環(huán)件徑向軋制進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李路可，楊 杰，張瑞珠

（華北水利水電學(xué)院 機(jī)械學(xué)院，河南 鄭州 450011）

環(huán)件軋制是一種借助輾環(huán)機(jī)生產(chǎn)高機(jī)械性能無(wú)縫環(huán)件的特種加工工藝，它通過(guò)連續(xù)局部塑性變形使環(huán)件整體壁厚減小、直徑擴(kuò)大、截面輪廓成形，是一種節(jié)能、節(jié)材高效的先進(jìn)制造技術(shù)[1]。合理的進(jìn)給系統(tǒng)及其進(jìn)給系統(tǒng)控制方式是環(huán)件軋制的關(guān)鍵。輾擴(kuò)過(guò)程中根據(jù)工件成形階段的不同，需要變換多個(gè)進(jìn)給速度，并且要求在各個(gè)進(jìn)給速度下能夠平穩(wěn)運(yùn)行。本文介紹了環(huán)件徑向軋制原理、環(huán)件徑向軋制進(jìn)給系統(tǒng)機(jī)構(gòu)組成及其進(jìn)給系統(tǒng)的控制方案和適用場(chǎng)合。

1 環(huán)件徑向軋制原理

圖1 環(huán)件徑向軋制原理示意圖

環(huán)件軋制分為環(huán)件徑向軋制和環(huán)件徑-軸向軋制。立式徑向環(huán)軋機(jī)軋制環(huán)件的基本原理如圖1所示。其工作原理為：驅(qū)動(dòng)輥1旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)輥和環(huán)件2之間的摩擦帶動(dòng)環(huán)件旋轉(zhuǎn)，而芯輥4有一個(gè)向驅(qū)動(dòng)輥前進(jìn)的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，從而給環(huán)件以軋制力，于是環(huán)件通過(guò)驅(qū)動(dòng)輥和芯輥構(gòu)成的軋制孔型產(chǎn)生連續(xù)的局部塑性變形，使環(huán)件壁厚減小、直徑擴(kuò)大、截面輪廓成形。信號(hào)輥5和導(dǎo)向輥3可以繞軸向在和環(huán)件的摩擦力作用下自由地轉(zhuǎn)動(dòng)。導(dǎo)向輥給環(huán)件壓力作用以保證環(huán)件的平穩(wěn)轉(zhuǎn)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)輥旋轉(zhuǎn)軋制運(yùn)動(dòng)由電動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力，直線進(jìn)給運(yùn)動(dòng)由液壓或氣動(dòng)裝置提供動(dòng)力。

2 環(huán)件徑向軋制進(jìn)給系統(tǒng)

輾擴(kuò)技術(shù)具有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)以及對(duì)各行業(yè)較為廣泛的適用性。用輾環(huán)機(jī)輾壓環(huán)形件時(shí)，可使環(huán)形鍛件有高的生產(chǎn)率和鍛件質(zhì)量，且能大大減輕勞動(dòng)強(qiáng)度。進(jìn)給速度是影響產(chǎn)品質(zhì)量的重要因素之一，而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定軋制也必須以合理的進(jìn)給速度為前提，因而進(jìn)給控制系統(tǒng)的作用顯得尤為重要。在輾壓環(huán)件的不同階段需要相適應(yīng)的進(jìn)給速度，要求能迅速響應(yīng)，且具有穩(wěn)定性和連續(xù)性。合理的驅(qū)動(dòng)進(jìn)給力和芯輥進(jìn)給速度能提高零件的圓度，確保軋制的穩(wěn)定性。因此根據(jù)環(huán)件軋制工藝需要通過(guò)進(jìn)給系統(tǒng)適時(shí)調(diào)整控制芯輥速度。實(shí)現(xiàn)良好的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)控制，不僅能有效提高輾件的質(zhì)量和精度，而且能改善芯輥的受力情況和使用壽命[4]。國(guó)內(nèi)外輾環(huán)機(jī)的結(jié)構(gòu)形式和控制系統(tǒng)各不相同，特別是對(duì)精度的控制各有不同的方法，在適用性方面也有差別，但它們的共同特點(diǎn)在于確保機(jī)床的穩(wěn)定運(yùn)行和輾擴(kuò)零件的精度，以提高環(huán)件的質(zhì)量[5]。

