旋壓機(jī)成型輥裝置的運動機(jī)構(gòu)設(shè)計與驅(qū)動力矩計算

1、旋壓機(jī)成型輥裝置的運動機(jī)構(gòu)設(shè)計與驅(qū)動力矩計算作者：燕山大學(xué) 姜桂榮 趙炳利摘要：分析了成型輥裝置的工況條件及運動機(jī)構(gòu)設(shè)計，提出了一種恒功率自適應(yīng)同步容積調(diào)速系統(tǒng)，并對其驅(qū)動力矩進(jìn)行理論計算與實測比較，分析、測試了該控制系統(tǒng)的相應(yīng)的參數(shù)，為一步法封頭冷成型機(jī)的系列設(shè)計提出具有參考價值的參數(shù)數(shù)據(jù)。 關(guān)鍵詞：成型輥；驅(qū)動力矩；調(diào)速系統(tǒng) 1 前言 封頭旋壓冷成形方法主要有三種：有胎旋壓、兩步法無胎旋壓和一步法無胎冷旋壓。一步法無胎冷旋壓將板坯置于一臺機(jī)器中一次裝卡旋壓出所期望的封頭，省時、省力、省能源、占地面積小、生產(chǎn)效率高。FWX20型數(shù)控?zé)o胎旋壓成型機(jī)工作原理見圖1。 圖1 封頭成型機(jī)工作原理 1

2、 頂緊缸 2 主軸箱托墊 3 旋壓輥 4 成型輥 5 搖桿 6 機(jī)架 7 滑動平面副由圖1可知，該機(jī)中的成型輥裝置類似于有胎旋壓的胎模，但成型輥輥頭直徑比胎模的直徑小，因此，在旋壓加工時，成型輥勢必按著預(yù)計的運動軌跡與旋壓輥同步由板坯中心向外邊緣移動，才能最終旋壓出封頭。可見成型輥的運動方式、驅(qū)動動力、自適應(yīng)的同步控制系統(tǒng)設(shè)計是整機(jī)不可忽視的關(guān)鍵技術(shù)之一。 2 成型輥運動機(jī)構(gòu)的設(shè)計與分析 取代胎膜的成型輥運動機(jī)構(gòu)將直接影響到該旋壓機(jī)的繁簡程度及加工封頭規(guī)格的范圍。為了使成型輥實現(xiàn)工藝上要求的圓弧曲線運動軌跡，國外已有的機(jī)構(gòu)是采用直流電機(jī)，經(jīng)變速箱驅(qū)動實現(xiàn)的。其旋轉(zhuǎn)用絲杠-滑塊-搖桿機(jī)構(gòu)，使成型

3、輥在旋壓過程中擺動。由于考慮到旋壓小規(guī)格封頭的需要和結(jié)構(gòu)剛度等因素，滑塊導(dǎo)軌靠近主軸，因而在加工大規(guī)格封頭時，封頭的深度受到限制，這在很大程度上削減了該機(jī)加工封頭種類的能力，即生產(chǎn)封頭的規(guī)格范圍受到限制。 因此，我們創(chuàng)新地設(shè)計出了如圖2所示的一種能可靠地實現(xiàn)成型輥圓弧運動的行走機(jī)構(gòu)。它能有效地保證了被加工封頭的壁厚減薄量和加工大規(guī)格的深封頭，拓寬加工范圍，提高了加工封頭種類的能力"行走機(jī)構(gòu)由擺桿（液壓缸）、搖桿等組成。擺桿是一個能夠伸長或縮短的液壓缸部件；液壓缸缸體底部通過鉸鏈與機(jī)架相連，活塞桿端部通過鉸鏈和成型輥變速箱相連，可以調(diào)整長短的搖桿一端也與成型輥箱體相連，另一端與主軸箱體

4、的中心線上的鉸套相接。液壓缸活塞桿進(jìn)給，成型輥上升靠近主軸?；钊麠U縮回，成型輥下降走圓弧運動軌跡。這樣不存在滑塊靠近主軸的問題，從而保證了成型輥穩(wěn)定地實現(xiàn)工藝要求的圓弧曲線的運動軌跡；另外，在旋壓不同規(guī)格的封頭時只調(diào)整定點擺桿及液壓缸的進(jìn)油量，就可旋壓各種規(guī)格的容器封頭。這一創(chuàng)新設(shè)計使整機(jī)結(jié)構(gòu)大大簡化。 圖2 成型輥運動及速度分析圖 1 搖桿 2 成型輥箱體 3 擺桿（油缸） 4 成型輥 5 旋壓輥 6 頂緊缸 7 封頭 8 主軸變速箱 9 鉸套3 成型輥轉(zhuǎn)速同步控制系統(tǒng)設(shè)計 從圖2可知，在旋壓加工過程中，由于板料依靠主軸和成型輥通過嚙合點產(chǎn)生作用力去克服旋壓時的變形抗力而旋轉(zhuǎn)的。所以，要求成

5、型輥和主軸在板坯嚙合點處產(chǎn)生的線速度必須相同。為此，國外某些公司生產(chǎn)臥式封頭翻邊機(jī)中的成型輥和主軸均采用直流電機(jī)驅(qū)動，采用測速電機(jī)測量其轉(zhuǎn)速。但是這種方法只能使二者近似同步，近似的原因在于成型輥曲面上的嚙合點在板坯的變形區(qū)是變化的。設(shè)旋壓時嚙合點切向線速度vi不變，而旋壓從板坯起始部位到邊緣的旋壓嚙合點距離A是變化的，當(dāng)板坯半徑Ra變大時，主軸轉(zhuǎn)速n相應(yīng)減小(n=vi/2R1)。當(dāng)成型輥的轉(zhuǎn)速nz和主軸轉(zhuǎn)速n同步時，則nz=vi/2R1(r1為A點成型輥鼓形半徑）。當(dāng)在A點嚙合時，nzA=vi/2R1=nAR1/r1，而旋壓到B嚙合點時，nzB=vi/2R2=nBR2/r2，無疑R1/r1R2

