同步旋轉(zhuǎn)模環(huán)旋壓機(jī)研究及自適應(yīng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

山西中北大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院 彭星 龐俊忠 劉德昌

1 引言

旋壓成形技術(shù)是先進(jìn)制造工藝技術(shù)其中的一種方法，它通過旋轉(zhuǎn)使工件受力點(diǎn)由點(diǎn)到線，再由線到面，同時(shí)在某個(gè)方向施加一定壓力，使金屬材料沿特定方向變形和流動(dòng)，從而完成工件加工。旋壓技術(shù)解決了薄壁殼體在車削加工時(shí)存在的剛度低、顫動(dòng)大、加工精度低等技術(shù)問題或根本無法加工的技術(shù)難題，降低了制造成本，提高了材料利用率和加工效率，以及材料的機(jī)械性能，是實(shí)現(xiàn)薄壁回轉(zhuǎn)殼體加工過程數(shù)字化、柔性化、復(fù)合化、精確化的最佳工藝方法之一。旋壓成形技術(shù)在航天航空、核工業(yè)、石油化工等大型不銹鋼、高強(qiáng)度鋼薄壁殼體的生產(chǎn)中具有廣泛的應(yīng)用。

強(qiáng)力旋壓是普通旋壓的升級，其工作原理如圖1所示。在實(shí)際加工過程中多數(shù)采用固定芯模，毛坯末端固定，旋輪橫縱向同時(shí)進(jìn)給，材料的流動(dòng)方向和旋輪進(jìn)給方向以相反的反旋方式加工。此種旋壓方式在大旋壓過程中由于剛度不足會引起工件隆起嚴(yán)重、扭轉(zhuǎn)變形、彎曲變形、撕裂損壞等。

圖1 強(qiáng)力旋壓

同步旋轉(zhuǎn)模環(huán)旋壓技術(shù)是一種全新的旋壓成形技術(shù)，其原理如圖2所示。此種技術(shù)是在傳統(tǒng)的強(qiáng)力旋壓基礎(chǔ)上在旋壓工件的一端增加恒定軸向推力，另一端施加自適應(yīng)的恒定軸向拉力，兩端同時(shí)主動(dòng)旋轉(zhuǎn)的成形方法。旋輪固定、工件在移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)過程中完成加工；這種方式在薄壁件整體旋壓成形過程中采用浮動(dòng)芯模，有效降低了旋壓件的隆起和振動(dòng)等問題。同時(shí)，依靠恒定張力作用保證產(chǎn)品的圓度、直線度等關(guān)鍵精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)強(qiáng)力旋壓。

圖2 同步旋轉(zhuǎn)模環(huán)旋壓

2 張力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

同步旋轉(zhuǎn)模環(huán)旋壓的張力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)需要自適應(yīng)程度強(qiáng)，在旋壓減薄過程中，工件已成型部分伸長量能夠被張力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)所平衡。

國內(nèi)外旋壓機(jī)采用兩端固定旋壓，目前通過恒定張力實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)的研究還比較缺乏，目前理論上實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)的原理方案主要有三種。一種是利用滾珠絲杠恒定扭矩來控制，另一種是利用液壓油缸來控制，最后一種是利用液壓配合絲杠的方法實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)。

采用液壓油缸單一驅(qū)動(dòng)時(shí)，若筒形件較長，則需要行程很大的液壓油缸。而張力驅(qū)動(dòng)部分還需要布置導(dǎo)軌、電機(jī)、支撐等零件，結(jié)構(gòu)的相互干涉會影響旋壓的精度，甚至出現(xiàn)不能運(yùn)轉(zhuǎn)的情況。所以在實(shí)際生產(chǎn)中不適宜采用單一的液壓油缸進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。

在傳統(tǒng)的生產(chǎn)實(shí)踐中多數(shù)都采用伺服滾珠絲杠系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)給。而帶位置傳感器的可控活塞桿行程的液壓缸在近年來發(fā)展很快。液壓缸可以利用滾珠絲桿副把活塞桿的直線位移轉(zhuǎn)化成滾珠絲桿的角位移，然后由旋轉(zhuǎn)編碼器對此角位移進(jìn)行分析測量，再經(jīng)過反推后計(jì)算可獲得活塞桿的伸出量長短[3]。

當(dāng)采用液壓油缸加滾珠絲杠配合進(jìn)行驅(qū)動(dòng)時(shí)，液壓油缸加滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)的原理如圖3所示。在旋壓過程中，由張力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)帶動(dòng)工件在導(dǎo)軌上運(yùn)行，同時(shí)隨著旋壓過程工件也在不斷伸長。工件在推力和張力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的作用下進(jìn)行軸向運(yùn)動(dòng)，所以我們利用滾珠絲杠作為導(dǎo)程，工件的運(yùn)行量由絲杠去平衡。而張力驅(qū)動(dòng)的動(dòng)力由液壓油缸提供，工件在旋壓過程中的伸長量由液壓油缸活塞桿的伸長量去平衡。利用此原理則可實(shí)現(xiàn)旋壓過程的自適應(yīng)，精確度高，在原理上非常滿足生產(chǎn)的需要，但是其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，油缸、編碼器等比起雙絲杠驅(qū)動(dòng)沒有價(jià)格優(yōu)勢。

圖3 油缸與絲杠實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)原理圖

根據(jù)滾珠絲杠副的運(yùn)轉(zhuǎn)順滑、消除軸向間隙和制造的一致性，當(dāng)我們采用兩套滾珠絲杠副來同時(shí)驅(qū)動(dòng)旋壓工件時(shí)，可獲得良好的同步工作。同時(shí)微量進(jìn)給可以低速或高速進(jìn)給。鑒于滾珠絲杠副的高效性和精密性，我們設(shè)置了一套雙驅(qū)動(dòng)螺母旋轉(zhuǎn)型滾珠絲杠副的進(jìn)給裝置，張力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用雙絲杠驅(qū)動(dòng)的原理如圖4所示。依靠恒扭矩電機(jī)來控制雙驅(qū)動(dòng)螺母旋轉(zhuǎn)型滾珠絲杠副運(yùn)動(dòng)的同步性。而工件的運(yùn)動(dòng)以及伸長量可以由動(dòng)態(tài)的恒定旋轉(zhuǎn)扭矩滾珠絲杠來實(shí)現(xiàn)。采用高精度的扭矩傳感器+變頻電機(jī)調(diào)節(jié)來實(shí)現(xiàn)滾珠絲杠扭矩的恒定，從而實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)。

圖4 絲杠雙驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)原理圖

3 結(jié)論

（1）提出了一種新的旋壓成型技術(shù)——同步旋轉(zhuǎn)模環(huán)旋壓，比較了普通旋壓、強(qiáng)力旋壓和同步旋轉(zhuǎn)模環(huán)旋壓的特點(diǎn)。

（2）分析比較了張力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)的三種方法的優(yōu)缺點(diǎn)，最終選擇了恒扭矩雙驅(qū)動(dòng)螺母旋轉(zhuǎn)型滾珠絲杠副進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。

[1]趙升噸,趙承偉,王君峰等.現(xiàn)代旋壓設(shè)備發(fā)展趨勢的探討[J].中國機(jī)械工程,2012,23（10）:1251-1252.

[2]趙云豪,李彥利.旋壓技術(shù)與應(yīng)運(yùn)[M].北京：機(jī)電工業(yè)出版社,2007.

[3]劉成祥.液體靜壓導(dǎo)軌恒流量控制的設(shè)計(jì)與分析[J].機(jī)床與液壓,2008.