李 帆，趙升噸，李帥鵬，朱成成，張 鵬，蔣 紅

(西安交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，西安 710049)

0 前言

大直徑薄壁筒體常作為重型火箭芯級箭體、燃料貯箱以及推進(jìn)器發(fā)動機(jī)殼體等關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件或承力件用于航空航天領(lǐng)域[1-3]。隨著重型火箭技術(shù)的突飛猛進(jìn)，該類零部件的需求日益增多。這些大直徑薄壁筒體具有相當(dāng)大的加工難度，故解決制造過程中的困難、開發(fā)專用加工設(shè)備，具有顯著的重要性和緊迫性。典型液體運載火箭的薄壁筒體直徑尺寸均較大，其中歐洲阿麗亞娜火箭芯級直徑5.4 m，中國長征五號火箭芯級直徑5 m、長征九號火箭芯級直徑10 m[4,5]。

對輪強(qiáng)力旋壓是目前最適用于超大直徑薄壁筒體高質(zhì)量加工的先進(jìn)成形工藝[6]。隨著機(jī)電液一體化技術(shù)的推進(jìn)和相關(guān)強(qiáng)力旋壓產(chǎn)品的需求增大，國外各工業(yè)強(qiáng)國的對輪強(qiáng)力旋壓設(shè)備已經(jīng)取得了長足的進(jìn)步并形成了完整的體系。美國Ladish Forge公司與1966年研發(fā)了一種臥式對輪強(qiáng)力旋壓設(shè)備，為美國軍方及NASA提供了多種規(guī)格的大型高質(zhì)量薄壁筒體[7,8]。該設(shè)備擁有兩對旋輪，左右旋輪對分別安置于獨立的懸臂之上。該設(shè)備的加工能力強(qiáng)，可將厚19 mm、直徑812.8 mm直徑的短管，旋壓為壁厚5.2 mm的長管。德國MT Aerospace公司于1986年研發(fā)了高性能的立式數(shù)控四對輪強(qiáng)力旋壓機(jī)，該設(shè)備為歐洲航天局供應(yīng)運載火箭相關(guān)產(chǎn)品[9-11]。該設(shè)備采用正交對稱的旋輪分布方式，旋輪的徑向位置由銷釘、鍥塊組成兩級移動裝置。該設(shè)備最大加工直徑3.2m，可加工坯料最大壁厚80 mm,最大徑向力1 600 kN,最大軸向力900 kN，設(shè)備總功率1 600 kW。

國內(nèi)部分高校和研究所等科研單位開發(fā)了一些對輪旋壓試驗樣機(jī)和設(shè)計模型。華南理工大學(xué)夏琴香教授團(tuán)隊采用阿基米德旋盤機(jī)構(gòu)的定位卡盤方式在車床上研制了小型臥式三對輪旋壓實驗機(jī)[12,13]。西安交通大學(xué)趙升噸教授團(tuán)隊研制了八個伺服電機(jī)驅(qū)動的中型立式雙對輪數(shù)控旋壓設(shè)備，總功率70 kW，旋壓能力為10 t，加工范圍520 ～1 400 mm，具有加工能力強(qiáng)、可控性好、使用方便等優(yōu)點，適用于大中型薄壁筒形件的對輪強(qiáng)力旋壓[14]。目前國內(nèi)并無成熟的大型對輪旋壓設(shè)備用于工程實際，由于此類工藝設(shè)備主要用于航天先進(jìn)制造領(lǐng)域因而受到國外嚴(yán)格的技術(shù)封鎖。因此，研發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的先進(jìn)全電伺服對輪旋壓設(shè)備，既響應(yīng)了中國機(jī)械行業(yè)綠色發(fā)展的目標(biāo)，同時對我國航天先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展具有巨大的促進(jìn)作用。

1 設(shè)備技術(shù)參數(shù)與整體方案

1.1 設(shè)備技術(shù)參數(shù)確定

目前包括我國長征五號在內(nèi)的世界上主流重載運輸火箭直徑一般在4～6 m，而國內(nèi)在該加工范圍內(nèi)的旋壓相關(guān)設(shè)備尚屬空白。針對這一現(xiàn)狀，擬定了可加工4～6 m大直徑薄壁筒體的對輪旋壓設(shè)備的設(shè)計目標(biāo)。通常來說，對輪旋壓工藝成形力的數(shù)值模擬結(jié)果與工藝試驗結(jié)果接近，并且模擬得出的成形力通常大于試驗成形力。因此采用FORGE有限元軟件針對6 m級5052鋁合金筒體的對輪旋壓成形進(jìn)行數(shù)值模擬，以獲得具體的設(shè)備設(shè)計目標(biāo)參數(shù)。

超大直徑筒體的旋壓需要選取較小的減薄率和低轉(zhuǎn)速以保證成功率和旋壓質(zhì)量，并降低設(shè)備要求。因此進(jìn)行3道次的粗旋壓加工和1道次的精旋壓加工。6 m級5052鋁合金筒體的成形數(shù)值模擬中單道次旋壓旋輪最大成形力曲線如圖1所示。

