液力變矩器渦輪葉片固定滾鉚機的設計與研究

潘文宏

(陜西國防工業(yè)職業(yè)技術學院，陜西 西安 710300)

液力變矩器由于出色的傳遞輸送扭矩、增扭、變速、減震、離合和自適應特性，在汽車、農(nóng)業(yè)機械、軍用車輛、風力發(fā)電以及工程機械(如推土機、裝載機和液力叉車等)等領域的傳動系統(tǒng)中得以廣泛應用[1]。同時，其是一項技術含量很高的產(chǎn)品，因此人們對液力變矩器加工設備的開發(fā)也提出了要求。

目前，國內(nèi)大部分企業(yè)還是以傳統(tǒng)手工作業(yè)為主，即現(xiàn)有非流水線生產(chǎn)都是手工捶打，只要貼合就可以，并無太多要求，因此廢品率難以控制，生產(chǎn)效率低下。滾鉚自動化程度不高，并且專業(yè)化設備比較缺少，發(fā)展緩慢，效率難以得到保證。但是隨著科學技術的不斷發(fā)展，我國的滾鉚工藝也日趨完善，日漸成熟。

液力變矩器由泵輪、渦輪、導輪組成，其原理圖如圖1所示。對于液力變矩器滾鉚工藝來說，其主要是為了方便葉片的固定以便于在液力變矩器內(nèi)部流道增距?？紤]到液力變矩器的制造工藝，其可以分為泵輪分總成滾鉚和渦輪分總成滾鉚。

其中渦輪是由內(nèi)環(huán)、外環(huán)和葉片組成的，而葉片是由葉片主體和耳片組成的。渦輪葉片成型后示意圖，如圖2所示。

在制造工藝上采用了機、電、液自動控制技術一體化的專用機床進行制造，該設備帶有人工操作開關和信號指示，是液力變矩器自動化生產(chǎn)線生產(chǎn)技術很重要的組成部分。如液力變矩器滾鉚機作為很重要的加工設備之一，大批量生產(chǎn)，自動化水平高已是其鮮明的特點。

1 滾鉚工藝分析

滾鉚成型其實是一種鈑金折彎的塑性變形[2]，滾鉚是將露出外環(huán)的耳片定位爪壓彎，實現(xiàn)壓彎后的葉片定位爪與外環(huán)背部結合處貼合緊密。壓彎后的葉片爪與外環(huán)或外殼的貼合間隙在0.2 mm以下。這種滾鉚實際上就是折彎。渦輪外環(huán)是由渦輪轂和渦輪轂內(nèi)環(huán)槽處葉片定位爪(耳片)裝配而成。

渦輪葉片滾鉚加工對象為回轉類和盤類零件(內(nèi)腔帶葉片)；滾鉚加工零件最大的外形尺寸：φ350 mm×100 mm，葉片厚度為2 mm，最大重量5 kg/件。滾鉚前插裝葉片效果圖如圖3和圖4所示，滾鉚后效果圖如圖5所示。

2 總體方案設計

液力變矩器滾鉚機床總體為立式結構，其主要由機床立柱、機座、主軸進給、主軸旋轉、夾具工作臺、主軸液壓系統(tǒng)和自動上下料裝置等組成?？刂撇糠植捎萌饪刂葡到y(tǒng)。

(1)主傳動系統(tǒng)：采用電動機、變頻器和減速器相結合來控制實現(xiàn)主軸滾鉚頭的旋轉運動，以實現(xiàn)滾鉚加工的動力要求。

(2)主軸進給傳動系統(tǒng)：進給運動作為機床的基本運動，其對機床的加工質量和生產(chǎn)效率都會產(chǎn)生重要的影響。為了實現(xiàn)主軸升降到達指定加工位置，主軸進給系統(tǒng)采用液壓缸和機床立柱導軌實現(xiàn)主軸升降[3]，主軸端部利用配重單元實現(xiàn)平衡，以減小液壓缸和導軌負載。

(3)自動上下料系統(tǒng)：主要是實現(xiàn)物料的上料和卸料，以提高加工效率。自動上下料機構采用液壓傳動形式，主要采用水平和豎直兩個液壓缸來實現(xiàn)移料和進料動作。通過工作臺的工裝夾具定位，以實現(xiàn)對回轉類工件的裝夾滾鉚加工。

