范興海,涂俊魁,許杰峰,陳雪兵

(1.馬鋼設(shè)備檢修公司 安徽馬鞍山 243002;2.馬鋼輪軸事業(yè)部 安徽馬鞍山 243000)

馬鋼輪軸事業(yè)部是我國最大的火車車輪輪箍生產(chǎn)基地，環(huán)件軋制線于2005年建成投產(chǎn)。環(huán)件生產(chǎn)工藝由鋼錠加熱、壓機(jī)墩粗及穿孔、碾環(huán)機(jī)碾壓、熱打印、熱處理、成品加工等組成。環(huán)件軋制是軸承、齒輪、火車車輪等基礎(chǔ)件的重要生產(chǎn)工藝方法，在許多工業(yè)領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用。

環(huán)件生產(chǎn)通過碾環(huán)機(jī)對環(huán)件徑向壁厚和軸向高度兩個(gè)方向進(jìn)行軋制使環(huán)坯直徑增大，壁厚減薄，截面輪廓逐漸成形的一種塑性加工工藝。環(huán)件件變形區(qū)幾何邊界是復(fù)雜的，不穩(wěn)定的，變形的熱、力條件也是動(dòng)態(tài)變化的，因而環(huán)件軋制變形具有高度復(fù)雜性，隨著機(jī)電液控制技術(shù)的快速發(fā)展，軋制過程中的環(huán)件精度控制越來越高，產(chǎn)品合格率極大提高，但由于大部分碾環(huán)機(jī)抱輥通過壓力控制，壓力設(shè)定不恰當(dāng)會(huì)使環(huán)件件左右晃動(dòng)，造成軋制不穩(wěn)定，甚至引起環(huán)件橢圓度超過設(shè)計(jì)要求，有必要對橢圓度超差的環(huán)件進(jìn)行矯正。

目前，環(huán)件自動(dòng)簡易矯正裝置在個(gè)別生產(chǎn)廠得到應(yīng)用，雖自動(dòng)化程度高，但對生產(chǎn)中只偶爾出現(xiàn)橢圓度超差的環(huán)件生產(chǎn)廠存在著投資效益比問題，有必要設(shè)計(jì)制造一套簡易橢圓環(huán)件的簡易矯正裝置對極個(gè)別橢圓度超差的環(huán)件實(shí)現(xiàn)矯正。

1 橢圓環(huán)件的簡易矯正裝置的設(shè)計(jì)

1.1 橢圓環(huán)件的簡易矯正裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

橢圓環(huán)件的簡易矯正裝置，包括底座、上頂桿、下頂桿、支撐板、機(jī)架、托輥、托輥支架等組成，整個(gè)裝置主要利用鉚焊的型材及鋼板進(jìn)行制作。橢圓環(huán)件簡易矯正裝置主視圖如圖1所示，俯視圖如圖2所示，底座是由50 mm后的鋼板切割成方形而成，底座四周對稱鉆了四個(gè)φ40通孔，用來穿過預(yù)埋在基礎(chǔ)上的固定螺栓，固定簡易矯正裝置，機(jī)架由50 mm厚的鋼板切割而成，通過焊接方式固定在底座上[1]，機(jī)架固定在底座上時(shí)按對角線對稱，機(jī)架中心偏離底座一定距離，機(jī)架對底座產(chǎn)生的傾覆力矩與環(huán)件重力對底座產(chǎn)生的傾覆力矩方向相反，相互抵消一部分傾覆力矩，托輥通過托輥支架固定在底座上，托輥輥?zhàn)幽軌蚶@心軸轉(zhuǎn)動(dòng)，托輥主視圖見圖3，支撐板焊在機(jī)架上，與機(jī)架垂直，上、下頂桿由圓鋼一端焊接圓弧鋼板制作而成，頂桿端部圓弧鋼板圓弧度根據(jù)與環(huán)件接觸的環(huán)件內(nèi)徑制作，考慮到橢圓環(huán)件的簡易矯正裝置本體結(jié)構(gòu)特征和現(xiàn)場條件，整個(gè)橢圓環(huán)件的簡易矯正裝置利用現(xiàn)場現(xiàn)有的液壓千斤頂做為動(dòng)力源進(jìn)行橢圓環(huán)件的矯正動(dòng)力，液壓千斤頂放在支撐板上。

