560 mm伺服輥鍛機結構特點及有限元靜力學分析

于 江 鄒宗園 杜俊雷

(1.二重(德陽)重型裝備有限公司，四川618000；2.燕山大學，河北066004)

輥鍛工藝由于在生產(chǎn)制造成本及鍛件成形質量方面有著較大優(yōu)勢，被廣泛應用于葉片、鉤尾框、前軸等復雜難成型鍛件的生產(chǎn)中。近些年來，越來越多地在鍛造技術中被采用。輥鍛機是實現(xiàn)輥鍛工藝的一種鍛壓機械，它利用一對相向旋轉的扇形模具使坯料產(chǎn)生塑性變形，從而獲得所需鍛件或鍛坯[1]。

隨著輥鍛機朝著更智能、精度更高的方向發(fā)展，先進的伺服技術被人們越來越多地應用于輥鍛機。伺服控制技術是當前機電領域較先進的反饋控制技術，具有高度集成化、網(wǎng)絡化、智能化、全數(shù)字化等特點。該設備采用扭矩電機驅動裝置，無飛輪離合器等裝置，利用兩臺同步伺服扭矩電機，實現(xiàn)較高的動態(tài)與控制準確度，鍛輥可以從機架側面抽出，是該設備機械方面的另一大特色，這樣就可以實現(xiàn)自動更換鍛輥和模具，縮短更換裝模具時間，提高生產(chǎn)效率，降低了對單個鍛輥的磨損，保證了鍛件的成形精度[2]。國內北京機電研究所在輥鍛機研究開發(fā)方面做了很多有益的工作，研發(fā)了460～1250 mm等各種自動輥鍛機[3-4]，并設計制造出的國內首臺250 mm伺服驅動輥鍛機樣機，將伺服技術應用在輥鍛機組的控制系統(tǒng)當中，為推進國內伺服驅動輥鍛機的研究與應用做了有益的嘗試[5]。

上述伺服輥鍛機是將伺服系統(tǒng)應用在輔助系統(tǒng)或主驅動系統(tǒng)上，主要生產(chǎn)的產(chǎn)品為連桿等小型鍛件。本文介紹的輥鍛機是二重裝備自主研發(fā)的560 mm伺服輥鍛機，主要用于葉片的精密輥鍛成形。將伺服電機的動力直接作用于鍛輥，結構緊湊，外形美觀，輥鍛速度高、生產(chǎn)率高。輥鍛機可配備機械手進行自動輥鍛，同時也可配備工件運輸裝置與生產(chǎn)線上其它設備一起實現(xiàn)自動化生產(chǎn)。本文首先對560 mm輥鍛機的結構特點及技術參數(shù)進行簡要介紹，然后著重對其本體結構進行強度和剛度分析，利用Marc有限元模擬軟件對輥鍛機本體關鍵結構進行靜力學分析計算，分析輥鍛機在四道次分別受到最大輥鍛力時本體結構的應力和變形，校核其強度和剛度。

1 560 mm伺服輥鍛機的結構特點

1.1 主要技術參數(shù)

衡量輥鍛機性能與規(guī)格技術參數(shù)不僅是設備工作狀況的重要標志，也是用戶挑選輥鍛機的首要參考。560 mm伺服輥鍛機的主要技術參數(shù)為：

輥鍛模外徑：560 mm

輥子外徑：400 mm

輥鍛模有效寬度：650 mm

最大輥鍛件長度：150 mm

輥子中心距：550～570 mm

中心距調節(jié)量：10 mm

鍛輥轉速：≤24 r/min

額定輥鍛力：2000 kN

伺服主電機：30 kW(扭矩數(shù)顯)

重量：13 t

外形尺寸：1.56 m(左右)，2.6 m(前后)

