鋁合金車輪擺輾機(jī)的設(shè)計(jì)與研究

文/劉建芳，王利梅·秦皇島戴卡興龍輪轂有限公司

李建·秦皇島燕大現(xiàn)代集成制造技術(shù)開(kāi)發(fā)有限公司

馬春榮·大連大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院

鋁合金車輪擺輾機(jī)的設(shè)計(jì)與研究

文/劉建芳，王利梅·秦皇島戴卡興龍輪轂有限公司

李建·秦皇島燕大現(xiàn)代集成制造技術(shù)開(kāi)發(fā)有限公司

馬春榮·大連大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院

擺輾機(jī)是實(shí)現(xiàn)擺輾技術(shù)的特種成形設(shè)備。鋁合金車輪擺輾機(jī)采用普通液壓機(jī)結(jié)構(gòu)形式，主要由機(jī)身、活動(dòng)橫梁（滑塊）、底座、上主軸、下主軸、驅(qū)動(dòng)裝置和油缸七部分組成。針對(duì)2500kN鋁合金車輪擺輾機(jī)，給出了其本體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案，對(duì)其機(jī)身及活動(dòng)橫梁進(jìn)行了有限元分析，得到了合理的分析結(jié)果。

劉建芳，開(kāi)發(fā)部部長(zhǎng)，全面負(fù)責(zé)公司新產(chǎn)品研發(fā)相關(guān)的工作，對(duì)機(jī)械設(shè)備的設(shè)計(jì)制造、鋁合金車輪的設(shè)計(jì)制造有比較深入的研究，了解鋁合金車輪的鍛造、鑄造、旋壓等制造工藝。

鋁合金車輪的制造工藝主要有鑄造、鑄旋、鍛造等，其中，鍛造工藝中很重要的一個(gè)工序就是擺輾成形。擺輾機(jī)是實(shí)現(xiàn)擺輾技術(shù)的特種成形設(shè)備，鋁合金車輪擺輾機(jī)也是全自動(dòng)鍛造鋁合金車輪生產(chǎn)線的主要設(shè)備。隨著世界汽車工業(yè)對(duì)鍛造鋁合金車輪的大量需求，鋁合金車輪擺輾機(jī)的開(kāi)發(fā)、研制已成為我國(guó)勢(shì)在必行的攻關(guān)項(xiàng)目和車輪制造行業(yè)普遍關(guān)注的焦點(diǎn)問(wèn)題之一。

鋁合金車輪擺輾機(jī)本體結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)

擺輾機(jī)本體結(jié)構(gòu)方案

鋁合金車輪擺輾機(jī)本體結(jié)構(gòu)方案采用普通液壓機(jī)結(jié)構(gòu)形式，主要分為機(jī)身、活動(dòng)橫梁（滑塊）、底座、上主軸、下主軸、驅(qū)動(dòng)裝置和油缸七部分，如圖1所示。上主軸安裝在液壓機(jī)的活動(dòng)橫梁上，與機(jī)身的垂直軸線的傾角為5°，工作時(shí)繞自身軸線轉(zhuǎn)動(dòng)，并在油缸的帶動(dòng)下隨活動(dòng)橫梁作進(jìn)給運(yùn)動(dòng)對(duì)毛坯施壓；下主軸安裝于液壓機(jī)的下橫梁上，在驅(qū)動(dòng)裝置帶動(dòng)下繞垂直軸線轉(zhuǎn)動(dòng)，完成對(duì)毛坯的擺動(dòng)輾壓。

機(jī)身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)身是擺輾機(jī)的主要部件之一。機(jī)身把擺輾機(jī)的全部零件聯(lián)結(jié)在一起，組成一臺(tái)機(jī)器。當(dāng)擺輾機(jī)工作時(shí)，機(jī)身承受全部變形力。機(jī)身在變形力的作用下引起彈性變形，會(huì)使產(chǎn)品質(zhì)量和模具壽命受到影響。擺輾機(jī)的機(jī)身多采用框架式機(jī)身。這類機(jī)身分整體式和組合式兩種。整體式機(jī)身加工裝配工作量較小，但需要大型加工設(shè)備，運(yùn)輸也比較困難。