滾鉚機設備主要是由葉片滾鉚機和自動上下料裝置組成的，結構示意簡圖如圖6所示。

3 液力變矩器滾鉚力的求解計算

滾鉚實際上類似于鈑金折彎，可參照折彎工藝對耳片的壓力變形進行計算。為實現(xiàn)滾鉚工藝，需要對耳片進行滾壓力分析。

將利用經(jīng)驗公式對耳片壓彎進行分析研究并求解計算，并利用Workbench軟件對液力變矩器外環(huán)滾鉚力進行求解分析，從而為后續(xù)滾鉚機的開發(fā)提供技術依據(jù)。

3.1 液力變矩器滾鉚力仿真實驗

由于滾鉚葉片與鈑金折彎類似，所以可按照鈑金折彎的經(jīng)驗公式進行計算。關于折彎力計算公式的推導過程及適用范圍請參閱參考文獻[1]。鈑金折彎時進行等效分解，彎曲角度為α，可認為板厚中心即為中性層，從使用角度看，可假定材料厚度彎曲前后不變。葉片的材料為08AL深沖鋼，抗拉強度σb=325 MPa，F(xiàn)為耳片彎曲所需力即是要求解的壓彎滾鉚力。

利用UG NX建模軟件，根據(jù)三坐標測量儀所測得的渦輪葉片的坐標，同時分別創(chuàng)建葉片A、B輪廓曲線。然后對曲線進行分割，對耳片和葉片整體分開拉伸再布爾運算求和。建模后渦輪葉片模型如圖7所示。

渦輪葉片滾鉚類似于懸臂梁加載的模型。由于滾鉚時先滾渦輪內(nèi)環(huán)，所以施加約束對象為渦輪內(nèi)環(huán)處兩耳片和外環(huán)與渦輪結合處等5處，并對外露耳片進行施加載荷靜力學分析。

力的加載面為耳片的背面，方向為耳片面的法線方向。約束為渦輪內(nèi)環(huán)處兩耳片，以及外環(huán)葉片與渦輪的結合處等5處。

ANSYS Workbench仿真計算液力變矩器滾鉚力。經(jīng)過多次計算，由實驗滾鉚位移變形云圖得到滾鉚力實驗圖8綜合可知，隨著載荷力的增加，位移最大變形量保持在8 mm左右，此時的臨界載荷力在18 kN左右。

3.2 經(jīng)驗公式液力變矩器滾鉚力

由液力變矩器葉片外環(huán)滾鉚力學分析[4]可以得到經(jīng)驗公式：

(1)

式中:l為板料長度,mm。

(2)

式中：P為彎曲時的總彎力即折彎力，kN；S為板料厚度，mm；V為下模開口寬度，mm，K為彎曲變形區(qū)水平投影寬度，mm；F為耳片彎曲所需力。

建模后的耳片D(見圖2)中性層夾角經(jīng)測量是134.054 6°，再由公式(1)、(2)求解得滾鉚力F=18.163 kN。

渦輪耳片D處滾鉚力求解得F=18.163 kN。由此可知，其相對誤差e=(18.163-18)/18=0.905%，在允許的一般誤差范圍±5%內(nèi)。渦輪外環(huán)滾鉚后的成型效果圖，如圖4所示。

因此，在后期滾鉚機的設計和研究中可以采用經(jīng)驗值計算后續(xù)其余耳片(C和E處)滾鉚力，這也為后期的滾鉚頭設計、主軸電動機的選擇以及主軸液壓缸設計提供了依據(jù)。

4 滾鉚機機械結構設計

4.1 機身設計

機身是由立柱和機座兩部分構成，均采用焊接結構。機床焊接工藝相對鑄造工藝來說，具有設計靈活，成本節(jié)約，設計周期短等方面的優(yōu)點。機床焊接工藝對于小批量生產(chǎn)來說具有靈活性。焊接不容易出廢品，焊接結構具有經(jīng)濟性。在對機床設計時，也要考慮到較高精度和精度保持性，足夠的靜、動剛度，較好熱穩(wěn)定性等。

