王佰超，朱晶玉，張澧桐

（長春理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，吉林 長春 130022）

0 引言

隨著工業(yè)5.0時代的到來和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)領(lǐng)域所需的關(guān)鍵零件種類越來越多樣化，對零件性能的要求也越來越高。不僅要具有極強(qiáng)的服役功能，同時還要具有高穩(wěn)定性、輕量化和高精度等特點[1-2]。就其中所需的非圓截面薄壁零件來說，傳統(tǒng)制造工藝中是通過沖壓成形、內(nèi)高壓成形和焊接等技術(shù)完成。雖然彌補(bǔ)了零件的制造需要，但是這些成形方法存在成本高、效率低、工藝復(fù)雜、性能差等缺點[3-4]。

旋壓成形具有加工精度高，表面質(zhì)量好，機(jī)械性能好，材料利用率高等優(yōu)點，是實現(xiàn)非圓橫截面零件制造的潛在技術(shù)。目前，非圓橫截面薄壁零件旋壓設(shè)備的研發(fā)還處于發(fā)展階段，特別是對具有高可靠性、高精度、高穩(wěn)定性與高效率的數(shù)控旋壓機(jī)床的研發(fā)與制造仍然處于一個薄弱的環(huán)節(jié)，已逐步成為制約國內(nèi)金屬旋壓成形技術(shù)向前發(fā)展的關(guān)鍵因素[5]。因此對非圓旋壓成形裝置的研究具有廣闊的應(yīng)用前景和現(xiàn)實意義。

1 新型非圓旋壓設(shè)備整體結(jié)構(gòu)方案

根據(jù)非圓截面薄壁零件旋壓成形設(shè)備的使用要求和功能特點，對旋壓成形設(shè)備的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行構(gòu)思。通過對非圓截面薄壁零件成形原理的分析。進(jìn)而進(jìn)行非圓截面薄壁零件旋壓成形設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計（本文以橢圓形截面零件為參考）。圖1所示為橢圓形截面零件成形原理圖，圖2為旋壓成形設(shè)備末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)簡圖。

圖1 橢圓形截面零件成形原理圖

圖2 末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡圖

本文提供一種非圓截面薄壁零件的旋壓成形設(shè)備，該設(shè)備由機(jī)床與控制臺電路連接組成，機(jī)床包括床身、主軸傳動系統(tǒng)、進(jìn)給系統(tǒng)、末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)等，主軸傳動系統(tǒng)置于床身左部，用于夾持并旋轉(zhuǎn)待加工工件，進(jìn)給系統(tǒng)置于床身右部，進(jìn)給系統(tǒng)分為橫向進(jìn)給系統(tǒng)和縱向進(jìn)給系統(tǒng)，用于移動旋輪機(jī)構(gòu)來靠近待加工工件，末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)置于進(jìn)給系統(tǒng)頂端，通過旋輪軸與進(jìn)給系統(tǒng)連接，末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)上分布多個旋輪，旋輪通過輪盤固定于末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)，用于加工待加工工件。本文所研制的旋壓機(jī)床結(jié)構(gòu)簡單，加工精度高，可明顯提高旋壓成形加工效率。機(jī)床整體布局圖如圖3所示。

圖3 機(jī)床整體布局圖

2 新型非圓旋壓設(shè)備機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 床身結(jié)構(gòu)設(shè)計

機(jī)床床身是機(jī)床的基礎(chǔ)，床身上裝有主軸電機(jī)、主軸箱、進(jìn)給傳動部件以及尾座等組件，床身是主要起支撐作用，并且承受切削加工過程的動力載荷。所以機(jī)床床身要牢固穩(wěn)定且要有足夠的剛度強(qiáng)度，防止在加載的情況下發(fā)生嚴(yán)重變形或破裂。另外，還要考慮經(jīng)濟(jì)性和簡化設(shè)計等要求。根據(jù)機(jī)床的整體布局形式，設(shè)計如圖4所示的床身結(jié)構(gòu)。本文決定采用整體板梁焊接工藝，各個立柱均為方形截面型鋼，床身底座框架初步采用“口”字型結(jié)構(gòu)布局。