鋁合金車輪擺輾機(jī)為框架式機(jī)身，采用組合式焊接結(jié)構(gòu)，由上橫梁、下橫梁、立柱和四個(gè)拉緊螺栓組成。上、下橫梁和立柱通過(guò)拉緊螺栓組成一個(gè)整體。上、下橫梁和立柱之間分別采用四個(gè)環(huán)形鍵來(lái)定位，其圓形鍵槽與拉緊螺栓孔同心。

活動(dòng)橫梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

活動(dòng)橫梁（滑塊）是一個(gè)傳遞力的部件，它將油缸的推力傳遞給工件，使之產(chǎn)生塑性變形，以便達(dá)到預(yù)期的加工目的?；顒?dòng)橫梁上端和四個(gè)油缸中的活塞桿聯(lián)結(jié)，四周與導(dǎo)軌相配合，活動(dòng)橫梁中安裝上主軸。工作時(shí)，活動(dòng)橫梁在油缸推動(dòng)下沿導(dǎo)軌作上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

活動(dòng)橫梁分箱形結(jié)構(gòu)和圓形結(jié)構(gòu)兩種，而箱形結(jié)構(gòu)又有鑄造和焊接兩種形式。箱形結(jié)構(gòu)為保證導(dǎo)向精度，在活動(dòng)橫梁四個(gè)角上設(shè)導(dǎo)向面，以便和機(jī)身上的導(dǎo)軌相互滑動(dòng)配合。為了保證活動(dòng)橫梁的運(yùn)動(dòng)精度，活動(dòng)橫梁導(dǎo)向面應(yīng)該有足夠的長(zhǎng)度，即活動(dòng)橫梁的高度要做的足夠高?；顒?dòng)橫梁高度與寬度的比值均要大于1，一般在1.08～1.32之間。因?yàn)樵谙嗤瑢?dǎo)向間隙的情況下，導(dǎo)向部分越長(zhǎng)，活動(dòng)橫梁偏移越小。即活動(dòng)橫梁導(dǎo)向部分越長(zhǎng)，則活動(dòng)橫梁行程的垂直性越好，精度越高。

鋁合金車輪擺輾機(jī)活動(dòng)橫梁采用焊接式箱形結(jié)構(gòu)。為了保證較高的導(dǎo)向精度，使用了八面調(diào)節(jié)導(dǎo)軌間隙的機(jī)構(gòu)，八個(gè)導(dǎo)軌面均可單獨(dú)調(diào)節(jié)，每個(gè)調(diào)節(jié)面都有一組推拉螺釘。

油缸設(shè)計(jì)計(jì)算

油缸的作用是將液壓油輸出的液體能量轉(zhuǎn)換成活動(dòng)橫梁的機(jī)械能。它是鋁合金車輪擺輾機(jī)的動(dòng)力源之一。根據(jù)擺輾機(jī)結(jié)構(gòu)的不同，油缸分為柱塞式油缸和活塞式油缸兩種。柱塞式油缸是單向作用的油缸，必須配置回程缸，以便使活動(dòng)橫梁回到原位。活塞式油缸是雙向作用的油缸，不必配置回程缸。

鋁合金車輪擺輾機(jī)采用活塞式油缸，四個(gè)油缸用法蘭對(duì)稱固定在上橫梁的四個(gè)角上，四個(gè)油缸中的活塞桿與活動(dòng)橫梁上端面聯(lián)結(jié)，油缸的活塞桿推動(dòng)活動(dòng)橫梁沿導(dǎo)軌作上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

圖1 鋁合金車輪擺輾機(jī)本體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鋁合金車輪擺輾機(jī)屬于專用設(shè)備，其傳動(dòng)系統(tǒng)與常規(guī)擺輾機(jī)有較大區(qū)別，實(shí)現(xiàn)擺動(dòng)輾壓的原理也有所不同。鋁合金車輪擺輾機(jī)擺頭運(yùn)動(dòng)軌跡為圓形，設(shè)備本身由勻速旋轉(zhuǎn)和進(jìn)給兩個(gè)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)組成。