焊接滾鉚機立柱支撐采用閉合截面形狀，正確的方式布置肋板來增強焊接支撐件的剛度。倘若壁厚較小，支撐件壁板的動剛度將急劇下降，在工作過程中會產(chǎn)生振動和噪聲。因此，為了避免薄壁振動現(xiàn)象，需要根據(jù)壁板的剛度合理確定壁厚，床身壁厚參數(shù)見表1所示。立柱選用35號鋼，結構件焊接后進行退火處理，以消除內(nèi)應力。根據(jù)滾鉚機機身要求得到滾鉚機立柱模型截面圖，如圖9所示；滾鉚機立柱結構圖，如圖10所示；滾鉚機機座模型圖，如圖11所示。

表1 焊接床身壁厚參數(shù)

壁或肋的位置及承載情況機床壁厚/mm外壁和縱向主肋25肋20導軌支承臂30

4.2 液力變矩器滾鉚機滾鉚頭的設計

滾鉚頭主要作用是通過主軸進給運動到達滾鉚預定位置，使?jié)L鉚頭滾輪與渦輪外環(huán)(背部)接觸，通過主軸旋轉滾鉚頭，滾輪(刀具)施加滾鉚力來實現(xiàn)對耳片撥倒壓彎，繼而使耳片與渦輪外環(huán)進行貼合，以實現(xiàn)對渦輪葉片的固定。需要考慮到對單個葉片外環(huán)的三處耳片進行位置角度設計，以確保滾鉚時滾輪使耳片與渦輪外環(huán)貼合。

由于渦輪外環(huán)滾鉚加工的位置有三圈耳片，為了保證滾鉚時的平穩(wěn)性，每一圈的耳片處滾鉚設置兩個滾輪。所以加工的滾輪數(shù)目是6個，并且這6個滾輪是均勻分布的。由于渦輪外環(huán)加工耳片的位置和角度不盡相同，因此在設計滾輪時需要考慮到滾輪的邊緣和角度。

每個滾輪在滾腳處安裝時接入彈簧，目的是在加工的時候，當滾鉚頭到達預定的位置時，滾鉚頭不再下降。在主軸滾鉚時，可以保證耳片與渦輪外環(huán)實現(xiàn)緊密的貼合，彈簧的使用可以實現(xiàn)滾鉚平穩(wěn)，不會出現(xiàn)震動和噪音。滾鉚機渦輪外環(huán)滾鉚頭的結構，如圖12所示。

滾鉚機滾鉚頭主要由9部分組成，分別是：渦輪外環(huán)內(nèi)圈滾輪、渦輪外環(huán)中圈滾輪、渦輪外環(huán)外圈滾輪、渦輪外環(huán)內(nèi)圈滾輪腳、渦輪外環(huán)中圈滾輪腳、渦輪外環(huán)外圈滾輪腳、滾鉚頭連接法蘭盤、滾壓體和渦輪外環(huán)按壓滾鉚盤。

滾鉚頭9個部分的作用如下：

渦輪外環(huán)(內(nèi)圈、中圈和外圈)滾輪：在滾壓渦輪外環(huán)三圈耳片時，對耳片進行撥倒，并使耳片與渦輪外環(huán)貼合。

渦輪外環(huán)(內(nèi)圈、中圈和外圈)滾輪腳：用來安裝渦輪外環(huán)內(nèi)(中、外)圈滾輪的，對滾輪起到支撐作用，以實現(xiàn)滾鉚。

滾鉚頭連接法蘭盤：將主軸和整個滾鉚頭實現(xiàn)連接，以傳遞動力。

滾壓體：對整個滾鉚頭部件起支撐作用，保證它可以承受其他部件的重量，并有基準定位的作用，以確保各零部件的相對位置。

渦輪外環(huán)按壓滾鉚盤：在進行滾鉚時，按壓住渦輪分總成，在主軸滾鉚頭向下運動時，渦輪外環(huán)按壓滾鉚盤在彈簧的作用下首先接觸到渦輪，并按壓住渦輪。

如圖13所示，滾鉚頭還沒有對渦輪外環(huán)葉片的耳片進行滾鉚加工。當滾鉚頭接觸到渦輪外環(huán)時，滾鉚頭即對外環(huán)耳片進行加工滾鉚，此時外環(huán)按壓滾鉚盤在彈簧力的作用下對渦輪進行壓緊，使?jié)L鉚頭回轉加工渦輪時渦輪在外環(huán)按壓滾鉚盤摩擦力的作用下不會產(chǎn)生轉動，以確保能實現(xiàn)高效安全的滾鉚加工。滾鉚機滾鉚頭模型圖如圖14所示。

