文/劉建芳，王利梅·秦皇島戴卡興龍輪轂有限公司

李建·秦皇島燕大現(xiàn)代集成制造技術開發(fā)有限公司

馬春榮·大連大學機械工程學院

鋁合金車輪擺輾機的設計與研究

文/劉建芳，王利梅·秦皇島戴卡興龍輪轂有限公司

李建·秦皇島燕大現(xiàn)代集成制造技術開發(fā)有限公司

馬春榮·大連大學機械工程學院

擺輾機是實現(xiàn)擺輾技術的特種成形設備。鋁合金車輪擺輾機采用普通液壓機結構形式，主要由機身、活動橫梁（滑塊）、底座、上主軸、下主軸、驅動裝置和油缸七部分組成。針對2500kN鋁合金車輪擺輾機，給出了其本體結構的設計方案，對其機身及活動橫梁進行了有限元分析，得到了合理的分析結果。

劉建芳，開發(fā)部部長，全面負責公司新產(chǎn)品研發(fā)相關的工作，對機械設備的設計制造、鋁合金車輪的設計制造有比較深入的研究，了解鋁合金車輪的鍛造、鑄造、旋壓等制造工藝。

鋁合金車輪的制造工藝主要有鑄造、鑄旋、鍛造等，其中，鍛造工藝中很重要的一個工序就是擺輾成形。擺輾機是實現(xiàn)擺輾技術的特種成形設備，鋁合金車輪擺輾機也是全自動鍛造鋁合金車輪生產(chǎn)線的主要設備。隨著世界汽車工業(yè)對鍛造鋁合金車輪的大量需求，鋁合金車輪擺輾機的開發(fā)、研制已成為我國勢在必行的攻關項目和車輪制造行業(yè)普遍關注的焦點問題之一。

鋁合金車輪擺輾機本體結構方案設計

擺輾機本體結構方案

鋁合金車輪擺輾機本體結構方案采用普通液壓機結構形式，主要分為機身、活動橫梁（滑塊）、底座、上主軸、下主軸、驅動裝置和油缸七部分，如圖1所示。上主軸安裝在液壓機的活動橫梁上，與機身的垂直軸線的傾角為5°，工作時繞自身軸線轉動，并在油缸的帶動下隨活動橫梁作進給運動對毛坯施壓；下主軸安裝于液壓機的下橫梁上，在驅動裝置帶動下繞垂直軸線轉動，完成對毛坯的擺動輾壓。

機身結構設計

機身是擺輾機的主要部件之一。機身把擺輾機的全部零件聯(lián)結在一起，組成一臺機器。當擺輾機工作時，機身承受全部變形力。機身在變形力的作用下引起彈性變形，會使產(chǎn)品質(zhì)量和模具壽命受到影響。擺輾機的機身多采用框架式機身。這類機身分整體式和組合式兩種。整體式機身加工裝配工作量較小，但需要大型加工設備，運輸也比較困難。

鋁合金車輪擺輾機為框架式機身，采用組合式焊接結構，由上橫梁、下橫梁、立柱和四個拉緊螺栓組成。上、下橫梁和立柱通過拉緊螺栓組成一個整體。上、下橫梁和立柱之間分別采用四個環(huán)形鍵來定位，其圓形鍵槽與拉緊螺栓孔同心。

活動橫梁結構設計

活動橫梁（滑塊）是一個傳遞力的部件，它將油缸的推力傳遞給工件，使之產(chǎn)生塑性變形，以便達到預期的加工目的?；顒訖M梁上端和四個油缸中的活塞桿聯(lián)結，四周與導軌相配合，活動橫梁中安裝上主軸。工作時，活動橫梁在油缸推動下沿導軌作上下往復運動。

活動橫梁分箱形結構和圓形結構兩種，而箱形結構又有鑄造和焊接兩種形式。箱形結構為保證導向精度，在活動橫梁四個角上設導向面，以便和機身上的導軌相互滑動配合。為了保證活動橫梁的運動精度，活動橫梁導向面應該有足夠的長度，即活動橫梁的高度要做的足夠高?；顒訖M梁高度與寬度的比值均要大于1，一般在1.08～1.32之間。因為在相同導向間隙的情況下，導向部分越長，活動橫梁偏移越小。即活動橫梁導向部分越長，則活動橫梁行程的垂直性越好，精度越高。

