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齿轮是现代机械中应用最广泛的一种机械传动零件。齿轮传动通过轮齿互相啮合来传递空间任意两轴间的运动和动力，并可以改变运动的形式和速度。齿轮传动使用范围广，传动比恒定，效率较高，使用寿命长。在机械零件产品的设计与制造过程中，不仅要考虑材料的性能能够适应零件的工作条件，使零件经久耐用，而且要求材料有较好的加工工艺性能和经济性，以便提高零件的生产率，降低成本，减少消耗。如果齿轮材料选择不当，则会出现零件的过早损伤，甚至失效。因此如何合理地选择和使用金属材料是一项十分重要的工作。

    满足材料的机械性能

    材料的机械性能包括强度、硬度、塑性及韧性等，反映材料在使用过程中所表现出来的特性。齿轮在啮合时齿面接触处有接触应力，齿根部有最大弯曲应力，可能产生齿面或齿体强度失效。齿面各点都有相对滑动，会产生磨损。齿轮主要的失效形式有齿面点蚀、齿面胶合、齿面塑性变形和轮齿折断等。因此要求齿轮材料有高的弯曲疲劳强度和接触疲劳强度，齿面要有足够的硬度和耐磨性，芯部要有一定的强度和韧性。

    例如，在确定大、小齿轮硬度时应注意使小齿轮的齿面硬度比大齿轮的齿面硬度高30-50HBS，这是因为小齿轮受载荷次数比大齿轮多，且小齿轮齿根较薄，强度低于大齿轮。为使两齿轮的轮齿接近等强度，小齿轮的齿面要比大齿轮的齿面硬一些。

    另一方面，根据材料的使用性能确定了材料牌号后。要明确材料的机械性能或材料硬度，然后我们可以通过不同的热处理工艺达到所要求的硬度范围，从而赋予材料不同的机械性能。如材料为40Cr合金钢的齿轮，当840-860℃油淬，540-620℃回火时，调质硬度可达28-32HRC，可改善组织、提高综合机械性能；当860-880℃油淬，240—280℃回火时，硬度可达46-51HRC，则钢的表面耐磨性能好，芯部韧性好，变形小；当500-560℃ 氮化处理，氮化层0.15-0.6mm时，硬度可达52-54HRC，则钢具有高的表面硬度、高的耐磨性、高的疲劳强度，较高的抗蚀性和抗胶合性能且变形极小；当通过电镀或表面合金化处里后，则可改善齿轮工作表面摩擦性能，提高抗腐蚀性能。

    满足材料的工艺性能

    材料的工艺性能是指材料本身能够适应各种加工工艺要求的能力。齿轮的制造要经过锻造、切削加工和热处理等几种加工，因此选材时要对材料的工艺性能加以注意。一般来说，碳钢的锻造、切削加工等工艺性能较好，其机械性能可以满足一般工作条件的要求。但强度不够高，淬透性较差。而合金钢淬透性好、强度高，但锻造、切削加工性能较差。我们可以通过改变工艺规程、热处理方法等途经来改善材料的工艺性能。

    例如汽车变速箱中的齿轮选择20CrMnTi钢，该钢具有较高的机械性能，在渗碳淬火低温回火后，表面硬度为58-62HRC，芯部硬度为30- 45HRC。20CrMnTi的工艺性能较好，锻造后以正火来改善其切削加工性。此外，20 CrMnTi还具有较好的淬透性，由于合金元素钛的影响，对过热不敏感，故在渗碳后可直接降温淬火。且渗碳速度较快，过渡层较均匀，渗碳淬火后变形小。适合于制造承受高速中载及冲击、摩擦的重要零件，因此根据齿轮的工作条件选用20CrMnTi钢是比较合适的。

    材料的经济性要求

    所谓经济性是指最小的耗费取得最大的经济效益。在满足使用性能的前提下，选用齿轮材料还应注意尽量降低零件的总成本。我们可以从以下几方面考虑：

    从材料本身价格来考虑。碳钢和铸铁的价格是比较低廉的，因此在满足零件机械性能的前提下选用碳钢和铸铁，不仅具有较好的加工工艺性能，而且可降低成本。从金属资源和供应情况来看，应尽可能减少材料的进口量及价格昂贵材料的使用量。

    从齿轮生产过程的耗费来考虑。首先，采用不同的热处理方法相对加工费用也不一样，如12CrNi3A钢渗碳表面淬火的费用要比氮化处理的费用少得多，而碳氮共渗又具有生产周期短和成本低的特点。其次，通过改进热处理工艺也可以降低成本。如某齿轮工作时在高速、中载且承受中等冲击条件下，原选用中合金高级渗碳钢18cr2Ni4WA材料，其经过910-940℃渗碳，850℃淬火，180-200℃回火后机械性能的抗拉强度≥1177Mpa、屈服强度 ≥834Mpa、延伸率≥10％、断面收缩率≥45％，冲击韧性≥980kJ／m2，硬度为58-62HRC。虽能满足齿轮的使用性能和工艺性能，但零件的价格高。现选用价格相对便宜的低碳中合金、中淬透性渗碳钢20CrMnTi。经过910-940℃渗碳，870℃淬火，180-200℃回火后机械性能的抗拉强度≥1100Mpa、屈服强度≥850Mpa、延伸率≥10％、断面收缩率≥45％，冲击韧性≥680，硬度为58-62HRC。仅此一项改进，材料费用不仅大大降低，而且满足了其使用性能和工艺性能。第三，所选钢种应尽量少而集中，以便采购和管理。随着齿轮形状、尺寸和材料向着多品种、多系列和个性化的方向发展，尤其是在型号多、产量小时，在齿轮锻造、机加工和热处理等生产工艺方面，存在着设计量大，生产周期长、效率低、成本高、能耗大、管理难和质量不易保证等不利状况，因此在齿轮选材时精选、优选和压缩材料牌号和规格有利于提高选材通用化、系列化和标准化程度，提高材料的利用率，提高材料采购的计划性，以减少库存积压、加快资金流动，方便储存和保管以及降低材料的成本消耗。最后，我们还可以通过改进工艺来提高经济效益。如模锻件生产的模锻工艺已突破传统工艺的要求，在提供成型毛坯时，可利用少无切削工艺，模锻与机械精加工相结合，部分或全部取代切削加工直接生产零件，或在生产中采用成组技术与工艺，也可提高产品质量、生产效率和降低成本。

