張大偉，趙升噸，李 帆，李帥鵬，谷瑞杰

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

0 前言

對(duì)于大直徑(2 500 mm以上)薄壁筒形件的成形制造，對(duì)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(duì)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(shí)現(xiàn)薄壁筒形件成形制造，對(duì)輪旋壓工藝不僅應(yīng)用于強(qiáng)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(duì)輪旋壓設(shè)備是對(duì)輪旋壓工藝的載體，專用適合的對(duì)輪旋壓設(shè)備是實(shí)現(xiàn)大直徑薄壁筒形件對(duì)輪旋壓工藝的基礎(chǔ)。美國(guó)的拉迪斯(Latish Forging)鍛造公司和德國(guó)MT (MAN Technology)公司從上世紀(jì)七八十年代就設(shè)計(jì)和制造出對(duì)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(dòng)機(jī)外殼)的成形制造[2, 5]。2000年以后國(guó)內(nèi)也開展相關(guān)對(duì)輪旋壓試驗(yàn)裝置與設(shè)備的方面的研究，基于機(jī)床的對(duì)輪旋壓試驗(yàn)裝置[6]與1 m級(jí)對(duì)輪旋壓樣機(jī)[7]等實(shí)物也見諸于文獻(xiàn)報(bào)道。

對(duì)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(huì)受到坯料自身重力影響，現(xiàn)有的大型對(duì)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(duì)加工過程的影響。

目前對(duì)輪旋壓裝置/設(shè)備的旋輪數(shù)目多為2～4對(duì)旋輪。1對(duì)內(nèi)外旋輪的見于早期的基于機(jī)床改裝的對(duì)輪旋壓實(shí)驗(yàn)裝置[8]。現(xiàn)有的對(duì)輪旋壓設(shè)備多采用單獨(dú)動(dòng)力源，傳動(dòng)系統(tǒng)復(fù)雜，設(shè)備加工精度要求高，對(duì)傳動(dòng)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(jìn)旋壓設(shè)備的重要指標(biāo)與發(fā)展趨勢(shì)[9]。西門子公司也對(duì)德國(guó)MT上世紀(jì)八十年代制造的立式對(duì)輪旋壓設(shè)備進(jìn)行數(shù)控系統(tǒng)升級(jí)[10]，以提升設(shè)備的成形能力。

機(jī)械裝備的機(jī)架剛強(qiáng)度與模態(tài)振型等對(duì)裝備安全運(yùn)行有著重要影響。有限元法是一種成形過程分析[11-13]、機(jī)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(duì)加工零件直徑400～460 mm的4對(duì)輪旋壓機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析與校核。黃涌等[6]采用有限元法對(duì)基于機(jī)床的對(duì)輪旋壓工裝進(jìn)行靜力學(xué)分析。

分散多動(dòng)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(jí)2對(duì)旋輪的對(duì)輪旋壓設(shè)備即采用分散動(dòng)力、伺服電直驅(qū)的設(shè)計(jì)思想，不僅可實(shí)現(xiàn)筒形的強(qiáng)力旋壓成形，還可實(shí)現(xiàn)帶復(fù)雜溝槽的薄壁筒形件普旋成形[4, 7]。此設(shè)計(jì)思想也用于更大直徑的立式框架結(jié)構(gòu)對(duì)輪旋壓設(shè)備的設(shè)計(jì)中[5]，但文獻(xiàn)[5]中并未詳細(xì)敘述該對(duì)輪旋壓設(shè)備的結(jié)構(gòu)及其運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。因此文本重闡述了基于分散動(dòng)力、伺服直驅(qū)的設(shè)計(jì)思想的6 m級(jí)對(duì)輪旋壓設(shè)備總體結(jié)構(gòu)、內(nèi)外旋輪分散多動(dòng)力軸向及徑向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，并對(duì)6 m級(jí)對(duì)輪旋壓設(shè)備機(jī)架剛強(qiáng)度與模態(tài)進(jìn)行了分析。

1 6 m級(jí)對(duì)輪旋壓設(shè)備總體結(jié)構(gòu)方案

如圖1所示[5]為對(duì)輪旋壓工藝原理，內(nèi)外旋輪有旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、軸向和徑向直線運(yùn)動(dòng)，坯料也有旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，根據(jù)對(duì)輪旋壓運(yùn)動(dòng)特征，結(jié)合設(shè)備最大擬加工筒體直徑達(dá)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(duì)輪旋壓設(shè)備采用立式四對(duì)輪布置形式，如圖2所示。四對(duì)旋輪沿周向均勻分布，每個(gè)旋輪軸向運(yùn)動(dòng)帶有獨(dú)立動(dòng)力源，可方便實(shí)現(xiàn)同位旋壓和錯(cuò)距旋壓工藝。

圖1 對(duì)輪旋壓工藝原理[5]

圖2 大型立式對(duì)輪旋壓設(shè)備

考慮美國(guó)、德國(guó)已有對(duì)輪旋壓機(jī)設(shè)備參數(shù)，并根據(jù)6 m級(jí)鋁合金筒體對(duì)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(duì)輪旋壓設(shè)備主要技術(shù)參數(shù)，見表1。