6、/r2，可見n和nz的關(guān)系是隨著嚙合點位置而變化。況且還有一些無法忽略的非線性和不確定因素影響，因此很難精確建立數(shù)學(xué)模型和制定n和nz的同步自適應(yīng)調(diào)速程序。所以測速電機(jī)不能檢測出這些變化，不得不采取各種改進(jìn)或補(bǔ)償措施，如在成型輥的變速機(jī)構(gòu)中裝上一個超越離合器。 根據(jù)嚙合點Fi切向變形力基本恒定，vi在嚙合點旋壓變形速度不變，驅(qū)動功率P恒定這一觀點，將液壓油馬達(dá)分別作為成型輥和主軸的驅(qū)動動力，利用力返饋工作原理，首次設(shè)計出液壓油馬達(dá)和恒功率變量泵組成的容積調(diào)速同步控制系統(tǒng)（見圖3）。解決了封頭成型過程中嚙合點處成型輥與主軸自動適應(yīng)的同步關(guān)系。 圖3 泵-馬達(dá)容積調(diào)速同步控制系統(tǒng) 1 成型輥 2

7、油馬達(dá) 3 控制單元 4 變量泵 5 壓力調(diào)節(jié)單元 6 電機(jī) 7 油箱如果在旋壓過程中主軸與成型輥在嚙合點處線速度不相同，快者承擔(dān)較大的作用力，功率相應(yīng)增加；速度慢者承擔(dān)較小的作用力，功率就小。由恒功率容積調(diào)速系統(tǒng)特性決定了功率增加，速度就自動減慢；功率減小，速度就自動增快，至使二機(jī)構(gòu)自動調(diào)節(jié)到平衡為止?？梢姡Ψ叼伩刂圃砑饶苁箍刂葡到y(tǒng)簡單，又達(dá)到成型輥與主軸在旋壓過程中任意嚙合點、任意瞬時轉(zhuǎn)速同步的要求。 4 成型輥驅(qū)動力矩的計算 成型輥的主動旋轉(zhuǎn)運動由液壓系統(tǒng)來驅(qū)動。因其與主軸共同驅(qū)動板坯旋轉(zhuǎn)，所以在嚙合點A處線速度同步正常工作情況下，板坯旋壓成型的變形功率等于主軸輸出的功率與成型輥輸出

8、功率之和；根據(jù)能量原理，主動力矩做的總功等于板坯的轉(zhuǎn)動慣性動能增量與阻力矩所做功之和，即 式中：M為總驅(qū)動力矩，N·m；為某瞬時轉(zhuǎn)過的角度，red；E為轉(zhuǎn)動慣性動能增量J·N·m；S為錯位距，m；Fr為旋壓輥與板料之間的摩擦阻力；為效率；R為板坯和成型輥接觸點回轉(zhuǎn)半徑，m。 式中M1為主軸驅(qū)動力矩，N·m；Mz為成型輥驅(qū)動力矩，N·m；rz為成型輥半徑，m；z為傳動效率（考慮到成型輥和板坯接觸面積小，偶而有打滑現(xiàn)象出現(xiàn)）。 如果在考慮封頭旋壓時的旋壓力和板坯起皺與其表面質(zhì)量及潤滑條件等因素的影響，將式（1）加以整理與修正為 式中：D為封頭直徑，

9、m；m為慣性質(zhì)量，kg；t為板坯厚度，m；s為材料屈服應(yīng)力，Pa；K為滾動摩擦力臂，m；c為影響系數(shù)；為旋壓輥壓下量，m；Rx為旋輪的半徑，m。 總驅(qū)動力矩求出后，則可求成型輥驅(qū)動力矩。根據(jù)該機(jī)結(jié)構(gòu)和工藝特點，二機(jī)構(gòu)驅(qū)動功率相等均為P。則主軸驅(qū)動力矩為：M1=9550P/n1。由公式（2）（3）可將成型輥驅(qū)動力矩簡化得 5 測試結(jié)果及分析 對生產(chǎn)使用的FWX20型一步法封頭冷成型旋壓機(jī)在旋壓直徑為2.4m封頭加工過程中的成型輥驅(qū)動力矩參數(shù)進(jìn)行了理論計算和實測。結(jié)果見圖4。理論計算和實測數(shù)值基本吻合。同時，對成型輥驅(qū)動力矩Mz、功率、轉(zhuǎn)速也進(jìn)行測試，為得到旋壓封頭相應(yīng)位置時的力能參數(shù)，還記錄了旋壓輥徑向位移參數(shù)。給出了成型輥的液壓馬達(dá)功率Pz、轉(zhuǎn)速nz、力矩Mz隨封頭半徑R不斷變化的曲線，如圖5所示。 圖4 成型輥驅(qū)動力矩實測值與理論值比較圖5 Mz、nz、Pz-R的實測曲線從實測曲線看出，參數(shù)的設(shè)計值與實測值完全吻合，且工作穩(wěn)定。當(dāng)有外載力沖擊時，力矩Mz跳躍，相當(dāng)于調(diào)速系統(tǒng)輸入一階躍擾動，而仍然平穩(wěn)。隨著R的增大和嚙合點的變化，成型輥鼓形半徑r減小，Mz減小，而轉(zhuǎn)速nz有增加的趨勢。