    结束语

    综上所述，在选择齿轮材料时。必须了解我国工业发展形式，结合我国资源和生产条件，从实际出发，全面考虑机械性能、工艺性能和经济性等方面的问题，只有合理选材才能保证齿轮质量、降低产品成本，从而提高市场竞争力。
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6063 铝合金化学成分的选择 黎伯豪 言淑纯 6063铝合金广泛用于建筑铝门窗、幕墙的框架，为了保证门窗、幕墙具有高的抗风压性能、装配性能、耐蚀性能和装饰性能，对铝合金型材综合性能的要求远远 高于工业型材标准。在国家标准GB/T3190中规定的6063铝合金成分范围内，对化学成分的取值不同，会得到不同的材质特性，当化学成分的范围很大 时，其性能差异会在很大范围内波动，以致型材的综合性能会无法控制。因此，优选6063铝合金的化学成分成为生产优质铝合金建筑型材的最重要的一环。 1 合金元素的作用及其对性能的影响 6063铝合金是AL-Mg-Si系中具有中等强度的可热处理强化合金，Mg和Si是主要合金元素，优选化学成分的主要工作是确定Mg和Si的百分含量 (质量分数，下同)。 1．1 Mg的作用和影响 Mg和Si组成强化相Mg2Si，Mg的含量愈高，Mg2Si的数量就愈多，热处理强化效果就愈大，型材的抗拉强度就愈高，但变形抗力也随之增大，合金的 塑性下降，加工性能变坏，耐蚀性变坏。 1．2 Si的作用和影响 Si的数量应使合金中所有的Mg都能以Mg2Si相的形式存在，以确保Mg的作用得到充分的发挥。随着Si含量增加，合金的晶粒变细，金属流动性增大，铸 造性能变好，热处理强化效果增加，型材的抗拉强度提高而塑性降低，耐蚀性变坏。 2 Mg和Si含量的选择 2．1 Mg2Si量的确定 2．1．1 Mg2Si相在合金中的作用 Mg2Si在合金中能随着温度的变化而溶解或析出，并以不同的形态存在于合金中： (1)弥散相β’’固溶体中析出的Mg2Si相弥散质点，是一种不稳定相，会随温度的升高而长大。 (2)过渡相β’ 是β’’由长大而成的中间亚稳定相，也会随温度的升高而长大。 (3)沉淀相β是由β’ 相长大而成的稳定相，多聚集于晶界和枝晶界。能起强化作用Mg2Si相是当其处于β’’弥散相状态的时侯，将β相变成β’’相的过程就是强化过程，反之则 是软化过程。 2．1．2 Mg2Si量的选择 6063铝合金的热处理强化效果是随着Mg2Si量的增加而增大。参见图1<1>。当Mg2Si的量在0．71%～1．03%范围内时，其抗 拉强度随Mg2Si量的增加近似线性地提高，但变形抗力也跟着提高，加工变得困难。但Mg2Si量小于0．72%时，对于挤压系数偏小(小于或等于30) 的制品，抗拉强度值有达不到标准要求的危险。当Mg2Si量超过0.9%时，合金的塑性有降低趋势。 GB/T5237．1—2000标准中要求6063铝合金T5状态型材的σb≥160MPa，T6状态型材σb≥205MPa，实践证明．该合金的最高可 达到260MPa。但大批量生产的影响因素很多，不可能确保都达到这么高。综合的考虑，型材既要强度高，能确保产品符合标准要求，又要使合金易于挤压，有 利于提高生产效率。我们设计合金强度时，对于T5状态交货的型材，取200MPa为设计值。从图1可知，抗拉强度在200MPa左右时，Mg2Si 量大约为0．8%，而对于T6状态的型材，我们取抗拉强度设计值为230 MPa，此时Mg2Si量就提高到0．95%。 2．1．3 Mg含量的确定 Mg2Si的量一经确定，Mg含量可按下式计算： Mg%=（1.73×Mg2Si%）/2.73 2．1．4 Si含量的确定 Si的含量必须满足所有Mg都形成Mg2Si的要求。由于Mg2Si中Mg和Si的相对原子质量之比为Mg/Si=1．73 ，所以基本Si量为Si基=Mg/1．73<2>。但是实践证明，若按Si基进行配料时，生产出来的合金其抗拉强度往往偏低而不合格。显然是 合金中Mg2Si数量不足所致。原因是合金中的Fe、Mn等杂质元素抢夺了Si，例如Fe可以与Si形成ALFeSi化合物。所以，合金中必须要有过剩的 Si以补充Si的损失。合金中有过剩的Si还会对提高抗拉强度起补充作用。合金抗拉强度的提高是Mg2Si和过剩Si贡献之和。当合金中Fe含量偏高时， Si还能降低Fe的不利影响。但是由于Si会降低合金的塑性和耐蚀性，所以Si过应有合理的控制。我厂根据实际经验认为过剩Si量选择在0．09% ～0．13%范围内是比较好的。合金中Si含量应是：Si%=(Si基+Si过)% 3 合金元素控制范围的确定 3．1 Mg的控制范围 Mg是易燃金属，熔炼操作时会有烧损。在确定Mg的控制范围时要考虑烧损所带来的误差，但不能放得太宽，以免合金性能失控。我们根据经验和本厂配料、熔炼 和化验水平，将Mg的波动范围控制在0．04%之内，T5型材取0．47%～0．50%，T6型材取0．57%～0．60%。 3．2 Si的控制范围当Mg的范围确定后，Si的控制范围可用Mg/Si比来确定。因为我厂控制Si过为0．09%～0．13%，所以Mg/Si应控制在1． 18～1．32之间。图2示出了我厂6063铝合金T5和T6状态型材化学成分的选择范围。图中示出了过Si上限线和下限线。若要变更合金成分时，比如想 将Mg2Si量增加到 0．95%，以便有利于生产T6型材时，可沿过Si上下限区间将Mg上移至0．6%左右的位置即可。此时Si约为0．46%，Si过为0．11%， Mg/Si为1．3。 4 结束语根据我厂的经验，在6063铝合金型材中Mg2Si量控制在0．75%～0．80%范围内，已完全能够满足力学性能的要求。在正常挤压系数(大于或 等于 30)的情况下，型材的抗拉强度都处在200～240 MPa范围内。而这样控制合金，不仅材料塑性好，易于挤压，耐蚀性高和表面处理性能好，而且可节约合金元素。但是还应特别注意对杂质Fe进行严格控制。若 Fe含量过高，会使挤压力增大，挤压材表面质量变差，阳极氧化色差增大，颜色灰暗而无光泽，Fe还降低合金的塑性和耐蚀性。实践证明，将Fe含量控制在 0．15%～0．25%范围内是比较理想的。
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李玉兰　刘　江　彭晓东

摘　要　介绍了镁合金构件的主要特性，综述了镁合金压铸件在全球汽车业中的应用现状及镁铸件用量增长情况，镁合金的发展状况和目前应用的镁合金压铸工艺及防腐蚀表面处理技术。同时对存在的问题和未来应用进行了探讨和预测。
关键词：镁合金　压铸件　汽车　压铸工艺　表面处理

Application of Magnesium Die Castings in Automotive Industry

Li Yulan　Liu Jiang　Peng Xiaodong
(Chongqing University)

ABSTRACT:The applications of magnesium die castings in global automotive industry and the development of magnesium alloys were reviewed. The major properties of magnesium alloy compenents, magnesium die casting processes and surface treatment for corrosion resistance were discussed. At the same time, the utlization of magnesium die castings for automovtive industry in the future was forecast.
Key Words:Magnesium Alloys, Die Castings, Automobile, Die Casting Process, Surface Finishing

0　前言

　 　镁合金作为结构材料主要用于航空航天领域，80年代以来，镁合金开始在汽车、计算机、通讯设备上得到越来越多的应用，其中绝大部分是镁铸件［1］。北美 从80年代中期开始在汽车上使用镁铸件，每年以16.6%的速度增长，其中增长最快的是压铸件，占70%～80%［2］。世界范围内的汽车用镁合金铸件也 以较大比例增长，如欧洲，1994年比1993年增长了25%［3］。
　　镁的密度(1.74 g/cm3)小，约为铝的64%，锌的25%和钢的20%，这使它在汽车减少自重、提高燃料效率方面独具魅力。作为轻金属，镁合金的强度接近铝合金，其比 强度明显高于铝合金和钢，其比刚度与铝合金及钢相当，而远远高于工程塑料(如图1、图2所示)［4］。

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图1　4种材料的相对比强度
Fig.1　The relative specific strength of four kinds of materials

　

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图2　4种材料的相对比刚度
Fig.2　The relative specific rigidity of four kinds of materials
　　耐蚀性差是镁合金扩大应用的一大障碍，采用SF6作为合金熔炼加保护气氛，消除溶剂夹杂，严格控制合金中的杂质元素，可显著改善镁合金纯度，大大提高耐蚀性。现有的高纯压铸镁合金在盐雾试验中的耐蚀性已超过压铸铝合金A380，比低碳钢好得多(如图3所示)［4］。

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图3　4种材料的相对腐蚀率
Fig.3　The relative specific corrosion of four finds of materials

　　另外，镁还有别的优点，如：好的吸湿能力、流动性、机械加工性能和电磁干扰屏蔽性能［5］。
　　镁的这些特性在汽车制造业中的应用符合人们对汽车工业
发 展的要求：减轻车重、提高燃料经济性、降低排放、提高安全性和驾驶性［6］。由此，北美、欧洲、日本、韩国的汽车用镁铸件量大大增加。以美国为例，在 1984～1994年期间，镁压铸件在汽车上的使用量每年以17.7%的比例增长，而1994年的增长为33%(1984年为7 000 t,1994年为30 000 t)。据预测到2000年期间每年增长率仍将保持在12%～20%或更高［7，8］。由图4可以很清楚地观察到全球各地区汽车用镁铸件量的年度变化和对未 来几年的预测，这种不断增长的势头说明了在未来一段时间镁铸件对汽车工业的发展将起着至关重要的作用。