2.1 滾珠絲杠進(jìn)給系統(tǒng)及其控制

輾環(huán)機(jī)滾珠絲杠進(jìn)給系統(tǒng)是由伺服電機(jī)、輸入輸出共線的減速器及滾珠絲杠副組成，其機(jī)構(gòu)示意圖如圖2所示。減速器2固定在輾環(huán)機(jī)的床身1上，其輸入端與伺服電機(jī)3的輸出軸固定相連，輸出端與滾珠絲杠4的一端固定相連，滾珠絲杠螺母與主滑塊5固定在一起。伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)由伺服驅(qū)動(dòng)器控制，驅(qū)動(dòng)減速器降低伺服電機(jī)輸出到滾珠絲杠的轉(zhuǎn)速，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)軋制徑向驅(qū)動(dòng)進(jìn)給需要。

圖2 進(jìn)給系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

該系統(tǒng)采用伺服電機(jī)經(jīng)減速器驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠副的電動(dòng)機(jī)械方式，滾珠絲杠推動(dòng)主滑塊作直線運(yùn)動(dòng)，安裝在滑塊上的支撐輪推動(dòng)芯輥向前運(yùn)動(dòng)，與驅(qū)動(dòng)輥共同完成環(huán)件的軋制運(yùn)動(dòng)。通過(guò)PLC設(shè)定伺服電機(jī)的頻率轉(zhuǎn)換點(diǎn)，調(diào)節(jié)各個(gè)階段工進(jìn)速度及速度的轉(zhuǎn)折點(diǎn)[6]。根據(jù)環(huán)件軋制各階段的特點(diǎn)和各自對(duì)輾壓力、進(jìn)給速度及機(jī)構(gòu)位置的要求，在環(huán)件軋制的快速進(jìn)給階段、咬入階段、初始輾壓階段、穩(wěn)定輾壓階段以及精輾階段，PLC控制伺服電機(jī)工作，分別設(shè)定不同的轉(zhuǎn)速，滿足進(jìn)給需要，合理地控制環(huán)件的外觀和尺寸。

但是由于滾珠絲杠的負(fù)載能力較弱，這種進(jìn)給系統(tǒng)的剛度特別是滾珠絲杠本身的剛度對(duì)滑塊的定位精度和控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性影響很大。滾珠絲杠受軸向載荷作用產(chǎn)生的變形約占整個(gè)進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)誤差的30%～50%，為了滿足較高的精度要求，需要加強(qiáng)滾珠絲杠螺母本身的剛度，在合理的范圍內(nèi)進(jìn)行預(yù)緊。并且選擇適當(dāng)?shù)闹С蟹绞胶徒Y(jié)構(gòu)剛度：當(dāng)環(huán)件軋制負(fù)荷較小時(shí)可選用固定-自由方式；當(dāng)滾珠絲杠較長(zhǎng)時(shí)應(yīng)選用固定-支承方式；用于高轉(zhuǎn)速高精度軋制時(shí)選用固定-固定方式，適當(dāng)施加預(yù)拉力可部分補(bǔ)償絲杠的熱變形，提高其剛度。

2.2 凸輪進(jìn)給系統(tǒng)及其控制

該系統(tǒng)是由芯輥、凸輪、滑塊、動(dòng)力機(jī)和減速器等部分組成，滾輪2固定在滑塊1上，并與安裝在凸輪軸上的作等速運(yùn)動(dòng)的凸輪3接觸連接，凸輪軸由支座4固定在機(jī)架上，并與減速器6連接，回程油缸7固定在機(jī)架上，其活塞桿與主滑塊固定連接如圖3所示，進(jìn)給驅(qū)動(dòng)為機(jī)械式，回程為液壓式。

該系統(tǒng)根據(jù)所選動(dòng)力機(jī)5的不同可以分別用于環(huán)件的粗輾和精輾。粗輾環(huán)件的精度要求不高，要滿足圓度和壁厚這兩種條件，選用普通電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力機(jī)通過(guò)減速器降低凸輪的轉(zhuǎn)速，并利用凸輪的輪廓線進(jìn)行自主控制即可。進(jìn)行精輾時(shí)，選用伺服電機(jī)和凸輪同時(shí)進(jìn)行控制，PLC設(shè)定伺服電機(jī)的頻率轉(zhuǎn)換點(diǎn)并且利用凸輪輪廓線各個(gè)變速區(qū)的特點(diǎn)來(lái)控制進(jìn)給速度，這樣可以在一定程度上彌補(bǔ)伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速變化時(shí)的速度連續(xù)性差的缺點(diǎn)，并使環(huán)件的外觀和尺寸精度得到進(jìn)一步的提高。在整個(gè)輾壓過(guò)程中，測(cè)控系統(tǒng)跟蹤軋制過(guò)程檢測(cè)工件外徑，輾壓結(jié)束時(shí)由測(cè)量裝置向PLC發(fā)出信號(hào)，PLC通過(guò)變頻器控制伺服電機(jī)快速轉(zhuǎn)動(dòng)，最終回程油缸控制芯輥退回。

