液力變矩器渦輪葉片固定滾鉚機(jī)的設(shè)計(jì)與研究

潘文宏

(陜西國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710300)

液力變矩器由于出色的傳遞輸送扭矩、增扭、變速、減震、離合和自適應(yīng)特性，在汽車、農(nóng)業(yè)機(jī)械、軍用車輛、風(fēng)力發(fā)電以及工程機(jī)械(如推土機(jī)、裝載機(jī)和液力叉車等)等領(lǐng)域的傳動(dòng)系統(tǒng)中得以廣泛應(yīng)用[1]。同時(shí)，其是一項(xiàng)技術(shù)含量很高的產(chǎn)品，因此人們對(duì)液力變矩器加工設(shè)備的開發(fā)也提出了要求。

目前，國內(nèi)大部分企業(yè)還是以傳統(tǒng)手工作業(yè)為主，即現(xiàn)有非流水線生產(chǎn)都是手工捶打，只要貼合就可以，并無太多要求，因此廢品率難以控制，生產(chǎn)效率低下。滾鉚自動(dòng)化程度不高，并且專業(yè)化設(shè)備比較缺少，發(fā)展緩慢，效率難以得到保證。但是隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，我國的滾鉚工藝也日趨完善，日漸成熟。

液力變矩器由泵輪、渦輪、導(dǎo)輪組成，其原理圖如圖1所示。對(duì)于液力變矩器滾鉚工藝來說，其主要是為了方便葉片的固定以便于在液力變矩器內(nèi)部流道增距?？紤]到液力變矩器的制造工藝，其可以分為泵輪分總成滾鉚和渦輪分總成滾鉚。

其中渦輪是由內(nèi)環(huán)、外環(huán)和葉片組成的，而葉片是由葉片主體和耳片組成的。渦輪葉片成型后示意圖，如圖2所示。

在制造工藝上采用了機(jī)、電、液自動(dòng)控制技術(shù)一體化的專用機(jī)床進(jìn)行制造，該設(shè)備帶有人工操作開關(guān)和信號(hào)指示，是液力變矩器自動(dòng)化生產(chǎn)線生產(chǎn)技術(shù)很重要的組成部分。如液力變矩器滾鉚機(jī)作為很重要的加工設(shè)備之一，大批量生產(chǎn)，自動(dòng)化水平高已是其鮮明的特點(diǎn)。

1 滾鉚工藝分析

滾鉚成型其實(shí)是一種鈑金折彎的塑性變形[2]，滾鉚是將露出外環(huán)的耳片定位爪壓彎，實(shí)現(xiàn)壓彎后的葉片定位爪與外環(huán)背部結(jié)合處貼合緊密。壓彎后的葉片爪與外環(huán)或外殼的貼合間隙在0.2 mm以下。這種滾鉚實(shí)際上就是折彎。渦輪外環(huán)是由渦輪轂和渦輪轂內(nèi)環(huán)槽處葉片定位爪(耳片)裝配而成。

渦輪葉片滾鉚加工對(duì)象為回轉(zhuǎn)類和盤類零件(內(nèi)腔帶葉片)；滾鉚加工零件最大的外形尺寸：φ350 mm×100 mm，葉片厚度為2 mm，最大重量5 kg/件。滾鉚前插裝葉片效果圖如圖3和圖4所示，滾鉚后效果圖如圖5所示。

2 總體方案設(shè)計(jì)

液力變矩器滾鉚機(jī)床總體為立式結(jié)構(gòu)，其主要由機(jī)床立柱、機(jī)座、主軸進(jìn)給、主軸旋轉(zhuǎn)、夾具工作臺(tái)、主軸液壓系統(tǒng)和自動(dòng)上下料裝置等組成?？刂撇糠植捎萌饪刂葡到y(tǒng)。

(1)主傳動(dòng)系統(tǒng)：采用電動(dòng)機(jī)、變頻器和減速器相結(jié)合來控制實(shí)現(xiàn)主軸滾鉚頭的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)滾鉚加工的動(dòng)力要求。

