大滾彎模量鋁型材滾彎機的研制

2021-04-19 11:24:30陳建峰

有色金屬加工 2021年2期

陳建峰，譚進

(中國重型機械研究院股份公司，陜西西安710032)

隨著高鐵列車行駛速度越來越快，鋁合金材料已大量運用到高鐵列車的制造中，據統計，一節列車車廂使用9t左右鋁合金，在保證列車結構強度的前提下，鋁合金型材的使用，可減輕車體的重量，提高車體密封性，增強車體抗腐蝕性[1]。鋁合金車頭邊梁用于連接高鐵車頭側墻和地板，邊梁截面形狀復雜，滾彎模量大，長度長，變曲率，輪廓精度要求高，需要彎曲加工。

彎曲加工可分為折彎、壓彎、拉彎和滾彎，折彎成型工藝簡單，模具通用性好，主要應用于鈑金加工行業，壓彎是最常用的彎曲方法，所用設備大多為通用的機械壓力機或液壓機。拉彎是指型材在彎矩和縱向拉力的聯合作用下壓入模具型槽內的成形過程，用于制造尺寸大、外形準確度要求高、相對彎曲半徑大的變曲率擠壓和板彎型材彎曲件。滾彎成形以若干對輥輪為成型工具，在型材從輥輪中間經過的過程中，使得型材最終達到所需要的曲率半徑。

邊梁總長25m，折彎、壓彎和拉彎都不適用于邊梁彎弧加工，目前生產廠家都采用進口的大滾彎模量滾彎機加工。受某著名鋁合金精深加工公司委托，我公司開展技術攻關，掌握了多項關鍵技術，取得了整套工藝、設備設計理論及核心技術，研發出的大抗彎模量滾彎機，完成了車頭邊梁等多種鋁合金型材的生產加工，其成品精度高，重復性好，使用效果完全滿足廠家要求。

1 滾彎機結構及工作原理

1.1 設備組成及功能

滾彎機主要由機械設備、配套液壓系統、氣動系統和數控系統4部分組成。本滾彎機機械結構采用3+1輥輪形式(圖1)，主要部件包含上輥、左右下輥、伺服油缸、下中心輥、左右邊輥和機架等。上滾輪固定在機架上，左右下滾輪由伺服油缸驅動沿中間銷軸做弧線運動，型材放置于上下輥輪中間，左右下輥根據滾彎半徑控制輥輪位置，同時輥輪轉動驅動型材進給，一次或多次進給，最終加工型材成指定曲率。左右邊輥對型材起支撐作用，下中心輥檢測型材進給量，同時對L形型材起輔助壓緊作用。三輥輪轉動采用電機+減速機模式，各輥輪獨立驅動。液壓系統主要為兩下輥提供動力，控制伺服油缸運動及左右邊輥運動。氣動系統控制檢測型材進給的靠輪的進給。

圖1 滾彎機機械結構

1.2 設備的加工工藝流程

滾彎機的主要加工工藝為，定義型材→選擇型材→安裝模具→升起左右邊輥→吊裝型材到指定位置→加緊型材→選擇加工程序→型材進給觸發原點開關→回退到加工起始點→開始全自動加工→左右下輥、下中心輥回退→卸料完成加工。

2 設備滾彎功率計算

2.1 滾彎所需最大力矩

滾彎機工作時，需要將型材滾彎成指定曲率。此時，型材所承受應力已全部達到屈服極限，整個型材截面都達到塑性變形。型材截面上彎曲應力分布如圖2所示，根據靜力矩平衡條件，可以得出中性層對稱的理想彈塑性材料在滾彎階段外力矩M的計算公式為[2]：

式中，K0為材料相對強化系數；K1為型材截面形狀系數；W為型材滾彎截面系數(mm4)，如為矩形截面材料，W=Bh2/4，其中B、h分別為型材寬度和厚度。

圖2 型材應力分布

2.2 型材對滾軸的作用力計算

對于單曲率滾彎成型，型材受力情況如圖3所示。根據靜力學平衡，得到滾彎時型材對下輥作用力[3]：

2.3 驅動扭矩計算

為了保證滾彎機可以順利驅動型材進給，需要計算滾輪的驅動扭矩，滾輪在工作過程中消耗的驅動扭矩Mn由以下兩部分構成[4]。

圖3 型材受力分析

2.4 驅動功+計算

以矩形型材為例，寬度B為150mm，厚度δ為155mm，形狀系數K1為1.5，夾角θ為22°，曲率半徑R為1000mm，工作輥直徑D為400mm，屈服強度為260MPa；則計算結果為，下輥受力F2為674414N，上輥受力F1為1250612N，驅動扭矩Mn1為46848Nm。

3 滾彎機設備關鍵技術

滾彎機在研制過程中，調研了目前市場上多種進口滾彎機，分析了不同機器的優缺點，創新性的提出了本機的技術特點。

3.1 新穎的結構形式

本機采用創新的3+1輥滾彎機(圖4)，其中3個主輥為彎曲輥，上輥固定在機架，左右下輥由油缸驅動沿弧線運動，對型材施加位移變形，三個輥輪轉動滾彎型材成指定弧度，1為下中心輥，在加工L型非封閉型材滾彎時，減少型材扭轉變形、截面角度的改變和失穩起皺等不規則變形，同時起到測量輥的作用。