圖4 床身結(jié)構(gòu)圖

2.2 主軸傳動系統(tǒng)設(shè)計

主軸傳動系統(tǒng)是旋壓機(jī)床實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運動的核心部件，其主要由主軸、主軸箱體與安裝在主軸上的傳動件、密封件等組成。通常，主軸部件起到傳遞運動與動力的作用，同時作為工件的支撐體，承受管坯旋壓成形過程中徑向旋壓力、軸向旋壓力及切向旋壓力等。因此，合理設(shè)計旋壓設(shè)備的主軸傳動系統(tǒng)，對實現(xiàn)設(shè)備高速化、高回轉(zhuǎn)精度、高強(qiáng)度與剛度等具有重要意義[6]。

由于本文研制的非圓截面薄壁零件旋壓設(shè)備主軸傳動系統(tǒng)是采用交流永磁同步電機(jī)帶動工件，具備較高的主軸回轉(zhuǎn)速度和精度。綜合考慮軸上零件的裝配、定位和主軸的制造工藝性等，旋壓機(jī)主軸箱與帶輪安裝在床身一端，實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運動和動力的傳遞。該旋壓設(shè)備主軸箱結(jié)構(gòu)三維幾何模型如圖5所示。

圖5 主軸箱體結(jié)構(gòu)圖

2.3 進(jìn)給統(tǒng)設(shè)計

旋壓機(jī)進(jìn)給系統(tǒng)包括縱向進(jìn)給系統(tǒng)和向橫進(jìn)給系統(tǒng)，并通過橫向進(jìn)給和縱向進(jìn)給的并聯(lián)運動實現(xiàn)旋壓成形過程中進(jìn)給裝置的進(jìn)給運動。其結(jié)構(gòu)如圖6所示，為了滿足旋壓設(shè)備進(jìn)給系統(tǒng)高精度、高負(fù)荷與高穩(wěn)定性等要求，不僅要合理設(shè)計電氣控制系統(tǒng)，且還需對伺服驅(qū)動進(jìn)給系統(tǒng)的滾珠絲杠副與機(jī)械傳動裝置進(jìn)行合理的選型和結(jié)構(gòu)設(shè)計[7]。

圖6 進(jìn)給系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.4 末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計

末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)基于機(jī)械擺動導(dǎo)桿運動機(jī)構(gòu)的成形原理，將擺桿運動作為旋輪運動，將導(dǎo)桿作為零件運動。因此不僅保障了非圓截面薄壁零件的成形精度，同時末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)上均布多個旋輪，通過多個旋輪交替的旋壓成形運動，可明顯提高旋壓成形加工效率。此外，本文所設(shè)計開發(fā)的非圓截面薄壁零件旋壓成形設(shè)備其旋輪機(jī)構(gòu)不僅可以實現(xiàn)軸向移動和徑向移動，還可以繞軸向的轉(zhuǎn)動，因此本文所研究的旋壓設(shè)備是一個三軸聯(lián)動的新型旋壓設(shè)備。

如圖7所示，末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)由多個旋輪、輪盤、連桿、旋輪軸和旋輪軸伺服驅(qū)動電機(jī)等組成。其主要通過旋輪與零件的相對運動關(guān)系模型，編制機(jī)床的數(shù)控程序，利用數(shù)控程序來控制機(jī)床主軸與輪盤的相對運動速度，實現(xiàn)旋輪相對于零件在某一橫截面上的一周的周向運動。

圖7 末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)圖

3 新型非圓旋壓設(shè)備末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計

末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)作為非圓旋壓設(shè)備的主要執(zhí)行部件，其結(jié)構(gòu)性能直接影響旋壓制件的成形質(zhì)量。因此，本章節(jié)主要對與旋輪回轉(zhuǎn)半徑相關(guān)的零件結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。本文采用結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化[8-10]的方法，建立了以結(jié)構(gòu)柔度最?。▌偠茸畲蠡閮?yōu)化目標(biāo)的拓?fù)鋬?yōu)化模型，基于optistruct對末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)關(guān)鍵部件進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計并對模型進(jìn)行重構(gòu)，得到最終優(yōu)化模型。其設(shè)計流程如圖8所示。