(2)主軸進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)：進(jìn)給運(yùn)動(dòng)作為機(jī)床的基本運(yùn)動(dòng)，其對(duì)機(jī)床的加工質(zhì)量和生產(chǎn)效率都會(huì)產(chǎn)生重要的影響。為了實(shí)現(xiàn)主軸升降到達(dá)指定加工位置，主軸進(jìn)給系統(tǒng)采用液壓缸和機(jī)床立柱導(dǎo)軌實(shí)現(xiàn)主軸升降[3]，主軸端部利用配重單元實(shí)現(xiàn)平衡，以減小液壓缸和導(dǎo)軌負(fù)載。

(3)自動(dòng)上下料系統(tǒng)：主要是實(shí)現(xiàn)物料的上料和卸料，以提高加工效率。自動(dòng)上下料機(jī)構(gòu)采用液壓傳動(dòng)形式，主要采用水平和豎直兩個(gè)液壓缸來實(shí)現(xiàn)移料和進(jìn)料動(dòng)作。通過工作臺(tái)的工裝夾具定位，以實(shí)現(xiàn)對(duì)回轉(zhuǎn)類工件的裝夾滾鉚加工。

滾鉚機(jī)設(shè)備主要是由葉片滾鉚機(jī)和自動(dòng)上下料裝置組成的，結(jié)構(gòu)示意簡圖如圖6所示。

3 液力變矩器滾鉚力的求解計(jì)算

滾鉚實(shí)際上類似于鈑金折彎，可參照折彎工藝對(duì)耳片的壓力變形進(jìn)行計(jì)算。為實(shí)現(xiàn)滾鉚工藝，需要對(duì)耳片進(jìn)行滾壓力分析。

將利用經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)耳片壓彎進(jìn)行分析研究并求解計(jì)算，并利用Workbench軟件對(duì)液力變矩器外環(huán)滾鉚力進(jìn)行求解分析，從而為后續(xù)滾鉚機(jī)的開發(fā)提供技術(shù)依據(jù)。

3.1 液力變矩器滾鉚力仿真實(shí)驗(yàn)

由于滾鉚葉片與鈑金折彎類似，所以可按照鈑金折彎的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算。關(guān)于折彎力計(jì)算公式的推導(dǎo)過程及適用范圍請(qǐng)參閱參考文獻(xiàn)[1]。鈑金折彎時(shí)進(jìn)行等效分解，彎曲角度為α，可認(rèn)為板厚中心即為中性層，從使用角度看，可假定材料厚度彎曲前后不變。葉片的材料為08AL深沖鋼，抗拉強(qiáng)度σb=325 MPa，F(xiàn)為耳片彎曲所需力即是要求解的壓彎滾鉚力。

利用UG NX建模軟件，根據(jù)三坐標(biāo)測量儀所測得的渦輪葉片的坐標(biāo)，同時(shí)分別創(chuàng)建葉片A、B輪廓曲線。然后對(duì)曲線進(jìn)行分割，對(duì)耳片和葉片整體分開拉伸再布爾運(yùn)算求和。建模后渦輪葉片模型如圖7所示。

渦輪葉片滾鉚類似于懸臂梁加載的模型。由于滾鉚時(shí)先滾渦輪內(nèi)環(huán)，所以施加約束對(duì)象為渦輪內(nèi)環(huán)處兩耳片和外環(huán)與渦輪結(jié)合處等5處，并對(duì)外露耳片進(jìn)行施加載荷靜力學(xué)分析。

力的加載面為耳片的背面，方向?yàn)槎娴姆ň€方向。約束為渦輪內(nèi)環(huán)處兩耳片，以及外環(huán)葉片與渦輪的結(jié)合處等5處。

ANSYS Workbench仿真計(jì)算液力變矩器滾鉚力。經(jīng)過多次計(jì)算，由實(shí)驗(yàn)滾鉚位移變形云圖得到滾鉚力實(shí)驗(yàn)圖8綜合可知，隨著載荷力的增加，位移最大變形量保持在8 mm左右，此時(shí)的臨界載荷力在18 kN左右。

3.2 經(jīng)驗(yàn)公式液力變矩器滾鉚力

由液力變矩器葉片外環(huán)滾鉚力學(xué)分析[4]可以得到經(jīng)驗(yàn)公式：

(1)

式中:l為板料長度,mm。

(2)

