摩擦焊机控制系统设计.doc

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摩擦焊机控制系统设计
1摩擦焊接技术概述
1.1摩擦焊焊接原理
摩擦焊是利用工件接触端面相对旋转运动中相互摩擦所产生的热，使端部达到热塑性状态，然后迅速顶锻，完成焊接的一种压焊方法。图1.1是摩擦焊的基本形式，两个圆断面的金属工件摩擦焊接前，工件1夹持在可以旋转的夹头上，工件2夹持在能够向前移动加压的夹头上。焊接开始时，工件1首先高速旋转，然后工件2向工件1方向移动、接触，并施加足够大的摩擦压力，这时开始了摩擦加热过程，摩擦表面消耗的机械能直接转换成热能。当通过一段选定的摩擦时间，或达到规定的摩擦变形量(即工件2向前的摩擦位移量)，即接头金属的摩擦加热温度达到焊接温度以后，立即停止工件1的转动，同时工件2向前快速移动，对接头施加较大的顶锻压力，使其产生一定的顶锻变形量。压力保持一段时间以后，松开两个夹头，取出焊件，全部焊接过程就此结束，通常全部焊接过程只需2~3s的时间。

图1.1摩擦焊原理示意图
1、2—焊件3、4—夹具n—转速p—压力
1.2摩擦焊焊接参数
摩擦焊的主要参数有转速、摩擦压力、摩擦时间、摩擦变形量、停车时间、顶锻时间、顶锻压力、顶锻变形量。其中，摩擦变形量和顶锻变形量（总和为缩短量）是其他参数的综合反应。
(1)转速与摩擦压力。转速和摩擦压力直接影响摩擦扭矩、摩擦加热功率、接头温度场、塑性层厚度以及摩擦变形速度等。转速和摩擦压力的选择范围很宽，它们不同的组合可得到不同的规范，常用的组合有强规范和弱规范。强规范时，转速较低，摩擦压力较大，摩擦时间短；弱规范时，转速较高，摩擦压力小，摩擦时间长。
(2)摩擦时间。摩擦时间影响接头的加热温度、温度场和质量。如果时间短，则界面加热不充分，接头温度和温度场不能满足焊接要求；如果时间长，则消耗能量多，热影响区大，高温区金属易过热，变形大，飞边也大，消耗的材料多。碳钢工件的摩擦时间一般在1～40s范围内。
(3)摩擦变形量。摩擦变形量与转速、摩擦压力、摩擦时间、材质的状态和变形抗力有关。要得到牢靠的接头，必须有一定的摩擦变形量，通常选取的范围为1～10mm。
(4)停车时间。停车时间是转速由给定值下降到零时所对应的时间，直接影响接头的变形层厚度和焊接质量。当变形层较厚时，停车时间要短；当变形层较薄而且希望在停车阶段增加变形层厚度时，则可加长停车时间。
(5)顶锻压力、顶锻变形量和顶锻速度。顶锻压力的作用是挤出摩擦塑性变形层中的氧化物和其他有害杂质，并使焊缝得到锻压，结合牢靠，晶粒细化。顶锻压力的选择与材质、接头温度、变形层厚度以及摩擦压力有关。材料的高温强度高时，顶锻压力要大；温度高、变形层厚度小时，顶锻压力要小（较小的顶锻压力就可得到所需要的顶锻变形量）；摩擦压力大时，相应的顶锻压力要小一些。顶锻变形量是顶锻压力作用结果的具体反映，一般选取1～6mm。顶锻速度对焊接质量影响很大，一般为10～40mm/min。
1.3摩擦焊的特点及应用
摩擦焊新技术具有一系列突出优点:焊接质量高、稳定可靠、焊件尺寸精度高，能耗低，节能效果显著，节约原材料，摩擦焊新技术不用焊条、不用焊丝、不用焊药、不用保护气体，生产效率高，便于实现自动化，具有广泛的可焊性，
摩擦焊无弧光、无火花、无毒害。操作环境整洁，有利于环境保护。
由于摩擦焊是一种高质量、高效率、无毒无害的自动化的焊接方法，具有上述的突出优点，并且技术经济效果显著，因而在在航空航天、核能、船舶、兵器、汽车、海洋开发、石油天然气、机械制造等高新技术和传统产业部门得到了越来越广泛的应用。
2控制系统总体方案设计
2.1分析被控对象
图2.1为摩擦焊机控制系统示意图，其由主机(机床)，液压系统和控制系统组成。主机系统(含主轴箱、旋转与移动夹具、滑动平台、施力油缸与床身)是摩擦焊机的主体，其作用是通过旋转夹具与移动夹具向焊件提供工艺所规定的转速、扭矩、摩擦压力及顶锻压力，实现滑台快进、快退、工进等辅助运动，它是焊机系统的执行机构。液压系统的作用是提供焊机各动作机构(主轴离合器、制动器、旋转夹具、移动夹具)和施力系统(施力油缸)的液压动力源，以及保证主轴旋转及滑台运动部件的充分润滑。焊接过程所需的动作顺序、液压元件的执行由控制系统完成。

图2.1摩擦焊机控制系统示意图
2.2液压系统设计
摩擦焊机液压系统是控制主轴的启动和制动、夹具的加紧和松开、滑台的进退，液压系统是整个焊接过程的执行者，在焊接过程中扮演相当重要的作用。该液压控制系统由油泵电动机、油泵、三位四通电磁换向阀、比例方向阀、卸荷阀、比例溢流阀、压力表以及油缸组成，如图2.2所示。其各部分作用如下：夹盘1液压缸通过控制三位四通电磁换向阀9左右换向实现工件1的加紧与松开；夹盘2液压缸通过控制三位四