表1 6 m級(jí)對(duì)輪旋壓設(shè)備主要技術(shù)參數(shù)

大型立式對(duì)輪旋壓設(shè)備的成形運(yùn)動(dòng)采取筒坯主動(dòng)旋轉(zhuǎn)，各對(duì)內(nèi)外旋輪沿筒坯徑向進(jìn)給至預(yù)定位置后沿筒坯軸向進(jìn)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(dòng)形式，采用全電伺服驅(qū)動(dòng)方式。并且設(shè)備運(yùn)動(dòng)功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采取分散多動(dòng)力設(shè)計(jì)思路，即各個(gè)主要運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)帶有獨(dú)立動(dòng)力源，以實(shí)現(xiàn)減少傳動(dòng)系統(tǒng)復(fù)雜度，降低單個(gè)動(dòng)力裝置要求，提高設(shè)備運(yùn)動(dòng)自由度的效果。

設(shè)備運(yùn)動(dòng)功能結(jié)構(gòu)主要包括筒坯旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、旋輪軸向進(jìn)給機(jī)構(gòu)和旋輪徑向進(jìn)給機(jī)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(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)

2.1 筒形件旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)

筒坯旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)是對(duì)輪旋壓成形過程的主要運(yùn)動(dòng)，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(duì)輪旋壓設(shè)備。采用多個(gè)雙齒輥夾持驅(qū)動(dòng)方式，實(shí)現(xiàn)筒坯/工件的選裝，如圖3所示。

圖3 工件夾持旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)

由于加工中筒坯旋轉(zhuǎn)所需驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩巨大，采用分散多動(dòng)力思想，將四個(gè)帶有獨(dú)立動(dòng)力源的雙齒輥旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)相差90°布置在鑄鐵底座上。夾持機(jī)構(gòu)前端安裝有一對(duì)可利用液壓缸調(diào)節(jié)中心距的齒輥，用以?shī)A持筒坯底端，其中靠近異步電機(jī)一側(cè)的齒輥為主動(dòng)輥，主動(dòng)輥與異步電機(jī)之間依靠伸縮式萬(wàn)向節(jié)和傳動(dòng)齒輪連接，整個(gè)雙齒輥機(jī)構(gòu)通過底部滑塊安放在閉式導(dǎo)軌上可以滑動(dòng)，以適應(yīng)不同直徑筒坯。加工時(shí)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(wàn)向節(jié)的長(zhǎng)度，以完成筒坯裝夾，然后各個(gè)異步電機(jī)通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)主動(dòng)輥旋轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)筒坯進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

由于加工筒坯轉(zhuǎn)動(dòng)慣量巨大，筒坯轉(zhuǎn)速不宜過高，設(shè)計(jì)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(dòng)筒坯旋轉(zhuǎn)所需電機(jī)提供總功率，進(jìn)而選定額定功率為1 250 kW的四臺(tái)交流異步電機(jī)。

2.2 旋輪軸向進(jìn)給機(jī)構(gòu)

旋輪軸向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)是成形過程中重要運(yùn)動(dòng)，旋輪軸向進(jìn)給機(jī)構(gòu)如圖4所示。每一個(gè)旋輪都具有獨(dú)立的動(dòng)力源實(shí)現(xiàn)軸向運(yùn)動(dòng)。

圖4 旋輪軸向進(jìn)給機(jī)構(gòu)

內(nèi)、外旋輪軸向進(jìn)給機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)原理一致。機(jī)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(jī)構(gòu)通過螺母安裝在軸向進(jìn)給絲杠上，同時(shí)通過滑塊與支架內(nèi)壁的軸向?qū)к壟浜稀＜庸r(shí)，通過機(jī)構(gòu)頂端的軸向進(jìn)給電機(jī)驅(qū)動(dòng)軸向進(jìn)給絲杠，即可實(shí)現(xiàn)內(nèi)外旋輪的軸向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。

內(nèi)外旋輪軸向進(jìn)給速度1～30 mm/s，有效行程2 800 mm。旋輪軸向進(jìn)給機(jī)構(gòu)的軸向進(jìn)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(jìn)給機(jī)構(gòu)

旋輪徑向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)一般是在旋壓加工前將內(nèi)外旋輪沿筒坯徑向移動(dòng)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(duì)內(nèi)外旋輪以相同減薄率準(zhǔn)確地進(jìn)給至合適徑向位置，采用兩級(jí)徑向位置調(diào)節(jié)方式，即由伺服電動(dòng)缸實(shí)現(xiàn)的大位移粗調(diào)節(jié)和旋輪機(jī)構(gòu)的微調(diào)節(jié)組成，如圖5所示。

圖5 旋輪徑向進(jìn)給機(jī)構(gòu)