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图4　全球镁铸件在汽车上的应用量和未来几年预测
Fig.4　The amount of magnesium alloy castings used in global automotive industry and the forecast for next several years
1　镁铸件在汽车上的应用现状

　 　从本世纪20年代开始，镁制零件就在赛车上应用。1936年，德国大众汽车公司开始用压铸镁合金生产“甲壳虫”汽车的曲轴箱、传动箱壳体等发动机传动系 统零件，到1946年，每车用镁合金18 kg左右。到1980年，大众公司共生产了1 900 万辆甲壳虫，用镁合金铸件38 万t，达到了批量生产使用镁合金的最高记录［1，4，5］。而北美汽车用镁合金铸件到80年代中期之前数量较小，当开发出高纯度镁合金后，才有实质性的增 长。1992年，美国三大公司采用镁合金压铸分别为30个零件(福特)，45个零件(通用)，20个零件(克莱斯勒)［9］。到1993年，则差不多增加 了1倍，三大公司有60多个不同镁铸件在生产中，而1983年则仅有5个零部件。并且1993年三大公司镁合金铸件用量占北美镁的总消耗量的70%，达 14 282 t，福特消耗最多，为8 258 t，通用为3 436 t，克莱斯勒为2 588 t［10］。这些镁合金主要用来制造离合器壳体、转向柱架、制动器踏板支架、阀盖、阀板、仪表板支架、变速箱体、车窗马达壳体、油滤接头、发动机前盖、进 气歧管、镜子外罩、辅件托架及照明灯夹持器等汽车零部件。而近年的汽车用镁铸件又有新的进步，除了整体式镁合金铸造座椅外，在1997年展出的梅塞德斯- 奔驰的新车型 SLK上，燃料箱和行李箱之间的隔板也采用质量为3.19 kg的压铸镁合金件代替质量为6 kg的钢件。通用的EV1车型采用的整体铸镁转向盘等亦是镁合金铸件在汽车上的新应用［11］。福特着眼于2000年后中型车100 km油耗少于3 L的目标，而于1998年元月推出的轻质概念车P2000，所采用的铸镁车轮(每个质量3.1 kg,比钢板冲压件减少5 kg)，则将是镁铸件在未来汽车上的应用［12］。
　　汽车用镁合金铸件绝大部分是压铸件，对减少汽车质量、提高燃料经济性、保护环境、提高安全 性和驾驶性、改善汽车性能，增强竞争能力效果显著。例如丰田汽车的方向盘加装安全汽囊后质量增加，采用AM60B镁合金压铸件后，质量比过去的钢制品、铝 制品分别减少了45%和15%，并减少了转向系统的振动。奔驰公司用AM20和AM50压铸座椅架，质量比过去的冲压-焊接钢结构件大大减少，通用EV1 型用镁制仪表板将20个冲压及塑料零件组合成一个压铸件，不但减少3.6 kg,而且增加了刚性，减少了装配工作量［13］。福特公司用AZ91D制锁套，比用锌减少质量75%，而福特公司的卡车离合器壳改用AZ91D镁合金压 铸件不但无大气腐蚀问题，且耐海水腐蚀性也比铝合金壳体好，延长了使用寿命。

2　镁合金研究发展情况

　　用于汽车零部件 的镁合金件一般是压铸件(只有做模型时才用重力铸镁件)，其合金有四个系列［2］：Mg-Al-Zn-Mn(AZ系列)，Mg-Al-Mn(AM系列)， Mg-Al-Si(AS系列)，Mg-Al-稀土(AE系列)。表1列出了最常用的压铸镁合金的组成成分和力学性能。

表1　常用压铸镁合金的合金成分和力学性能
Table 1　The compositions and mechanical properties
of some magnesium alloys for die casting
合金 合金成分wB/% σb σ0.2 δ E 疲劳强度 硬度 比屈服强度
Al Mn Zn Si RE MPa MPa % GPa MPa HB J.g-1
AZ91D 9.0 0.13 0.7 　 　 230 160 3 45.0 50～70 67 88
AM60B 6.0 0.13 　 　 　 255 135 6 43.5 50～70 62 75
AS41A 4.3 0.35 　 1.0 　 245 150 4 　 50～70 78 76
AE42 4.0 　 　 　 2.0 244 140 17 　 　 69 83
　 　AZ系列具有均衡的力学性能、铸造性能和耐蚀性，其屈服强度最高，一般用于制造形状复杂的薄壁压铸件，典型型号是AZ19D(Mg-9Al-0.7Zn -0.2Mn),通过加入质量分数0.2%的Mn来提高防腐蚀性能，使其成为应用于室温条件下最基本的压铸镁合金，通常用于阀套、离合器支架、转向盘柱、 凸轮盖、支架、离合器壳、手动变速箱壳体及其他零件。AM系列镁合金具有优良的韧性和塑性，用于经受冲击载荷，安全性较高的场合，典型型号是AM60B (Mg-6Al-0.2Mn),常用于座位架和设备仪表板。 AZ19D和AM60B构成了汽车上镁合金应用量的90%［2］。但他们通常只在不超过150 ℃的温度下使用，若是超过150 ℃应用，则必须使用1993年底新加入商业镁合金行列的AS系列。AS系列有较好的抗蠕变性能，常用于工作温度较高的发动机零件。AS41A(Mg- 4.3Al-1Si-0.35Mn)在175 ℃时的蠕变强度要高于AZ91D和AM60B，且有较好的伸长率、屈服强度和很高的抗拉强度。过去通常用作空冷型汽车发动机的曲轴箱和大众车部件(如风扇 套和电机支架)，最近则被通用公司用于叶片定子和离合器活塞。AE系列有比AS系列更好的抗蠕变性能，AE42(Mg-4Al-2RE)应用于汽车动力系 统上颇受好评。但由于稀土成本高，暂时无法大量推广应用。

3　镁合金的压铸技术

　　与铝合金相比，镁合金的密度、比热和 凝固潜热较小，熔点较低，熔化和压铸时不与铁反应［13］,因此其熔化耗能少，凝固速度快，压射周期比同样的铝件可缩短50%，又因为镁合金不冲击钢模和 工具，使压铸模寿命延长1～2倍，达20万次以上，并且还可使用低碳钢坩埚和工具［2］。
　　镁合金可用冷室或热室压铸机压铸成形。如德国 Audi汽车的仪表盘是在装有自动浇注机构的锁模力为24 500 kN的冷室压铸机上压铸的；通用汽车公司汽车上的直角承梁是AM60B在锁模力为21 560 kN的冷室压铸机上压铸而成的。汽车座椅框架和汽车轮毂也用冷室压铸机生产，而汽车方向盘等零件一般用AM60B镁合金在热室压铸机上生产。热室压铸机的 生产效率为同容量的冷室压铸机的2倍，通常用于生产薄壁压铸件。
　　然而和其他合金的压铸件一样，用传统压铸方法生产的镁合金压铸件也不能进行热 处理强化和在较高温度下使用。为此，近20年新开发的三种压铸方法：真空铸造、充氧压铸、半固态金属流变或触变压铸等在消除镁铸件缺陷、提高其内在质量， 扩大压铸件的应用范围方面有很大的贡献。
　　真空压铸能明显提高压铸件的力学性能和表面质量，目前在冷室压铸机上用真空压铸法生产出的AM60B镁合金汽车轮毂，在锁模力为2 940 kN的热室压铸机上生产出的AM60B镁合金汽车方向盘零件，合金伸长率由8%提高至16%。
　 　充氧压铸又称无气孔压铸，是将氧气或其他活性气体置换型腔内的空气，与充型金属液反应生成金属氧化微粒弥散分布在压铸件内，从而消除压铸件内的气体，使 压铸件可热处理强化。日本轻金属株式会社用充氧压铸法成批生产了AM60镁合金汽车轮毂与摩托车轮毂，与铝轮毂相比，质量减少15%。
　　半固态 流变压铸具有充型平稳，无金属喷溅，金属液氧化损失少，节能，操作安全，减少铸件孔洞类缺陷等优点，固相率为40%～50%的AZ91D镁合金在冷室压铸 机上的半固态流变压铸件消除了气孔缺陷，抗拉强度达140～200 MPa。美国Dow Chemical公司1991年推出的第二代半固态压铸机已生产出的AZ91D镁合金半固态压铸件有汽车传动器壳体盖、点火器壳体。此外，挤压铸造也能提 高铸件质量，但一般用于镁基复合材料制品的生产。

