6 m級分散多動力對輪旋壓設(shè)備結(jié)構(gòu)及有限元校核

張大偉，趙升噸，李 帆，李帥鵬，谷瑞杰

(1. 西安交通大學(xué) 機械工程學(xué)院，陜西 西安，710049；2. 中國重型機械研究院股份公司，陜西 西安，710032)

0 前言

對于大直徑(2 500 mm以上)薄壁筒形件的成形制造，對輪旋壓成形技術(shù)是一種有效可行的塑性成形方法[1,2]。對輪旋壓工藝以內(nèi)旋輪代替整體芯模，內(nèi)外旋輪共同作用于坯料，實現(xiàn)薄壁筒形件成形制造，對輪旋壓工藝不僅應(yīng)用于強旋工藝[3]，也可應(yīng)用于帶橫筋等復(fù)雜型面的普旋工藝[4]。

對輪旋壓設(shè)備是對輪旋壓工藝的載體，專用適合的對輪旋壓設(shè)備是實現(xiàn)大直徑薄壁筒形件對輪旋壓工藝的基礎(chǔ)。美國的拉迪斯(Latish Forging)鍛造公司和德國MT (MAN Technology)公司從上世紀七八十年代就設(shè)計和制造出對輪旋壓設(shè)備，并應(yīng)用于大直徑3 000～4 500 mm的薄壁筒形件(如固體火箭發(fā)動機外殼)的成形制造[2, 5]。2000年以后國內(nèi)也開展相關(guān)對輪旋壓試驗裝置與設(shè)備的方面的研究，基于機床的對輪旋壓試驗裝置[6]與1 m級對輪旋壓樣機[7]等實物也見諸于文獻報道。

對輪旋壓設(shè)備結(jié)構(gòu)可分為臥式結(jié)構(gòu)和立式結(jié)構(gòu)，采用臥式結(jié)構(gòu)會受到坯料自身重力影響，現(xiàn)有的大型對輪旋壓設(shè)備以立式結(jié)構(gòu)為主，采取立式結(jié)構(gòu)有利于加工件的夾持，避免重力因素對加工過程的影響。

目前對輪旋壓裝置/設(shè)備的旋輪數(shù)目多為2～4對旋輪。1對內(nèi)外旋輪的見于早期的基于機床改裝的對輪旋壓實驗裝置[8]?，F(xiàn)有的對輪旋壓設(shè)備多采用單獨動力源，傳動系統(tǒng)復(fù)雜，設(shè)備加工精度要求高，對傳動零部件的剛度、精度都有較高的要求。高精度、智能化控制系統(tǒng)是先進旋壓設(shè)備的重要指標(biāo)與發(fā)展趨勢[9]。西門子公司也對德國MT上世紀八十年代制造的立式對輪旋壓設(shè)備進行數(shù)控系統(tǒng)升級[10]，以提升設(shè)備的成形能力。

機械裝備的機架剛強度與模態(tài)振型等對裝備安全運行有著重要影響。有限元法是一種成形過程分析[11-13]、機械裝備結(jié)構(gòu)與關(guān)鍵部件分析校核[14-16]的有效、精確的分析方法。徐文臣等[17]采用有限元法對加工零件直徑400～460 mm的4對輪旋壓機結(jié)構(gòu)進行分析與校核。黃涌等[6]采用有限元法對基于機床的對輪旋壓工裝進行靜力學(xué)分析。

分散多動力、伺服電直驅(qū)是裝備智能化、柔性化、精確可控的重要途徑。西安交通大學(xué)研制的1 m級2對旋輪的對輪旋壓設(shè)備即采用分散動力、伺服電直驅(qū)的設(shè)計思想，不僅可實現(xiàn)筒形的強力旋壓成形，還可實現(xiàn)帶復(fù)雜溝槽的薄壁筒形件普旋成形[4, 7]。此設(shè)計思想也用于更大直徑的立式框架結(jié)構(gòu)對輪旋壓設(shè)備的設(shè)計中[5]，但文獻[5]中并未詳細敘述該對輪旋壓設(shè)備的結(jié)構(gòu)及其運動機構(gòu)。因此文本重闡述了基于分散動力、伺服直驅(qū)的設(shè)計思想的6 m級對輪旋壓設(shè)備總體結(jié)構(gòu)、內(nèi)外旋輪分散多動力軸向及徑向運動機構(gòu)，并對6 m級對輪旋壓設(shè)備機架剛強度與模態(tài)進行了分析。

