葉輪滾鉚加工中滾鉚頭進(jìn)給速度的分析與計(jì)算方法??

任工昌 高 翔 楊宇龍 何 舟

(陜西科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，陜西西安710021)

沖壓焊接型液力變矩器(以下簡(jiǎn)稱(chēng)沖焊型液力變矩器)與鑄造型相比具有重量輕、密封性好、適合大批量生產(chǎn)等優(yōu)勢(shì)，在現(xiàn)代汽車(chē)和工程機(jī)械領(lǐng)域被廣泛使用。其葉輪內(nèi)環(huán)、外環(huán)及增距葉片分別使用鋼板沖壓制造而成，繼而通過(guò)焊接或者滾鉚加工裝配成完整的工作葉輪[1-3］。

滾鉚頭是葉輪滾鉚加工的關(guān)鍵非標(biāo)設(shè)備，其結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。滾鉚頭在加工中的進(jìn)給速度對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量有著很大的影響[4-5］。經(jīng)過(guò)在陜西某企業(yè)的長(zhǎng)期調(diào)研，結(jié)果發(fā)現(xiàn)由于滾鉚頭進(jìn)給速度不當(dāng)導(dǎo)致的報(bào)廢產(chǎn)品在生產(chǎn)中的占比高達(dá)3.5%，嚴(yán)重地制約了企業(yè)的生產(chǎn)效率并增加了企業(yè)的生產(chǎn)成本。

由于滾鉚頭的不定型性和應(yīng)用范圍的局限性，其進(jìn)給速度目前并沒(méi)有統(tǒng)一的計(jì)算方法，企業(yè)仍然依靠生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)來(lái)確定滾鉚頭的進(jìn)給速度，這種方法效率低下，適用性不強(qiáng)[6］。本文擬結(jié)合滾鉚加工的實(shí)際工況和加工效果對(duì)滾鉚頭的工作原理和連接片變形過(guò)程進(jìn)行分析，研究滾鉚頭合理的進(jìn)給速度，提出一種滾鉚頭進(jìn)給速度的計(jì)算方法并且通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證計(jì)算方法的可行性。

1 滾鉚加工分析

沖焊型液力變矩器的增距葉片由葉片主體和若干連接片組成，葉輪滾鉚加工的目的是將連接片彎曲并與葉輪內(nèi)環(huán)的表面緊密貼合，保證連接片與葉輪內(nèi)環(huán)的縫隙小于2 mm，為下一步葉輪的釬焊加工奠定基礎(chǔ)[6］。

1.1 滾鉚加工過(guò)程

葉輪的滾鉚加工過(guò)程主要分為預(yù)壓彎和滾壓兩個(gè)階段，如圖2所示。在加工過(guò)程中，滾鉚頭上的撥倒桿首先接觸到連接片并將其逐漸撥彎，保證連接片與葉輪內(nèi)環(huán)成30°角，為連接片的滾壓階段做準(zhǔn)備，即預(yù)壓彎階段。預(yù)壓彎的目的是令連接片的彎曲方向一致，減小滾壓階段的沖擊的同時(shí)保證了連接片滾壓階段的穩(wěn)定性。滾壓階段是指滾鉚頭底部的壓緊盤(pán)壓緊后，上滾壓體通過(guò)推桿將力傳遞給滾輪托，滾輪托帶動(dòng)滾輪繼續(xù)下降對(duì)連接片進(jìn)行滾壓，將連接片彎曲到位并減小連接片與葉輪內(nèi)環(huán)的間隙，保證連接片與葉輪內(nèi)環(huán)的緊密貼合[7］。

1.2 滾鉚頭進(jìn)給速度不當(dāng)引起問(wèn)題

在實(shí)際生產(chǎn)中，滾鉚頭進(jìn)給速度不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致連接片與葉輪內(nèi)環(huán)貼合不緊密和連接片根部凸起的問(wèn)題，如圖3所示。連接片根部凸起是由于滾鉚頭在預(yù)壓彎階段的進(jìn)給速度過(guò)快，撥倒桿與后面的連接片的接觸位置較深導(dǎo)致連接片預(yù)壓彎不足，滾壓階段無(wú)法平穩(wěn)進(jìn)行。連接片與葉輪內(nèi)環(huán)貼合不緊密是由于滾壓階段末端滾鉚頭進(jìn)給速度過(guò)快，導(dǎo)致個(gè)別連接片不能受到均勻的滾壓，與葉輪內(nèi)環(huán)存在的間隙過(guò)大。

2 進(jìn)給速度的計(jì)算

根據(jù)以上分析可知，在預(yù)壓彎階段起始時(shí)和滾壓階段結(jié)束時(shí)滾鉚頭的進(jìn)給速度不宜過(guò)快，但進(jìn)給速度過(guò)慢會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)效率下降，因此拋物線型的進(jìn)給速度是一個(gè)既可以避免以上問(wèn)題又可以保證生產(chǎn)效率的理想方案。