式中：P為彎曲時(shí)的總彎力即折彎力，kN；S為板料厚度，mm；V為下模開口寬度，mm，K為彎曲變形區(qū)水平投影寬度，mm；F為耳片彎曲所需力。

建模后的耳片D(見圖2)中性層夾角經(jīng)測量是134.054 6°，再由公式(1)、(2)求解得滾鉚力F=18.163 kN。

渦輪耳片D處滾鉚力求解得F=18.163 kN。由此可知，其相對(duì)誤差e=(18.163-18)/18=0.905%，在允許的一般誤差范圍±5%內(nèi)。渦輪外環(huán)滾鉚后的成型效果圖，如圖4所示。

因此，在后期滾鉚機(jī)的設(shè)計(jì)和研究中可以采用經(jīng)驗(yàn)值計(jì)算后續(xù)其余耳片(C和E處)滾鉚力，這也為后期的滾鉚頭設(shè)計(jì)、主軸電動(dòng)機(jī)的選擇以及主軸液壓缸設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

4 滾鉚機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.1 機(jī)身設(shè)計(jì)

機(jī)身是由立柱和機(jī)座兩部分構(gòu)成，均采用焊接結(jié)構(gòu)。機(jī)床焊接工藝相對(duì)鑄造工藝來說，具有設(shè)計(jì)靈活，成本節(jié)約，設(shè)計(jì)周期短等方面的優(yōu)點(diǎn)。機(jī)床焊接工藝對(duì)于小批量生產(chǎn)來說具有靈活性。焊接不容易出廢品，焊接結(jié)構(gòu)具有經(jīng)濟(jì)性。在對(duì)機(jī)床設(shè)計(jì)時(shí)，也要考慮到較高精度和精度保持性，足夠的靜、動(dòng)剛度，較好熱穩(wěn)定性等。

焊接滾鉚機(jī)立柱支撐采用閉合截面形狀，正確的方式布置肋板來增強(qiáng)焊接支撐件的剛度。倘若壁厚較小，支撐件壁板的動(dòng)剛度將急劇下降，在工作過程中會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲。因此，為了避免薄壁振動(dòng)現(xiàn)象，需要根據(jù)壁板的剛度合理確定壁厚，床身壁厚參數(shù)見表1所示。立柱選用35號(hào)鋼，結(jié)構(gòu)件焊接后進(jìn)行退火處理，以消除內(nèi)應(yīng)力。根據(jù)滾鉚機(jī)機(jī)身要求得到滾鉚機(jī)立柱模型截面圖，如圖9所示；滾鉚機(jī)立柱結(jié)構(gòu)圖，如圖10所示；滾鉚機(jī)機(jī)座模型圖，如圖11所示。

表1 焊接床身壁厚參數(shù)

壁或肋的位置及承載情況機(jī)床壁厚/mm外壁和縱向主肋25肋20導(dǎo)軌支承臂30

4.2 液力變矩器滾鉚機(jī)滾鉚頭的設(shè)計(jì)

滾鉚頭主要作用是通過主軸進(jìn)給運(yùn)動(dòng)到達(dá)滾鉚預(yù)定位置，使?jié)L鉚頭滾輪與渦輪外環(huán)(背部)接觸，通過主軸旋轉(zhuǎn)滾鉚頭，滾輪(刀具)施加滾鉚力來實(shí)現(xiàn)對(duì)耳片撥倒壓彎，繼而使耳片與渦輪外環(huán)進(jìn)行貼合，以實(shí)現(xiàn)對(duì)渦輪葉片的固定。需要考慮到對(duì)單個(gè)葉片外環(huán)的三處耳片進(jìn)行位置角度設(shè)計(jì)，以確保滾鉚時(shí)滾輪使耳片與渦輪外環(huán)貼合。

由于渦輪外環(huán)滾鉚加工的位置有三圈耳片，為了保證滾鉚時(shí)的平穩(wěn)性，每一圈的耳片處滾鉚設(shè)置兩個(gè)滾輪。所以加工的滾輪數(shù)目是6個(gè)，并且這6個(gè)滾輪是均勻分布的。由于渦輪外環(huán)加工耳片的位置和角度不盡相同，因此在設(shè)計(jì)滾輪時(shí)需要考慮到滾輪的邊緣和角度。