1 6 m級對輪旋壓設(shè)備總體結(jié)構(gòu)方案

如圖1所示[5]為對輪旋壓工藝原理，內(nèi)外旋輪有旋轉(zhuǎn)運動、軸向和徑向直線運動，坯料也有旋轉(zhuǎn)運動，根據(jù)對輪旋壓運動特征，結(jié)合設(shè)備最大擬加工筒體直徑達6 m，質(zhì)量為5.27 t，并考慮到設(shè)備裝夾問題和自重引起的變形與不平衡問題，大型對輪旋壓設(shè)備采用立式四對輪布置形式，如圖2所示。四對旋輪沿周向均勻分布，每個旋輪軸向運動帶有獨立動力源，可方便實現(xiàn)同位旋壓和錯距旋壓工藝。

圖1 對輪旋壓工藝原理[5]

圖2 大型立式對輪旋壓設(shè)備

考慮美國、德國已有對輪旋壓機設(shè)備參數(shù)，并根據(jù)6 m級鋁合金筒體對輪旋壓塑性變形過程模擬分析獲得的力能參數(shù)[5]，確定對輪旋壓設(shè)備主要技術(shù)參數(shù)，見表1。

表1 6 m級對輪旋壓設(shè)備主要技術(shù)參數(shù)

大型立式對輪旋壓設(shè)備的成形運動采取筒坯主動旋轉(zhuǎn)，各對內(nèi)外旋輪沿筒坯徑向進給至預(yù)定位置后沿筒坯軸向進給的方式。為保證設(shè)備加工精度，未采用傳統(tǒng)的液壓驅(qū)動形式，采用全電伺服驅(qū)動方式。并且設(shè)備運動功能結(jié)構(gòu)設(shè)計采取分散多動力設(shè)計思路，即各個主要運動機構(gòu)帶有獨立動力源，以實現(xiàn)減少傳動系統(tǒng)復(fù)雜度，降低單個動力裝置要求，提高設(shè)備運動自由度的效果。

設(shè)備運動功能結(jié)構(gòu)主要包括筒坯旋轉(zhuǎn)機構(gòu)、旋輪軸向進給機構(gòu)和旋輪徑向進給機構(gòu)。設(shè)備的外部支撐采用籠式結(jié)構(gòu)，由上下框架和8根立柱連接組成，整體剛度良好。

2 筒坯及內(nèi)外旋輪運動機構(gòu)

2.1 筒形件旋轉(zhuǎn)機構(gòu)

筒坯旋轉(zhuǎn)運動是對輪旋壓成形過程的主要運動，由于設(shè)備加工尺寸巨大，傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)盤難以適用于此類大型對輪旋壓設(shè)備。采用多個雙齒輥夾持驅(qū)動方式，實現(xiàn)筒坯/工件的選裝，如圖3所示。

圖3 工件夾持旋轉(zhuǎn)機構(gòu)

由于加工中筒坯旋轉(zhuǎn)所需驅(qū)動轉(zhuǎn)矩巨大，采用分散多動力思想，將四個帶有獨立動力源的雙齒輥旋轉(zhuǎn)機構(gòu)相差90°布置在鑄鐵底座上。夾持機構(gòu)前端安裝有一對可利用液壓缸調(diào)節(jié)中心距的齒輥，用以夾持筒坯底端，其中靠近異步電機一側(cè)的齒輥為主動輥，主動輥與異步電機之間依靠伸縮式萬向節(jié)和傳動齒輪連接，整個雙齒輥機構(gòu)通過底部滑塊安放在閉式導(dǎo)軌上可以滑動，以適應(yīng)不同直徑筒坯。加工時根據(jù)筒坯的壁厚和直徑情況調(diào)節(jié)雙齒輥中心距與伸縮式萬向節(jié)的長度，以完成筒坯裝夾，然后各個異步電機通過傳動機構(gòu)驅(qū)動主動輥旋轉(zhuǎn)，從而帶動筒坯進行旋轉(zhuǎn)運動。

由于加工筒坯轉(zhuǎn)動慣量巨大，筒坯轉(zhuǎn)速不宜過高，設(shè)計最大加工轉(zhuǎn)速為10 r/min，結(jié)合數(shù)值模擬確定的最大轉(zhuǎn)矩，確定帶動筒坯旋轉(zhuǎn)所需電機提供總功率，進而選定額定功率為1 250 kW的四臺交流異步電機。

2.2 旋輪軸向進給機構(gòu)

旋輪軸向進給運動是成形過程中重要運動，旋輪軸向進給機構(gòu)如圖4所示。每一個旋輪都具有獨立的動力源實現(xiàn)軸向運動。

圖4 旋輪軸向進給機構(gòu)