地面以上高度：2.2 m

生產(chǎn)率：400 件/h

輥鍛模的形式及緊固方式：環(huán)型、鑲塊，同時適應兩種模具安裝

兩個輥子的水平精度：≤0.1 mm

1.2 主要構成及特點

560 mm伺服輥鍛機主要由本體結構、驅動系統(tǒng)、中心距調節(jié)機構、模具噴霧潤滑系統(tǒng)、軋輥機械手、控制系統(tǒng)等部分組成，圖1為其結構示意圖。其中本體結構主要包括上橫梁、橫拉桿、立柱、拉緊螺栓(拉桿)和底座等。機架采用了全預緊組合結構，四根拉緊螺栓分別穿過四根空心立柱，將上橫梁、底座及立柱緊固為具有預應力的機架。

圖1 560mm伺服輥鍛機結構示意圖Figure 1 Structural diagram of 560 mm servo roll forging machine

1.2.1 上下鍛輥調節(jié)機構

輥鍛模固定在兩個鍛輥上，鍛輥兩端由滾動軸承支撐。鍛輥由伺服電機驅動，其轉速、扭矩、中心高以及可操縱觸摸屏通過控制程序調節(jié)，以適應不同輥鍛工藝的要求?？蓪崿F(xiàn)分別調節(jié)上下輥轉速，且可使上下輥轉向相反，實現(xiàn)部分楔軋機的功能。減速器為同軸行星齒輪減速機，傳動比高，結構緊湊，與傳統(tǒng)結構相比減少了離合器、制動器、飛輪以及氣動系統(tǒng)等結構，結構簡單，大大降低了后期的維護、維修成本。

由于上下輥傳動相對獨立，因此方便實現(xiàn)大中心距調節(jié)量，最大調整量為10 mm。采用將上輥固定壓緊，通過調節(jié)下輥的方式調節(jié)中心距，可實現(xiàn)調節(jié)機構同步控制，保證下輥中心距同步調節(jié)，調節(jié)精度為0.02 mm，兩輥平行度為0.1 mm。調節(jié)機構具有剛度高、精度高、調節(jié)方便等特點，能夠滿足鈦合金葉片軋制尺寸的精度要求。

1.2.2 電氣傳動系統(tǒng)

560 mm伺服輥鍛機的電氣控制系統(tǒng)由電氣傳動系統(tǒng)和基礎自動化系統(tǒng)組成。伺服輥鍛機輥子選用SIEMENS系列伺服電機，采用AC380V/AC220V供電電源。伺服輥鍛機基礎自動化系統(tǒng)的網(wǎng)絡如圖2所示。

圖2 基礎自動化系統(tǒng)網(wǎng)絡圖Figure 2 Network of basic automatic system

2 有限元強度剛度分析

560 mm伺服輥鍛機的本體結構比較復雜，在進行有限元靜力學分析時，對本體結構進行了簡化，利用UG三維建模軟件構建了輥鍛機的簡化三維實體模型，應用商業(yè)有限元模擬軟件Marc進行分析計算。

2.1 有限元模型

為了便于分析計算，在建立輥鍛機有限元模型時作了一系列處理。在實際中輥鍛機各部件受力較為復雜，其中包括重力、軸向力、各接觸件間的摩擦力、沖擊力、輥鍛力等等，其中輥鍛力最大，且最為主要，故將輥鍛力作為本文有限元分析中的唯一外載荷。簡化了鍛輥、機架等對整機強度和剛度無影響的細小結構部分，簡化后的輥鍛機有限元模型包括鍛輥、軸承、軸承座、上橫梁、橫拉桿、立柱、拉桿以及底座，如圖3所示。

根據(jù)結構及受力的對稱性，取其1/2模型進行有限元分析。鍛輥與軸承之間，軸承與軸承座之間均設置摩擦接觸，摩擦系數(shù)為0.12；軸承座、橫梁、立柱、拉桿、橫拉桿、底座之間的所有接觸面均設置粘結接觸。主要部件的材料性能參數(shù)見表1。模型采用四面體網(wǎng)格，由于鍛輥為承力的關鍵部件，因此作為重點分析對象，其單元尺寸取值較小，取為15 mm，其他部件單元尺寸略大，另外在劃分網(wǎng)格時保證了各部件接觸面處網(wǎng)格大小一致。整個有限元模型的單元數(shù)為658 128，節(jié)點數(shù)為154 993。