各個(gè)旋輪機(jī)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(rùn)滑導(dǎo)板安裝在頂端滑軌上，使得各個(gè)旋輪機(jī)構(gòu)可以沿徑向移動(dòng)。外旋輪機(jī)構(gòu)兩兩之間采用重型伺服電動(dòng)缸連接，當(dāng)四個(gè)伺服電動(dòng)缸同時(shí)伸長(zhǎng)或同時(shí)收縮相同長(zhǎng)度，即可實(shí)現(xiàn)外旋輪機(jī)構(gòu)的徑向進(jìn)給或回退，對(duì)輪旋壓過程中伺服電動(dòng)缸可以實(shí)現(xiàn)自鎖，同時(shí)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(jìn)給粗調(diào)機(jī)構(gòu)采用同樣的設(shè)計(jì)。

通過電動(dòng)缸完成的旋輪徑向大位移粗調(diào)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，難以使所有旋輪到達(dá)準(zhǔn)確的預(yù)定徑向位置，容易導(dǎo)致各個(gè)旋輪受力不均，筒體成形結(jié)果差。為彌補(bǔ)粗調(diào)導(dǎo)致的誤差，各個(gè)旋輪機(jī)構(gòu)上設(shè)計(jì)有徑向進(jìn)給微調(diào)機(jī)構(gòu)。各個(gè)旋輪機(jī)構(gòu)上安裝有獨(dú)立伺服電機(jī)，電機(jī)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(jī)構(gòu)最大進(jìn)給速度1.98 mm/s，調(diào)節(jié)行程100 mm。因?yàn)閭鲃?dòng)鏈的總傳動(dòng)比很大，傳動(dòng)效率很低，蝸輪蝸桿傳動(dòng)具有自鎖功能。

3 6 m級(jí)立式對(duì)輪旋壓設(shè)備機(jī)架有限元校核

3.1 機(jī)架結(jié)構(gòu)及邊界條件

設(shè)備的機(jī)架結(jié)構(gòu)如圖6所示。機(jī)架底部為十字形鑄鐵底座，采用高強(qiáng)度HT250鑄鐵分段鑄造并拼焊加工。底座的四個(gè)臂兩兩之間安裝有空心支撐臂，進(jìn)一步提高結(jié)構(gòu)剛度。機(jī)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(jī)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(duì)直徑340 mm的45鋼立柱連接，每對(duì)立柱固定安裝在底座一個(gè)臂上，靠近旋輪加工區(qū)域。機(jī)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(duì)輪旋壓設(shè)備機(jī)架

設(shè)備機(jī)架結(jié)構(gòu)中的核心承力部件是HT250鑄鐵底座、4對(duì)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(hù)欄、電機(jī)座等可以省略，以簡(jiǎn)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(duì)初始外徑6 060 mm的5052鋁合金筒體的對(duì)輪旋壓成形進(jìn)行數(shù)值模擬獲得旋輪軸向、徑向載荷以及驅(qū)動(dòng)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(jī)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(wú)約束。旋壓載荷主要包括：4個(gè)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(gè)旋輪的徑向力各175.4 t ，其中113 t由伺服電動(dòng)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(shí)針。

3.2 機(jī)架靜力分析

根據(jù)本文簡(jiǎn)化的幾何模型和邊界條件，基于ANSYS靜力分析，設(shè)備機(jī)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(jī)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(jī)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(qiáng)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(jī)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(jī)架在軸向上的最大變形主要分布在承力框遠(yuǎn)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(zhǎng)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(yuǎn)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(duì)實(shí)際加工影響很小。

設(shè)備機(jī)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(huì)破壞機(jī)架結(jié)構(gòu)，機(jī)架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足要求；總變形量和軸向變形量很小，對(duì)加工精度影響不大，因此機(jī)架設(shè)計(jì)剛強(qiáng)度滿足要求。

3.3 機(jī)架模態(tài)分析

根據(jù)本文簡(jiǎn)化的幾何模型，應(yīng)用ANSYS進(jìn)行模態(tài)分析。對(duì)輪旋壓設(shè)備機(jī)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(jī)架各階振型

表2 設(shè)備機(jī)架前六階模態(tài)頻率/Hz

對(duì)輪旋壓設(shè)備工作時(shí)的主要激勵(lì)源為旋轉(zhuǎn)筒坯和4個(gè)大功率電機(jī)。其中筒坯對(duì)輪旋壓時(shí)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(jī)額定轉(zhuǎn)速為1 489 r/min，換算成工作頻率為24.81 Hz,激勵(lì)源的頻率避開了機(jī)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(duì)輪旋壓設(shè)備四對(duì)輪布置方案，建立了設(shè)備分散多動(dòng)力傳動(dòng)方案。雙齒輥夾持驅(qū)動(dòng)筒坯主動(dòng)旋轉(zhuǎn)，兩級(jí)調(diào)節(jié)結(jié)合方式實(shí)現(xiàn)徑向位置的精確定位。對(duì)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(zhǎng)度600～3 200 mm，最大徑向力180 t，最大軸向力80 t。

(2)6 m級(jí)對(duì)輪設(shè)備機(jī)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(duì)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(jī)架工作時(shí)激勵(lì)源頻率也小于前六階模態(tài)固有頻率。