大滾彎模量鋁型材滾彎機的研制

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(jù)統(tǒng)計，一節(jié)列車車廂使用9t左右鋁合金，在保證列車結(jié)構(gòu)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(cè)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(yīng)用于鈑金加工行業(yè)，壓彎是最常用的彎曲方法，所用設(shè)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(lián)合作用下壓入模具型槽內(nèi)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(jīng)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(chǎn)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(shù)攻關(guān)，掌握了多項關(guān)鍵技術(shù)，取得了整套工藝、設(shè)備設(shè)計理論及核心技術(shù)，研發(fā)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(chǎn)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(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 設(shè)備組成及功能

滾彎機主要由機械設(shè)備、配套液壓系統(tǒng)、氣動系統(tǒng)和數(shù)控系統(tǒng)4部分組成。本滾彎機機械結(jié)構(gòu)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(qū)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(jù)滾彎半徑控制輥輪位置，同時輥輪轉(zhuǎn)動驅(qū)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(zhuǎn)動采用電機+減速機模式，各輥輪獨立驅(qū)動。液壓系統(tǒng)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(tǒng)控制檢測型材進給的靠輪的進給。

圖1 滾彎機機械結(jié)構(gòu)

1.2 設(shè)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(fā)原點開關(guān)→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(shè)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(yīng)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(yīng)力分布如圖2所示，根據(jù)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(shù)；K1為型材截面形狀系數(shù)；W為型材滾彎截面系數(shù)(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(yīng)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(jù)靜力學平衡，得到滾彎時型材對下輥作用力[3]：

2.3 驅(qū)動扭矩計算

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

圖3 型材受力分析

2.4 驅(qū)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(shù)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(jié)果為，下輥受力F2為674414N，上輥受力F1為1250612N，驅(qū)動扭矩Mn1為46848Nm。

3 滾彎機設(shè)備關(guān)鍵技術(shù)

滾彎機在研制過程中，調(diào)研了目前市場上多種進口滾彎機，分析了不同機器的優(yōu)缺點，創(chuàng)新性的提出了本機的技術(shù)特點。

3.1 新穎的結(jié)構(gòu)形式

本機采用創(chuàng)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(qū)動沿弧線運動，對型材施加位移變形，三個輥輪轉(zhuǎn)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(zhuǎn)變形、截面角度的改變和失穩(wěn)起皺等不規(guī)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(guī)則截面，不便施加填料。采用四輥結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)只有上輥為驅(qū)動輥，其他輥輪都為被動輥，型材通過接觸摩擦實現(xiàn)進給，如施加壓力不足，在滾輪和型材接觸處，會發(fā)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(qū)動油缸壓力可調(diào)，可根據(jù)不同型材截面，設(shè)置相應(yīng)的壓力數(shù)值，防止型材過壓變形。

圖4 滾彎機結(jié)構(gòu)

3.2 轉(zhuǎn)臂結(jié)構(gòu)，重量輕，結(jié)構(gòu)緊湊

目前市場上左右下輥導向方式有兩種常見結(jié)構(gòu)形式，一種為直線導軌式，一種為銷軸回轉(zhuǎn)式(圖5)。滾彎機輥輪軸多為懸臂軸結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，兩轉(zhuǎn)臂繞中間銷軸旋轉(zhuǎn)，這種結(jié)構(gòu)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(shù)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(shù)控控制系統(tǒng)。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(xié)調(diào)控制各個電機的轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)型材連續(xù)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(zhuǎn)動驅(qū)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(xiàn)壓痕。由于具備了數(shù)控插補功能本機可加工變曲率型材，不同曲率半徑之間設(shè)置過渡段，可平滑的實現(xiàn)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(qū)動，位置反饋采用磁制位移傳感器，控制采用高頻響應(yīng)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(yīng)快，保證了數(shù)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(shù)控軟硬件，軟件界面易操作，數(shù)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(jù)加工工藝要求，在兩種模式下方便選擇。數(shù)控加工程序具有存儲功能，針對同一型材程序可重復調(diào)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(nèi)層纖維因彈性恢復而伸長，結(jié)果使彎曲件曲率和角度發(fā)生顯著變化，這種現(xiàn)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(shù)密切相關(guān)，也與型材滾彎加工過程機床參數(shù)選擇有關(guān)，一般認為，隨摩擦系數(shù)和滾輪轉(zhuǎn)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(jīng)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(diào)用型材特性參數(shù)，程序在工藝計算過程中自動對反彈予以補償。

3.7 負載轉(zhuǎn)矩最優(yōu)控制

本機輥輪旋轉(zhuǎn)由三個獨立的電機+減速機驅(qū)動控制，可保證對型材最大的驅(qū)動力，各滾輪旋轉(zhuǎn)速度由CNC控制。當加工大截面鋁合金型材，型材內(nèi)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(xié)調(diào)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(qū)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(zhuǎn)矩最優(yōu)控制算法動態(tài)調(diào)整三輥轉(zhuǎn)速，使三輥協(xié)調(diào)一致共同驅(qū)動型材滾彎加工，最大限度的發(fā)揮了三輥輪驅(qū)動力[9]。使用本機加工的高鐵邊梁如圖6所示。

圖6 高鐵邊梁

4 結(jié)語

3+1輥滾彎機通過一年多的生產(chǎn)使用，完全滿足高鐵邊梁等大截面、難變形鋁合金型材的生產(chǎn)加工。設(shè)備的加工精度，穩(wěn)定性達到了進口設(shè)備同等水平，有的參數(shù)甚至超過了進口設(shè)備。滾彎機成功投入生產(chǎn)進一步提高了高鐵裝備國產(chǎn)化率，為下一步更高速度列車研制提供了裝備保障。