由于鋁合金型材多為中空不規則截面，不便施加填料。采用四輥結構形式(圖4)，上輥和下中心輥對型材施加壓力，左右兩輥子對型材施加位移變形，由于這種結構只有上輥為驅動輥，其他輥輪都為被動輥，型材通過接觸摩擦實現進給，如施加壓力不足，在滾輪和型材接觸處，會發生打滑，嚴重時會劃傷型材；如壓力過大，容易造成型材過壓變形，嚴重時型材有可能被壓虧變形。

本機下中心輥為被動輥，驅動油缸壓力可調，可根據不同型材截面，設置相應的壓力數值，防止型材過壓變形。

圖4 滾彎機結構

3.2 轉臂結構，重量輕，結構緊湊

目前市場上左右下輥導向方式有兩種常見結構形式，一種為直線導軌式，一種為銷軸回轉式(圖5)。滾彎機輥輪軸多為懸臂軸結構，型材加工過程中，型材對輥軸的巨大反作用力都將作用在支撐結構上，如采用直線導軌式，導軌必須對輥軸提供足夠的支撐，同時也得保證兩導軌位置精度，才能保證四輥軸的平行度，這就要求直線導軌有足夠的強度，同時有很高的加工精度。

本機采用中間銷軸結構，兩轉臂繞中間銷軸旋轉，這種結構既能給輥軸提供足夠的支撐，同時加工時只需要保證銷軸孔位置精度，三輥軸平行度就能很好的保證。由于簡化了導向形式，整機的重量也比導軌式輕了很多。

圖5 滾彎機導向方式

3.3 數控插補

相比于市面上采用PLC控制的滾彎機，本機采用高檔數控控制系統。滾彎成型過程控制實際就是CNC精確控制各個滾輪運動位置，同時協調控制各個電機的轉動，實現型材連續滾彎加工。采用PLC控制的滾彎機，在兩段弧的過渡處，型材停止進給，左右輥輪運動到指定位置，輥輪再次轉動驅動型材進給，這樣在壓緊點處型材曲率不能平滑過渡，往往出現壓痕。由于具備了數控插補功能本機可加工變曲率型材，不同曲率半徑之間設置過渡段，可平滑的實現曲率過渡，無限逼近理想曲率[6]。

3.4 位置控制精度高

滾彎機加工型材最終的弧線精度很大程度由左右下輥位置精度決定，本機左右下輥采用伺服油缸驅動，位置反饋采用磁制位移傳感器，控制采用高頻響應伺服閥，位置控制精度可達±0.01mm，同時具有很高的重復精度，保證型材加工的一致性，伺服油缸位置控制響應快，保證了數控插補控制精度。

3.5 位置表模式和圖形模式編程

本機HMI采用高檔數控軟硬件，軟件界面易操作，數控編程可采用位置表和圖形編程兩種方式，對于多段變曲率，復雜截面型材采用位置表編程模式，對于簡單曲率與直線型材，采用圖形編程模式。由于采用了兩種編程模式，操作者可根據加工工藝要求，在兩種模式下方便選擇。數控加工程序具有存儲功能，針對同一型材程序可重復調用。

3.6 反彈計算及補償

彎曲成形是一種塑性變形方式，卸載時外層纖維因彈性恢復而縮短，內層纖維因彈性恢復而伸長，結果使彎曲件曲率和角度發生顯著變化，這種現象稱為彈性回彈[7]。鋁合金型材滾彎過程回彈，會影響型材彎曲件的最終成型精度。滾彎回彈與材料性能、型材截面形狀和加工工藝參數密切相關，也與型材滾彎加工過程機床參數選擇有關，一般認為，隨摩擦系數和滾輪轉速的增加，滾彎回彈量隨之增大，隨著滾輪夾持力的增加，滾彎回彈量逐漸減小[8]。

本機針對新型材經過對材料兩次預彎和檢測，自動計算該材料的反彈因子，并存儲在CNC程序中，以后對同一型材，調用型材特性參數，程序在工藝計算過程中自動對反彈予以補償。

3.7 負載轉矩最優控制

本機輥輪旋轉由三個獨立的電機+減速機驅動控制，可保證對型材最大的驅動力，各滾輪旋轉速度由CNC控制。當加工大截面鋁合金型材，型材內弧和外弧存在弧長差，并且上下滾輪模具直徑不一致，上下輥輪存在速度差，如果協調不一致，滾輪就會打滑或者其中某個對型材形成拖拽，不能達到三輥同時驅動型材滾彎成型。為此，本機實時檢測三輥輸出扭矩，CNC利用負載轉矩最優控制算法動態調整三輥轉速，使三輥協調一致共同驅動型材滾彎加工，最大限度的發揮了三輥輪驅動力[9]。使用本機加工的高鐵邊梁如圖6所示。