一种环件矫圆机回转机构

翟 华，宥抟睿

（1.合肥工业大学 工业与装备技术研究院，安徽 合肥 230009；2.合肥工业大学 机械工程学院，安徽 合肥 230009）

一种环件矫圆机回转机构

翟 华1，2，宥抟睿2

（1.合肥工业大学 工业与装备技术研究院，安徽 合肥 230009；2.合肥工业大学 机械工程学院，安徽 合肥 230009）

根据环件矫圆要求，设计了一种新型大型环件圆度矫正机回转机构。对转动中的环件进行了受力分析，推导出了环件圆度矫正机回转机构圆辊与圆环之间的不打滑条件，得出环件圆度矫正机可驱动的异形环件的尺寸范围。

矫圆机；回转机构；圆度；大型环件

大型环件主要应用在工程机械、非开挖装备、化工、能源、水利水电和国防等行业领域[1]。圆度是保证装配质量的重要形位公差，现阶段运用辗环或扩孔技术[2]，对大高度差、大壁厚差、大椭圆度和偏心等缺陷的环坯件进行整圆，消除环坯件缺陷[3]。但辗环工艺无法进一步提高零件质量，由于连续施加载荷环件残余应力大，局部矫正工艺是保证环件圆度质量的重要工艺环节，需要专用的回转机构驱动环件回转实现环件局部矫正。

1 矫正机回转机构设计

如图1所示，由伺服电机带动的主动辊轮，在摩擦力作用下带动环件转动。主动辊轮外侧由弹簧抵住支撑辊轮，在给环坯件提供正压力，确保环坯件辊圆外，主动辊轮依然可以顺利带动环坯件转动。

图1 环件矫圆机构示意图

为了进一步稳定环坯件在转动过程中位置，矫正机中线左右两侧夹角为60°处有从动辊轮和支撑辊，样机建模如图2所示。

图2 回转机构三维图

2 回转机构受力分析

主动辊轮处受力如图3所示，主动辊轮带动圆环转动的条件是主动辊轮与圆环之间不出现打滑现象。已知条件为根据电机参数能得出电机带动的主动辊轮力偶矩M，辊轮半径r，辊轮与圆环之间的摩擦系数fs。F1、F2为从动辊轮支撑弹簧提供的支撑力，F3为主动辊轮弹簧提供的支撑力，k1、k2、k3分别为三个支撑弹簧的刚度系数，d1、d2、d3分别为它们的变形量。FN是主动辊轮对环件施加正压力，F是主动辊轮对环件施加驱动力，其表达式为

图3 主动辊轮处受力分析

由X、Y方向受力平衡可知[4]

主动辊轮对圆环施加的力为

由主动辊轮与圆环之间不打滑，可得

设圆环的最大圆度误差为Δ，所以三个弹簧的行程最大dmax=Δ。为保证圆辊与圆环之间不出现打滑，三处弹簧的刚度系数满足

假设k=k1=k2=k3，即可推出满足不打滑条件的弹簧刚度系数为

3 回转机构适应性分析

由于设备及工艺水平的限制，会出现“椭圆形”、“心形”等异形环件，需要分析此型环件圆度矫正机适用的范围。

3.1 椭圆形环件

三个支撑弹簧的最大行程为Δ，设环件的标准半径为R。当主动辊轮带动椭圆形环件转动时，会出现两种极限状态，第一种如图4a所示，椭圆长轴正好转动至主动辊轮正下方。

图4 椭圆形环件极限状态图

第二种极限状态如图4b所示，椭圆短轴正好转动至主动辊轮的正下方。所以设b=R，两侧支撑弹簧行程为Δ，可得

综上可得，处于半径分别为R1=两同心圆包络范围之内的椭圆环件可由环件矫正机驱动。

3.2 心形环件

当主动辊轮带动心形环件转动时，也会出现两种极限状态，第一种如图5a所示，心形环件凸起处正好转动至主动辊轮的正下方。设心形线极坐标方程为ρ=a（1-cosθ），由弹簧最大行程为Δ可知，a＜R+Δ。

第二种极限状态如图5b所示，心形环件凹处正好转动至主动辊轮的正下方。设心形线极坐标方程为ρ=a（1-cosθ），两侧支撑辊轮行程为Δ。

图5 心形环件极限状态图

由于环件尺寸较尺寸误差较大，所以三角形OAB可以近似视为等腰三角形，所以有AB的极限弦长b可由三角形边角关系计算，其值为

AB的弦长也可由心形极坐标方程得出

由一元二次不等式可得

所以，即凹凸处距离小于2amax的心形环件可由环件矫正机带动。

3.3 异形环件

由上两小节对常见异形环件的分析综合可知，处于半径分别为

两同心圆包络范围之内的异形环件应该可由环件圆度矫正机顺利驱动回转，如图6所示。

4 结论

图6 异形环件回转区域图

本文设计了一种大型环件圆度矫正机回转驱动机构，对转动中的环件进行了具体的受力分析，推导出圆辊与圆环之间的不打滑条件及转动环件受力的具体公式。最后总结了此矫圆机构所适用的环件范围。对环件的圆度矫正机构设计具有一定的参考意义。

[1]华 林.环件轧制成形原理和技术设计方法[D].西安交通大学，2000.

[2]吴 虔.大型辗环机轴向轧制机构有限元分析与结构改进[D].济南大学，2011.

[3]华 林，赵仲治，王华昌.环件轧制原理和设计方法[J].湖北工业大学学报，1995(S1)：66-70.

[4]刘鸿文.材料力学[M].北京：高等教育出版社，2004.

[5]崖华青，翟 华.一种曲轴自动校直液压机的检测系统设计[J].锻压装备与制造技术，2013，48(2)：52-54.

[6]陈善奇，翟 华，刘 洋，等.小直径轴管类零件圆度激光在线检测技术研究[J].锻压装备与制造技术，2015,50(5)：38-41.

A rotary mechanism of roundness straightening press for ring part

ZHAI Hua1,2，YOU Tuanrui2
（1.Industry and Equipment Technology Institute,Hefei University of Technology,Hefei 230009,Anhui China；2.School of mechanical engineering,Hefei University of Technology,Hefei 230009,Anhui China）

A new type of rotary mechanism of roundness straightening press for large ring part has been designed according to the straightening requirement.The forcing analysis has been conducted to the rotating ring.The non-slip conditions between round roller of rotary mechanism and ring in ring roundness straightening press have been deduced.The dimension range of special-shaped ring driven by the rotary mechanism has been obtained.

Roundness straightening press;Rotary mechanism;Roundness;Large ring

TH123；TG333.91

A

10.16316/j.issn.1672-0121.2016.06.009

1672-0121（2016）06-0036-03

2016-10-15；

2016-11-20

国家自然科学基金项目（51305116）；安徽省科技攻关项目（1604a0902138、1604a0902129）

翟 华（1973-），男，博士，教授，从事校直工艺理论及设计、液压系统及元件、现代设计理论及方法等研究。E-mail：jxzhaihuajx@sina.com。宥抟睿（1993-），男，硕士在读，主攻数字化设计及现代设计理论。E-mail：ytr930126@163.com