圖3 輾環(huán)機(jī)凸輪進(jìn)給系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

凸輪進(jìn)給裝置可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的液壓調(diào)速，減少運(yùn)行中的波動(dòng)，使進(jìn)給速度穩(wěn)定可靠。但是凸輪傳動(dòng)件之間為點(diǎn)接觸，易磨損，只宜用于傳力不大的場(chǎng)合，凸輪輪廓精度要求高，并且環(huán)件軋制進(jìn)給行程過(guò)大的話會(huì)使凸輪變的笨重。因此對(duì)于環(huán)件軋制進(jìn)給系統(tǒng)所用凸輪應(yīng)建立凸輪理論輪廓曲線和實(shí)際輪廓曲線，合理地進(jìn)行設(shè)計(jì)加工。

2.3 偏心滾輪進(jìn)給系統(tǒng)及其控制

該進(jìn)給機(jī)構(gòu)包括動(dòng)力機(jī)、減速器、傳動(dòng)裝置及主滑塊，偏心輪3和滾輪2等構(gòu)成傳動(dòng)裝置，動(dòng)力機(jī)4與減速器5相連，減速器輸出軸與偏心輪軸連接，傳動(dòng)裝置與主滑塊1連接，回程油缸6固定在機(jī)架上，其活塞桿與主滑塊連接，如圖4所示。偏心輪工作部分的圓弧線圓心同偏心輪圓心存在一偏心距，非工作部分的圓弧線的回轉(zhuǎn)極半徑小于基圓半徑。偏心輪進(jìn)給機(jī)構(gòu)的實(shí)施方式與凸輪進(jìn)給系統(tǒng)基本相同，而偏心輪的加工易于凸輪。

圖4 輾環(huán)機(jī)的偏心輪輪進(jìn)給系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖

偏心輪工作部分的輪廓曲線為圓弧線。用于環(huán)件粗輾時(shí)，選用普通電機(jī)，主要利用偏心輪的輪廓線進(jìn)行自主控制。精輾環(huán)件時(shí)需要利用PLC對(duì)伺服電機(jī)的控制。在輾壓過(guò)程中，由于偏心輪的輪廓線所致，芯輥的進(jìn)給速度逐漸減小，PLC通過(guò)伺服電機(jī)對(duì)偏心輪的轉(zhuǎn)速進(jìn)行改變，能夠快速完成空進(jìn)給。咬入后伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速不變也能使芯輥的進(jìn)給速度逐漸降低，滿足此時(shí)的進(jìn)給需要。進(jìn)入精輾壓后，PLC控制伺服電機(jī)停轉(zhuǎn)，芯輥與輾壓輪的位置保持不變，延長(zhǎng)精輾壓時(shí)間，環(huán)件的外觀和尺寸進(jìn)一步提高。測(cè)量裝置向控制系統(tǒng)反饋信息，來(lái)控制芯輥運(yùn)動(dòng)。

圓弧偏心輪進(jìn)給裝置能能很好地滿足使用要求，并且加工方便，壽命長(zhǎng)，對(duì)動(dòng)力機(jī)調(diào)速性能要求不高，選用普通勻速電機(jī)作為動(dòng)力機(jī)可滿足粗輾進(jìn)給要求，選用伺服變速功能的動(dòng)力機(jī)可進(jìn)行精輾進(jìn)給控制。

2.4 多桿進(jìn)給系統(tǒng)及其控制

輾環(huán)機(jī)多桿進(jìn)給系統(tǒng)包括動(dòng)力機(jī)、減速器及傳動(dòng)裝置，動(dòng)力機(jī)與減速器連接，減速器輸出軸與傳動(dòng)裝置相連，傳動(dòng)裝置又與執(zhí)行機(jī)構(gòu)支撐輪連接，傳動(dòng)裝置右端通過(guò)軸座3、楔鐵14與機(jī)身的右橫梁12連接，其中傳動(dòng)裝置包括曲柄連桿機(jī)構(gòu)、肘桿機(jī)構(gòu)、四桿機(jī)構(gòu)。曲軸16一端與減速器連接，另一端與曲柄銷17連接，連桿15下端與曲柄銷17連接，上端通過(guò)軸6同時(shí)與兩肘桿5和7連接，兩搖桿9和10下端與機(jī)身連接，如圖5所示。

圖5 輾環(huán)機(jī)的多桿進(jìn)給系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖

其中曲柄連桿機(jī)構(gòu)中的曲軸，相對(duì)于二肘桿結(jié)合處軸，處于偏執(zhí)狀態(tài)，動(dòng)力機(jī)與減速器連接。芯輥安裝在滑體左端的特定點(diǎn)上。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中，肘桿通過(guò)軸與滑塊連接，滑塊下方與直線導(dǎo)軌滑動(dòng)連接。曲柄機(jī)構(gòu)可由任何形式普通勻速轉(zhuǎn)動(dòng)的動(dòng)力機(jī)帶動(dòng)曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)，由偏心曲柄銷帶動(dòng)連桿往復(fù)運(yùn)動(dòng)。肘桿機(jī)構(gòu)可以起到增力作用和減速作用，這為節(jié)省動(dòng)力、提高產(chǎn)品精度創(chuàng)造了極為有利的條件。四桿機(jī)構(gòu)與肘桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)串聯(lián)結(jié)合。

該系統(tǒng)在輾壓前，通過(guò)旋轉(zhuǎn)手輪1調(diào)節(jié)楔鐵的位置，來(lái)控制肘桿5和肘桿7的上下位移，這樣就可以控制搖桿向左移動(dòng)的最終位置，進(jìn)而控制環(huán)件的壁厚。輾壓開(kāi)始時(shí)，動(dòng)力機(jī)經(jīng)減速器帶動(dòng)曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)，使曲軸的轉(zhuǎn)速合理，曲柄銷帶動(dòng)連桿向下移動(dòng)，于是軸8向左移動(dòng)，壓向旋轉(zhuǎn)的輾壓輥。曲柄可做360°旋轉(zhuǎn)，滑體可做單次進(jìn)給，也可以做多次進(jìn)給，由于搖桿的最左位置不改變，可以很長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)行精輾壓階段，進(jìn)入精輾階段，環(huán)件的外觀和尺寸進(jìn)一步提高。在整個(gè)輾壓過(guò)程中，壁厚無(wú)論進(jìn)行單次輾壓還是進(jìn)行多次輾壓，都不會(huì)改變，可以很好地控制環(huán)件的精度。

3 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了幾種環(huán)件徑向軋制進(jìn)給系統(tǒng)，分析了各自相應(yīng)的控制方案。滾珠絲杠進(jìn)給系統(tǒng)定位精度和靈敏度高，能提高生產(chǎn)效率，工藝成熟，應(yīng)用廣泛，但應(yīng)注意提高傳動(dòng)剛度；凸輪進(jìn)給系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)要求，可靠性高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，但是凸輪傳動(dòng)件易磨損，只宜用于傳力不大的場(chǎng)合；偏心輪進(jìn)給機(jī)構(gòu)調(diào)速連續(xù)無(wú)波動(dòng)，可提高產(chǎn)品質(zhì)量；多桿進(jìn)給系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)的優(yōu)化組合能更好地提高輾擴(kuò)件的尺寸精度。

輾環(huán)機(jī)驅(qū)動(dòng)進(jìn)給系統(tǒng)控制規(guī)范的合理性和穩(wěn)定性，直接關(guān)系到輾環(huán)機(jī)生產(chǎn)的環(huán)件精度。幾種進(jìn)給系統(tǒng)為輾環(huán)機(jī)的改進(jìn)提供了參考和實(shí)用依據(jù)。

[1]華 林，黃興高，朱春東.環(huán)件軋制理論和技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2001.

[2]阮 維.環(huán)件軋制進(jìn)給控制模型與仿真研究[D].武漢理工大學(xué)，2008.

[3]華 林，阮 維，張 金.基于Matlab的環(huán)件軋制進(jìn)給控制系統(tǒng)的仿真[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，（6）.

[4]何思松，任德志，時(shí)大方，等.精密冷輾機(jī)滑塊進(jìn)給的運(yùn)動(dòng)分析與伺服控制[J].軸承，2007，（9）.

[5]張吉光.數(shù)控輾環(huán)機(jī)最佳輾軋工藝路線的確定[J].鍛壓裝備與制造技術(shù)，1995，30（5）：20-21.

[6]馮亦武.數(shù)控碾環(huán)機(jī)環(huán)件軋制工藝動(dòng)作研究及其實(shí)現(xiàn)[D].大連理工大學(xué)，2008.

[7]詹 勇，吳秀峰，翟 鵬，等.輾環(huán)機(jī)工作原理及性能分析.鍛壓裝備與制造技術(shù)，2012，47（3）.

[8]劉 琳，詹 勇，董林原，等.輾環(huán)機(jī)自動(dòng)軋制的初步研究.鍛壓裝備與制造技術(shù)，2012，47（4）.