葉輪滾鉚加工中滾鉚頭進給速度的分析與計算方法??

任工昌 高 翔 楊宇龍 何 舟

(陜西科技大學機電工程學院，陜西西安710021)

沖壓焊接型液力變矩器(以下簡稱沖焊型液力變矩器)與鑄造型相比具有重量輕、密封性好、適合大批量生產等優勢，在現代汽車和工程機械領域被廣泛使用。其葉輪內環、外環及增距葉片分別使用鋼板沖壓制造而成，繼而通過焊接或者滾鉚加工裝配成完整的工作葉輪[1-3］。

滾鉚頭是葉輪滾鉚加工的關鍵非標設備，其結構見圖1。滾鉚頭在加工中的進給速度對產品的質量有著很大的影響[4-5］。經過在陜西某企業的長期調研，結果發現由于滾鉚頭進給速度不當導致的報廢產品在生產中的占比高達3.5%，嚴重地制約了企業的生產效率并增加了企業的生產成本。

由于滾鉚頭的不定型性和應用范圍的局限性，其進給速度目前并沒有統一的計算方法，企業仍然依靠生產經驗來確定滾鉚頭的進給速度，這種方法效率低下，適用性不強[6］。本文擬結合滾鉚加工的實際工況和加工效果對滾鉚頭的工作原理和連接片變形過程進行分析，研究滾鉚頭合理的進給速度，提出一種滾鉚頭進給速度的計算方法并且通過實驗驗證計算方法的可行性。

1 滾鉚加工分析

沖焊型液力變矩器的增距葉片由葉片主體和若干連接片組成，葉輪滾鉚加工的目的是將連接片彎曲并與葉輪內環的表面緊密貼合，保證連接片與葉輪內環的縫隙小于2 mm，為下一步葉輪的釬焊加工奠定基礎[6］。

1.1 滾鉚加工過程

葉輪的滾鉚加工過程主要分為預壓彎和滾壓兩個階段，如圖2所示。在加工過程中，滾鉚頭上的撥倒桿首先接觸到連接片并將其逐漸撥彎，保證連接片與葉輪內環成30°角，為連接片的滾壓階段做準備，即預壓彎階段。預壓彎的目的是令連接片的彎曲方向一致，減小滾壓階段的沖擊的同時保證了連接片滾壓階段的穩定性。滾壓階段是指滾鉚頭底部的壓緊盤壓緊后，上滾壓體通過推桿將力傳遞給滾輪托，滾輪托帶動滾輪繼續下降對連接片進行滾壓，將連接片彎曲到位并減小連接片與葉輪內環的間隙，保證連接片與葉輪內環的緊密貼合[7］。

1.2 滾鉚頭進給速度不當引起問題

在實際生產中，滾鉚頭進給速度不當會導致連接片與葉輪內環貼合不緊密和連接片根部凸起的問題，如圖3所示。連接片根部凸起是由于滾鉚頭在預壓彎階段的進給速度過快，撥倒桿與后面的連接片的接觸位置較深導致連接片預壓彎不足，滾壓階段無法平穩進行。連接片與葉輪內環貼合不緊密是由于滾壓階段末端滾鉚頭進給速度過快，導致個別連接片不能受到均勻的滾壓，與葉輪內環存在的間隙過大。

2 進給速度的計算

根據以上分析可知，在預壓彎階段起始時和滾壓階段結束時滾鉚頭的進給速度不宜過快，但進給速度過慢會導致生產效率下降，因此拋物線型的進給速度是一個既可以避免以上問題又可以保證生產效率的理想方案。

連接片的變形過程如圖4所示，當滾鉚頭的進給速度為拋物線型時，連接片頂端的高度變化曲線接近三次曲線。圖4中H、θ0分別為連接片初始高度和連接片的最終彎曲角度，Yi、θi分別為連接片第i次彎曲后的高度和角度，N為連接片彎曲的次數。

下面以某型號的液力變矩器為例，對滾鉚頭的進給速度進行計算。連接片與滾鉚頭的接觸變形都是一瞬間完成的，為了計算出滾鉚頭的進給速度，在這里假設連接片勻速彎曲。

則連接片彎曲次數N為:

式中:T為滾鉚加工過程所需時間，T＝5 s；r為滾鉚頭的轉速，r＝60 r/min，各圈滾輪布置個數，n＝3；Δt為連接片彎曲時間間隔。

假設連接片頂端彎曲軌跡方程為:

由圖4可知:

x＝0處，y＝H；

x＝N處，y＝Hcosθ0；

x＝i處，yi＝Hcosθi。

則滾鉚頭第i次滾壓后，連接片的高度為:

式中連接片初始高度H＝25 mm，最終彎曲角度θ0＝π/2。

連接片與葉輪內環的夾角為:

第i次滾壓時滾鉚頭的進給速度為:

將計算結果導入到Origin中繪制曲線圖，滾鉚頭進給速度、連接片高度和彎曲角度變化趨勢如圖5所示。

最小二乘法是通過最小化均方差R來尋找數據的最佳的匹配函數，使用最小二乘法來擬合曲線的可靠性高并且應用廣泛[8-10］。為了得到滾鉚頭的進給速度，接下來對滾鉚頭進給速度曲線進行擬合，其方程組如下:

計算結果如下:

式中:V為滾鉚頭的進給速度，t為時間。

3 運動仿真

為了得到滾鉚頭的進給速度特性和滾輪的運動軌跡，接下來對滾鉚頭進行涌動仿真。Solidworks Motion可以精確模擬并分析裝配體的運動，同時合成運動算例單元的效果，包括力、速度、阻尼以及摩擦等[11-12］。首先在Solidworks中建立了滾鉚頭模型如圖6所示。

接下來在滾輪上設定參考點并建立運動算例，得到參考點的運動軌跡和速度曲線如圖7所示。從仿真結果可以看出，滾鉚頭在起始階段和終止階段進給速度明顯高于中間階段，其Y向速度分量呈拋物線型。

4 實驗驗證

為了驗證拋物線型進給速度的加工效果，設計了兩組試驗，對實驗結果進行對比分析。主要工藝參數見表 1(表中V＝-1.103t2＋5.883t-0.491)。

表1 工藝參數

本次實驗使用某企業的P-802753型滾鉚機進行實驗。該型號滾鉚機的液壓系統為單閉環控制系統，通過電液比例閥控制流量從而控制液壓缸的速度[13-14］。連接片材料特性見表2。

對加工完成的渦輪進行檢查發現，第一組連接片仍存在個別的根部凸起現象，第二組連接片沒有出現，加工效果如圖8所示。接下來在加工完成的渦輪上隨機選取了一個連接片進行間隙的測量，測量結果如圖9所示。

分析測量結果可知，滾鉚頭采用拋物線型進給速度進行滾鉚加工渦輪內環與連接片的間隙減小了27%。

表2 連接片材料特性

5 結語

經過以上研究表明，在沖焊型液力變矩器的滾鉚加工中，滾鉚頭采用拋物線型的進給速度可以有效地避免連接片的根部凸起現象，并且明顯地減小了葉輪內環與連接片的間隙，提高了滾鉚加工的效率。