PXW型擺輾機(jī)擺頭運(yùn)動(dòng)學(xué)分析及擺頭運(yùn)動(dòng)軌跡研究

耿 佩，黨 杰，楊建東，龔小濤

（西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710089）

擺動(dòng)輾壓簡稱擺輾，最早出現(xiàn)在20世紀(jì)30年代。它是一種局部加壓的連續(xù)成形技術(shù)，具有省力、零件尺寸精度高、振動(dòng)小、噪聲低等諸多優(yōu)點(diǎn)，正在逐步取代傳統(tǒng)鍛壓加工中工具與坯料間斷續(xù)（沖擊式）、整體式接觸施壓方式[1]，因此可以用較小噸位的設(shè)備來成形較大的鍛件，且可使成形件精度及對(duì)復(fù)雜形狀零件的實(shí)用性、勞動(dòng)條件等得到較大改善。

擺碾成形基本原理如圖1所示。擺頭中心線OZ與機(jī)器主軸中心線OM相交成角，此角稱為擺角。當(dāng)主軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，OZ繞OM旋轉(zhuǎn)，于是上模便產(chǎn)生了擺動(dòng)。與此同時(shí)，下模在油缸作用下上升，并對(duì)毛坯施壓，這樣上模母線就在毛坯上連續(xù)不斷地滾動(dòng)，最后達(dá)到整體成形地目的。相當(dāng)于錐體沿母線在工件上滾動(dòng)+滑動(dòng)，接觸面偏向一旁，即機(jī)床承受周期變形偏心載荷。擺頭與坯料之間的接觸面積是整體投影面積的1/n（n=5～10）倍，變形力僅為原來的1/n[2]。

圖1 擺輾原理示意圖

由波蘭人設(shè)計(jì)制造的PXW型擺輾機(jī)是擺輾原理機(jī)型，也是最早投入生產(chǎn)的機(jī)型，并一直沿用至今。該機(jī)型主要特點(diǎn)是擺輾機(jī)擺頭具有4種運(yùn)動(dòng)軌跡，可適應(yīng)不同的加工場(chǎng)合[3]。后來研發(fā)出的擺輾機(jī)設(shè)備及其研究內(nèi)容也主要是圍繞PXW擺輾機(jī)來展開的。

1 擺頭運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

PXW型擺輾機(jī)擺頭運(yùn)動(dòng)軌跡即為擺桿的運(yùn)動(dòng)軌跡，它是由兩個(gè)獨(dú)立的分支傳動(dòng)鏈來驅(qū)動(dòng)兩個(gè)偏心套（內(nèi)、外偏心套）轉(zhuǎn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的。由此可將擺頭運(yùn)動(dòng)特征用內(nèi)、外偏心套模型來表達(dá)，如圖2所示。其中內(nèi)偏心套圓心為 O1，外偏心套圓心為O，擺桿端面中心為O2。外偏心套繞其幾何中心O旋轉(zhuǎn)，內(nèi)偏心套繞其幾何中心O1旋轉(zhuǎn)。外偏心套旋轉(zhuǎn)時(shí)帶豆內(nèi)偏心套旋轉(zhuǎn)（公轉(zhuǎn)），而內(nèi)偏心套旋轉(zhuǎn)（自轉(zhuǎn)）時(shí)，不影響外偏心套旋轉(zhuǎn)。改變內(nèi)外偏心套旋轉(zhuǎn)速度和方向，可實(shí)現(xiàn)其同速同向、同速異向、異速同向和異速異向4種組合運(yùn)動(dòng)[4，5]。

圖2 內(nèi)外偏心套模型

為進(jìn)一步研究PXW型機(jī)內(nèi)、外偏心套擺頭的運(yùn)動(dòng)軌跡，簡化圖2所示雙偏心套模型，換用矢量方法來表示，擺頭運(yùn)動(dòng)軌跡的水平投影可用圖3中矢量的終點(diǎn)位置來表示，它是由內(nèi)、外偏心套兩個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)而合成的，其中內(nèi)、外偏心套的偏心距為r，矢量的矢徑與極坐標(biāo)的角度分別為：

