鋁合金車輪擺輾機的設計與研究

文/劉建芳，王利梅·秦皇島戴卡興龍輪轂有限公司

李建·秦皇島燕大現代集成制造技術開發有限公司

馬春榮·大連大學機械工程學院

鋁合金車輪擺輾機的設計與研究

文/劉建芳，王利梅·秦皇島戴卡興龍輪轂有限公司

李建·秦皇島燕大現代集成制造技術開發有限公司

馬春榮·大連大學機械工程學院

擺輾機是實現擺輾技術的特種成形設備。鋁合金車輪擺輾機采用普通液壓機結構形式，主要由機身、活動橫梁（滑塊）、底座、上主軸、下主軸、驅動裝置和油缸七部分組成。針對2500kN鋁合金車輪擺輾機，給出了其本體結構的設計方案，對其機身及活動橫梁進行了有限元分析，得到了合理的分析結果。

劉建芳，開發部部長，全面負責公司新產品研發相關的工作，對機械設備的設計制造、鋁合金車輪的設計制造有比較深入的研究，了解鋁合金車輪的鍛造、鑄造、旋壓等制造工藝。

鋁合金車輪的制造工藝主要有鑄造、鑄旋、鍛造等，其中，鍛造工藝中很重要的一個工序就是擺輾成形。擺輾機是實現擺輾技術的特種成形設備，鋁合金車輪擺輾機也是全自動鍛造鋁合金車輪生產線的主要設備。隨著世界汽車工業對鍛造鋁合金車輪的大量需求，鋁合金車輪擺輾機的開發、研制已成為我國勢在必行的攻關項目和車輪制造行業普遍關注的焦點問題之一。

鋁合金車輪擺輾機本體結構方案設計

擺輾機本體結構方案

鋁合金車輪擺輾機本體結構方案采用普通液壓機結構形式，主要分為機身、活動橫梁（滑塊）、底座、上主軸、下主軸、驅動裝置和油缸七部分，如圖1所示。上主軸安裝在液壓機的活動橫梁上，與機身的垂直軸線的傾角為5°，工作時繞自身軸線轉動，并在油缸的帶動下隨活動橫梁作進給運動對毛坯施壓；下主軸安裝于液壓機的下橫梁上，在驅動裝置帶動下繞垂直軸線轉動，完成對毛坯的擺動輾壓。

機身結構設計

機身是擺輾機的主要部件之一。機身把擺輾機的全部零件聯結在一起，組成一臺機器。當擺輾機工作時，機身承受全部變形力。機身在變形力的作用下引起彈性變形，會使產品質量和模具壽命受到影響。擺輾機的機身多采用框架式機身。這類機身分整體式和組合式兩種。整體式機身加工裝配工作量較小，但需要大型加工設備，運輸也比較困難。

鋁合金車輪擺輾機為框架式機身，采用組合式焊接結構，由上橫梁、下橫梁、立柱和四個拉緊螺栓組成。上、下橫梁和立柱通過拉緊螺栓組成一個整體。上、下橫梁和立柱之間分別采用四個環形鍵來定位，其圓形鍵槽與拉緊螺栓孔同心。

活動橫梁結構設計

活動橫梁（滑塊）是一個傳遞力的部件，它將油缸的推力傳遞給工件，使之產生塑性變形，以便達到預期的加工目的。活動橫梁上端和四個油缸中的活塞桿聯結，四周與導軌相配合，活動橫梁中安裝上主軸。工作時，活動橫梁在油缸推動下沿導軌作上下往復運動。

活動橫梁分箱形結構和圓形結構兩種，而箱形結構又有鑄造和焊接兩種形式。箱形結構為保證導向精度，在活動橫梁四個角上設導向面，以便和機身上的導軌相互滑動配合。為了保證活動橫梁的運動精度，活動橫梁導向面應該有足夠的長度，即活動橫梁的高度要做的足夠高。活動橫梁高度與寬度的比值均要大于1，一般在1.08～1.32之間。因為在相同導向間隙的情況下，導向部分越長，活動橫梁偏移越小。即活動橫梁導向部分越長，則活動橫梁行程的垂直性越好，精度越高。