鋁合金車輪擺輾機(jī)的上主軸安裝于活動(dòng)橫梁上，與機(jī)身垂直軸線的傾角為5°。上主軸靠液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)繞自身軸線旋轉(zhuǎn)，但不繞機(jī)身垂直軸線作擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)，并且在油缸的帶動(dòng)下隨活動(dòng)橫梁一起作等速或變速進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。下主軸安裝于擺輾機(jī)下橫梁上，其軸線即為機(jī)身垂直軸線。下主軸在驅(qū)動(dòng)裝置的驅(qū)動(dòng)下帶動(dòng)工件繞自身軸線作勻速旋轉(zhuǎn)，與上主軸的運(yùn)動(dòng)相配合，實(shí)現(xiàn)對(duì)毛坯的圓周軌跡擺動(dòng)輾壓。

鋁合金車輪擺輾機(jī)機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)采用兩級(jí)傳動(dòng)方式。它由電機(jī)經(jīng)減速器、大小皮帶輪等兩級(jí)傳動(dòng)將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)傳給下主軸，使下主軸帶動(dòng)工件作勻速旋轉(zhuǎn)。但擺輾機(jī)也可以實(shí)現(xiàn)多級(jí)傳動(dòng)，其下主軸轉(zhuǎn)速是可以調(diào)節(jié)的。鋁合金車輪擺輾機(jī)采用直流伺服電機(jī)，可以通過(guò)程序控制來(lái)調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)對(duì)下主軸調(diào)速。

擺輾機(jī)機(jī)身及活動(dòng)橫梁有限元分析

針對(duì)2500kN鋁合金車輪擺輾機(jī)，建立其機(jī)身及活動(dòng)橫梁的有限元模型，并進(jìn)行求解。將機(jī)身的每個(gè)結(jié)構(gòu)件裝配成一體建立三維有限元模型時(shí)，應(yīng)當(dāng)采取一些簡(jiǎn)化措施。油缸活塞和活塞桿的相關(guān)表面上受到工作液體作用于其上的面載荷；下主軸上表面受到工件傳給它的向下的偏心載荷；上主軸下表面受到工件傳給它的向上的偏心力，水平力為偏心力乘以5°偏角的正切值；預(yù)緊力施加在四個(gè)預(yù)緊螺栓上。鋁合金車輪擺輾機(jī)有限元模型載荷和約束的加載如圖2所示。

圖2 鋁合金車輪擺輾機(jī)模型加載圖

通過(guò)對(duì)機(jī)身及活動(dòng)橫梁的有限元分析，發(fā)現(xiàn)其高應(yīng)力區(qū)域應(yīng)力值小于材料的許用應(yīng)力；整個(gè)機(jī)身及活動(dòng)橫梁在上下方向和前后方向上的最大位移值，均小于變形的最大允許值，滿足設(shè)計(jì)要求。

結(jié)論

⑴普通液壓機(jī)結(jié)構(gòu)形式的鋁合金車輪擺輾機(jī)本體結(jié)構(gòu)，擴(kuò)大了液壓機(jī)的應(yīng)用范圍，為擺輾工藝的發(fā)展開(kāi)辟了一個(gè)新的方向，對(duì)擺輾工藝在各行業(yè)中的應(yīng)用和推廣起到了促進(jìn)作用。

⑵鋁合金車輪擺輾機(jī)的特點(diǎn)是比液壓機(jī)多兩個(gè)彼此軸線成5°的上、下主軸和相應(yīng)的機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)。即鋁合金車輪擺輾機(jī)有兩個(gè)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，一是推動(dòng)活動(dòng)橫梁做直線運(yùn)動(dòng)的液壓傳動(dòng)系統(tǒng)，二是使主軸繞軸線轉(zhuǎn)動(dòng)的機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)，它們的合成運(yùn)動(dòng)相當(dāng)于一個(gè)螺旋運(yùn)動(dòng)。

⑶建立了2500kN鋁合金車輪擺輾機(jī)的有限元模型，進(jìn)行了靜態(tài)分析，得到了其機(jī)身及活動(dòng)橫梁的應(yīng)力和位移分布規(guī)律，可以為工程實(shí)踐提供借鑒和參考。