玻璃钢汽车板簧加工设备的研制

杨瑞庆，刘 阳

(哈尔滨玻璃钢研究院,哈尔滨 150036)



玻璃钢汽车板簧加工设备的研制

杨瑞庆，刘 阳

(哈尔滨玻璃钢研究院,哈尔滨 150036)

在国内，玻璃钢汽车板簧的优越性能已被人们认识并开始应用且需求量越来越大。随之而来的就是对专业机加工设备的需求。由于玻璃钢汽车板簧为弯曲的构件，这就需要复杂的设备对其进行制造和后续的机械加工，无形中提高了其生产成本。本科研小组结合气动仿形控制技术、玻璃钢磨削技术、气液阻尼技术、PLC逻辑程序控制技术，研制了简便的玻璃钢汽车板簧机械加工设备。

玻璃钢汽车板簧；气压仿形；玻璃钢磨削；气液阻尼；PLC 控制

1　引 言

玻璃钢汽车板簧顾名思义是完全由复合材料制成的汽车板簧零件。具有质轻、节能、耐腐蚀等优越的性能，能够代替现有的钢质板簧。目前，国外很多国家已建成整条生产线用于批量生产，国内也开始制作和应用。玻璃钢板簧(以下简称板簧)无论是哪种工艺，都需要专业设备进行后续机械加工以形成最终产品。板簧是有一定曲率的弯曲零件，要想对其机械加工，普通的设备已不能满足需要。全伺服设备造价高，对操作人员要求也高，这都会提高板簧的生产成本。因此，就需要想方法去解决这些问题。本文介绍的就是本组自行研制的价格低廉、操作简便的玻璃钢汽车板簧专业机械加工设备。

2　板簧加工设备的技术要求

2.1板簧两侧切边及倒角(图1)

板簧(纵向)两侧按要求尺寸要加工出切边及倒角，要求加工后表面光滑，边缘不得有毛刺、飞边和开裂，同时要保证角度及尺寸要求[1-3]。

图1　板簧加工示意图

2.2板簧横截面两侧倒角(图1)

板簧横截面的两侧按要求要加工出倒角、沿曲线上均匀一致且表面光滑不得有毛刺，同时要保证尺寸要求。

2.3要有较高的工作效率

除要满足以上的加工能力外，还要求操作方便、安全可靠、工作效率高。

3　设备研制的技术难点

3.1板簧纵向两侧切边及倒角的技术难点

现已知道，玻璃钢零件的加工要得到好的表面质量通常是用金刚砂刀具磨削完成的。影响因素有：刀具上金刚砂的粒度、刀具本身的转速、刀具的进给速度。且三者相互制约、相辅相成缺一不可。(已有文献[1]进行论述，这里不再赘述)

针对本设备本组认为技术难点主要有以下几点：

(1)锯片要有较高的制作要求：锯片体在高速运转时要有足够的刚度，切割时不发生震颤，且在保证刚度的基础上厚度尽量小。端面及径向跳动要非常小能通过动平衡测试。

(2)锯片金刚砂的粒度：锯片所镀金刚砂的粒度要选择合适。粒度大，切出的表面粗糙，粒度小易被粉尘粘死、影响工作效率。

(3)适当稳定的进给速度：进给速度过快，易夹锯且会产生飞边，过慢会影响工作效率。速度不稳定，表面质量不好。

3.2板簧横截面两侧倒角的技术难点

横截面两侧倒角也是用金刚砂磨轮来加工的。除上述难点外，还要保证倒角沿板簧曲率均匀一致。这就需要磨头完全按板簧的曲率运动，而且当不同批次板簧制作有误差时，机械加工精度不会受到影响。

4　设备方案的论证和确定

设备研制最终的目标:在满足加工要求的基础上，要操作简单、安全可靠、维护方便、加工成本低。

4.1设备方案的论证

4.1.1加工板簧两侧切边及倒角的方案论证和确定

方案1：切边及倒角采用一个可移动动力头，工件不动。动力头在气缸驱动下能完成切割行程，同时采用伺服电机完成倒角的切割，整个过程采用逻辑控制。

优点：能实现精准的角度切割，不需要高的设备制造精度

缺点：采用伺服电机，使制造成本增高，维护成本也随之增高。

对操作人员也要有一定的要求。

方案2：工件不动，切边及倒角各采用一个可移动动力头，动力头在各自气缸驱动下能完成切割行程。

优点：制造成本比方案1要低，维护成本也随之降低，对操作人员要求不高。

缺点：设备制造精度较高，气缸较多，气动元件也随之增多，故障几率较高。另外，需采用逻辑控制，一旦某个逻辑动作出故障，有可能会出现危险。

方案3：工件移动，切边及倒角各采用一个固定动力头，工件在气缸驱动下一次行程即能完成所有切割。

优点：制造成本比方案1要低，维护成本也随之降低，对操作人员要求不高。气缸及气动元件大幅减少，故障率也随之降低，虽采用逻辑控制，即使某环节出故障，也不会出危险。

缺点：设备制造精度较高。

最终方案确定：对这几个方案进行综合比较，本组认为：方案3工作效率高、造价最低、操作最简便、且易于维护、对操作人员要求不高。所以，我们最终选择方案3作为设备最终设计。

