所致。

根（gēn）據測量的結果（guǒ），對數據進行分析，通過加工程序參數，做出相應的補償。再者，可以適當增大旋壓（yā）時的冷卻量，以減小芯（xīn）模的膨脹量，減小壁厚差值。另外（wài），也（yě）可以根據實際情況，調整加工工藝或生產節拍，最大限度地提高工件壁厚差的（de）精度。

( 4) 通過觀察，主要原因是主軸冷卻油的輸入量Q1和輸出量（liàng） Q2不匹配，造成（chéng）循環過程的不平衡，使得回油泵超（chāo）負（fù）荷運（yùn）行，積累到一定程度，便發生跳閘現象。

通過計算和核對設備所需冷卻油的流量，對回油油路的布置進行改進和優化，在冷卻油的（de）進油口和回油（yóu）口增加流量傳感器（qì），通過數（shù）控係統對流量進行實時監測，如圖 5 所示，並根據實際情況，調整進出油口的（de）冷（lěng）卻量，既準確量化了冷卻量，又避免了故障的發生。

( 5) 至於其他影響設備振動的原因，從機床（chuáng）的數控（kòng）係統方麵做（zuò）一個簡述。該設備的數控係統屬（shǔ）於包括電流環、速度環、位置環三（sān）環節的一個控製係統。例如，當改變位置環增益時，可以相（xiàng）應改（gǎi）變係統的固有頻率，進而（ér）使（shǐ）得係統的響應速（sù）度（dù）發生變化。通過優化和調試（shì）係統伺服參數，使其處於最佳（jiā）狀態，避免係統振蕩發生，保持係統（tǒng）的（de）穩定（dìng），提高係統的控製精度，同時（shí），配合機械上的（de）一些調試調整，也可減小和改善機床的振動情況。

通過以上調試工作的有序實施，熟悉並掌握了大型數控裝備調（diào）試的流程和方法，對研製開發該類（lèi）型重大裝備（bèi），積累了大（dà）量一手的資料和（hé）經驗，與此（cǐ）同（tóng）時，也進一步提（tí）升了大型數（shù）控強力旋（xuán）壓機的加工穩定性和（hé）可靠性（xìng），滿足了生產的要求。

4 、結語

通過大型立式數控強力旋壓機的調試工作，有以下幾點啟發:

( 1) 大型數控裝備在設計、製造（zào）、管理（lǐ）等方麵和國外的先進水平還存在著較大的差距，我們需要（yào）通過自己的努力，在學習（xí）和借鑒國外先進技術的基礎上，不斷探索和積累裝配、調試、工藝等方麵經驗，以此反過來促進設計和製（zhì）造水平，逐步縮小和（hé）國外的差距。

( 2) 國內大型數控裝備所取得的成果（guǒ），很多都是通過引進、消化（huà）、吸收後的再設計、再製造，如果我們在這個過程中不能有新的感悟和（hé）創新，就很難達到或（huò）趕超國際先進水平。因此，通過對（duì）設備進行調試，對調試過程中機電液所出現的問題進行綜（zōng）合分析研究，從根本上促進對大型裝備研製綜合專業水（shuǐ）平的提升（shēng）。

( 3) 大型數控裝備的創新研發，不能一蹴而（ér）就，了解和把握自身的強項，正視國外先進（jìn）技術（shù）的現（xiàn）狀，找出突破口，在設計、製造和調試等工作中穩中求升。

( 4) 本（běn）文僅僅針對大型立式數控（kòng）強（qiáng）力旋壓機在調（diào）試過程中出現的問題進行分（fèn）析、研（yán）究和解（jiě）決，完全可以（yǐ）以點帶麵，借鑒和應用於其他大型數控裝備的調試工作，提高大型裝備的調試水平。大型數控裝備的調試工作，是一（yī）項綜合性（xìng）、係統性和實踐性（xìng）的重要工作，本文所提出的方法雖然隻（zhī）是（shì）針對大型立式數控強力旋（xuán）壓機，但（dàn）是對於該類型和其他類型的大型數控裝備的（de）調試工作，具有一定的借鑒和指導作用，也希望通過本文，起到拋磚（zhuān）引（yǐn）玉的（de）效用（yòng），對於以（yǐ）後國內（nèi）各行（háng）業所開發的新型的、填補國內空白的大型數控裝備，能夠在（zài）調試、裝配（pèi）、改進完善等各類工作上，作深入細致的研（yán）究，總結（jié）出更（gèng）多更好的方式（shì）方法和實踐經驗（yàn），提高（gāo）我國重大裝備的創新力和國際市場的競（jìng）爭力，為國家大型數控裝備的研製工作增磚添（tiān）瓦。

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