圖3 內(nèi)外偏心套矢量模型

φ——擺頭瞬時(shí)轉(zhuǎn)角；

t——時(shí)間（min）。

2 擺頭運(yùn)動(dòng)軌跡分析

基于上述擺頭內(nèi)、外偏心套運(yùn)動(dòng)模型，利用MATLAB軟件對(duì)內(nèi)、外偏心套不同運(yùn)動(dòng)方向和速度的組合情況進(jìn)行模擬分析，發(fā)現(xiàn)：當(dāng)內(nèi)、外偏心套同向同速運(yùn)動(dòng)時(shí)，擺頭的運(yùn)動(dòng)軌跡是以外偏心套幾何中心O為中心，半徑為2r的圓形軌跡，如圖4a所示；當(dāng)內(nèi)、外偏心套同速反向旋轉(zhuǎn)時(shí)，擺頭軸端中心點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡是以外偏心套幾何中心O為中心，長度為4r的一條直線，如圖4b所示；當(dāng)內(nèi)、外偏心套異速同向旋轉(zhuǎn)時(shí)，擺頭軸端中心點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡是螺旋線，且螺旋線運(yùn)動(dòng)范圍在半徑2r的圓內(nèi)，如圖4c所示；當(dāng)內(nèi)、外偏心套異速異向旋轉(zhuǎn)時(shí)，擺頭軸端中心點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡是多葉玫瑰線，且多葉玫瑰線運(yùn)動(dòng)范圍在半徑為2r的圓內(nèi)，如圖4d所示。

圖4 PXW型擺輾機(jī)擺頭運(yùn)動(dòng)軌跡

3 擺頭螺旋線運(yùn)動(dòng)軌跡形成過程

4 結(jié)論

基于PXW擺輾機(jī)內(nèi)、外偏心套運(yùn)動(dòng)模型，通過運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，建立擺頭矢量坐標(biāo)方程；運(yùn)用MATLAB軟件對(duì)內(nèi)外偏心套不同運(yùn)動(dòng)組合進(jìn)行數(shù)值模擬，驗(yàn)證了當(dāng)內(nèi)、外偏心套同向同速、同速反向、異速同向及異速異向旋轉(zhuǎn)時(shí)，擺頭運(yùn)動(dòng)軌跡分別為圓形、直線、螺旋線和多葉玫瑰線；模擬分析得出螺旋線運(yùn)動(dòng)軌跡的形成規(guī)律：在0-π時(shí)刻，擺頭軸端中心點(diǎn)逐漸靠近軸心并同時(shí)做螺旋式上升；在π-2π時(shí)刻，擺頭軸端中心點(diǎn)逐漸遠(yuǎn)離軸心并做螺旋式上升。

表1 螺旋線形成過程示意圖

[1] 胡亞民，伍太賓，趙軍華.擺動(dòng)輾壓工藝及模具設(shè)計(jì)[M].第二版.重慶：重慶大學(xué)出版社，2008.

[2] 馮文成，姚萬貴，蔣 鵬.擺輾機(jī)新型螺旋線運(yùn)動(dòng)軌跡研究[J].鍛壓裝備與制造技術(shù)，2014，49（2）：37-39.

[3] 溫正中忠，諸文俊，胡亞民.PXW型擺輾機(jī)擺動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)問題初探[J].金屬成形工藝，1999，17（3）：1-3.

[4] 劉漢貴，黃少東.波蘭PXWP-100C型擺輾機(jī)擺頭運(yùn)動(dòng)軌跡設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)依據(jù)[J].重型機(jī)械，1991，（5）：18-20.

[5] 龔小濤.汽車半軸擺輾工藝設(shè)計(jì)及模具失效分析[J].熱加工工藝，2015，（1）：159-160.