圖1 6 m級5052鋁合金筒體對輪旋壓成形力

將工藝數(shù)值模擬的成形力和扭矩結(jié)果整理得到表1。表1所示的各項數(shù)據(jù)即為所設(shè)計的對輪旋壓設(shè)備加工能力的最低設(shè)計目標(biāo)。根據(jù)仿真獲取的對輪強(qiáng)力旋壓加工過程中各項成形力要求進(jìn)行設(shè)備整體方案加工能力設(shè)定。

表1 6米級筒體數(shù)值模擬成形力與扭矩

1.2 設(shè)備整體方案

由于設(shè)備最大擬加工鋁合金筒體直徑達(dá)6 m，質(zhì)量為5.27 t，考慮到設(shè)備裝夾問題和自重引起的變形與不平衡問題，本設(shè)備整體采用立式四對輪布置形式。大型立式對輪旋壓設(shè)備的三維設(shè)計模型如圖2所示。

圖2 大型立式對輪旋壓設(shè)備三維模型

參照表1中的數(shù)據(jù)并結(jié)合大型塑性成形設(shè)備的工程實際，大型立式對旋設(shè)備的各主要技術(shù)參數(shù)設(shè)計如表2所示。

表2 6 m級筒體數(shù)值模擬成形力與扭矩

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(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，本設(shè)計方案中舍棄常見的液壓驅(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(jī)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(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 設(shè)備主要運動功能機(jī)構(gòu)

2.1 筒坯旋轉(zhuǎn)機(jī)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，旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)不宜采用常用的轉(zhuǎn)盤，筒坯旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計如圖3所示。

圖3 筒坯旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計方案

由于加工中筒坯旋轉(zhuǎn)所需驅(qū)動轉(zhuǎn)矩巨大，設(shè)計方案中采用分散多動力思想，將四個帶有獨立異步電機(jī)的雙齒輥旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)呈十字形布置在鑄鐵底座上。機(jī)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(jī)一側(cè)的齒輥為主動輥，主動輥與異步電機(jī)之間依靠伸縮式萬向節(jié)和傳動齒輪連接，整個雙齒輥機(jī)構(gòu)通過底部滑塊安放在閉式導(dǎo)軌上可以滑動，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(jī)通過傳動機(jī)構(gòu)驅(qū)動主動輥旋轉(zhuǎn)，從而帶動筒坯進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運動。

2.2 旋輪軸向進(jìn)給機(jī)構(gòu)

旋輪軸向進(jìn)給運動是成形過程中重要運動，旋輪軸向進(jìn)給機(jī)構(gòu)設(shè)計如圖4所示。內(nèi)外旋輪軸向進(jìn)給機(jī)構(gòu)的運動原理一致。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，同時通過滑塊與支架內(nèi)壁的軸向?qū)к壟浜?。加工時，通過機(jī)構(gòu)頂端的軸向進(jìn)給電機(jī)驅(qū)動軸向進(jìn)給絲杠，即可實現(xiàn)內(nèi)外旋輪的軸向進(jìn)給運動。

圖4 旋輪軸向進(jìn)給機(jī)構(gòu)設(shè)計方案

2.3 旋輪徑向進(jìn)給機(jī)構(gòu)

旋輪徑向進(jìn)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(jìn)給至合適徑向位置，設(shè)計方案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(jī)構(gòu)的微調(diào)節(jié)組成。徑向運動的大位移粗調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)如圖5所示。

圖5 旋輪徑向進(jìn)給粗調(diào)機(jī)構(gòu)設(shè)計方案

結(jié)合圖5，各個旋輪機(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滑導(dǎo)板安裝在頂端滑軌上，使得各個旋輪機(jī)構(gòu)可以沿徑向移動。外旋輪機(jī)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(jī)構(gòu)的徑向進(jìn)給或回退，加工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(jìn)給粗調(diào)機(jī)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(jìn)給運動，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，各個旋輪機(jī)構(gòu)上設(shè)計有徑向進(jìn)給微調(diào)機(jī)構(gòu)，如圖6所示。

圖6 旋輪徑向進(jìn)給微調(diào)機(jī)構(gòu)設(shè)計方案

各個旋輪機(jī)構(gòu)上安裝有獨立伺服電機(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。啟動電機(jī)即可實現(xiàn)旋輪的徑向進(jìn)給運動。

3 設(shè)備機(jī)架設(shè)計與有限元校核

3.1 設(shè)備機(jī)架結(jié)構(gòu)

設(shè)備的機(jī)架結(jié)構(gòu)設(shè)計三維圖與基本尺寸如圖7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。底座的四個臂兩兩之間安裝有空心支撐臂。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(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7 立式對輪旋壓設(shè)備機(jī)架結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.2 設(shè)備機(jī)架安全性有限元校核

