李路可，楊 杰，張瑞珠

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

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

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)軋機軋制環(huán)件的基本原理如圖1所示。其工作原理為：驅(qū)動輥1旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動輥和環(huán)件2之間的摩擦帶動環(huán)件旋轉(zhuǎn)，而芯輥4有一個向驅(qū)動輥前進的進給運動，從而給環(huán)件以軋制力，于是環(huán)件通過驅(qū)動輥和芯輥構(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、直徑擴大、截面輪廓成形。信號輥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。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。驅(qū)動輥旋轉(zhuǎn)軋制運動由電動機提供動力，直線進給運動由液壓或氣動裝置提供動力。

2 環(huán)件徑向軋制進給系統(tǒng)

輾擴技術(shù)具有其獨特的優(yōu)點以及對各行業(yè)較為廣泛的適用性。用輾環(huán)機輾壓環(huán)形件時，可使環(huán)形鍛件有高的生產(chǎn)率和鍛件質(zhì)量，且能大大減輕勞動強度。進給速度是影響產(chǎn)品質(zhì)量的重要因素之一，而實現(xiàn)穩(wěn)定軋制也必須以合理的進給速度為前提，因而進給控制系統(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)動進給力和芯輥進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進給系統(tǒng)適時調(diào)整控制芯輥速度。實現(xiàn)良好的進給運動控制，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]。國內(nèi)外輾環(huán)機的結(jié)構(gòu)形式和控制系統(tǒng)各不相同，特別是對精度的控制各有不同的方法，在適用性方面也有差別，但它們的共同特點在于確保機床的穩(wěn)定運行和輾擴零件的精度，以提高環(huán)件的質(zhì)量[5]。

2.1 滾珠絲杠進給系統(tǒng)及其控制

輾環(huán)機滾珠絲杠進給系統(tǒng)是由伺服電機、輸入輸出共線的減速器及滾珠絲杠副組成，其機構(gòu)示意圖如圖2所示。減速器2固定在輾環(huán)機的床身1上，其輸入端與伺服電機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。伺服電機的轉(zhuǎn)動由伺服驅(qū)動器控制，驅(qū)動減速器降低伺服電機輸出到滾珠絲杠的轉(zhuǎn)速，以此來實現(xiàn)軋制徑向驅(qū)動進給需要。

圖2 進給系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

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

但是由于滾珠絲杠的負載能力較弱，這種進給系統(tǒng)的剛度特別是滾珠絲杠本身的剛度對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)生的變形約占整個進給傳動系統(tǒng)誤差的30%～50%，為了滿足較高的精度要求，需要加強滾珠絲杠螺母本身的剛度，在合理的范圍內(nèi)進行預(yù)緊。并且選擇適當?shù)闹С蟹绞胶徒Y(jié)構(gòu)剛度：當環(huán)件軋制負荷較小時可選用固定-自由方式；當滾珠絲杠較長時應(yīng)選用固定-支承方式；用于高轉(zhuǎn)速高精度軋制時選用固定-固定方式，適當施加預(yù)拉力可部分補償絲杠的熱變形，提高其剛度。

2.2 凸輪進給系統(tǒng)及其控制

該系統(tǒng)是由芯輥、凸輪、滑塊、動力機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動的凸輪3接觸連接，凸輪軸由支座4固定在機架上，并與減速器6連接，回程油缸7固定在機架上，其活塞桿與主滑塊固定連接如圖3所示，進給驅(qū)動為機械式，回程為液壓式。

該系統(tǒng)根據(jù)所選動力機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，選用普通電動機作為動力機通過減速器降低凸輪的轉(zhuǎn)速，并利用凸輪的輪廓線進行自主控制即可。進行精輾時，選用伺服電機和凸輪同時進行控制，PLC設(shè)定伺服電機的頻率轉(zhuǎn)換點并且利用凸輪輪廓線各個變速區(qū)的特點來控制進給速度，這樣可以在一定程度上彌補伺服電機轉(zhuǎn)速變化時的速度連續(xù)性差的缺點，并使環(huán)件的外觀和尺寸精度得到進一步的提高。在整個輾壓過程中，測控系統(tǒng)跟蹤軋制過程檢測工件外徑，輾壓結(jié)束時由測量裝置向PLC發(fā)出信號，PLC通過變頻器控制伺服電機快速轉(zhuǎn)動，最終回程油缸控制芯輥退回。

