同步旋轉模環旋壓機研究及自適應系統設計

山西中北大學機械與動力工程學院 彭星 龐俊忠 劉德昌

1 引言

旋壓成形技術是先進制造工藝技術其中的一種方法，它通過旋轉使工件受力點由點到線，再由線到面，同時在某個方向施加一定壓力，使金屬材料沿特定方向變形和流動，從而完成工件加工。旋壓技術解決了薄壁殼體在車削加工時存在的剛度低、顫動大、加工精度低等技術問題或根本無法加工的技術難題，降低了制造成本，提高了材料利用率和加工效率，以及材料的機械性能，是實現薄壁回轉殼體加工過程數字化、柔性化、復合化、精確化的最佳工藝方法之一。旋壓成形技術在航天航空、核工業、石油化工等大型不銹鋼、高強度鋼薄壁殼體的生產中具有廣泛的應用。

強力旋壓是普通旋壓的升級，其工作原理如圖1所示。在實際加工過程中多數采用固定芯模，毛坯末端固定，旋輪橫縱向同時進給，材料的流動方向和旋輪進給方向以相反的反旋方式加工。此種旋壓方式在大旋壓過程中由于剛度不足會引起工件隆起嚴重、扭轉變形、彎曲變形、撕裂損壞等。

圖1 強力旋壓

同步旋轉模環旋壓技術是一種全新的旋壓成形技術，其原理如圖2所示。此種技術是在傳統的強力旋壓基礎上在旋壓工件的一端增加恒定軸向推力，另一端施加自適應的恒定軸向拉力，兩端同時主動旋轉的成形方法。旋輪固定、工件在移動和旋轉過程中完成加工；這種方式在薄壁件整體旋壓成形過程中采用浮動芯模，有效降低了旋壓件的隆起和振動等問題。同時，依靠恒定張力作用保證產品的圓度、直線度等關鍵精度遠遠高于傳統強力旋壓。

圖2 同步旋轉模環旋壓

2 張力驅動系統設計

同步旋轉模環旋壓的張力驅動系統需要自適應程度強，在旋壓減薄過程中，工件已成型部分伸長量能夠被張力驅動系統所平衡。

國內外旋壓機采用兩端固定旋壓，目前通過恒定張力實現自適應的研究還比較缺乏，目前理論上實現自適應的原理方案主要有三種。一種是利用滾珠絲杠恒定扭矩來控制，另一種是利用液壓油缸來控制，最后一種是利用液壓配合絲杠的方法實現自適應。

采用液壓油缸單一驅動時，若筒形件較長，則需要行程很大的液壓油缸。而張力驅動部分還需要布置導軌、電機、支撐等零件，結構的相互干涉會影響旋壓的精度，甚至出現不能運轉的情況。所以在實際生產中不適宜采用單一的液壓油缸進行驅動。

在傳統的生產實踐中多數都采用伺服滾珠絲杠系統進行進給。而帶位置傳感器的可控活塞桿行程的液壓缸在近年來發展很快。液壓缸可以利用滾珠絲桿副把活塞桿的直線位移轉化成滾珠絲桿的角位移，然后由旋轉編碼器對此角位移進行分析測量，再經過反推后計算可獲得活塞桿的伸出量長短[3]。

當采用液壓油缸加滾珠絲杠配合進行驅動時，液壓油缸加滾珠絲杠驅動的原理如圖3所示。在旋壓過程中，由張力驅動系統帶動工件在導軌上運行，同時隨著旋壓過程工件也在不斷伸長。工件在推力和張力驅動系統的作用下進行軸向運動，所以我們利用滾珠絲杠作為導程，工件的運行量由絲杠去平衡。而張力驅動的動力由液壓油缸提供，工件在旋壓過程中的伸長量由液壓油缸活塞桿的伸長量去平衡。利用此原理則可實現旋壓過程的自適應，精確度高，在原理上非常滿足生產的需要，但是其結構復雜，油缸、編碼器等比起雙絲杠驅動沒有價格優勢。

圖3 油缸與絲杠實現自適應原理圖

根據滾珠絲杠副的運轉順滑、消除軸向間隙和制造的一致性，當我們采用兩套滾珠絲杠副來同時驅動旋壓工件時，可獲得良好的同步工作。同時微量進給可以低速或高速進給。鑒于滾珠絲杠副的高效性和精密性，我們設置了一套雙驅動螺母旋轉型滾珠絲杠副的進給裝置，張力驅動系統采用雙絲杠驅動的原理如圖4所示。依靠恒扭矩電機來控制雙驅動螺母旋轉型滾珠絲杠副運動的同步性。而工件的運動以及伸長量可以由動態的恒定旋轉扭矩滾珠絲杠來實現。采用高精度的扭矩傳感器+變頻電機調節來實現滾珠絲杠扭矩的恒定，從而實現自適應。

圖4 絲杠雙驅動實現自適應原理圖

3 結論

（1）提出了一種新的旋壓成型技術——同步旋轉模環旋壓，比較了普通旋壓、強力旋壓和同步旋轉模環旋壓的特點。

（2）分析比較了張力驅動系統實現自適應的三種方法的優缺點，最終選擇了恒扭矩雙驅動螺母旋轉型滾珠絲杠副進行驅動。

[1]趙升噸,趙承偉,王君峰等.現代旋壓設備發展趨勢的探討[J].中國機械工程,2012,23（10）:1251-1252.

[2]趙云豪,李彥利.旋壓技術與應運[M].北京：機電工業出版社,2007.

[3]劉成祥.液體靜壓導軌恒流量控制的設計與分析[J].機床與液壓,2008.