圖1 橢圓環(huán)件簡易簡易矯正裝置主視圖

1.2 橢圓環(huán)件的簡易矯正裝置矯正力的確定

根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際，選用易產(chǎn)生橢圓的某直徑1400 mm的環(huán)件的最大橢圓度來進(jìn)行橢圓環(huán)件的簡易矯正裝置所需的矯正力，該環(huán)件材質(zhì)為合金鋼，其屈服極限為400MPa左右。

圖2 橢圓環(huán)件簡易簡易矯正裝置俯視圖

圖3 托輥主視圖

使用SolidWorks2014建立環(huán)件的三維模型[2]，并利用其simulation靜力分析模塊進(jìn)行應(yīng)力分析。根據(jù)橢圓環(huán)件的簡易矯正裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，環(huán)件的的矯正力施加位置和約束位置對稱布置。為使分析結(jié)果接近實(shí)際，對環(huán)件進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)采取最優(yōu)網(wǎng)格劃分，并對環(huán)件矯正力施加位置和約束位置進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化。，在應(yīng)力分析過程中，逐漸增加在環(huán)件上的作用力，當(dāng)施加在環(huán)件上的作用力為60T時(shí)，環(huán)件應(yīng)力分析結(jié)果如圖4所示，可以看出，最大應(yīng)力大小為430.5MPa，，大于環(huán)件屈服極限，足夠是環(huán)件產(chǎn)生塑性變形，故選用100T液壓千斤頂做為橢圓環(huán)件矯正動(dòng)力源。

2 橢圓環(huán)件的簡易矯正裝置的應(yīng)用

矯正時(shí)，首先對橢圓環(huán)件進(jìn)行測量，算出直徑偏差，標(biāo)出需要矯正部位，再進(jìn)行變形模擬，大概算出橢圓矯正所需要的力(通過有限元模擬得出)，然后將橢圓度超差的環(huán)件用吊帶吊到矯正裝置托輥上，環(huán)件在托輥上可以用很小的力實(shí)現(xiàn)自由旋轉(zhuǎn)，橢圓環(huán)件呈垂直放置，液壓千斤頂施加的張力通過上頂桿、支撐板、下頂桿作用在環(huán)件上，環(huán)件某一方向的橢圓度得到校正，隨后旋轉(zhuǎn)環(huán)件對下一方向的橢圓度進(jìn)行矯正，一般選擇對環(huán)件進(jìn)行2到3個(gè)方向矯正，即可達(dá)到環(huán)件設(shè)計(jì)要求。由于托輥轉(zhuǎn)套與軸之間采用滾動(dòng)副連接，轉(zhuǎn)套在很小的外力作用下可以繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)，從而對環(huán)件施加很小的力矩，可以實(shí)現(xiàn)在托輥上的旋轉(zhuǎn)。

圖4 環(huán)件應(yīng)力圖

3 結(jié)論

簡易的橢圓環(huán)件矯正裝置，通過對橢圓環(huán)件進(jìn)行變形模擬，算出橢圓矯正所需要的力，選出現(xiàn)場現(xiàn)有的液壓千斤頂做為矯正動(dòng)力源，使用型材及鋼板自行設(shè)計(jì)加工矯正裝置機(jī)械本體，填補(bǔ)了橢圓環(huán)件矯正的空白，經(jīng)現(xiàn)場使用達(dá)到了預(yù)期的效果，提高了環(huán)件產(chǎn)品的合格率。

設(shè)計(jì)過程中采用了三維軟件SolidWorks進(jìn)行有限元分析，在矯正裝置滿足機(jī)械強(qiáng)度的條件下，結(jié)構(gòu)緊湊，完全滿足了工藝需求。