一種具有同步升降功能的小型卷板機(jī)的設(shè)計(jì)與制造

付煒亮，袁志剛，王村偉

(1.江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院常州技師分院，江蘇 常州 213022)(2.常州機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 常州 213164)

卷板是利用三點(diǎn)定圓的原則對(duì)零件進(jìn)行壓彎或卷彎的一種工藝，它是一種金屬塑性成形過(guò)程[1]。卷板機(jī)是完成這一工藝過(guò)程的通用設(shè)備，通過(guò)輔助裝置對(duì)卷板機(jī)的各工作輥進(jìn)行靈活、精確、有效的控制，在一定范圍內(nèi)可使板材彎曲成圓形、弧形等形狀。卷板機(jī)可分為三輥卷板機(jī)和四輥卷板機(jī)，由于它們的工作機(jī)理和結(jié)構(gòu)不同，四輥卷板機(jī)比三輥卷板機(jī)具有更加靈活多樣的彎曲功能，具有雙向預(yù)彎邊、剩余直邊短、板料對(duì)中方便等一系列優(yōu)點(diǎn)[2]。四輥卷板機(jī)以其高精度、高效率的優(yōu)勢(shì)已廣泛應(yīng)用于石油化工、機(jī)車車輛、壓力容器、工程機(jī)械、金屬構(gòu)件等領(lǐng)域[3]。

針對(duì)卷板成型原理、設(shè)計(jì)和卷制工藝，眾多學(xué)者進(jìn)行了大量的研究。任京生等[4]闡述了四輥卷板機(jī)的主要特點(diǎn)是板料對(duì)中方便，利用對(duì)中使工件的母線與輥輪的軸線平行，防止產(chǎn)生扭斜。李建等[5]根據(jù)彈塑性彎曲工程理論建立了卷圓半徑和側(cè)輥位移相關(guān)的數(shù)學(xué)模型，能夠準(zhǔn)確設(shè)定板材對(duì)中、端部預(yù)彎、連續(xù)卷制、末端預(yù)彎和最終合口等工藝參數(shù)。韋超等[6]對(duì)小曲率半徑薄壁件冷輥彎成形進(jìn)行了理論計(jì)算、有限元分析、卷板機(jī)設(shè)計(jì)及試制。以上學(xué)者從理論分析的角度對(duì)四輥卷板成型過(guò)程進(jìn)行了論述，有效提高了卷制精度。但目前大部分設(shè)備即使實(shí)現(xiàn)了對(duì)中，在精度、可靠性和穩(wěn)定性上還存在問(wèn)題：在手動(dòng)或機(jī)動(dòng)調(diào)節(jié)卷板機(jī)壓輥時(shí)，壓輥的左右側(cè)分別獨(dú)立調(diào)節(jié)，因此不能保證壓輥、定輥之間的平行度，導(dǎo)致在卷制過(guò)程中產(chǎn)品的圓柱度達(dá)不到高精度要求，接縫處錯(cuò)邊嚴(yán)重，甚至整體呈錐形。另外，在卷板機(jī)制造和裝配過(guò)程中，如何持續(xù)保證產(chǎn)品的精度和穩(wěn)定性，還需要一套嚴(yán)格、精確的裝配檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)。

為此，本文通過(guò)設(shè)計(jì)鏈傳動(dòng)的高精度同步調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了調(diào)整輥輪兩側(cè)的同步升降調(diào)節(jié)，從而保證壓輥和定輥之間的平行度；同時(shí)提出了一套嚴(yán)格、精確的裝配檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，制造出了一款小型化的薄板卷板機(jī)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了卷制產(chǎn)品的精度和穩(wěn)定性要求。

1 卷板機(jī)技術(shù)參數(shù)及總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 技術(shù)參數(shù)

表1為小型薄板卷板機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)。卷板完成后的圓筒不能成為錐形，并且接口縫隙處不能嚴(yán)重錯(cuò)邊，保證幾何公差為 ±0.3 mm，并能持續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)。根據(jù)技術(shù)參數(shù)可知，卷板機(jī)不僅要能實(shí)現(xiàn)卷圓產(chǎn)品的直徑可調(diào)，還需要保證產(chǎn)品精度，并具有一定的穩(wěn)定性。本文通過(guò)同步機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)和高精度裝配，實(shí)現(xiàn)了參數(shù)要求。