4　腐蚀和表面处理

　　镁有极高的化学活性，当与不同类金属配合时易发 生电解腐蚀和微电腐蚀，通过正确的零部件设计和表面强化方法，能使阳极腐蚀减到最小；通过控制铸造过程化学反应和微观组织，可减小微电腐蚀。而在自然环境 中，如图3所示，高纯度压铸镁合金的抗腐蚀能力优于铝合金A380，远远高于低碳钢，因而在应用中只要控制压铸镁合金中的杂质水平和铁锰比，就可提高其抗 腐蚀能力。
　　采用正确的零件设计和合适的化学成分，加强对微观组织的控制，镁合金压铸件就可以不用任何表面处理而直接应用于汽车上。然而车轮、轮毂、引擎组元等关键部件，进行表面处理是必要的。
　　镁合金压铸件进行表面处理分为三个步骤：机械表面清理和脱脂除渍或酸蚀刻；表面涂层；最终保护处理。其中含有Mg(OH)2和Cr(OH)3的Cr溶液能提高涂层质量和提供中性腐蚀保护，但含Cr的复合物有剧毒，应严格控制。
　　ITM(Institute of Magnesium Technology)研制了一种叫氢装载的变换涂层法，用这种方法，通过暴露电极使镁表面附上一富氢层，这种方法经济、无毒性，在盐雾中的防蚀能力比Cr-Mn处理好得多，其工业化的研究正在进行［2］。
　　对AZ91D合金注入N2+离子也能提高合金的抗蚀性，注入剂量为5×1016粒/cm2时的效果最好。
　　另外化学气相沉淀(CVD)和激光表面熔化能使表面生成玻璃结构，如AZ91D激光改良表面的腐蚀率为未经改良处理的1/3。
　　虽然表面处理技术较多，但离生产应用的要求还有较大差距。各种粗劣的表面处理也是镁合金压铸件在汽车上大量应用的一个技术障碍。

6　结　论

　 　据预测到1999年，用于汽车的镁压铸件将有130多个，而美国三大汽车公司耗镁量将达10 万t，其中福特占将近一半［14］。而大众公司的用镁目标是到2000年每车用镁量达到令人咋舌的50 kg［15］。然而这并非天方夜谭，成本和技术方面的阻碍的克服将使汽车用镁量持续增长的趋势继续下去。
　　目前，成本方面的障碍是镁锭成本约高 出铝锭20%多，每吨约多出几千美元，然而，按美国目前的质量减少1 kg多出的成本不高于2美元就可以应用的要求［16］来看，还是可以接受的。并且汽车工业竞争激烈，对价格相当敏感，对用新材料带来的好处有相当充分的认 识。再加上生产率提高、潜在的新产品市场、对高等级废料的回收，可使镁锭成本降低，再通过不断提高的熔铸能力和生产效率，通过有限元分析，对镁铸件进行重 新设计和改良替代设计，充分利用镁合金的性能(薄壁整体可铸性，高比强度和低机加工成本)，可使镁合金压铸件在不久的将来，与钢、铝在成本上有一定竞争 力。
　　阻碍镁铸件不断扩大应用的技术障碍是缺少高温压铸合金、缺乏足够的设计数据、漫长的研制周期和粗糙的表面处理技术。然而，汽车制造商和各国政府必定会投入更多的技术力量和资金去攻克这些技术难关，使镁合金压铸件成为下个世纪初汽车上的主导材料。

作者单位：重庆大学

参考文献

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　[16]　Cole G S, Sherman A M. Lightweight Materials for Automotive Applications. Materials Characterization,1995,35(7):3～9


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镁合金是目前国内外重新认识并积极开发的一种新型环保材料，是21世纪最具生命力的新型环保材料，该材料能回收再利用，无污染，并且世界上特别是我国蕴藏最丰富。占全球三分之一以上约36亿吨。

镁合金特点：
1、重量轻，镁金属是目前世界实际应用中重量最轻的金属结构材料，是铝的2/3，钢铁的1/4。
2、比强度和比钢度高，均优于钢和铝合金。
3、弹性模量小，刚性好，抗震力强，长期使用不易变形。
4、对环境无污染，可回收性能好，符合环保要求。
5、抗电磁干扰及屏蔽性好。
6、色泽鲜艳美观，并能长期保持完好如新。
7、极高的压铸生产率，尺寸收缩小，并且具有优良脱模性能。



压铸镁合金锭化学成份（%）
牌号 Al Zn Mn RE Zr Si≤ Fe≤ Cu≤ Ni≤ 其他元素 总杂质

AZ91D
8.50-9.50 0.45-0.90 0.17-0.40 — — 0.05 0.004 0.015 0.001 — 0.30
AZ91A 8.50-9.50 0.45-0.90 >0.15 — — 0.20 — 0.08 0.01 — 0.30
AZ91B 8.50-9.50 0.45-0.90 >0.15 — — 0.20 — 0.25 0.01 — 0.30
AZ91E 8.50-9.50 0.45-0.90 0.17-0.50 — — 0.20 — 0.015 0.001 0.01 —
AM60A 5.70-6.30 — >0.15 — — 0.20 0.004 0.008 0.01 — 0.03
AM60B 5.60-6.40 — 0.26-0.50 — — 0.05 0.004 0.008 0.001 0.01 —
AM50A 4.50-5.30 <0.20 0.28-0.50 — — 0.05 0.004 0.008 0.001 0.01 —
AM20 1.70-2.50 <0.20 >0.35 — — 0.05 0.004 0.008 0.001 0.01 —
AS41A 3.70-4.80 <0.10 0.20-0.48 — — 0.60-1.40 0.004 0.008 0.001 0.01 —
AZ63A 5.50-6.50 2.70-3.30 0.15-0.35 — — 0.20 — 0.20 0.01 — 0.30
AZ81A 7.20-8.00 0.50-0.90 0.15-0.35 — — 0.20 — 0.08 0.01 — 0.30
AZ81 7.20-8.50 0.45-0.90 >0.17 — — 0.05 0.004 0.025 0.001 0.01 —
AZ92A 8.50-9.50 1.70-2.30 0.13-0.35 — — 0.20 — 0.20 0.01 — 0.30
ZE41A — 3.70-4.80 >0.15 1.00-1.75 0.30-1.00 0.01 — 0.03 0.01 — 0.30
ZE63A — 5.50-6.00 — 2.00-3.00 0.30-1.00 0.01 — 0.03 0.01 — 0.30
ZK61A — 5.70-6.30 — — 0.30-1.00 0.01 — 0.03 0.01 — 0.30