連接片的變形過(guò)程如圖4所示，當(dāng)滾鉚頭的進(jìn)給速度為拋物線型時(shí)，連接片頂端的高度變化曲線接近三次曲線。圖4中H、θ0分別為連接片初始高度和連接片的最終彎曲角度，Yi、θi分別為連接片第i次彎曲后的高度和角度，N為連接片彎曲的次數(shù)。

下面以某型號(hào)的液力變矩器為例，對(duì)滾鉚頭的進(jìn)給速度進(jìn)行計(jì)算。連接片與滾鉚頭的接觸變形都是一瞬間完成的，為了計(jì)算出滾鉚頭的進(jìn)給速度，在這里假設(shè)連接片勻速?gòu)澢?/p>

則連接片彎曲次數(shù)N為:

式中:T為滾鉚加工過(guò)程所需時(shí)間，T＝5 s；r為滾鉚頭的轉(zhuǎn)速，r＝60 r/min，各圈滾輪布置個(gè)數(shù)，n＝3；Δt為連接片彎曲時(shí)間間隔。

假設(shè)連接片頂端彎曲軌跡方程為:

由圖4可知:

x＝0處，y＝H；

x＝N處，y＝Hcosθ0；

x＝i處，yi＝Hcosθi。

則滾鉚頭第i次滾壓后，連接片的高度為:

式中連接片初始高度H＝25 mm，最終彎曲角度θ0＝π/2。

連接片與葉輪內(nèi)環(huán)的夾角為:

第i次滾壓時(shí)滾鉚頭的進(jìn)給速度為:

將計(jì)算結(jié)果導(dǎo)入到Origin中繪制曲線圖，滾鉚頭進(jìn)給速度、連接片高度和彎曲角度變化趨勢(shì)如圖5所示。

最小二乘法是通過(guò)最小化均方差R來(lái)尋找數(shù)據(jù)的最佳的匹配函數(shù)，使用最小二乘法來(lái)擬合曲線的可靠性高并且應(yīng)用廣泛[8-10］。為了得到滾鉚頭的進(jìn)給速度，接下來(lái)對(duì)滾鉚頭進(jìn)給速度曲線進(jìn)行擬合，其方程組如下:

計(jì)算結(jié)果如下:

式中:V為滾鉚頭的進(jìn)給速度，t為時(shí)間。

3 運(yùn)動(dòng)仿真

為了得到滾鉚頭的進(jìn)給速度特性和滾輪的運(yùn)動(dòng)軌跡，接下來(lái)對(duì)滾鉚頭進(jìn)行涌動(dòng)仿真。Solidworks Motion可以精確模擬并分析裝配體的運(yùn)動(dòng)，同時(shí)合成運(yùn)動(dòng)算例單元的效果，包括力、速度、阻尼以及摩擦等[11-12］。首先在Solidworks中建立了滾鉚頭模型如圖6所示。

接下來(lái)在滾輪上設(shè)定參考點(diǎn)并建立運(yùn)動(dòng)算例，得到參考點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡和速度曲線如圖7所示。從仿真結(jié)果可以看出，滾鉚頭在起始階段和終止階段進(jìn)給速度明顯高于中間階段，其Y向速度分量呈拋物線型。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證拋物線型進(jìn)給速度的加工效果，設(shè)計(jì)了兩組試驗(yàn)，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。主要工藝參數(shù)見(jiàn)表 1(表中V＝-1.103t2＋5.883t-0.491)。

表1 工藝參數(shù)

本次實(shí)驗(yàn)使用某企業(yè)的P-802753型滾鉚機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。該型號(hào)滾鉚機(jī)的液壓系統(tǒng)為單閉環(huán)控制系統(tǒng)，通過(guò)電液比例閥控制流量從而控制液壓缸的速度[13-14］。連接片材料特性見(jiàn)表2。

對(duì)加工完成的渦輪進(jìn)行檢查發(fā)現(xiàn)，第一組連接片仍存在個(gè)別的根部凸起現(xiàn)象，第二組連接片沒(méi)有出現(xiàn)，加工效果如圖8所示。接下來(lái)在加工完成的渦輪上隨機(jī)選取了一個(gè)連接片進(jìn)行間隙的測(cè)量，測(cè)量結(jié)果如圖9所示。

分析測(cè)量結(jié)果可知，滾鉚頭采用拋物線型進(jìn)給速度進(jìn)行滾鉚加工渦輪內(nèi)環(huán)與連接片的間隙減小了27%。

表2 連接片材料特性

5 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)以上研究表明，在沖焊型液力變矩器的滾鉚加工中，滾鉚頭采用拋物線型的進(jìn)給速度可以有效地避免連接片的根部凸起現(xiàn)象，并且明顯地減小了葉輪內(nèi)環(huán)與連接片的間隙，提高了滾鉚加工的效率。