表1 小型薄板卷板機(jī)主要技術(shù)參數(shù) 單位：mm

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

依據(jù)技術(shù)參數(shù)設(shè)計(jì)了小型薄板卷板機(jī)，結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖中3,11,12,13,19,20部件構(gòu)成了同步調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。

1—手輪;2—第二齒輪;3—調(diào)節(jié)手輪；4—方型側(cè)板；5—調(diào)節(jié)腳；6—連接件；7—罩殼；8—方型底板；9—第一齒輪；10—球頭支撐塊；11—鏈輪鏈條；12—升降搖臂；13—調(diào)節(jié)螺桿；14—端蓋；15—壓緊螺釘；16—導(dǎo)向輥軸；17—定輥軸；18—壓緊輥軸；19—螺母調(diào)節(jié)軸；20—調(diào)節(jié)輥軸

設(shè)計(jì)的卷板機(jī)主要功能部件包括設(shè)置在方型側(cè)板4上的一根導(dǎo)向輥軸16、兩根傳動(dòng)輥軸(一個(gè)為定輥軸17，一個(gè)為壓緊輥軸18)和一個(gè)帶有同步調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的調(diào)節(jié)輥軸20。調(diào)節(jié)輥軸20和螺母調(diào)節(jié)軸19通過(guò)升降搖臂12固連在一起，并安裝在調(diào)節(jié)螺桿13上，兩側(cè)的調(diào)節(jié)螺桿下方安裝有鏈輪鏈條11，再與調(diào)節(jié)螺桿一側(cè)上方安裝的調(diào)節(jié)手輪3構(gòu)成了同步調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。該同步調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)輥兩側(cè)的同步升降功能，保證兩側(cè)上升和下降的距離相等，從而保證卷制產(chǎn)品的幾何尺寸精度要求。同時(shí)，調(diào)節(jié)輥軸20與壓緊輥軸18以及定輥軸17之間的距離和角度決定了所要卷曲的板材的圓弧度大小，可獲得不同直徑的圓筒。

2 卷板機(jī)工作原理與裝配檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)

2.1 同步升降原理

圖2為同步升降原理圖。圖中調(diào)節(jié)手輪與絲杠1以及齒數(shù)為Z1的主動(dòng)鏈輪同軸固連，齒數(shù)為Z2的從動(dòng)鏈輪與絲杠2同軸固連，螺母1與螺母2分別裝在絲杠1和絲杠2上，當(dāng)手輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，與之相連的絲杠1和主動(dòng)鏈輪一起轉(zhuǎn)動(dòng)，并通過(guò)鏈條帶動(dòng)從動(dòng)鏈輪轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使兩個(gè)螺母分別沿著絲杠上下一起移動(dòng)。

圖2 同步升降原理圖

當(dāng)手輪轉(zhuǎn)過(guò)角度θ時(shí)，螺母1沿著絲杠1移動(dòng)的距離為L(zhǎng)1：

(1)

式中：Ph1為絲杠1的導(dǎo)程。

(2)

式中：Ph2為絲杠2的導(dǎo)程。

隨著網(wǎng)絡(luò)的發(fā)達(dá)，電子商務(wù)漸漸火熱起來(lái)，這一節(jié)日就被商家所利用，以光棍為嚎頭制造單身人士要在這一天購(gòu)物的氣氛。2009年淘寶商城的管理層首次將11月11日選用為淘寶購(gòu)物狂歡節(jié)，造就了高達(dá)0.5億元的銷售額，從此，“雙十一”被越來(lái)越多的消費(fèi)者銘記，“雙十一”所產(chǎn)生的銷售額逐年攀升。這種從節(jié)日到節(jié)日的文化轉(zhuǎn)型為“雙十一”的成功塑造解決了尤為關(guān)鍵的一步，讓眾多消費(fèi)者尤其是作為新世紀(jì)知識(shí)分子的大學(xué)生一代以最快的速度接受并記住。

在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，選擇絲杠1和絲杠2的導(dǎo)程相等，旋向相同，即Ph1=Ph2，并保證兩絲杠材質(zhì)相同，則根據(jù)式(1)、(2)可知L1=L2，即兩螺母上升或下降同步且距離相等，從而實(shí)現(xiàn)了卷板機(jī)兩側(cè)的高精度同步升降調(diào)節(jié)。