560 mm伺服輥鍛機機架采用全預緊組合結構，預緊力為2400 kN，在模型中在拉桿上施加預緊力作為初始條件。有限元模型的邊界條件包括施加于鍛輥上的輥鍛力、對稱面上的對稱約束和底座地腳處的固定約束。由于輥鍛機一般最多可安裝4副模具，而560 mm伺服輥鍛機的鍛模有效長度為650 mm，所以得到每道次的最大模具寬度為162.5 mm，將鍛輥工作面進行分割，如圖4所示。每道次的鍛造載荷設置在1/4弧面上，沿著高度方向，數(shù)值為總輥鍛力的一半，即1000 kN。第1道次的邊界條件施加情況如圖5所示，其它道次的邊界條件與此類似。

圖3 560mm伺服輥鍛機本體結構簡化模型Figure 3 Simplified model of main body structure for 560 mm servo roll forging machine

表1本體主要部件的材料性能參數(shù)
Table1Materialpropertyparametersofmainbodycomponents

構件材料彈性模量GPa泊松比屈服應力MPa鍛輥35CrMo2130．3500軸承GCr152100．3355拉桿、橫拉桿、橫梁、軸承座、立柱、底座Q2352070．3235

圖4 鍛輥三維實體模型Figure 4 3D entity model of forging roll

2.2 計算結果及分析

2.2.1 整機的計算結果及分析

計算得到的整機Von-Mises應力云圖如圖6所示。由計算結果可知，四個道次中最大應力均位于軸承上與鍛輥相互接觸的區(qū)域，其次是拉緊螺栓、鍛輥，其它部位的等效應力水平均較低，小于100 MPa。四個道次中機架上的最大應力依次為203.5 MPa、186.4 MPa、179.1 MPa和195.9 MPa，均小于軸承的許用應力。

輥鍛機本體結構四道次在最大輥鍛力200 kN作用下，沿著高度方向(Y方向)的變形量如圖7所示。從圖中可以看出高度方向的最大變形發(fā)生在上下鍛輥上，機架的變形相對較小。

圖5 第1道次邊界載荷Figure 5 Boundary load of the first pass

2.2.2 鍛輥的計算結果及分析

在最大輥鍛力2000 kN作用下，鍛輥四道次的Von-Mises應力云圖如圖8所示。

(a)第1道次(b)第2道次(c)第3道次(d)第4道次

圖6 本體結構等效應力云圖Figure 6 Cloud chart for equivalent stress of main body

圖7 本體結構沿高度方向的變形(變形放大200倍)Figure 7 Structure deformation along with height direction of main body (enlarged view 200×)

圖8 鍛輥等效應力云圖(變形放大200倍)
Figure 8 Cloud diagram of efficient stress for forging roll (enlarged view 200×)

從圖8中可以看出：

(1)通過比較同一道次同一鍛輥不同位置的應力，看出應力集中的部位位于鍛輥軸頸與軸身的過渡圓角處，以及鍛輥與軸承相接觸的部位，且由此向兩邊應力呈現(xiàn)遞減趨勢。

(2)通過比較同一道次的上、下鍛輥，可看出相應位置處上輥的應力要高于下輥。

(3)通過比較同一鍛輥不同道次的應力，可以看出第4道次的應力最高，最大等效應力為153.8 MPa，而鍛輥的材質為35CrMo，屈服應力為500 MPa，取安全系數(shù)為1.4，許用應力為357.14 MPa，該最大等效應力在許用范圍內，滿足強度要求。

鍛輥四道次沿高度方向的變形如圖9所示，從圖中可以看出：

(1)通過比較鍛輥同一道次的Y方向變形量，可知鍛輥最大變形量位于鍛輥受力部位，并沿著軸線向兩邊呈現(xiàn)遞減趨勢。

(2)通過比較同一道次的上下鍛輥變形量，可以看出上鍛輥的變形量要比下鍛輥的變形量大，主要是因為下鍛輥更靠近底座的地腳，固定約束，故變形量較小。

(3)通過比較不同道次的鍛輥變形量，可以看出第2道次與第3道次的變形量很相近，其中第2道次最大。

(a)第1道次(b)第2道次(c)第3道次(d)第4道次

圖9 鍛輥高度方向位移云圖(變形放大200倍)Figure 9 Cloud diagram of displacement along with height direction of forging roll (enlarged view 200×)