圖8 拓?fù)鋬?yōu)化流程圖

3.1 基于SIMP插值模型的連續(xù)體結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型

以連續(xù)體結(jié)構(gòu)柔性度（剛度）拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計為例，在全局體積約束下，基于變密度法的拓?fù)鋬?yōu)化模型為：

3.2 拓?fù)鋬?yōu)化有限元仿真前處理

對結(jié)構(gòu)進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化之前，需要對模型進(jìn)行必有的處理，主要包括模型的修復(fù)與簡化、模型網(wǎng)格劃分以及模型邊界條件的設(shè)定[11-13]。

（1）模型的簡化與修復(fù)。在進(jìn)行結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化之前，對模型結(jié)構(gòu)進(jìn)行必要的幾何清理，如刪除倒角和一些不必要的幾何邊線等會對網(wǎng)格質(zhì)量產(chǎn)生影響的特征，確?？梢蕴岣吣Ｐ偷木W(wǎng)格質(zhì)量，提高優(yōu)化仿真的效率。

（2）模型網(wǎng)格劃分。就后續(xù)的拓?fù)鋬?yōu)化來說，適當(dāng)?shù)木W(wǎng)格劃分是尤為重要的，網(wǎng)格劃分主要分為四面體網(wǎng)格和六面體網(wǎng)格兩種類型，對于復(fù)雜的幾何體來說，六面體網(wǎng)格的劃分是十分困難的。通常在網(wǎng)格劃分過程中，模型細(xì)節(jié)越多劃分網(wǎng)格時，越需要對幾何模型進(jìn)行切割，本文對優(yōu)化結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格劃分類型為二階四面體，節(jié)點數(shù)目為92471，單元數(shù)為102529。輪盤結(jié)構(gòu)有限元模型如圖9所示。

圖9 輪盤結(jié)構(gòu)有限元模型

（3）模型邊界條件設(shè)定。連桿和輪盤之間是通過RBE2連接模擬，這種連接方式可以有效的減少應(yīng)力集中，是力的傳遞情況更符合實際加工情況[14]。在實際加工過程中，四個連桿交替輪流加載，單個連桿受載荷情況一致。輪盤結(jié)構(gòu)關(guān)于中心對稱，在對輪盤結(jié)構(gòu)進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化時，只需考慮單根連桿的交替受力情況，單個連桿的結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化完成后，可以把優(yōu)化結(jié)果對稱添加到其它連桿上。加工零件過程中連桿關(guān)節(jié)處受三向載荷，其等效載荷大小為9007,8N。輪盤結(jié)構(gòu)邊界條件如圖10所示。

圖10 輪盤結(jié)構(gòu)優(yōu)化邊界條件

3.3 輪盤結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計

（1）首先，對拓?fù)鋬?yōu)化前處理后的模型進(jìn)行基礎(chǔ)靜力學(xué)分析。輪盤結(jié)構(gòu)材料為45號鋼，許用應(yīng)力為345MPa，對輪盤結(jié)構(gòu)進(jìn)行基礎(chǔ)靜力學(xué)分析，其連桿的應(yīng)力應(yīng)變分布如圖11所示。輪盤的應(yīng)力應(yīng)變分布如圖12所示。

圖11 連桿應(yīng)力應(yīng)變分布圖

圖12 輪盤應(yīng)力應(yīng)變分布圖

從位移云圖可以看出，連桿的最大位移為0.093mm，出現(xiàn)在連桿外邊緣處。輪盤的最大位移為0.018mm，出現(xiàn)在連桿安裝位置的邊緣。從應(yīng)力云圖中可以看出，連桿的最大應(yīng)力為92.5MPa。發(fā)生在螺栓孔邊緣，輪盤的最大應(yīng)力為70.5MPa，同樣出現(xiàn)在輪盤螺栓孔邊緣。均小于其許用應(yīng)力力，前期設(shè)計符合要求，并為后期優(yōu)化結(jié)果的驗證提供依據(jù)。

