PXW型擺輾機擺頭運動學分析及擺頭運動軌跡研究

耿 佩，黨 杰，楊建東，龔小濤

（西安航空職業(yè)技術(shù)學院，陜西 西安 710089）

擺動輾壓簡稱擺輾，最早出現(xiàn)在20世紀30年代。它是一種局部加壓的連續(xù)成形技術(shù)，具有省力、零件尺寸精度高、振動小、噪聲低等諸多優(yōu)點，正在逐步取代傳統(tǒng)鍛壓加工中工具與坯料間斷續(xù)（沖擊式）、整體式接觸施壓方式[1]，因此可以用較小噸位的設備來成形較大的鍛件，且可使成形件精度及對復雜形狀零件的實用性、勞動條件等得到較大改善。

擺碾成形基本原理如圖1所示。擺頭中心線OZ與機器主軸中心線OM相交成角，此角稱為擺角。當主軸旋轉(zhuǎn)時，OZ繞OM旋轉(zhuǎn)，于是上模便產(chǎn)生了擺動。與此同時，下模在油缸作用下上升，并對毛坯施壓，這樣上模母線就在毛坯上連續(xù)不斷地滾動，最后達到整體成形地目的。相當于錐體沿母線在工件上滾動+滑動，接觸面偏向一旁，即機床承受周期變形偏心載荷。擺頭與坯料之間的接觸面積是整體投影面積的1/n（n=5～10）倍，變形力僅為原來的1/n[2]。

圖1 擺輾原理示意圖

由波蘭人設計制造的PXW型擺輾機是擺輾原理機型，也是最早投入生產(chǎn)的機型，并一直沿用至今。該機型主要特點是擺輾機擺頭具有4種運動軌跡，可適應不同的加工場合[3]。后來研發(fā)出的擺輾機設備及其研究內(nèi)容也主要是圍繞PXW擺輾機來展開的。

1 擺頭運動學分析

PXW型擺輾機擺頭運動軌跡即為擺桿的運動軌跡，它是由兩個獨立的分支傳動鏈來驅(qū)動兩個偏心套（內(nèi)、外偏心套）轉(zhuǎn)動來實現(xiàn)的。由此可將擺頭運動特征用內(nèi)、外偏心套模型來表達，如圖2所示。其中內(nèi)偏心套圓心為 O1，外偏心套圓心為O，擺桿端面中心為O2。外偏心套繞其幾何中心O旋轉(zhuǎn)，內(nèi)偏心套繞其幾何中心O1旋轉(zhuǎn)。外偏心套旋轉(zhuǎn)時帶豆內(nèi)偏心套旋轉(zhuǎn)（公轉(zhuǎn)），而內(nèi)偏心套旋轉(zhuǎn)（自轉(zhuǎn)）時，不影響外偏心套旋轉(zhuǎn)。改變內(nèi)外偏心套旋轉(zhuǎn)速度和方向，可實現(xiàn)其同速同向、同速異向、異速同向和異速異向4種組合運動[4，5]。

圖2 內(nèi)外偏心套模型

為進一步研究PXW型機內(nèi)、外偏心套擺頭的運動軌跡，簡化圖2所示雙偏心套模型，換用矢量方法來表示，擺頭運動軌跡的水平投影可用圖3中矢量的終點位置來表示，它是由內(nèi)、外偏心套兩個旋轉(zhuǎn)運動而合成的，其中內(nèi)、外偏心套的偏心距為r，矢量的矢徑與極坐標的角度分別為：

圖3 內(nèi)外偏心套矢量模型

φ——擺頭瞬時轉(zhuǎn)角；

t——時間（min）。

2 擺頭運動軌跡分析

基于上述擺頭內(nèi)、外偏心套運動模型，利用MATLAB軟件對內(nèi)、外偏心套不同運動方向和速度的組合情況進行模擬分析，發(fā)現(xiàn)：當內(nèi)、外偏心套同向同速運動時，擺頭的運動軌跡是以外偏心套幾何中心O為中心，半徑為2r的圓形軌跡，如圖4a所示；當內(nèi)、外偏心套同速反向旋轉(zhuǎn)時，擺頭軸端中心點運動軌跡是以外偏心套幾何中心O為中心，長度為4r的一條直線，如圖4b所示；當內(nèi)、外偏心套異速同向旋轉(zhuǎn)時，擺頭軸端中心點運動軌跡是螺旋線，且螺旋線運動范圍在半徑2r的圓內(nèi)，如圖4c所示；當內(nèi)、外偏心套異速異向旋轉(zhuǎn)時，擺頭軸端中心點運動軌跡是多葉玫瑰線，且多葉玫瑰線運動范圍在半徑為2r的圓內(nèi)，如圖4d所示。

圖4 PXW型擺輾機擺頭運動軌跡

3 擺頭螺旋線運動軌跡形成過程

4 結(jié)論

基于PXW擺輾機內(nèi)、外偏心套運動模型，通過運動學分析，建立擺頭矢量坐標方程；運用MATLAB軟件對內(nèi)外偏心套不同運動組合進行數(shù)值模擬，驗證了當內(nèi)、外偏心套同向同速、同速反向、異速同向及異速異向旋轉(zhuǎn)時，擺頭運動軌跡分別為圓形、直線、螺旋線和多葉玫瑰線；模擬分析得出螺旋線運動軌跡的形成規(guī)律：在0-π時刻，擺頭軸端中心點逐漸靠近軸心并同時做螺旋式上升；在π-2π時刻，擺頭軸端中心點逐漸遠離軸心并做螺旋式上升。

表1 螺旋線形成過程示意圖

[1] 胡亞民，伍太賓，趙軍華.擺動輾壓工藝及模具設計[M].第二版.重慶：重慶大學出版社，2008.

[2] 馮文成，姚萬貴，蔣 鵬.擺輾機新型螺旋線運動軌跡研究[J].鍛壓裝備與制造技術(shù)，2014，49（2）：37-39.

[3] 溫正中忠，諸文俊，胡亞民.PXW型擺輾機擺動機構(gòu)運動學問題初探[J].金屬成形工藝，1999，17（3）：1-3.

[4] 劉漢貴，黃少東.波蘭PXWP-100C型擺輾機擺頭運動軌跡設計的數(shù)學依據(jù)[J].重型機械，1991，（5）：18-20.

[5] 龔小濤.汽車半軸擺輾工藝設計及模具失效分析[J].熱加工工藝，2015，（1）：159-160.