每個(gè)滾輪在滾腳處安裝時(shí)接入彈簧，目的是在加工的時(shí)候，當(dāng)滾鉚頭到達(dá)預(yù)定的位置時(shí)，滾鉚頭不再下降。在主軸滾鉚時(shí)，可以保證耳片與渦輪外環(huán)實(shí)現(xiàn)緊密的貼合，彈簧的使用可以實(shí)現(xiàn)滾鉚平穩(wěn)，不會(huì)出現(xiàn)震動(dòng)和噪音。滾鉚機(jī)渦輪外環(huán)滾鉚頭的結(jié)構(gòu)，如圖12所示。

滾鉚機(jī)滾鉚頭主要由9部分組成，分別是：渦輪外環(huán)內(nèi)圈滾輪、渦輪外環(huán)中圈滾輪、渦輪外環(huán)外圈滾輪、渦輪外環(huán)內(nèi)圈滾輪腳、渦輪外環(huán)中圈滾輪腳、渦輪外環(huán)外圈滾輪腳、滾鉚頭連接法蘭盤、滾壓體和渦輪外環(huán)按壓滾鉚盤。

滾鉚頭9個(gè)部分的作用如下：

渦輪外環(huán)(內(nèi)圈、中圈和外圈)滾輪：在滾壓渦輪外環(huán)三圈耳片時(shí)，對(duì)耳片進(jìn)行撥倒，并使耳片與渦輪外環(huán)貼合。

渦輪外環(huán)(內(nèi)圈、中圈和外圈)滾輪腳：用來安裝渦輪外環(huán)內(nèi)(中、外)圈滾輪的，對(duì)滾輪起到支撐作用，以實(shí)現(xiàn)滾鉚。

滾鉚頭連接法蘭盤：將主軸和整個(gè)滾鉚頭實(shí)現(xiàn)連接，以傳遞動(dòng)力。

滾壓體：對(duì)整個(gè)滾鉚頭部件起支撐作用，保證它可以承受其他部件的重量，并有基準(zhǔn)定位的作用，以確保各零部件的相對(duì)位置。

渦輪外環(huán)按壓滾鉚盤：在進(jìn)行滾鉚時(shí)，按壓住渦輪分總成，在主軸滾鉚頭向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，渦輪外環(huán)按壓滾鉚盤在彈簧的作用下首先接觸到渦輪，并按壓住渦輪。

如圖13所示，滾鉚頭還沒有對(duì)渦輪外環(huán)葉片的耳片進(jìn)行滾鉚加工。當(dāng)滾鉚頭接觸到渦輪外環(huán)時(shí)，滾鉚頭即對(duì)外環(huán)耳片進(jìn)行加工滾鉚，此時(shí)外環(huán)按壓滾鉚盤在彈簧力的作用下對(duì)渦輪進(jìn)行壓緊，使?jié)L鉚頭回轉(zhuǎn)加工渦輪時(shí)渦輪在外環(huán)按壓滾鉚盤摩擦力的作用下不會(huì)產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)，以確保能實(shí)現(xiàn)高效安全的滾鉚加工。滾鉚機(jī)滾鉚頭模型圖如圖14所示。

4.3 液力變矩器滾鉚機(jī)床工裝夾具設(shè)計(jì)

能夠正確對(duì)加工定位基準(zhǔn)的選擇，對(duì)于渦輪外環(huán)滾鉚加工來說，是設(shè)計(jì)工藝過程中很重要的一個(gè)環(huán)節(jié)[5]。

由于基準(zhǔn)對(duì)于工件表面間的相對(duì)位置關(guān)系研究是很重要的，因此對(duì)渦輪外環(huán)加工定位基準(zhǔn)的選擇需要根據(jù)工藝學(xué)理論來進(jìn)行研究，使渦輪在外環(huán)滾鉚過后無需進(jìn)行其他加工。渦輪定位方案的確定，由于液力變矩器滾鉚工藝流程順序是：渦輪內(nèi)環(huán)滾鉚→渦輪外環(huán)滾鉚。因此，渦輪內(nèi)環(huán)是優(yōu)先進(jìn)行加工的。由于渦輪內(nèi)環(huán)的表面已經(jīng)進(jìn)行過滾鉚，從滾鉚加工方式看，渦輪內(nèi)環(huán)是不加工面。那么在對(duì)渦輪外環(huán)滾鉚加工定位基準(zhǔn)選擇時(shí)，選擇以渦輪的內(nèi)環(huán)為基準(zhǔn)定位，進(jìn)行工裝夾具的設(shè)計(jì)。