鋁合金車輪擺輾機活動橫梁采用焊接式箱形結構。為了保證較高的導向精度，使用了八面調(diào)節(jié)導軌間隙的機構，八個導軌面均可單獨調(diào)節(jié)，每個調(diào)節(jié)面都有一組推拉螺釘。

油缸設計計算

油缸的作用是將液壓油輸出的液體能量轉換成活動橫梁的機械能。它是鋁合金車輪擺輾機的動力源之一。根據(jù)擺輾機結構的不同，油缸分為柱塞式油缸和活塞式油缸兩種。柱塞式油缸是單向作用的油缸，必須配置回程缸，以便使活動橫梁回到原位。活塞式油缸是雙向作用的油缸，不必配置回程缸。

鋁合金車輪擺輾機采用活塞式油缸，四個油缸用法蘭對稱固定在上橫梁的四個角上，四個油缸中的活塞桿與活動橫梁上端面聯(lián)結，油缸的活塞桿推動活動橫梁沿導軌作上下往復運動。

圖1 鋁合金車輪擺輾機本體結構簡圖

傳動系統(tǒng)設計

鋁合金車輪擺輾機屬于專用設備，其傳動系統(tǒng)與常規(guī)擺輾機有較大區(qū)別，實現(xiàn)擺動輾壓的原理也有所不同。鋁合金車輪擺輾機擺頭運動軌跡為圓形，設備本身由勻速旋轉和進給兩個運動系統(tǒng)組成。

鋁合金車輪擺輾機的上主軸安裝于活動橫梁上，與機身垂直軸線的傾角為5°。上主軸靠液壓馬達驅動繞自身軸線旋轉，但不繞機身垂直軸線作擺動運動，并且在油缸的帶動下隨活動橫梁一起作等速或變速進給運動。下主軸安裝于擺輾機下橫梁上，其軸線即為機身垂直軸線。下主軸在驅動裝置的驅動下帶動工件繞自身軸線作勻速旋轉，與上主軸的運動相配合，實現(xiàn)對毛坯的圓周軌跡擺動輾壓。

鋁合金車輪擺輾機機械傳動機構采用兩級傳動方式。它由電機經(jīng)減速器、大小皮帶輪等兩級傳動將旋轉運動傳給下主軸，使下主軸帶動工件作勻速旋轉。但擺輾機也可以實現(xiàn)多級傳動，其下主軸轉速是可以調(diào)節(jié)的。鋁合金車輪擺輾機采用直流伺服電機，可以通過程序控制來調(diào)節(jié)電機轉速，實現(xiàn)對下主軸調(diào)速。

擺輾機機身及活動橫梁有限元分析

針對2500kN鋁合金車輪擺輾機，建立其機身及活動橫梁的有限元模型，并進行求解。將機身的每個結構件裝配成一體建立三維有限元模型時，應當采取一些簡化措施。油缸活塞和活塞桿的相關表面上受到工作液體作用于其上的面載荷；下主軸上表面受到工件傳給它的向下的偏心載荷；上主軸下表面受到工件傳給它的向上的偏心力，水平力為偏心力乘以5°偏角的正切值；預緊力施加在四個預緊螺栓上。鋁合金車輪擺輾機有限元模型載荷和約束的加載如圖2所示。

圖2 鋁合金車輪擺輾機模型加載圖

通過對機身及活動橫梁的有限元分析，發(fā)現(xiàn)其高應力區(qū)域應力值小于材料的許用應力；整個機身及活動橫梁在上下方向和前后方向上的最大位移值，均小于變形的最大允許值，滿足設計要求。

結論

⑴普通液壓機結構形式的鋁合金車輪擺輾機本體結構，擴大了液壓機的應用范圍，為擺輾工藝的發(fā)展開辟了一個新的方向，對擺輾工藝在各行業(yè)中的應用和推廣起到了促進作用。

⑵鋁合金車輪擺輾機的特點是比液壓機多兩個彼此軸線成5°的上、下主軸和相應的機械傳動系統(tǒng)。即鋁合金車輪擺輾機有兩個運動系統(tǒng)，一是推動活動橫梁做直線運動的液壓傳動系統(tǒng)，二是使主軸繞軸線轉動的機械傳動系統(tǒng)，它們的合成運動相當于一個螺旋運動。

⑶建立了2500kN鋁合金車輪擺輾機的有限元模型，進行了靜態(tài)分析，得到了其機身及活動橫梁的應力和位移分布規(guī)律，可以為工程實踐提供借鑒和參考。