同步旋转模环旋压机研究及自适应系统设计

2015-01-28山西中北大学机械与动力工程学院彭星庞俊忠刘德昌

河北农机 2015年12期

山西中北大学机械与动力工程学院彭星庞俊忠刘德昌

1 引言

旋压成形技术是先进制造工艺技术其中的一种方法，它通过旋转使工件受力点由点到线，再由线到面，同时在某个方向施加一定压力，使金属材料沿特定方向变形和流动，从而完成工件加工。旋压技术解决了薄壁壳体在车削加工时存在的刚度低、颤动大、加工精度低等技术问题或根本无法加工的技术难题，降低了制造成本，提高了材料利用率和加工效率，以及材料的机械性能，是实现薄壁回转壳体加工过程数字化、柔性化、复合化、精确化的最佳工艺方法之一。旋压成形技术在航天航空、核工业、石油化工等大型不锈钢、高强度钢薄壁壳体的生产中具有广泛的应用。

强力旋压是普通旋压的升级，其工作原理如图1所示。在实际加工过程中多数采用固定芯模，毛坯末端固定，旋轮横纵向同时进给，材料的流动方向和旋轮进给方向以相反的反旋方式加工。此种旋压方式在大旋压过程中由于刚度不足会引起工件隆起严重、扭转变形、弯曲变形、撕裂损坏等。

图1 强力旋压

同步旋转模环旋压技术是一种全新的旋压成形技术，其原理如图2所示。此种技术是在传统的强力旋压基础上在旋压工件的一端增加恒定轴向推力，另一端施加自适应的恒定轴向拉力，两端同时主动旋转的成形方法。旋轮固定、工件在移动和旋转过程中完成加工；这种方式在薄壁件整体旋压成形过程中采用浮动芯模，有效降低了旋压件的隆起和振动等问题。同时，依靠恒定张力作用保证产品的圆度、直线度等关键精度远远高于传统强力旋压。

图2 同步旋转模环旋压

2 张力驱动系统设计

同步旋转模环旋压的张力驱动系统需要自适应程度强，在旋压减薄过程中，工件已成型部分伸长量能够被张力驱动系统所平衡。

国内外旋压机采用两端固定旋压，目前通过恒定张力实现自适应的研究还比较缺乏，目前理论上实现自适应的原理方案主要有三种。一种是利用滚珠丝杠恒定扭矩来控制，另一种是利用液压油缸来控制，最后一种是利用液压配合丝杠的方法实现自适应。

采用液压油缸单一驱动时，若筒形件较长，则需要行程很大的液压油缸。而张力驱动部分还需要布置导轨、电机、支撑等零件，结构的相互干涉会影响旋压的精度，甚至出现不能运转的情况。所以在实际生产中不适宜采用单一的液压油缸进行驱动。

在传统的生产实践中多数都采用伺服滚珠丝杠系统进行进给。而带位置传感器的可控活塞杆行程的液压缸在近年来发展很快。液压缸可以利用滚珠丝杆副把活塞杆的直线位移转化成滚珠丝杆的角位移，然后由旋转编码器对此角位移进行分析测量，再经过反推后计算可获得活塞杆的伸出量长短[3]。

当采用液压油缸加滚珠丝杠配合进行驱动时，液压油缸加滚珠丝杠驱动的原理如图3所示。在旋压过程中，由张力驱动系统带动工件在导轨上运行，同时随着旋压过程工件也在不断伸长。工件在推力和张力驱动系统的作用下进行轴向运动，所以我们利用滚珠丝杠作为导程，工件的运行量由丝杠去平衡。而张力驱动的动力由液压油缸提供，工件在旋压过程中的伸长量由液压油缸活塞杆的伸长量去平衡。利用此原理则可实现旋压过程的自适应，精确度高，在原理上非常满足生产的需要，但是其结构复杂，油缸、编码器等比起双丝杠驱动没有价格优势。

图3 油缸与丝杠实现自适应原理图

根据滚珠丝杠副的运转顺滑、消除轴向间隙和制造的一致性，当我们采用两套滚珠丝杠副来同时驱动旋压工件时，可获得良好的同步工作。同时微量进给可以低速或高速进给。鉴于滚珠丝杠副的高效性和精密性，我们设置了一套双驱动螺母旋转型滚珠丝杠副的进给装置，张力驱动系统采用双丝杠驱动的原理如图4所示。依靠恒扭矩电机来控制双驱动螺母旋转型滚珠丝杠副运动的同步性。而工件的运动以及伸长量可以由动态的恒定旋转扭矩滚珠丝杠来实现。采用高精度的扭矩传感器+变频电机调节来实现滚珠丝杠扭矩的恒定，从而实现自适应。