　
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我 国镁工业起步虽然较晚，但发展非常快。20世纪90年代开始，我国镁工业进入快速发展期。我国是镁资源的大国，是全球镁的生产大国和出口大国，但远不是镁 工业强国。在镁冶炼加工行业，要建设和健全经济环保型的镁加工链，应该注意推广节能环保新技术，设计节能型的工艺组合，寻找节能环保型的替代材料；开发和 采用有经济优势的新型冶炼加工技术；促进产、学、研、用优势群体的互联，促进相关企业的组合，提高能源使用的综合效益，摆脱大量生产、大量消费和大量废弃 的经济活动。提升我国镁产业质量、技术、成本的竞争力，创建经济环保型的镁加工链。　　
随着人们对能源和环境的日益关注，镁及镁合金的应用正在受到前所未有的关注。镁是我国少有的几种优势金属资源之一，在过去的15年里，我国的镁工业逐步壮 大，目前已经成为世界上原镁生产的绝对大国，2003年镁产量更是占世界总产量的60％以上。从2000年开始，在师昌绪等院士的直接推动下，我国镁合金 的研究和应用也取得了举世瞩目的成绩，逐步从镁生产大国向镁研发和应用强国迈进。过去5年里，我国在高性能镁材料的研究，镁加工装备的开发以及镁合金深加 工产品的开发应用方面都取得极大的进展。从镁产业的角度来讲，已经形成了原材料到深加工一直到应用的完整产业链，从镁研究开发的角度来讲，已经初步形成了 从基础研究到应用研究一直到产品开发的完整科研开发体系。　
　 1、我国镁及镁合金现状　　我国目前在镁工业方面拥有三项"世界冠军"。第一是镁资源大国，储量居世界首位。在青海盐湖蕴藏着氯化镁32亿吨，硫酸镁16 亿吨。在辽宁、山西、宁夏、内蒙古、河南等省、自治区菱镁矿均有很大储量，仅辽宁大石桥一带的储量就占世界菱镁矿的60％以上，矿石品位高达40％。第二 是原镁生产大国， 2003年我国共生产原镁35.4万吨，约占全球总产量的67％。第三是出口大国，年产量80％以上的镁出口到国际市场。尽管如此，我国的镁工业还存在着 不少问题，主要表现在：原镁生产技术比较落后，质量不够稳定，镁锭中的夹杂物和有害元素含量大大超标，难以满足压铸、板材轧制和冲压等高端产品的生产需 求；出口产品绝大多数是廉价的纯镁锭，镁合金出口比重只有15％左右，镁合金制品出口则更是微乎其微，因此出口利润低，而对于军工生产所需要的高性能镁合 金板材和型材还需要从俄罗斯进口；原创性的研究成果缺乏，目前出口的所有镁合金锭几乎全部按照国外的牌号生产，而且在镁合金产品加工中的关键技术和装备大 部分依靠进口。中国镁合金产品的生产和应用现状是，镁合金的优势已经被许多企业所认识，在汽车、摩托车和3C产业中镁合金已经开始获得应用，用户包括如上 汽、一汽、二汽、奇瑞、隆鑫、海尔等。例如，一汽铸造有限公司AM50镁合金方向盘骨架；镁合金压铸迅速增长，台湾、香港和大陆投资的镁压铸厂几乎分布在 全国各地，各种压铸机数量超过50台；变形镁合金加工开始起步。　　
2、我国镁合金研究现状　　国家相关研究和应用计划包括，科技部组织实施的"十五"攻关计划重大专项"镁合金应用开发及产业化"、"十五"863计划相关 项目、重点国际合作计划、科技型中小企业创新基金，国家自然科学基金委立项的国家自然科学基金，国防科工委的军工配套项目，经贸委的技改项目，国家发改委 的高技术示范工程等。　　"十五"科技攻关重大专项"镁合金应用开发及产业化"的目标是，建立镁合金技术创新体系；加快我国镁资源的应用开发；培育相关高 新技术产业群；将我国的镁资源优势转变为经济优势。技术目标是推动镁材料的应用与产业化；发展水氯镁石脱水技术，开发盐湖镁资源；提高皮江法炼镁的水平， 降低污染；获得镁生产关键技术装备生产能力；推动镁在汽车、摩托车和3C产业中的应用；研究中国镁长期发展战略。科技部徐冠华部长在2004年全国科技工 作会议上的讲话指出， "通过对镁合金关键技术研究及产业化的重大攻关，初步形成了从高品质镁材料生产到镁合金产品制造的完整产业链，为我国实现由镁资源大国向镁资源强国的跨越 奠定了基础。" 高技术发展计划（863计划）：开发高性能镁合金材料及应用技术，目标是开发未来5～10年内获得应用的关键技术，参加单位包括大学、研究所与企业，立项 项目7项，包括耐热压铸镁合金及其应用技术、高强高韧镁合金及其应用技术开发、高性能变形镁合金及其应用技术、镁合金先进焊接技术、镁合金冲锻成型技术、 镁合金锻造轮毂技术等。这些研究取得了很大突破，包括开发了3种在175℃具有良好抗蠕变性能的镁合金、低成本的镁稀土中间合金制备技术、耐热镁合金的压 铸技术；开发了用于汽车轮毂的高强高韧铸造镁合金、镁合金轮毂低压铸造生产技术；开发了变形性能优于现有Mg－Al－Zn系合金的新型镁合金、板材和中空 薄壁型材加工技术，镁合金腐蚀防护技术；开发了镁合金焊接新工艺、焊接设备及焊接材料。　　
3、镁研究与应用发展趋势　　镁合金用于动力系统零部件：使用条件1：100℃～200℃，自动变速箱、油底壳等，压铸成型；使用条件2： 200℃～300℃，缸体和缸头，砂型铸造和压铸成型。研发机构：通用汽车公司、大众公司、马自达公司、日产公司、三菱公司、No－randa镁业等；美 国三大汽车公司联合对新开发的耐热镁合金进行经济和技术评估。大众汽车公司对新开发的耐热镁合金进行工业化中试生产和应用，效果良好。国内采用低成本镁、 稀土中间合金开发新型耐热镁合金取得进展。　　变形镁合金及其加工技术正在成为镁合金研究和应用领域的热点。热点研究包括镁合金等通道转角挤压技术。镁合 金超塑性研究，重要研究方向是，高应变速率超塑性，研究应变速率在10－2S－1以上的高应变速率超塑性成型（HSR－SPF），对于节约能源、提高生产 率、扩大应用都有很重要的意义；大晶粒工业态镁合金超塑性，研究晶粒较大的工业态镁合金在一定条件下的超塑性，因其不需要预加工可节约能源，故将有更大的 应用前景；镁合金低温超塑性，研究镁合金在较低的温度（0.5Tm以下或更低）下进行超塑性变形的研究。镁合金精密冲锻成型，1999年日本Sony、日 立金属和东京精锻所三家公司共同开发成功镁合金精密冲锻成型技术（Press－Forging）。精密冲锻成型技术是将冲压成型与锻造成型结合所产生的新 技术。同压铸和半固态成型生产工艺相比，精密冲锻成型工艺具有生产效率高和成品率高等优点。镁合金冲锻成型一般采用AZ31B变形镁合金，其生产设备采用 普通机械式锻压机床即可。镁板铸轧技术（短流程）。镁板冲压工艺。阻尼镁合金：镁的阻尼性能优于所有的金属结构材料，在航空航天和军事领域有着广阔应用前 景，如导弹、卫星和武器的电子仪表支架等。泡沫镁合金：日本名古屋工业研究所于1999年5月研发成功泡沫镁合金，具有极好的吸震和耐高温性能，可用于汽 车防撞杆和消声器。　　镁合金材料的研究和应用前景是非常广阔的，相对于其它金属材料（如铝、钢等）的研究发展水平，我国与世界发达国家的差距较小，可以 说几乎处在同一起跑线上，如果集中全国的优势力量针对关键科学问题展开研究，就有可能取得重大突破，达到甚至赶超世界先进水平。我国近年在镁合金技术开发 和应用领域取得了长足进步，作为世界第一"镁"大国要造好镁、用好镁，造福于中国和世界，并在镁的研究领域成为世界领头羊，推动镁合金走可持续发展之路， 同时还要开展好镁合金的重大基础研究。
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数 控机床在加工精度、自动化程度、生产效率、劳动强度等诸方面都有普通机床无法比拟的优势，但购买新的数控机床特别是大型数控机床费用很高，常使许多用户望 而怯步，特别是像我国这样的发展中国家资金有限，因而，大多数机械工厂想买而又买不起数控机床。如何用比较少的投入获得数控机床，就是一个值得探讨的问 题。能不能不买新的数控机床而对原有的机床进行升级改造，使之变成数控机床呢？回答是肯定的。几年来升级改造的经验告诉我们，这是大有可为的，不仅实用性 能良好、周期短，而且可以节约大量资金。被改造的机床越大，所节约的资金也越多。以下是我公司进行的数控化再制造实例：

数控化升级改造

对 天发水电重型设备有限公司进口的大型立车数控化升级改造是一个典型的示例。该机床是原天津重型机械厂上世纪80年代进口的日本东芝产品，经多年使用，机床 性能仍保持的不错。但随着产品的变化和发展，普通机床的功能已不能满足新市场、新产品的要求。为了能车削圆弧和曲面，需要数控二轴插补。面对生产的需要， 如进口一台同规格6500数控立车，需要资金1500万元以上，这对当时的天发重型厂是根本不可能的。在这种情况下，该厂找到我公司，希望对该机床进行升 级改造。