根據(jù)以上原理，將一根軸的兩端打孔并攻出相同絲牙的內(nèi)螺紋，保證沿軸的中心對(duì)稱分布，并安裝于絲杠1和絲杠2上，形成具有同步升降功能的調(diào)節(jié)軸。選擇絲杠和鏈輪時(shí)，保證各自的規(guī)格參數(shù)、材料相同，并嚴(yán)格按照裝配要求進(jìn)行安裝，可實(shí)現(xiàn)較高精度卷板成型。

2.2 卷制過(guò)程

參照1.2和2.1節(jié)，本文設(shè)計(jì)的小型卷板機(jī)工作過(guò)程可簡(jiǎn)述如下：

通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)手輪1，金屬板材經(jīng)導(dǎo)向輥軸16，從作為傳動(dòng)輥軸的定輥軸17和壓緊輥軸18縫隙中間通過(guò)，進(jìn)行預(yù)先對(duì)中。金屬板材在壓緊力的作用下，上下表面產(chǎn)生摩擦力，使板料向著卷板機(jī)的調(diào)節(jié)輥軸端移動(dòng)。移動(dòng)過(guò)程中，板材的邊緣會(huì)接觸到調(diào)節(jié)輥軸20的邊緣，繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)手輪引導(dǎo)板材向上彎曲，并依靠摩擦力的作用向后上方移動(dòng)。隨著板材的逐步移動(dòng)，板材會(huì)自然變成曲面的形狀，但距離完全的圓筒形還有一定差距。

此時(shí)適量旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)手輪3，兩側(cè)的調(diào)節(jié)螺桿13將轉(zhuǎn)動(dòng)，安裝在其底部的鏈輪鏈條11跟隨其同步轉(zhuǎn)動(dòng)。根據(jù)同步升降原理，主動(dòng)鏈輪可通過(guò)傳動(dòng)鏈條帶動(dòng)另一個(gè)調(diào)節(jié)螺桿上的鏈輪轉(zhuǎn)動(dòng)，使兩個(gè)調(diào)節(jié)螺桿同步轉(zhuǎn)動(dòng)，因此調(diào)節(jié)螺桿13將帶動(dòng)與其連接的螺母調(diào)節(jié)軸19做升降運(yùn)動(dòng)。因螺母調(diào)節(jié)軸19和調(diào)節(jié)輥軸20由升降搖臂12共同連接在一起，同時(shí)設(shè)計(jì)有球頭支撐塊10，所以調(diào)節(jié)輥軸20實(shí)現(xiàn)了卷板機(jī)兩側(cè)的高精度同步升降和前后擺動(dòng)，保證了調(diào)節(jié)輥軸、壓輥與定輥軸之間的平行度始終一致。隨著調(diào)節(jié)輥的上移，彎曲板材的曲率半徑會(huì)逐漸減小。重復(fù)上述操作，調(diào)節(jié)輥高度位置會(huì)發(fā)生變化，然后繼續(xù)卷板，直至圓筒的兩個(gè)邊緣逐步接近，實(shí)現(xiàn)精確的卷板過(guò)程。完成后，由于彎曲或卷圓后的板材具有回彈力，因此可以從其接口縫隙處張開(kāi)，將板材從壓緊輥軸上取下。

其中，位于壓緊輥軸與定輥軸之間的方形側(cè)板4上設(shè)置有壓緊間隙槽，其上部穿有壓緊螺栓。通過(guò)調(diào)節(jié)該壓緊螺栓，可保證定輥軸和壓緊輥軸間隙達(dá)到板厚和摩擦力要求。另外，為保證工作時(shí)的安全，同時(shí)避免出現(xiàn)落灰或磕碰等情況，影響傳動(dòng)的效率和順暢性，鏈輪鏈條外側(cè)設(shè)有安全保護(hù)罩殼。

2.3 裝配檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)

為了保證產(chǎn)品精度達(dá)到技術(shù)要求，實(shí)現(xiàn)卷板機(jī)穩(wěn)定、可靠的運(yùn)行，需要在制造過(guò)程中嚴(yán)格控制各零部件的制造質(zhì)量及裝配精度，以下為本卷板機(jī)主要部件的制造裝配要求和相應(yīng)的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)：