（2）定義拓?fù)鋬?yōu)化過程的優(yōu)化參數(shù)設(shè)定。設(shè)計變量定義：分析輪盤結(jié)構(gòu)的傳力途徑，由于輪盤和連桿上含有大量的安裝面和連接孔等結(jié)構(gòu)，可供優(yōu)化的區(qū)域并不多。如圖13所示，藍(lán)色和艷紅色所屬區(qū)域為設(shè)計變量區(qū)域，即在此區(qū)域內(nèi)進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化。定義柔度響應(yīng)和體積分?jǐn)?shù)響應(yīng)[15]。該柔度為組合單個工況；體積分?jǐn)?shù)為設(shè)計變量關(guān)聯(lián)的設(shè)計空間分?jǐn)?shù)，定義約束：設(shè)定體積分?jǐn)?shù)為0.6。優(yōu)化目標(biāo)為柔度最小化，即剛度最大化。設(shè)置完成后，開始進(jìn)行優(yōu)化。

圖13 可優(yōu)化設(shè)計域

3.4 輪盤結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果及分析

拓?fù)鋬?yōu)化過程的應(yīng)變能迭代曲線如圖14所示，經(jīng)過34次迭代后目標(biāo)函數(shù)收斂。拓?fù)鋬?yōu)化的結(jié)果如圖5.9所示，

圖14 應(yīng)變能迭代曲線圖

由于連桿可優(yōu)化區(qū)域比較小，連桿結(jié)構(gòu)在交變載荷的作用下連桿結(jié)構(gòu)極易出現(xiàn)應(yīng)力集中的現(xiàn)象，本次優(yōu)化不對連桿結(jié)構(gòu)做相應(yīng)調(diào)整，故主要可優(yōu)化對象為輪盤扇形區(qū)域，輪盤結(jié)構(gòu)關(guān)于中心對稱，其具體優(yōu)化區(qū)域如圖15所示。

圖15 拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果

根據(jù)拓?fù)鋬?yōu)化的結(jié)果，重新建立模型，如圖16所示。

圖16 優(yōu)化后的三維模型

對新模型進(jìn)行靜力學(xué)仿真，驗證優(yōu)化結(jié)果。對新模型進(jìn)行幾何處理后，進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格類型為二階四面體網(wǎng)格，節(jié)點數(shù)目為92471，單元數(shù)為102529。然后設(shè)置相同的邊界條件，進(jìn)行靜力學(xué)分析。其連桿的應(yīng)力應(yīng)變分布如圖17所示。輪盤的應(yīng)力應(yīng)變分布如圖18所示。

圖17 連桿應(yīng)力應(yīng)變分布圖

圖18 輪盤應(yīng)力應(yīng)變分布圖

從位移云圖可以看出，連桿的最大位移為0.117mm，出現(xiàn)在連桿結(jié)構(gòu)邊緣，輪盤的最大位移為0.028mm，出現(xiàn)在連桿安裝位置的邊緣。從應(yīng)力云圖中可以看出，連桿的最大應(yīng)力為94.4MPa。發(fā)生在螺栓孔邊緣，輪盤的最大應(yīng)力為80.2MPa，同樣出現(xiàn)在輪盤螺栓孔邊緣。

由拓?fù)鋬?yōu)化分析結(jié)果可知：與優(yōu)化前的基礎(chǔ)靜力學(xué)結(jié)果對比可知，優(yōu)化后輪盤結(jié)構(gòu)性能明顯提升，經(jīng)過34步迭代后，結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化發(fā)生收斂,結(jié)構(gòu)最小總?cè)岫戎禐?24.6，比原來減小了71.83%；設(shè)計區(qū)域中輪盤的質(zhì)量由原來的8.41kg減小到6.19kg。

4 結(jié)語

本文所設(shè)計的非圓旋壓設(shè)備其末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)基于機(jī)械擺動導(dǎo)桿的運動原理，不僅保障了非圓截面薄壁零件的成形精度，同時末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)上均布多個旋輪，通過多個旋輪交替的旋壓成形運動，可明顯提高旋壓成形加工效率。又基于結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化原理，對末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，通過對比分析優(yōu)化前后結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、變形分布，結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能得到了明顯提升，優(yōu)化效果明顯。