內(nèi)、外旋輪軸向進給機構(gòu)的運動原理一致。機構(gòu)整體通過滑塊安裝在底座上的徑向閉式導(dǎo)軌上，旋輪機構(gòu)通過螺母安裝在軸向進給絲杠上，同時通過滑塊與支架內(nèi)壁的軸向?qū)к壟浜稀＜庸r，通過機構(gòu)頂端的軸向進給電機驅(qū)動軸向進給絲杠，即可實現(xiàn)內(nèi)外旋輪的軸向進給運動。

內(nèi)外旋輪軸向進給速度1～30 mm/s，有效行程2 800 mm。旋輪軸向進給機構(gòu)的軸向進給絲杠可采用外循環(huán)雙螺母內(nèi)包結(jié)構(gòu)絲杠。

2.3 旋輪徑向進給機構(gòu)

旋輪徑向進給運動一般是在旋壓加工前將內(nèi)外旋輪沿筒坯徑向移動至預(yù)定位置，加工過程保持旋輪夾緊筒坯，不沿筒坯徑向發(fā)生回退。由于筒坯屬于薄壁結(jié)構(gòu)，并且圓度誤差大，為保證各對內(nèi)外旋輪以相同減薄率準(zhǔn)確地進給至合適徑向位置，采用兩級徑向位置調(diào)節(jié)方式，即由伺服電動缸實現(xiàn)的大位移粗調(diào)節(jié)和旋輪機構(gòu)的微調(diào)節(jié)組成，如圖5所示。

圖5 旋輪徑向進給機構(gòu)

各個旋輪機構(gòu)的支架底部依靠滑塊安裝在底座的閉式導(dǎo)軌上，支架頂部采用銅基自潤滑導(dǎo)板安裝在頂端滑軌上，使得各個旋輪機構(gòu)可以沿徑向移動。外旋輪機構(gòu)兩兩之間采用重型伺服電動缸連接，當(dāng)四個伺服電動缸同時伸長或同時收縮相同長度，即可實現(xiàn)外旋輪機構(gòu)的徑向進給或回退，對輪旋壓過程中伺服電動缸可以實現(xiàn)自鎖，同時結(jié)合設(shè)備框架上的止退樁，可以防止旋輪在徑向力作用下回退。內(nèi)旋輪徑向進給粗調(diào)機構(gòu)采用同樣的設(shè)計。

通過電動缸完成的旋輪徑向大位移粗調(diào)進給運動，難以使所有旋輪到達準(zhǔn)確的預(yù)定徑向位置，容易導(dǎo)致各個旋輪受力不均，筒體成形結(jié)果差。為彌補粗調(diào)導(dǎo)致的誤差，各個旋輪機構(gòu)上設(shè)計有徑向進給微調(diào)機構(gòu)。各個旋輪機構(gòu)上安裝有獨立伺服電機，電機減速器輸出軸與蝸桿軸端通過齒輪嚙合，蝸輪與絲杠螺母通過鍵連接，旋輪軸固定安裝在徑向梯形絲杠一端，如圖5中B-B視圖所示。微調(diào)機構(gòu)最大進給速度1.98 mm/s，調(diào)節(jié)行程100 mm。因為傳動鏈的總傳動比很大，傳動效率很低，蝸輪蝸桿傳動具有自鎖功能。

3 6 m級立式對輪旋壓設(shè)備機架有限元校核

3.1 機架結(jié)構(gòu)及邊界條件

設(shè)備的機架結(jié)構(gòu)如圖6所示。機架底部為十字形鑄鐵底座，采用高強度HT250鑄鐵分段鑄造并拼焊加工。底座的四個臂兩兩之間安裝有空心支撐臂，進一步提高結(jié)構(gòu)剛度。機架頂部為承力框，框頂部為承力頂板，采用140 mm厚45鋼板拼焊后機加完成，框架側(cè)面和底面采用薄鋼板拼焊完成。承力框和鑄鐵底座之間由4對直徑340 mm的45鋼立柱連接，每對立柱固定安裝在底座一個臂上，靠近旋輪加工區(qū)域。機架結(jié)構(gòu)整體呈籠形，滿足除重力外內(nèi)部加工力系封閉。

圖6 對輪旋壓設(shè)備機架

設(shè)備機架結(jié)構(gòu)中的核心承力部件是HT250鑄鐵底座、4對45鋼立柱和由45鋼軋制鋼板拼焊的承力框，其他零部件如護欄、電機座等可以省略，以簡化模型。將模型導(dǎo)入ANSYS Workbench并劃分網(wǎng)格，如圖6b所示。網(wǎng)格選用四面體網(wǎng)格，網(wǎng)格尺寸為30 mm。