鋁合金車輪擺輾機活動橫梁采用焊接式箱形結構。為了保證較高的導向精度，使用了八面調節導軌間隙的機構，八個導軌面均可單獨調節，每個調節面都有一組推拉螺釘。

油缸設計計算

油缸的作用是將液壓油輸出的液體能量轉換成活動橫梁的機械能。它是鋁合金車輪擺輾機的動力源之一。根據擺輾機結構的不同，油缸分為柱塞式油缸和活塞式油缸兩種。柱塞式油缸是單向作用的油缸，必須配置回程缸，以便使活動橫梁回到原位。活塞式油缸是雙向作用的油缸，不必配置回程缸。

鋁合金車輪擺輾機采用活塞式油缸，四個油缸用法蘭對稱固定在上橫梁的四個角上，四個油缸中的活塞桿與活動橫梁上端面聯結，油缸的活塞桿推動活動橫梁沿導軌作上下往復運動。

圖1 鋁合金車輪擺輾機本體結構簡圖

傳動系統設計

鋁合金車輪擺輾機屬于專用設備，其傳動系統與常規擺輾機有較大區別，實現擺動輾壓的原理也有所不同。鋁合金車輪擺輾機擺頭運動軌跡為圓形，設備本身由勻速旋轉和進給兩個運動系統組成。

鋁合金車輪擺輾機的上主軸安裝于活動橫梁上，與機身垂直軸線的傾角為5°。上主軸靠液壓馬達驅動繞自身軸線旋轉，但不繞機身垂直軸線作擺動運動，并且在油缸的帶動下隨活動橫梁一起作等速或變速進給運動。下主軸安裝于擺輾機下橫梁上，其軸線即為機身垂直軸線。下主軸在驅動裝置的驅動下帶動工件繞自身軸線作勻速旋轉，與上主軸的運動相配合，實現對毛坯的圓周軌跡擺動輾壓。

鋁合金車輪擺輾機機械傳動機構采用兩級傳動方式。它由電機經減速器、大小皮帶輪等兩級傳動將旋轉運動傳給下主軸，使下主軸帶動工件作勻速旋轉。但擺輾機也可以實現多級傳動，其下主軸轉速是可以調節的。鋁合金車輪擺輾機采用直流伺服電機，可以通過程序控制來調節電機轉速，實現對下主軸調速。

擺輾機機身及活動橫梁有限元分析

針對2500kN鋁合金車輪擺輾機，建立其機身及活動橫梁的有限元模型，并進行求解。將機身的每個結構件裝配成一體建立三維有限元模型時，應當采取一些簡化措施。油缸活塞和活塞桿的相關表面上受到工作液體作用于其上的面載荷；下主軸上表面受到工件傳給它的向下的偏心載荷；上主軸下表面受到工件傳給它的向上的偏心力，水平力為偏心力乘以5°偏角的正切值；預緊力施加在四個預緊螺栓上。鋁合金車輪擺輾機有限元模型載荷和約束的加載如圖2所示。

圖2 鋁合金車輪擺輾機模型加載圖

通過對機身及活動橫梁的有限元分析，發現其高應力區域應力值小于材料的許用應力；整個機身及活動橫梁在上下方向和前后方向上的最大位移值，均小于變形的最大允許值，滿足設計要求。

結論

⑴普通液壓機結構形式的鋁合金車輪擺輾機本體結構，擴大了液壓機的應用范圍，為擺輾工藝的發展開辟了一個新的方向，對擺輾工藝在各行業中的應用和推廣起到了促進作用。

⑵鋁合金車輪擺輾機的特點是比液壓機多兩個彼此軸線成5°的上、下主軸和相應的機械傳動系統。即鋁合金車輪擺輾機有兩個運動系統，一是推動活動橫梁做直線運動的液壓傳動系統，二是使主軸繞軸線轉動的機械傳動系統，它們的合成運動相當于一個螺旋運動。

⑶建立了2500kN鋁合金車輪擺輾機的有限元模型，進行了靜態分析，得到了其機身及活動橫梁的應力和位移分布規律，可以為工程實踐提供借鑒和參考。