铝合金车轮摆辗机的设计与研究

文/刘建芳，王利梅·秦皇岛戴卡兴龙轮毂有限公司

李建·秦皇岛燕大现代集成制造技术开发有限公司

马春荣·大连大学机械工程学院

铝合金车轮摆辗机的设计与研究

文/刘建芳，王利梅·秦皇岛戴卡兴龙轮毂有限公司

李建·秦皇岛燕大现代集成制造技术开发有限公司

马春荣·大连大学机械工程学院

摆辗机是实现摆辗技术的特种成形设备。铝合金车轮摆辗机采用普通液压机结构形式，主要由机身、活动横梁（滑块）、底座、上主轴、下主轴、驱动装置和油缸七部分组成。针对2500kN铝合金车轮摆辗机，给出了其本体结构的设计方案，对其机身及活动横梁进行了有限元分析，得到了合理的分析结果。

刘建芳，开发部部长，全面负责公司新产品研发相关的工作，对机械设备的设计制造、铝合金车轮的设计制造有比较深入的研究，了解铝合金车轮的锻造、铸造、旋压等制造工艺。

铝合金车轮的制造工艺主要有铸造、铸旋、锻造等，其中，锻造工艺中很重要的一个工序就是摆辗成形。摆辗机是实现摆辗技术的特种成形设备，铝合金车轮摆辗机也是全自动锻造铝合金车轮生产线的主要设备。随着世界汽车工业对锻造铝合金车轮的大量需求，铝合金车轮摆辗机的开发、研制已成为我国势在必行的攻关项目和车轮制造行业普遍关注的焦点问题之一。

铝合金车轮摆辗机本体结构方案设计

摆辗机本体结构方案

铝合金车轮摆辗机本体结构方案采用普通液压机结构形式，主要分为机身、活动横梁（滑块）、底座、上主轴、下主轴、驱动装置和油缸七部分，如图1所示。上主轴安装在液压机的活动横梁上，与机身的垂直轴线的倾角为5°，工作时绕自身轴线转动，并在油缸的带动下随活动横梁作进给运动对毛坯施压；下主轴安装于液压机的下横梁上，在驱动装置带动下绕垂直轴线转动，完成对毛坯的摆动辗压。

机身结构设计

机身是摆辗机的主要部件之一。机身把摆辗机的全部零件联结在一起，组成一台机器。当摆辗机工作时，机身承受全部变形力。机身在变形力的作用下引起弹性变形，会使产品质量和模具寿命受到影响。摆辗机的机身多采用框架式机身。这类机身分整体式和组合式两种。整体式机身加工装配工作量较小，但需要大型加工设备，运输也比较困难。

铝合金车轮摆辗机为框架式机身，采用组合式焊接结构，由上横梁、下横梁、立柱和四个拉紧螺栓组成。上、下横梁和立柱通过拉紧螺栓组成一个整体。上、下横梁和立柱之间分别采用四个环形键来定位，其圆形键槽与拉紧螺栓孔同心。

活动横梁结构设计

活动横梁（滑块）是一个传递力的部件，它将油缸的推力传递给工件，使之产生塑性变形，以便达到预期的加工目的。活动横梁上端和四个油缸中的活塞杆联结，四周与导轨相配合，活动横梁中安装上主轴。工作时，活动横梁在油缸推动下沿导轨作上下往复运动。

活动横梁分箱形结构和圆形结构两种，而箱形结构又有铸造和焊接两种形式。箱形结构为保证导向精度，在活动横梁四个角上设导向面，以便和机身上的导轨相互滑动配合。为了保证活动横梁的运动精度，活动横梁导向面应该有足够的长度，即活动横梁的高度要做的足够高。活动横梁高度与宽度的比值均要大于1，一般在1.08～1.32之间。因为在相同导向间隙的情况下，导向部分越长，活动横梁偏移越小。即活动横梁导向部分越长，则活动横梁行程的垂直性越好，精度越高。