采用FORGE有限元軟件針對初始外徑6 060 mm的5052鋁合金筒體的對輪旋壓成形進行數(shù)值模擬獲得旋輪軸向、徑向載荷以及驅(qū)動工件旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩分別為76.9 t、175.4 t、4 660 kN·m。以此作為機架靜力分析的邊界條件。

鑄鐵底座部分埋入水泥澆筑地基，底座可以視為fixed約束，其他零部件無約束。旋壓載荷主要包括：4個旋輪的軸向力各76.9 t，通過軸向絲杠作用在承力框上，方向向上；4個旋輪的徑向力各175.4 t ，其中113 t由伺服電動缸的推力抵消，剩余的62.4 t通過旋輪支架作用在承力框和底座上，方向指向設(shè)備外；旋輪受到的切向摩擦力和變形抗力產(chǎn)生的阻力矩4 660 kN·m，通過旋輪支架作用在承力框和底座上，方向順時針。

3.2 機架靜力分析

根據(jù)本文簡化的幾何模型和邊界條件，基于ANSYS靜力分析，設(shè)備機架的等效應(yīng)力、等效應(yīng)變、總體變形與軸向變形情況如圖7所示。

圖7 設(shè)備機架靜力分析云圖

由圖7a可以看出等效應(yīng)力主要分布在承力框上與旋輪機構(gòu)支架接觸部分以及立柱局部區(qū)域。承力框上主要應(yīng)力區(qū)等效應(yīng)力值集中分布在15～35 MPa范圍，局部最大等效應(yīng)力約為50 MPa；立柱上主要應(yīng)力區(qū)等效應(yīng)力值集中分布在5～22 MPa范圍。而承力框與立柱材料的屈服強度約為355 MPa。等效應(yīng)變分布區(qū)域與等效應(yīng)力分布區(qū)域基本一致，機架上最大等效應(yīng)變值約為0.000 26，如圖7b所示。

由圖7c可以看出機架在軸向上的最大變形主要分布在承力框遠離立柱安裝位置的四邊及立柱上半部分，其中承力框最大變形量約為0.41 mm，立柱被拉長約0.05 mm。由圖7d可以看出設(shè)備總體變形主要分布在承力框架遠離立柱安裝位置的四邊，最大變形量約為0.55 mm，該變形量對實際加工影響很小。

設(shè)備機架在平穩(wěn)工作狀態(tài)下等效應(yīng)力與應(yīng)變值很小，不會破壞機架結(jié)構(gòu)，機架結(jié)構(gòu)強度滿足要求；總變形量和軸向變形量很小，對加工精度影響不大，因此機架設(shè)計剛強度滿足要求。

3.3 機架模態(tài)分析

根據(jù)本文簡化的幾何模型，應(yīng)用ANSYS進行模態(tài)分析。對輪旋壓設(shè)備機架一至六階模態(tài)振型如圖8所示，各階模態(tài)頻率見表2。

圖8 設(shè)備機架各階振型

表2 設(shè)備機架前六階模態(tài)頻率/Hz

對輪旋壓設(shè)備工作時的主要激勵源為旋轉(zhuǎn)筒坯和4個大功率電機。其中筒坯對輪旋壓時的額定工作轉(zhuǎn)速10 r/min，換算成工作頻率為0.167 Hz。主電機額定轉(zhuǎn)速為1 489 r/min，換算成工作頻率為24.81 Hz,激勵源的頻率避開了機架的前六階模態(tài)頻率。

4 結(jié)論

(1)確定了可加工6 m直徑薄壁筒體的立式對輪旋壓設(shè)備四對輪布置方案，建立了設(shè)備分散多動力傳動方案。雙齒輥夾持驅(qū)動筒坯主動旋轉(zhuǎn)，兩級調(diào)節(jié)結(jié)合方式實現(xiàn)徑向位置的精確定位。對輪旋壓設(shè)備主要技術(shù)參數(shù)：加工工件直徑范圍4 000～6 000 mm，加工工件長度600～3 200 mm，最大徑向力180 t，最大軸向力80 t。

(2)6 m級對輪設(shè)備機架為籠式框架結(jié)構(gòu)，主要包括了鑄鐵底座、45鋼承力框與4對支撐立柱。有限元靜力分析與模態(tài)分析表明，發(fā)現(xiàn)框架最大等效應(yīng)力為49.6 MPa，最大等效應(yīng)變?yōu)?.000 26，最大軸向變形量0.410 mm，均在安全范圍內(nèi)。設(shè)備機架工作時激勵源頻率也小于前六階模態(tài)固有頻率。