4.1.2加工板簧横截面两侧倒角的方案论证和确定

方案1：磨轮按板簧曲率径向进给，同时沿板簧纵向进给，完成倒角磨削。所有运动均采用伺服控制。

优点：能够实现曲线运动，满足板簧的曲率要求。

缺点：制造成本高，维护成本也随之增高。需要编辑复杂的程序，要配备专业的技术人员，对操作人员也要有一定的要求。另外，如不同的零件曲率有制作误差，则磨出的倒角就不会均匀。

方案2：采用气动仿形技术，磨轮按板簧曲率径向进给，同时沿板簧纵向进给，完成倒角磨削，我们称之为单向仿形。

优点：能够实现曲线运动，满足板簧的曲率要求，且不受板簧曲率误差的影响。

缺点：设备制造精度高。如纵向运行轨道与工件不在同一平面或有偏差，则磨出的倒角就不会均匀。

方案3：采用气动仿形技术，磨轮支座随板簧曲率径向进给，同时沿板簧纵向进给、而磨轮横向也能进给随板簧侧面运动，完成倒角磨削，我们称之为双向仿形。

优点：能够完全随板簧曲线运动，不受设备制造误差的影响。磨出的倒角均匀。

缺点：磨轮支座结构相对复杂，需要有合理的气动控制。

最终方案确定：对三个方案进行综合比较，得出的结论是方案3工作效率高、造价最低、操作最简便、且易于维护、对操作人员要求不高。所以，本组最终选择方案3作为设备最终设计。

5　关键技术应用

5.1气动仿形技术应用

所谓的仿形就是探头与工件表面或是靠模表面(与工件表面相同)紧密接触。无论探头在动力驱动下沿任何方向运动，它都会随相应表面曲线在法线方向上产生连续的移动，而且不受探头运动步幅和速度的影响。我们知道，即使采用全伺服控制，对于不规则曲面建立数学模型是件困难的事情，大多是采用一系列密集的工件点来近似描述，这样就会使工作变得复杂，而且会产生误差。仿形技术的应用会使控制工作简化[4-5]。

本设备采用的是气动仿形技术(图2)。

图2　板簧加工仿形示意图

磨轮支座下端的滚轮在气缸作用下与板簧上表面接触，滚轮沿X向运动同时，在气缸作用下在Y方向上随板簧曲面运动。另外，滚轮及板簧本身还是加工基准，磨轮的进给深度就是参照这些基准进行设定的。这样，磨出的倒角就会均匀一致。气动控制上，我们采取了措施保证板簧在加工中不变形。

5.2气液阻尼技术应用

本设备切割时，工件在气缸拖动下缓慢进给。由于空气为可压缩气体，运行刚度较低，在低速运行下气缸易爬行、稳定性较差，满足不了需要。但它的好处在于有过载保护功能。所以就要想办法解决低速不稳定的问题。

查阅现有的气液阻尼技术得知：给气缸增加一定的稳定负载能大大提高其低速稳定性，而最好的负载就是油液背压。因为，油液为不可压缩介质，易于实现低速控制[2]。

现有的标准气液阻尼缸对安装方向有要求，且结构尺寸较大，不适于直接应用，故只能自行研制。

经过研究及反复试验，终于成功制作出油液阻尼器与气缸配套使用，解决了气缸低速稳定不爬行的问题。

5.3PLC控制技术应用

为提高工作效率，板簧一次装卡就要完成所有加工，实现一定的自动化程度。因而就要对其实现一系列逻辑动作的控制。采用普通电器元件，可靠性不好、故障率较高，而且不易维护。

采用PLC逻辑控制技术，会简化不少工作，易于程序修改，维护也较为方便[4]。

所以，我们就采用了PLC控制技术。

6　设备的运行

综合以上技术应用，本组研制出了价格低廉的板簧机械加工设备。经过试生产和长时间的批量生产，设备各部件运行稳定、安全可靠、故障率低、产品合格率高、工作效率高。

7　结 语

研制的玻璃钢汽车板簧机械加工设备，能够满足合格产品的加工需要，效率较高、造价合理、易于维护、操作简便，实现了设备的设计目标，达到了设计要求。

[1]宋春明,王延福.玻璃钢件磨削加工工艺研究[J] .机械工程师,2010,5：10-13.

[2]王莒年.气液阻尼装置的应用[J].科技信息，2006,6:23-27.

[3]张小燕，席长飞.汽车材料板簧的制备方法及性能测试[J].玻璃钢/复合材料,2012，S1:28-31.

[4]焦宇敏，王延福.电梯运行过程的PLC控制技术[J].机床电器,2011,3 :32-35.

[5]赵葛宵，廖与禾，司徒忠.仿形技术在模具设计制造中的应用研究[J].模具工业,2001,2:26-29.

The Manufacturing of the FRP Mobile Plane Spring Machining Equipment

YANG Ruiqing，LIU Yang

(Harbin FRP institute,Harbin 150036)

The FRP mobile plane spring already be known and more and more be used ,The machining equipment looks very important .Because the FRP mobile plane spring has a curve profile ,so the machining is very difficulte .The use of the compressed air operated profile modeling technology,the FRP grinding technology、the compressed air -liquid damping technology and PLC logical control technology ,we have resolved problems that we meet and successfully manufactured the machining equipment.

the FRP mobile plane spring; compressed air operated profile modeling; the FRP grinding; compressed air-liquid damping; PLC logical control

2015-05-25)

杨瑞庆(1963-)，男，山东人，本科，高级工程师。研究方向：复合材料设备。E-mail：yrq811123@163.com.