首先确定机床的改造方案。本着既满足加工要求，而 又尽可能节约资金的原则，经反复协商，最后确定只对原机床的两个刀架中的一个车削刀架进行改造。这样，只需要单通道数控系统，更换两根滚珠丝杠，两个伺服 电机，可以节约资金。改造后可以实现二轴插补，实现圆弧和任意曲线的车削。

其次是实施再制造方案，对机床的机械部分的改造:对右刀架X轴改造。采用进口力士乐滚珠丝杠更换原梯形丝杠(80×10×7560mm)；去掉原减速箱，用齿形带驱动丝杠，将传动间隙减至到最小；修刮横梁X轴导轨；对刀架滑座、导轨贴塑；修刮X轴压板、镶条。

对右刀架Z轴改造。用进口力士乐滚珠丝杠更换原梯形丝杠(63×10×3600 mm)；去掉光杠驱动，增加伺服电机驱动；修刮Z轴导轨；修刮Z轴压板、镶条。

对机床电控系统设计制造。 选用发那科0it数控系统；选用发那科交流数字式伺服电机；选用国产合资低压电控元件；设计开发机床控制逻辑图。

最后对机床机电联调。对机床X轴、Z轴动作调试；对机床几何精度调试；对机床坐标精度调试，用双频激光检测各轴精度。进行机床辅助功能调试并对机床36小时连续空运转。

改造后机床性能稳定、可靠,经一年多生产验证,达到了改造要求。100万元的改造费用仅相当于购入新数控机床的1/15，为用户节约了大量资金。该机床为该厂生产水电设备中蜗壳出了大力，创造了几千万元的产值。

数控化升级需要注意的问题

什么样的机床适合数控化升级再制造？经验证明，立卧式车床(特别是大型立卧式车床)、龙门铣升级数控龙门铣、龙门刨升级数控龙门铣、卧式镗铣床升级数控卧式镗铣床、立卧式磨床升级数控磨床的改造效果比较理想。

数控升级改造必须首先对机床机械部分进行再设计再制造，使其达到数控化的要求。只简单地增加伺服电机和数控系统是达不到升级目的的，为此一般要做如下工作：

用滚珠丝杠更换原梯形丝杠，提高精度，减少摩擦；修磨刮研导轨并贴塑或直接采用直线滚动导轨；精化主轴系，提高主轴精度；设计自动冷却排屑系统，提高机床自动化程度；必要时增加换刀机构——刀库机械手；设计制造自动润滑系统。

改 造中要确定和选择数控系统和伺服系统。数控系统的功能不是越多越好，功能多的系统价格一般也更贵。要根据需要选择国产系统与进口系统。应承认，当前国产系 统与进口系统尚有差距，对大型高精度设备一般选进口系统为好。但近几年国产系统已有长足进步，对一般车床、铣床已能可靠使用。伺服电机应首先选择交流伺服 电机。

对再制造数控升级承包公司的选择也非常重要。要选择经过资质认证的公司，当前再制造行业还很不规范，同一台机床改造不同的公司要价 相差很大，有时差别高达 2-3倍；应勘查承包公司的已有业绩；要到承包公司现场勘查，那些没有固定场地，没有稳定技术队伍的公司是搞不了再制造的。一个好的再制造企业，要有很强 的机电设计能力，要有一定的加工制造能力。
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没有理论指导的实践是盲目的实践，没有实践的理论是空洞的理论。
　 我国从事数控机床电气设计、应用与维修技术工作的工程技术人员数以万计，然而由于此项技术的复杂性、多样性和多变性以及一些客观环境因素的制约，在数控机 床电气维修技术方面还没有形成一套成熟的、完整的理论体系。当今控制理论与自动化技术的高速发展，尤其是微电子技术和计算机技术的日新月异，使得数控技术 也在同步飞速发展，数控系统结构形式上的PC基、开放化和性能上的多样化、复杂化、高智能化不仅给其应用从观念到实践
　　带来了巨大变化，也在其 维修理论、技术和手段上带来了很大的变化。因此，一篇讲座形式的文章不可能把已经形成了一门专门学科的数控机床电气维修技术理论完整地表述出来，本文仅是 将多年的实践探索及业内众同仁的经验总结加以适当的归纳整理，以求对该学科理论的发展及工程技术人员的实践有所裨益。
　　一、数控技术
　　谈到维修，首先必须从总体上了解我们的维修对象。
　　1.数控机床电气控制系统综述
　　一台典型的数控机床其全部的电气控制系统如图1所示。

　　(1)数据输入装置将指令信息和各种应用数据输入数控系统的必要装置。它可以是穿孔带阅读机(已很少使用)，3.5in软盘驱动器，CNC键盘(一般输入操作)，数控系统配备的硬盘及驱动装置(用于大量数据的存储保护)、磁带机(较少使用)、PC计算机等等。
　　(2)数控系统数控机床的中枢，它将接到的全部功能指令进行解码、运算，然后有序地发出各种需要的运动指令和各种机床功能的控制指令，直至运动和功能结束。
　　数控系统都有很完善的自诊断能力，日常使用中更多地是要注意严格按规定操作，而日常的维护则主要是对硬件使用环境的保护和防止系统软件的破坏。
　 　(3)可编程逻辑控制器是机床各项功能的逻辑控制中心。它将来自CNC的各种运动及功能指令进行逻辑排序，使它们能够准确地、协调有序地安全运行；同时 将来自机床的各种信息及工作状态传送给CNC，使CNC能及时准确地发出进一步的控制指令，如此实现对整个机床的控制。
　　当代PLC多集成于数 控系统中，这主要是指控制软件的集成化，而PLC硬件则在规模较大的系统中往往采取分布式结构。PLC与CNC的集成是采取软件接口实现的，一般系统都是 将二者间各种通信信息分别指定其固定的存放地址，由系统对所有地址的信息状态进行实时监控，根据各接口信号的现时状态加以分析判断，据此作出进一步的控制 命令，完成对运动或功能的控制。
　　不同厂商的PLC有不同的PLC语言和不同的语言表达形式，因此，力求熟悉某一机床PLC程序的前提是先熟悉该机床的PLC语言。
　　(4)主轴驱动系统接受来自CNC的驱动指令，经速度与转矩(功率)调节输出驱动信号驱动主电动机转动，同时接受速度反馈实施速度闭环控制。它还通过PLC将主轴的各种现实工作状态通告CNC用以完成对主轴的各项功能控制。
　　主轴驱动系统自身有许多参数设定，这些参数直接影响主轴的转动特性，其中有些不可丢失或改变的，例如指示电动机规格的参数等，有些是可根据运行状态加以调改的，例
如零漂等。通常CNC中也设有主轴相关的机床数据，并且与主轴驱动系统的参数作用相同，因此要注意二者取一，切勿冲突。
　　(5)进给伺服系统接受来自CNC对每个运动坐标轴分别提供的速度指令，经速度与电流(转矩)调节输出驱动信号驱动伺服电机转动，实现机床坐标轴运动，同时接受速度反馈信号实施速度闭环控制。它也通过PLC与CNC通信，通报现时工作状态并接受CNC的控制。
　　进给伺服系统速度调节器的正确调节是最重要的，应该在位置开环的条件下作最佳化调节，既不过冲又要保持一定的硬特性。它受机床坐标轴机械特性的制约，一旦导轨和机械传动链
的状态发生变化，就需重调速度环调节器。
　 　(6)电器硬件电路随着PLC功能的不断强大，电器硬件电路主要任务是电源的生成与控制电路、隔离继电器部分及各类执行电器(继电器、接触器)，很少还 有继电器逻辑电路的存在。但是一些进口机床柜中还有使用自含一定逻辑控制的专用组合型继电器的情况，一旦这类元件出现故障，除了更换之外，还可以将其去除 而由PLC逻辑取而代之，但是这不仅需要对该专用电器的工作原理有清楚的了解，还要对机床的PLC语言与程序深入掌握才行。
　　(7)机床(电器部分)包括所有的电动机、电磁阀、制动器、各种开关等。它们是实现机床
各种动作的执行者和机床各种现实状态的报告员。
这里可能的主要故障多数属于电器件自身的损坏和连接电线、电缆的脱开或断裂。
　　(8)速度测量通常由集装于主轴和进给电动机中的测速机来完成。它将电动机实际转速匹配成电压值送回伺服驱动系统作为速度反馈信号，与指令速度电压值相比较，从而实现速度的精确控制。
　　这里应注意测速反馈电压的匹配联接，并且不要拆卸测速机。由此引起的速度失控多是由于测速反馈线接反或者断线所致。
　　(9)位置测量较早期的机床使用直线或圆形同步感应器或者旋转变压器，而现代机床多采
用光栅尺和数字脉冲编码器作为位置测量元件。它们对机床坐标轴在运行中的实际位置进行直接或间接的测量，将测量值反馈到CNC并与指令位移相比较直至坐标轴到达指令位置，从而实现对位置的精确控制。
　　位置环可能出现的故障多为硬件故障，例如位置测量元件受到污染，导线连接故障等。
　　(10)外部设备一般指PC计算机、打印机等输出设备，多数不属于机床的基本配置。使用中的主要问题与输入装置一样，是匹配问题。
　　2.数控机床运动坐标的电气控制
　　数控机床一个运动坐标的电气控制由电流(转矩)控制环、速度控制环和位置控制环串联组成
。其控制框图如图2。