圖10 機架等效應力云圖Figure 10 Cloud diagram of efficient stress for housing

對鍛輥四個道次的變形量進行數(shù)據(jù)處理，分別取上下鍛輥變形量最大值ε1和ε2，則鍛輥總變形量ε=ε1+ε2。鍛輥剛度的計算公式為[3]：

(1)

式中K為鍛輥剛度；p為輥鍛力；ε為鍛輥高度方向總變形量。

計算得到各道次鍛輥的變形量與剛度，見表2。

輥鍛機的縱向剛度一般選用鍛壓設備常用的剛度指標公式衡量計算，許用剛度計算公式為[2]：

(2)

其中m為剛度系數(shù)，輥鍛機中一般選7～10，此處m取10，則計算得到C=1414.2 kN/mm。由表3可以看出K>C，故四個道次鍛輥剛度均滿足要求。

2.2.3 機架的計算結果及分析

(a)第1道次(b)第2道次(c)第3道次(d)第4道次

圖11 機架沿高度方向變形云圖
Figure 11 Cloud diagram of deformation along with height direction for housing

四個道次的機架Von-Mises應力云圖如圖10所示，從圖中可以看出：

(1)機架應力的最大值位于上橫梁與拉桿的接觸部位，以及圓孔邊緣的應力集中區(qū)域，而整個立柱應力較小。

(2)通過對比不同道次的機架應力云圖，可以看出四個道次的最大應力差別較小。最大應力為157.3 MPa，機架材料為Q235，屈服應力為235 MPa，取安全系數(shù)1.4，許用應力為167.9 MPa，故機架滿足強度要求。

四道次的機架在高度方向的變形如圖11所示，四個道次中，機架沿高度方向的最大變形均出現(xiàn)在靠近加載側上橫梁下表面的中間位置。對于最大變形，第1道次和第4道次相當，第2道次和第3道次相當，其中第1道次的機架變形最大，其上橫梁最大變形量ε1為0.069 mm，下底座最大變形量ε2為0.038 mm，所以機架高度方向最大總變形量ε為0.11 mm。根據(jù)公式(1)，求得K為18 646.3 kN/mm，大于許用剛度C，故機架滿足剛度要求。

3 結論

(1)二重裝備新開發(fā)的560 mm伺服輥鍛機與傳統(tǒng)輥鍛機相比，在結構上更加緊湊美觀，生產(chǎn)效率更高。鍛輥采用伺服電機驅動，上下調節(jié)機構具有剛度高、精度高、調節(jié)方便等優(yōu)點，能夠滿足鈦合金葉片軋制尺寸的精度要求。電氣控制系統(tǒng)采用先進可靠的電氣傳動系統(tǒng)和基礎自動化系統(tǒng)，可實現(xiàn)高精度、高效率、高質量的生產(chǎn)。

(2)通過對輥鍛機本體主要結構件進行簡化建模，利用有限元模擬仿真軟件Marc，研究了560 mm伺服驅動輥鍛機整體模型分別在四道次受到最大輥鍛力時，鍛輥與機架的應力分布情況及Y方向的變形。鍛輥的最大應力出現(xiàn)在第4道次軸頸位置，大小為153.8 MPa，小于許用應力326.5 MPa；最大變形出現(xiàn)在第2道次，剛度為3787.2 kN/mm，大于許用剛度。機架的最大應力出現(xiàn)在第4道次，為157.3 MPa，小于許用應力167.9 MPa；最大變形出現(xiàn)在第1道次，為0.11 mm，其剛度為18 646.3 kN/mm，大于許用剛度。輥鍛機強度和剛度均滿足要求。