工件(渦輪分總成)在滾鉚機(jī)上以及工裝夾具中的定位，由渦輪外環(huán)滾鉚工藝分析可知，在滾鉚時(shí)渦輪葉片耳片受到力的作用容易產(chǎn)生上下的運(yùn)動(dòng)和平面內(nèi)的移動(dòng)以及主軸方向的轉(zhuǎn)動(dòng)(該方向的轉(zhuǎn)動(dòng)在設(shè)計(jì)滾鉚頭時(shí)，已由渦輪外環(huán)按壓滾鉚盤摩擦力和彈簧力進(jìn)行限制)。因此在限制自由度上，只需要對(duì)渦輪上下運(yùn)動(dòng)和平面內(nèi)的移動(dòng)加以限制即可。

由于渦輪外環(huán)定位方案的選擇為渦輪內(nèi)環(huán)定位，由于渦輪內(nèi)環(huán)面形狀為較為復(fù)雜的曲面。再加之定位精度高，在整個(gè)定位曲面中加工同心凸脊，以方便渦輪內(nèi)環(huán)定位放置。凸脊的位置應(yīng)與渦輪內(nèi)環(huán)上內(nèi)凹面葉片位置和形狀相同，以此來保證渦輪外環(huán)加工滾鉚時(shí)不對(duì)葉片造成損傷。渦輪內(nèi)環(huán)工裝的外觀如圖15所示，渦輪外環(huán)工裝模型圖，如圖16所示。

滾鉚機(jī)加工夾具的結(jié)構(gòu)形式與液力變矩器內(nèi)環(huán)的結(jié)構(gòu)是相互匹配的，類似于模具的上下模。中間開槽主要是為了自動(dòng)上下料托盤連接桿橫向運(yùn)動(dòng)通過實(shí)現(xiàn)移料，以及考慮到材料的應(yīng)力應(yīng)變和加工時(shí)溫度的變形等，并且為了方便自動(dòng)上下料托盤的上下料通過，所以把工裝整圓部分分成均等的兩部分。中間的圓孔主要是為了自動(dòng)上下料托盤能夠托舉物料(渦輪分總成)縱向運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)上料和放置物功能。

為了實(shí)現(xiàn)不同型號(hào)(YJH200和YJH300等系列)的液力變矩器渦輪滾鉚，要求滾鉚夾具具有可互換性，因此采用螺栓與工作臺(tái)的聯(lián)接以實(shí)現(xiàn)不同夾具的拆裝互換。最終滾鉚機(jī)整機(jī)建模實(shí)物圖，如圖17所示。

5 結(jié)語

由于國內(nèi)滾鉚工藝水平不高，以液力變矩器渦輪外環(huán)滾鉚工藝為研究基礎(chǔ)，本文所研究的通用型滾鉚機(jī)主要是適應(yīng)液力變矩器及回轉(zhuǎn)類工件滾鉚加工所設(shè)計(jì)的。根據(jù)滾鉚機(jī)的設(shè)計(jì)要求，從滾鉚工藝分析和方案設(shè)計(jì)入手，先后完成了機(jī)床立柱、機(jī)座、滾鉚頭以及工裝夾具等方面內(nèi)容。設(shè)計(jì)出了針對(duì)回轉(zhuǎn)類工件滾鉚加工的通用型滾鉚機(jī)。

以該形式為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的液力變矩器渦輪外環(huán)滾鉚機(jī)，解決了加工自動(dòng)化水平不高的問題，并提高了液力變矩器加工的效率和質(zhì)量，降低進(jìn)口滾鉚機(jī)的成本，可滿足國內(nèi)自動(dòng)變速器工藝裝備市場配套需求。