　　(1)电流环是为伺服电机提供转矩的电路。一般情况下它与电动机的匹配调节已由制造者作好了或者指定了相应的匹配参数，其反馈信号也在伺服系统内联接完成，因此不需接线与调整。
　 　(2)速度环是控制电动机转速亦即坐标轴运行速度的电路。速度调节器是比例积分(PI)调节器，其P、I调整值完全取决于所驱动坐标轴的负载大小和机械 传动系统(导轨、传动机构)的传动刚度与传动间隙等机械特性，一旦这些特性发生明显变化时，首先需要对机械传动系统进行修复工作，然后重新调整速度环PI 调节器。
　　速度环的最佳调节是在位置环开环的条件下才能完成的，这对于水平运动的坐标轴和转动坐标轴较容易进行，而对于垂向运动坐标轴则位置开 环时会自动下落而发生危险，可以采取先摘下电动机空载调整，然后再装好电动机与位置环一起调整或者直接带位置环一起调整，这时需要有一定的经验和细心。
　　速度环的反馈环节见前面“速度测量”一节。
　　(3)位置环是控制各坐标轴按指令位置精确定位的控制环节。位置环将最终影响坐标轴的位置精度及工作精度。这其中有两方面的工作：
　　一是位置测量元件的精度与CNC系统脉冲当量的匹配问题。测量元件单位移动距离发出的脉
冲数目经过外部倍频电路和/或CNC内部倍频系数的倍频后要与数控系统规定的分辨率相符。例如位置测量元件10脉冲/mm，数控系统分辨率即脉冲当量为0.001mm，则测量元件送出的脉冲必须经过100倍频方可匹配。
　 　二是位置环增益系数Kv值的正确设定与调节。通常Kv值是作为机床数据设置的，数控系统中对各个坐标轴分别指定了Kv值的设置地址和数值单位。在速度环 最佳化调节后Kv值的设定则成为反映机床性能好坏、影响最终精度的重要因素。Kv值是机床运动坐标自身性能优劣的直接表现而并非可以任意放大。关于Kv值 的设置要注意两个问题，首先要满足下列公式：
Kv=v/Δ
式中v——坐标运行速度，m/min
Δ——跟踪误差，mm
　　注意，不同的数控系统采用的单位可能不同，设置时要注意数控系统规定的单位。例如，坐标运行速度的单位是m/min，则Kv值单位为m/(mm·min)，若v的单位为mm/s，则Kv的单位应为mm/(mm·s)。
　　其次要满足各联动坐标轴的Kv值必须相同，以保证合成运动时的精度。通常是以Kv值最低的坐标轴为准。
　 　位置反馈(参见上节“位置测量”)有三种情况：一种是没有位置测量元件，为位置开环控制即无位置反馈，步进电机驱动一般即为开环；一种是半闭环控制，即 位置测量元件不在坐标轴最终运动部件上，也就是说还有部分传动环节在位置闭环控制之外，这种情况要求环外传动部分应有相当的传动刚度和传动精度，加入反向 间隙补偿和螺距误差补偿之后，可以得到很高的位置控制精度；第三种是全闭环控制，即位置测量元件安装在坐标轴的最终运动部件上，理论上这种控制的位置精度 情况最好，但是它对整个机械传动系统的要求更高而不是低，如若不然，则会严重影响两坐标的动态精度，而使得机床只能在降低速度环和位置精度的情况下工作。 影响全闭环控制精度的另一个重要问题是测量元件的精确安装问题，千万不可轻视。
　　(4)前馈控制与反馈相反，它是将指令值取出部分预加到后面的调节电路，其主要作用是减小跟踪误差以提高动态响应特性从而提高位置控制精度。因为多数机床没有设此功能，故本文不详述，只是要注意，前馈的加入必须是在上述三个控制环均最佳调试完毕后方可进行。
2.故障的调查与分析
　　这是排故的第一阶段，是非常关键的阶段，主要应作好下列工作：

　 　①询问调查　在接到机床现场出现故障要求排除的信息时，首先应要求操作者尽量保持现场故障状态，不做任何处理，这样有利于迅速精确地分析故障原因。同时 仔细询问故障指示情况、故障表象及故障产生的背景情况，依此做出初步判断，以便确定现场排故所应携带的工具、仪表、图纸资料、备件等，减少往返时间。

　　②现场检查　到达现场后，首先要验证操作者提供的各种情况的准确性、完整性，从而核实初步判断的准确度。由于操作者的水平，对故障状况描述不清甚至完全不准确的情况不乏其例，因此到现场后仍然不要急于动手处理，重新仔细调查各种情况，以免破坏了现场，使排故增加难度。

　　③故障分析　根据已知的故障状况按上节所述故障分类办法分析故障类型，从而确定排故原则。由于大多数故障是有指示的，所以一般情况下，对照机床配套的数控系统诊断手册和使 用说明书，可以列出产生该故障的多种可能的原因。

　　④确定原因　对多种可能的原因进行排查从中找出本次故障的真正原因，这时对维修人员是一种对该机床熟悉程度、知识水平、实践经验和分析判断能力的综合考验。

　　⑤排故准备　有的故障的排除方法可能很简单，有些故障则往往较复杂，需要做一系列的准备工作，例如工具仪表的准备、局部的拆卸、零部件的修理，元器件的采购甚至排故计划步骤的制定等等。

　　数控机床电气系统故障的调查、分析与诊断的过程也就是故障的排除过程，一旦查明了原因 ，故障也就几乎等于排除了。因此故障分析诊断的方法也就变得十分重要了。下面把电气故障的常用诊断方法综列于下。

　　(1)直观检查法 这是故障分析之初必用的方法，就是利用感官的检查。

　　①询问 向故障现场人员仔细询问故障产生的过程、故障表象及故障后果，并且在整个分析判断过程中可能要多次询问。

　　②目视　总体查看机床各部分工作状态是否处于正常状态(例如各坐标轴位置、主轴状态、 刀库、机械手位置等)，各电控装置(如数控系统、温控装置、润滑装置等)有无报警指示，局部查看有无保险烧煅，元器件烧焦、开裂、电线电缆脱落，各操作元件位置正确与否等等。

　　③触摸　在整机断电条件下可以通过触摸各主要电路板的安装状况、各插头座的插接状况、各功率及信号导线(如伺服与电机接触器接线)的联接状况等来发现可能出现故障的原因。

　　④通电　这是指为了检查有无冒烟、打火、有无异常声音、气味以及触摸有无过热电动机和元件存在而通电，一旦发现立即断电分析。

　 　(2)仪器检查法 使用常规电工仪表，对各组交、直流电源电压，对相关直流及脉冲信号等进行测量，从中找寻可能的故障。例如用万用表检查各电源情况，及对某些电路板上设置的 相关信号状态测量点的测量，用示波器观察相关的脉动信号的幅值、相位甚至有无，用PLC 编程器查找PLC程序中的故障部位及原因等。