铝合金车轮摆辗机活动横梁采用焊接式箱形结构。为了保证较高的导向精度，使用了八面调节导轨间隙的机构，八个导轨面均可单独调节，每个调节面都有一组推拉螺钉。

油缸设计计算

油缸的作用是将液压油输出的液体能量转换成活动横梁的机械能。它是铝合金车轮摆辗机的动力源之一。根据摆辗机结构的不同，油缸分为柱塞式油缸和活塞式油缸两种。柱塞式油缸是单向作用的油缸，必须配置回程缸，以便使活动横梁回到原位。活塞式油缸是双向作用的油缸，不必配置回程缸。

铝合金车轮摆辗机采用活塞式油缸，四个油缸用法兰对称固定在上横梁的四个角上，四个油缸中的活塞杆与活动横梁上端面联结，油缸的活塞杆推动活动横梁沿导轨作上下往复运动。

图1 铝合金车轮摆辗机本体结构简图

传动系统设计

铝合金车轮摆辗机属于专用设备，其传动系统与常规摆辗机有较大区别，实现摆动辗压的原理也有所不同。铝合金车轮摆辗机摆头运动轨迹为圆形，设备本身由匀速旋转和进给两个运动系统组成。

铝合金车轮摆辗机的上主轴安装于活动横梁上，与机身垂直轴线的倾角为5°。上主轴靠液压马达驱动绕自身轴线旋转，但不绕机身垂直轴线作摆动运动，并且在油缸的带动下随活动横梁一起作等速或变速进给运动。下主轴安装于摆辗机下横梁上，其轴线即为机身垂直轴线。下主轴在驱动装置的驱动下带动工件绕自身轴线作匀速旋转，与上主轴的运动相配合，实现对毛坯的圆周轨迹摆动辗压。

铝合金车轮摆辗机机械传动机构采用两级传动方式。它由电机经减速器、大小皮带轮等两级传动将旋转运动传给下主轴，使下主轴带动工件作匀速旋转。但摆辗机也可以实现多级传动，其下主轴转速是可以调节的。铝合金车轮摆辗机采用直流伺服电机，可以通过程序控制来调节电机转速，实现对下主轴调速。

摆辗机机身及活动横梁有限元分析

针对2500kN铝合金车轮摆辗机，建立其机身及活动横梁的有限元模型，并进行求解。将机身的每个结构件装配成一体建立三维有限元模型时，应当采取一些简化措施。油缸活塞和活塞杆的相关表面上受到工作液体作用于其上的面载荷；下主轴上表面受到工件传给它的向下的偏心载荷；上主轴下表面受到工件传给它的向上的偏心力，水平力为偏心力乘以5°偏角的正切值；预紧力施加在四个预紧螺栓上。铝合金车轮摆辗机有限元模型载荷和约束的加载如图2所示。

图2 铝合金车轮摆辗机模型加载图

通过对机身及活动横梁的有限元分析，发现其高应力区域应力值小于材料的许用应力；整个机身及活动横梁在上下方向和前后方向上的最大位移值，均小于变形的最大允许值，满足设计要求。

结论

⑴普通液压机结构形式的铝合金车轮摆辗机本体结构，扩大了液压机的应用范围，为摆辗工艺的发展开辟了一个新的方向，对摆辗工艺在各行业中的应用和推广起到了促进作用。

⑵铝合金车轮摆辗机的特点是比液压机多两个彼此轴线成5°的上、下主轴和相应的机械传动系统。即铝合金车轮摆辗机有两个运动系统，一是推动活动横梁做直线运动的液压传动系统，二是使主轴绕轴线转动的机械传动系统，它们的合成运动相当于一个螺旋运动。

⑶建立了2500kN铝合金车轮摆辗机的有限元模型，进行了静态分析，得到了其机身及活动横梁的应力和位移分布规律，可以为工程实践提供借鉴和参考。