一種環件矯圓機回轉機構

翟 華，宥摶睿

（1.合肥工業大學 工業與裝備技術研究院，安徽 合肥 230009；2.合肥工業大學 機械工程學院，安徽 合肥 230009）

一種環件矯圓機回轉機構

翟 華1，2，宥摶睿2

（1.合肥工業大學 工業與裝備技術研究院，安徽 合肥 230009；2.合肥工業大學 機械工程學院，安徽 合肥 230009）

根據環件矯圓要求，設計了一種新型大型環件圓度矯正機回轉機構。對轉動中的環件進行了受力分析，推導出了環件圓度矯正機回轉機構圓輥與圓環之間的不打滑條件，得出環件圓度矯正機可驅動的異形環件的尺寸范圍。

矯圓機；回轉機構；圓度；大型環件

大型環件主要應用在工程機械、非開挖裝備、化工、能源、水利水電和國防等行業領域[1]。圓度是保證裝配質量的重要形位公差，現階段運用輾環或擴孔技術[2]，對大高度差、大壁厚差、大橢圓度和偏心等缺陷的環坯件進行整圓，消除環坯件缺陷[3]。但輾環工藝無法進一步提高零件質量，由于連續施加載荷環件殘余應力大，局部矯正工藝是保證環件圓度質量的重要工藝環節，需要專用的回轉機構驅動環件回轉實現環件局部矯正。

1 矯正機回轉機構設計

如圖1所示，由伺服電機帶動的主動輥輪，在摩擦力作用下帶動環件轉動。主動輥輪外側由彈簧抵住支撐輥輪，在給環坯件提供正壓力，確保環坯件輥圓外，主動輥輪依然可以順利帶動環坯件轉動。

圖1 環件矯圓機構示意圖

為了進一步穩定環坯件在轉動過程中位置，矯正機中線左右兩側夾角為60°處有從動輥輪和支撐輥，樣機建模如圖2所示。

圖2 回轉機構三維圖

2 回轉機構受力分析

主動輥輪處受力如圖3所示，主動輥輪帶動圓環轉動的條件是主動輥輪與圓環之間不出現打滑現象。已知條件為根據電機參數能得出電機帶動的主動輥輪力偶矩M，輥輪半徑r，輥輪與圓環之間的摩擦系數fs。F1、F2為從動輥輪支撐彈簧提供的支撐力，F3為主動輥輪彈簧提供的支撐力，k1、k2、k3分別為三個支撐彈簧的剛度系數，d1、d2、d3分別為它們的變形量。FN是主動輥輪對環件施加正壓力，F是主動輥輪對環件施加驅動力，其表達式為

圖3 主動輥輪處受力分析

由X、Y方向受力平衡可知[4]

主動輥輪對圓環施加的力為

由主動輥輪與圓環之間不打滑，可得

設圓環的最大圓度誤差為Δ，所以三個彈簧的行程最大dmax=Δ。為保證圓輥與圓環之間不出現打滑，三處彈簧的剛度系數滿足

假設k=k1=k2=k3，即可推出滿足不打滑條件的彈簧剛度系數為

3 回轉機構適應性分析

由于設備及工藝水平的限制，會出現“橢圓形”、“心形”等異形環件，需要分析此型環件圓度矯正機適用的范圍。

3.1 橢圓形環件

三個支撐彈簧的最大行程為Δ，設環件的標準半徑為R。當主動輥輪帶動橢圓形環件轉動時，會出現兩種極限狀態，第一種如圖4a所示，橢圓長軸正好轉動至主動輥輪正下方。

圖4 橢圓形環件極限狀態圖

第二種極限狀態如圖4b所示，橢圓短軸正好轉動至主動輥輪的正下方。所以設b=R，兩側支撐彈簧行程為Δ，可得

綜上可得，處于半徑分別為R1=兩同心圓包絡范圍之內的橢圓環件可由環件矯正機驅動。

3.2 心形環件

當主動輥輪帶動心形環件轉動時，也會出現兩種極限狀態，第一種如圖5a所示，心形環件凸起處正好轉動至主動輥輪的正下方。設心形線極坐標方程為ρ=a（1-cosθ），由彈簧最大行程為Δ可知，a＜R+Δ。

第二種極限狀態如圖5b所示，心形環件凹處正好轉動至主動輥輪的正下方。設心形線極坐標方程為ρ=a（1-cosθ），兩側支撐輥輪行程為Δ。

圖5 心形環件極限狀態圖

由于環件尺寸較尺寸誤差較大，所以三角形OAB可以近似視為等腰三角形，所以有AB的極限弦長b可由三角形邊角關系計算，其值為

AB的弦長也可由心形極坐標方程得出

由一元二次不等式可得

所以，即凹凸處距離小于2amax的心形環件可由環件矯正機帶動。

3.3 異形環件

由上兩小節對常見異形環件的分析綜合可知，處于半徑分別為

兩同心圓包絡范圍之內的異形環件應該可由環件圓度矯正機順利驅動回轉，如圖6所示。

4 結論

圖6 異形環件回轉區域圖

本文設計了一種大型環件圓度矯正機回轉驅動機構，對轉動中的環件進行了具體的受力分析，推導出圓輥與圓環之間的不打滑條件及轉動環件受力的具體公式。最后總結了此矯圓機構所適用的環件范圍。對環件的圓度矯正機構設計具有一定的參考意義。

[1]華 林.環件軋制成形原理和技術設計方法[D].西安交通大學，2000.

[2]吳 虔.大型輾環機軸向軋制機構有限元分析與結構改進[D].濟南大學，2011.

[3]華 林，趙仲治，王華昌.環件軋制原理和設計方法[J].湖北工業大學學報，1995(S1)：66-70.

[4]劉鴻文.材料力學[M].北京：高等教育出版社，2004.

[5]崖華青，翟 華.一種曲軸自動校直液壓機的檢測系統設計[J].鍛壓裝備與制造技術，2013，48(2)：52-54.

[6]陳善奇，翟 華，劉 洋，等.小直徑軸管類零件圓度激光在線檢測技術研究[J].鍛壓裝備與制造技術，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

國家自然科學基金項目（51305116）；安徽省科技攻關項目（1604a0902138、1604a0902129）

翟 華（1973-），男，博士，教授，從事校直工藝理論及設計、液壓系統及元件、現代設計理論及方法等研究。E-mail：jxzhaihuajx@sina.com。宥摶睿（1993-），男，碩士在讀，主攻數字化設計及現代設計理論。E-mail：ytr930126@163.com