　　(3)信号与报警指示分析法

　　①硬件报警指示　这是指包括数控系统、伺服系统在内的各电子、电器装置上的各种状态和故障指示灯，结合指示灯状态和相应的功能说明便可获知指示内容及故障原因与排除方法。

　　②软件报警指示　如前所述的系统软件、PLC程序与加工程序中的故障通常都设有报警显示，依据显示的报警号对照相应的诊断说明手册便可获知可能的故障原因及故障排除方法。

　 　(4)接口状态检查法　现代数控系统多将PLC集成于其中，而CNC与PLC之间则以一系列接口信号形式相互通讯联接。有些故障是与接口信号错误或丢失 相关的，这些接口信号有的可以在相应的接口板和输入/输出板上有指示灯显示，有的可以通过简单操作在CRT屏幕上显示，而所有的接口信号都可以用PLC编 程器调出。这种检查方法要求维修人员既要熟悉本机床的接口信号，又要熟悉PLC编程器的应用。

　　(5)参数调整法　数控系统、PLC及 伺服驱动系统都设置许多可修改的参数以适应不同机床、 不同工作状态的要求。这些参数不仅能使各电气系统与具体机床相匹配，而且更是使机床各项功能达到最佳化所必需的。因此，任何参数的变化(尤其是模拟量参 数)甚至丢失都是不允许的；而随机床的长期运行所引起的机械或电气性能的变化会打破最初的匹配状态和最佳化状态。此类故障多指故障分类一节中后一类故障， 需要重新调整相关的一个或多个参数方可排除。这种方法对维修人员的要求是很高的，不仅要对具体系统主要参数十分了解，既知晓其地址熟悉其作用，而且要有较 丰富的电气调试经验。

　　(6)备件置换法　当故障分析结果集中于某一印制电路板上时，由于电路集成度的不断扩大而要把故障落实于其上某一区域乃至某一元件是十分困难的，为了缩短停机时间，在有相同备件的条件下可以先将备件换上，然后再去检查修复故障板。备件板的更换要注意以下问题。

　　①更换任何备件都必须在断电情况下进行。

　　②许多印制电路板上都有一些开关或短路棒的设定以匹配实际需要，因此在更换备件板上一定要记录下原有的开关位置和设定状态，并将新板作好同样的设定，否则会产生报警而不能工作。
　　③某些印制电路板的更换还需在更换后进行某些特定操作以完成其中软件与参数的建立。这 一点需要仔细阅读相应电路板的使用说明。

　　④有些印制电路板是不能轻易拔出的，例如含有工作存储器的板，或者备用电池板，它会丢失有用的参数或者程序。必须更换时也必须遵照有关说明操作。

　　鉴于以上条件，在拔出旧板更换新板之前一定要先仔细阅读相关资料，弄懂要求和操作步骤 之后再动手，以免造成更大的故障。

　 　(7)交叉换位法　当发现故障板或者不能确定是否故障板而又没有备件的情况下，可以将系统中相同或相兼容的两个板互换检查，例如两个坐标的指令板或伺服 板的交换从中判断故障板或故障部位。这种交叉换位法应特别注意，不仅硬件接线的正确交换，还要将一系列相应的参数交换，否则不仅达不到目的，反而会产生新 的故障造成思维的混乱，一定要事先考虑周全，设计好软、硬件交换方案，准确无误再行交换检查。

　　(8)特殊处理法　当今的数控系统已进 入PC基、开放化的发展阶段，其中软件含量越来越丰富，有系统软件、机床制造者软件、甚至还有使用者自己的软件，由于软件逻辑的设计中不可避免的一些问 题，会使得有些故障状态无从分析，例如死机现象。对于这种故障现象则可以采取特殊手段来处理，比如整机断电，稍作停顿后再开机，有时则可能将故障消除。维 修人员可以在自己的长期实践中摸索其规律或者其他有效的方法。

　　3.电气维修与故障的排除

　　这是排故的第二阶段，是实施阶段。

　　如前所述，电气故障的分析过程也就是故障的排除过程，因此电气故障的一些常用排除方法 在上一节的分析方法中已综合介绍过了，本节则列举几个常见电气故障做一简要介绍，供维修者参考。

　 　(1)电源　电源是维修系统乃至整个机床正常工作的能量来源，它的失效或者故障轻者会丢失数据、造成停机。重者会毁坏系统局部甚至全部。西方国家由于电 力充足，电网质量高，因此其电气系统的电源设计考虑较少，这对于我国有较大波动和高次谐波的电力供电网来说就略显不足，再加上某些人为的因素，难免出现由 电源而引起的故障。我们在设计数控机床的供电系统时应尽量做到：

　　①提供独立的配电箱而不与其他设备串用。
　　②电网供电质量较差的地区应配备三相交流稳压装置。
　　③电源始端有良好的接地。
　　④进入数控机床的三相电源应采用三相五线制，中线(N)与接地(PE)严格分开。
　　⑤电柜内电器件的布局和交、直流电线的敷设要相互隔离。

　　(2)数控系统位置环故障

　　①位置环报警。可能是位置测量回路开路；测量元件损坏；位置控制建立的接口信号不存在等。
　　②坐标轴在没有指令的情况下产生运动。可能是漂移过大；位置环或速度环接成正反馈；反馈接线开路；测量元件损坏。

　　(3)机床坐标找不到零点。可能是零方向在远离零点；编码器损坏或接线开路；光栅零点标记移位；回零减速开关失灵。

　 　(4)机床动态特性变差，工件加工质量下降，甚至在一定速度下机床发生振动。这其中有很大一种可能是机械传动系统间隙过大甚至磨损严重或者导轨润滑不充 分甚至磨损造成的；对于电气控制系统来说则可能是速度环、位置环和相关参数已不在最佳匹配状态，应在机械故障基本排除后重新进行最佳化调整。

　 　(5)偶发性停机故障。这里有两种可能的情况：一种情况是如前所述的相关软件设计中的问题造成在某些特定的操作与功能运行组合下的停机故障，一般情况下 机床断电后重新通电便会消失；另一种情况是由环境条件引起的，如强力干扰(电网或周边设备)、温度过高、湿度过大等。这种环境因素往往被人们所忽视，例如 南方地区将机床置于普通厂房甚至靠近敞开的大门附近，电柜长时间开门运行，附近有大量产生粉尘、金属屑或水雾的设备等等。这些因素不仅会造成故障，严重的 还会损坏系统与机床，务必注意改善。

　　本文由于篇幅所限不做更多的介绍，读者可参阅数控机床的随机资料及其他专门介绍各种故 障的文章。

　　4.维修排故后的总结提高工作

　　对数控机床电气故障进行维修和分析排除后的总结与提高工作是排故的第三阶段，也是十分重要的阶段，应引起足够重视。

　　总结提高工作的主要内容包括：

　　①详细记录从故障的发生、分析判断到排除全过程中出现的各种问题，采取的各种措施，涉及到的相关电路图、相关参数和相关软件，其间错误分析和排故方法也应记录并记录其无效的原因。除填入维修档案外，内容较多者还要另文详细书写。

　　②有条件的维修人员应该从较典型的故障排除实践中找出常有普遍意义的内容作为研究课题进行理论性探讨，写出论文，从而达到提高的目的。特别是在有些故障的排除中并未经由认真系统地分析判断而是带有一定地偶然性排除了故障，这种情况下的事后总结研究就更加必要。

　　③总结故障排除过程中所需要的各类图样、文字资料，若有不足应事后想办法补济，而且在随后的日子里研读，以备将来之需。

　　④从排故过程中发现自己欠缺的知识，制定学习计划，力争尽快补课。

　　⑤找出工具、仪表、备件之不足，条件允许时补齐。

　　总结提高工作的好处是：

　　①迅速提高维修者的理论水平和维修能力。
　　②提高重复性故障的维修速度。
　　③利于分析设备的故障率及可维修性，改进操作规程，提高机床寿命和利用率。
　　④可改进机床电气原设计之不足。
　　⑤资源共享。总结资料可作为其他维修人员的参数资料、学习培训教材。
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