4.3 液力變矩器滾鉚機床工裝夾具設計

能夠正確對加工定位基準的選擇，對于渦輪外環(huán)滾鉚加工來說，是設計工藝過程中很重要的一個環(huán)節(jié)[5]。

由于基準對于工件表面間的相對位置關系研究是很重要的，因此對渦輪外環(huán)加工定位基準的選擇需要根據(jù)工藝學理論來進行研究，使渦輪在外環(huán)滾鉚過后無需進行其他加工。渦輪定位方案的確定，由于液力變矩器滾鉚工藝流程順序是：渦輪內(nèi)環(huán)滾鉚→渦輪外環(huán)滾鉚。因此，渦輪內(nèi)環(huán)是優(yōu)先進行加工的。由于渦輪內(nèi)環(huán)的表面已經(jīng)進行過滾鉚，從滾鉚加工方式看，渦輪內(nèi)環(huán)是不加工面。那么在對渦輪外環(huán)滾鉚加工定位基準選擇時，選擇以渦輪的內(nèi)環(huán)為基準定位，進行工裝夾具的設計。

工件(渦輪分總成)在滾鉚機上以及工裝夾具中的定位，由渦輪外環(huán)滾鉚工藝分析可知，在滾鉚時渦輪葉片耳片受到力的作用容易產(chǎn)生上下的運動和平面內(nèi)的移動以及主軸方向的轉動(該方向的轉動在設計滾鉚頭時，已由渦輪外環(huán)按壓滾鉚盤摩擦力和彈簧力進行限制)。因此在限制自由度上，只需要對渦輪上下運動和平面內(nèi)的移動加以限制即可。

由于渦輪外環(huán)定位方案的選擇為渦輪內(nèi)環(huán)定位，由于渦輪內(nèi)環(huán)面形狀為較為復雜的曲面。再加之定位精度高，在整個定位曲面中加工同心凸脊，以方便渦輪內(nèi)環(huán)定位放置。凸脊的位置應與渦輪內(nèi)環(huán)上內(nèi)凹面葉片位置和形狀相同，以此來保證渦輪外環(huán)加工滾鉚時不對葉片造成損傷。渦輪內(nèi)環(huán)工裝的外觀如圖15所示，渦輪外環(huán)工裝模型圖，如圖16所示。

滾鉚機加工夾具的結構形式與液力變矩器內(nèi)環(huán)的結構是相互匹配的，類似于模具的上下模。中間開槽主要是為了自動上下料托盤連接桿橫向運動通過實現(xiàn)移料，以及考慮到材料的應力應變和加工時溫度的變形等，并且為了方便自動上下料托盤的上下料通過，所以把工裝整圓部分分成均等的兩部分。中間的圓孔主要是為了自動上下料托盤能夠托舉物料(渦輪分總成)縱向運動實現(xiàn)上料和放置物功能。

為了實現(xiàn)不同型號(YJH200和YJH300等系列)的液力變矩器渦輪滾鉚，要求滾鉚夾具具有可互換性，因此采用螺栓與工作臺的聯(lián)接以實現(xiàn)不同夾具的拆裝互換。最終滾鉚機整機建模實物圖，如圖17所示。

5 結語

由于國內(nèi)滾鉚工藝水平不高，以液力變矩器渦輪外環(huán)滾鉚工藝為研究基礎，本文所研究的通用型滾鉚機主要是適應液力變矩器及回轉類工件滾鉚加工所設計的。根據(jù)滾鉚機的設計要求，從滾鉚工藝分析和方案設計入手，先后完成了機床立柱、機座、滾鉚頭以及工裝夾具等方面內(nèi)容。設計出了針對回轉類工件滾鉚加工的通用型滾鉚機。

以該形式為基礎設計的液力變矩器渦輪外環(huán)滾鉚機，解決了加工自動化水平不高的問題，并提高了液力變矩器加工的效率和質量，降低進口滾鉚機的成本，可滿足國內(nèi)自動變速器工藝裝備市場配套需求。