3.2.1 設(shè)備機(jī)架的剛強(qiáng)度有限元分析

設(shè)備工作時，筒坯的成形阻力和阻力矩最終會傳遞到設(shè)備機(jī)架上，如果機(jī)架的結(jié)構(gòu)剛強(qiáng)度不足，會產(chǎn)生巨大變形甚至破裂而無法完成筒體成形。因此本節(jié)采用Ansys Workbench對設(shè)備機(jī)架在加工6 m級5 052鋁合金筒體平穩(wěn)工況下的剛強(qiáng)度進(jìn)行校核。

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45鋼立柱和由45鋼軋制鋼板拼焊的承力框。將模型導(dǎo)入Ansys Workbench并劃分網(wǎng)格，如圖8所示。網(wǎng)格選用四面體網(wǎng)格，網(wǎng)格尺寸為30 mm。

圖8 設(shè)備機(jī)架結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分

6 m級5 052鋁合金筒體加工過程中，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。加工載荷主要包括：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4 660 000 Nm，通過旋輪支架作用在承力框和底座上，方向順時針。依照上述約束，6 m級5 052鋁合金筒體成形過程設(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9所示。

圖9 機(jī)架剛強(qiáng)度分析結(jié)果

由圖9a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。由圖9b可以看出等效應(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。由圖9c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，立柱被拉長約0.05 mm。由圖9d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，該變形量對實際加工影響很小。

通過本文分析可知，設(shè)備機(jī)架在平穩(wěn)加工狀態(tài)下等效應(yīng)力與應(yīng)變值很小，不會破壞機(jī)架結(jié)構(gòu)，因此機(jī)架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度足夠；總變形量和軸向變形量很小，對加工精度影響不大，因此機(jī)架設(shè)計剛強(qiáng)度足夠。

3.2.2 設(shè)備機(jī)架的模態(tài)有限元分析

為了保證工作過程中，設(shè)備不會因為共振現(xiàn)象產(chǎn)生劇烈振動和噪聲，故對設(shè)備機(jī)架結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)有限元分析。有限元分析模型由本文靜力分析模型去除各項載荷得到。利用Ansys Workbench有限元軟件，在靜力學(xué)分析的基礎(chǔ)上對機(jī)身及關(guān)鍵零部件進(jìn)行模態(tài)分析。取模態(tài)擴(kuò)展的階數(shù)為六階，得到機(jī)架前六階模態(tài)振型如圖10所示。

圖10 設(shè)備機(jī)架模態(tài)分析各階振型

設(shè)備機(jī)架的各階模態(tài)頻率如表3所示。

表3 設(shè)備機(jī)架前六階模態(tài)頻率

其中筒坯加工的額定工作轉(zhuǎn)速10 r/min，換算為工作頻率為0.167 Hz。上述激勵源的頻率避開了機(jī)架的前六階模態(tài)頻率。綜上所述，在設(shè)備進(jìn)行平穩(wěn)工作時，機(jī)架的應(yīng)力、應(yīng)變和變形量均較小，并且設(shè)備工作頻率遠(yuǎn)離各階模態(tài)頻率，因此機(jī)架結(jié)構(gòu)設(shè)計安全。

4 結(jié)論

本文設(shè)計了一種6 m直徑立式全電伺服對輪旋壓設(shè)備,根據(jù)實際加工需求確定了設(shè)備具體性能參數(shù)和整體方案，細(xì)化設(shè)計了設(shè)備的運動功能部件。利用Ansys Workbench有限元軟件對設(shè)備機(jī)架進(jìn)行了強(qiáng)度、剛度以及模態(tài)分析，得到以下結(jié)論：

(1)確定了可加工6 m直徑薄壁筒體的大直徑對輪旋壓設(shè)備采用立式四對輪布置方案，建立了設(shè)備分散多動力傳動方案。運動原理為筒坯主動旋轉(zhuǎn)形式。通過有限元數(shù)值模擬的方法，制定了設(shè)備主要技術(shù)參數(shù)：加工范圍4 000～6 000 mm，總功率6 100 kW。

(2)完成了設(shè)備運動功能機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計，其中筒坯旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)采用雙齒輥夾持驅(qū)動方式；旋輪軸向進(jìn)給機(jī)構(gòu)采用軸向絲杠帶動方式實現(xiàn)；旋輪徑向進(jìn)給機(jī)構(gòu)采用兩級調(diào)節(jié)結(jié)合方式實現(xiàn)徑向位置的精確定位，其中大位移粗調(diào)方式選用了伺服電動缸實現(xiàn)，小位移微調(diào)方式選用了具有自鎖功能的蝸輪蝸桿傳動方式。

(3)設(shè)備機(jī)架設(shè)計為籠式框架結(jié)構(gòu)，主要包括了鑄鐵底座、45鋼承力框與4對支撐立柱。通過有限元分析發(fā)現(xiàn)框架最大等效應(yīng)力為49.6 MPa，遠(yuǎn)低于材料屈服強(qiáng)度355 MPa；最大等效應(yīng)變?yōu)?.000 26，最大總體變形量0.545 mm，最大軸向變形量0.410 mm,以上值均在安全范圍內(nèi)。設(shè)備機(jī)架的六階模態(tài)固有頻率均遠(yuǎn)離各階模態(tài)固有頻率。因此設(shè)備是安全的。