1)選擇精度較高的裝配和檢測(cè)平臺(tái)，使基準(zhǔn)面達(dá)到裝配要求。由于卷板機(jī)的體積較小，可以放在尺寸為1 000 mm×1 000 mm、精度為2級(jí)以上的鑄鐵平板上進(jìn)行安裝與精度檢測(cè)，這樣有助于提高檢測(cè)的準(zhǔn)確性和裝配效率。

2)安裝底板支撐腳時(shí)要保證底板水平。在底板中心位置放置水平儀，在相對(duì)90°的兩個(gè)方向檢測(cè)底板的水平度，要求在兩個(gè)方向上水平儀讀數(shù) ≤0.02 mm/1 000 mm，并使支撐腳安裝穩(wěn)定、可靠。

3)檢測(cè)兩邊的輥軸安裝側(cè)板與底板垂直。將輥軸安裝側(cè)板預(yù)裝在底板上，用刀口角尺檢測(cè)垂直度，要求垂直度≤0.05 mm，并檢測(cè)兩邊輥軸軸承孔的軸線等高，誤差≤0.03 mm，如果超差則需要對(duì)輥軸安裝側(cè)板的安裝面進(jìn)行修整，直到符合精度要求，預(yù)裝的目的是保證底板與輥軸安裝側(cè)板位置精度，從而保證輥軸安裝后的精度。

4)將輥軸部件裝入側(cè)板后，需用百分表檢測(cè)各個(gè)軸的上母線與底板、軸與軸之間的平行度。將杠桿百分表側(cè)頭置于各輥軸距離側(cè)板20 mm的上母線上，在底板上移動(dòng)百分表底座，檢測(cè)輥軸兩端的讀數(shù)，誤差≤0.04 mm。同時(shí)檢測(cè)各輥軸間的平行度≤0.04 mm，如果超差，檢查各軸承安裝孔的中心距是否符合要求。建議兩側(cè)板成對(duì)加工，以保證安裝時(shí)的平行度要求。

5)安裝鏈輪鏈條之前，需檢測(cè)鏈輪與底板等高，同時(shí)保證兩個(gè)鏈輪軸平行。本卷板機(jī)的鏈輪軸調(diào)整方便，只需松開(kāi)鏈輪上的緊定螺釘就可以對(duì)鏈輪進(jìn)行上下調(diào)整，使用鋼直尺與塞尺配合檢查兩鏈輪的端面直線度≤0.1 mm。

6)卷板機(jī)側(cè)板上開(kāi)有可以調(diào)整兩齒輪中心距的工藝槽，兩齒輪的中心距調(diào)節(jié)范圍為40.5～42.0 mm。因此在安裝第一齒輪和第二齒輪時(shí)，需要檢測(cè)齒隙是否合理，以保證齒輪不咬死和力的均衡傳送。

圖3 按標(biāo)準(zhǔn)裝配好的薄板卷板機(jī)實(shí)物圖

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

圖3為本文設(shè)計(jì)、制造并按標(biāo)準(zhǔn)裝配好的小型薄板卷板機(jī)實(shí)物，為了驗(yàn)證此卷板機(jī)的功能和產(chǎn)品精度，對(duì)樣板進(jìn)行卷圓測(cè)試。試驗(yàn)板材料為Q345R，屈服強(qiáng)度≥345 MPa，彈性模量為210 GPa，板材寬度為120 mm，厚度取1.0，1.5,2.0 mm 3種。依次按照上料、板料對(duì)中、端部預(yù)彎、連續(xù)卷制的步驟對(duì)鋼板進(jìn)行了卷制試驗(yàn)。完成后的成品外徑為80，130，150，200 mm，如圖4所示。

圖4 不同直徑規(guī)格的產(chǎn)品圖

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)薄板的試制和成品分析可得以下結(jié)論：

1)設(shè)計(jì)的卷板機(jī)適合0.5～2.0 mm厚度規(guī)格的板材加工，成品卷圓高度200 mm以內(nèi)，最小直徑為φ80 mm，最大幾何尺寸精度可達(dá)到±0.3 mm。

2)設(shè)計(jì)的同步升降調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)靈巧，安裝方便，提高了薄板卷制的精度。

3)提出的此款卷板機(jī)的裝配檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，很好地保證了產(chǎn)品的精度和穩(wěn)定性，可在同類設(shè)備安裝制造時(shí)作為參考，具有一定的指導(dǎo)意義。