圖3 輾環(huán)機凸輪進給系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

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

2.3 偏心滾輪進給系統(tǒng)及其控制

該進給機構(gòu)包括動力機、減速器、傳動裝置及主滑塊，偏心輪3和滾輪2等構(gòu)成傳動裝置，動力機4與減速器5相連，減速器輸出軸與偏心輪軸連接，傳動裝置與主滑塊1連接，回程油缸6固定在機架上，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。偏心輪進給機構(gòu)的實施方式與凸輪進給系統(tǒng)基本相同，而偏心輪的加工易于凸輪。

圖4 輾環(huán)機的偏心輪輪進給系統(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，選用普通電機，主要利用偏心輪的輪廓線進行自主控制。精輾環(huán)件時需要利用PLC對伺服電機的控制。在輾壓過程中，由于偏心輪的輪廓線所致，芯輥的進給速度逐漸減小，PLC通過伺服電機對偏心輪的轉(zhuǎn)速進行改變，能夠快速完成空進給。咬入后伺服電機轉(zhuǎn)速不變也能使芯輥的進給速度逐漸降低，滿足此時的進給需要。進入精輾壓后，PLC控制伺服電機停轉(zhuǎn)，芯輥與輾壓輪的位置保持不變，延長精輾壓時間，環(huán)件的外觀和尺寸進一步提高。測量裝置向控制系統(tǒng)反饋信息，來控制芯輥運動。

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

2.4 多桿進給系統(tǒng)及其控制

輾環(huán)機多桿進給系統(tǒng)包括動力機、減速器及傳動裝置，動力機與減速器連接，減速器輸出軸與傳動裝置相連，傳動裝置又與執(zhí)行機構(gòu)支撐輪連接，傳動裝置右端通過軸座3、楔鐵14與機身的右橫梁12連接，其中傳動裝置包括曲柄連桿機構(gòu)、肘桿機構(gòu)、四桿機構(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，上端通過軸6同時與兩肘桿5和7連接，兩搖桿9和10下端與機身連接，如圖5所示。

圖5 輾環(huán)機的多桿進給系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖

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

該系統(tǒng)在輾壓前，通過旋轉(zhuǎn)手輪1調(diào)節(jié)楔鐵的位置，來控制肘桿5和肘桿7的上下位移，這樣就可以控制搖桿向左移動的最終位置，進而控制環(huán)件的壁厚。輾壓開始時，動力機經(jīng)減速器帶動曲軸轉(zhuǎn)動，使曲軸的轉(zhuǎn)速合理，曲柄銷帶動連桿向下移動，于是軸8向左移動，壓向旋轉(zhuǎn)的輾壓輥。曲柄可做360°旋轉(zhuǎn)，滑體可做單次進給，也可以做多次進給，由于搖桿的最左位置不改變，可以很長時間進行精輾壓階段，進入精輾階段，環(huán)件的外觀和尺寸進一步提高。在整個輾壓過程中，壁厚無論進行單次輾壓還是進行多次輾壓，都不會改變，可以很好地控制環(huán)件的精度。

3 結(jié)語

本文介紹了幾種環(huán)件徑向軋制進給系統(tǒng)，分析了各自相應(yīng)的控制方案。滾珠絲杠進給系統(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)注意提高傳動剛度；凸輪進給系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜的運動要求，可靠性高，結(jié)構(gòu)簡單緊湊，但是凸輪傳動件易磨損，只宜用于傳力不大的場合；偏心輪進給機構(gòu)調(diào)速連續(xù)無波動，可提高產(chǎn)品質(zhì)量；多桿進給系統(tǒng)對系統(tǒng)的優(yōu)化組合能更好地提高輾擴件的尺寸精度。

輾環(huán)機驅(qū)動進給系統(tǒng)控制規(guī)范的合理性和穩(wěn)定性，直接關(guān)系到輾環(huán)機生產(chǎn)的環(huán)件精度。幾種進給系統(tǒng)為輾環(huán)機的改進提供了參考和實用依據(jù)。

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