新型非圓旋壓設備結構設計與優化

王佰超，朱晶玉，張澧桐

（長春理工大學機電工程學院，吉林 長春 130022）

0 引言

隨著工業5.0時代的到來和物聯網技術的發展，工業領域所需的關鍵零件種類越來越多樣化，對零件性能的要求也越來越高。不僅要具有極強的服役功能，同時還要具有高穩定性、輕量化和高精度等特點[1-2]。就其中所需的非圓截面薄壁零件來說，傳統制造工藝中是通過沖壓成形、內高壓成形和焊接等技術完成。雖然彌補了零件的制造需要，但是這些成形方法存在成本高、效率低、工藝復雜、性能差等缺點[3-4]。

旋壓成形具有加工精度高，表面質量好，機械性能好，材料利用率高等優點，是實現非圓橫截面零件制造的潛在技術。目前，非圓橫截面薄壁零件旋壓設備的研發還處于發展階段，特別是對具有高可靠性、高精度、高穩定性與高效率的數控旋壓機床的研發與制造仍然處于一個薄弱的環節，已逐步成為制約國內金屬旋壓成形技術向前發展的關鍵因素[5]。因此對非圓旋壓成形裝置的研究具有廣闊的應用前景和現實意義。

1 新型非圓旋壓設備整體結構方案

根據非圓截面薄壁零件旋壓成形設備的使用要求和功能特點，對旋壓成形設備的整體結構進行構思。通過對非圓截面薄壁零件成形原理的分析。進而進行非圓截面薄壁零件旋壓成形設備結構設計（本文以橢圓形截面零件為參考）。圖1所示為橢圓形截面零件成形原理圖，圖2為旋壓成形設備末端執行機構的結構簡圖。

圖1 橢圓形截面零件成形原理圖

圖2 末端執行機構結構簡圖

本文提供一種非圓截面薄壁零件的旋壓成形設備，該設備由機床與控制臺電路連接組成，機床包括床身、主軸傳動系統、進給系統、末端執行機構等，主軸傳動系統置于床身左部，用于夾持并旋轉待加工工件，進給系統置于床身右部，進給系統分為橫向進給系統和縱向進給系統，用于移動旋輪機構來靠近待加工工件，末端執行機構置于進給系統頂端，通過旋輪軸與進給系統連接，末端執行機構上分布多個旋輪，旋輪通過輪盤固定于末端執行機構，用于加工待加工工件。本文所研制的旋壓機床結構簡單，加工精度高，可明顯提高旋壓成形加工效率。機床整體布局圖如圖3所示。

圖3 機床整體布局圖

2 新型非圓旋壓設備機械結構設計

2.1 床身結構設計

機床床身是機床的基礎，床身上裝有主軸電機、主軸箱、進給傳動部件以及尾座等組件，床身是主要起支撐作用，并且承受切削加工過程的動力載荷。所以機床床身要牢固穩定且要有足夠的剛度強度，防止在加載的情況下發生嚴重變形或破裂。另外，還要考慮經濟性和簡化設計等要求。根據機床的整體布局形式，設計如圖4所示的床身結構。本文決定采用整體板梁焊接工藝，各個立柱均為方形截面型鋼，床身底座框架初步采用“口”字型結構布局。

圖4 床身結構圖

2.2 主軸傳動系統設計

主軸傳動系統是旋壓機床實現旋轉運動的核心部件，其主要由主軸、主軸箱體與安裝在主軸上的傳動件、密封件等組成。通常，主軸部件起到傳遞運動與動力的作用，同時作為工件的支撐體，承受管坯旋壓成形過程中徑向旋壓力、軸向旋壓力及切向旋壓力等。因此，合理設計旋壓設備的主軸傳動系統，對實現設備高速化、高回轉精度、高強度與剛度等具有重要意義[6]。

由于本文研制的非圓截面薄壁零件旋壓設備主軸傳動系統是采用交流永磁同步電機帶動工件，具備較高的主軸回轉速度和精度。綜合考慮軸上零件的裝配、定位和主軸的制造工藝性等，旋壓機主軸箱與帶輪安裝在床身一端，實現旋轉運動和動力的傳遞。該旋壓設備主軸箱結構三維幾何模型如圖5所示。

圖5 主軸箱體結構圖

2.3 進給統設計

旋壓機進給系統包括縱向進給系統和向橫進給系統，并通過橫向進給和縱向進給的并聯運動實現旋壓成形過程中進給裝置的進給運動。其結構如圖6所示，為了滿足旋壓設備進給系統高精度、高負荷與高穩定性等要求，不僅要合理設計電氣控制系統，且還需對伺服驅動進給系統的滾珠絲杠副與機械傳動裝置進行合理的選型和結構設計[7]。

圖6 進給系統結構

2.4 末端執行機構系統設計

末端執行機構基于機械擺動導桿運動機構的成形原理，將擺桿運動作為旋輪運動，將導桿作為零件運動。因此不僅保障了非圓截面薄壁零件的成形精度，同時末端執行機構上均布多個旋輪，通過多個旋輪交替的旋壓成形運動，可明顯提高旋壓成形加工效率。此外，本文所設計開發的非圓截面薄壁零件旋壓成形設備其旋輪機構不僅可以實現軸向移動和徑向移動，還可以繞軸向的轉動，因此本文所研究的旋壓設備是一個三軸聯動的新型旋壓設備。

如圖7所示，末端執行機構由多個旋輪、輪盤、連桿、旋輪軸和旋輪軸伺服驅動電機等組成。其主要通過旋輪與零件的相對運動關系模型，編制機床的數控程序，利用數控程序來控制機床主軸與輪盤的相對運動速度，實現旋輪相對于零件在某一橫截面上的一周的周向運動。

圖7 末端執行機構圖

3 新型非圓旋壓設備末端執行機構拓撲優化設計

末端執行機構作為非圓旋壓設備的主要執行部件，其結構性能直接影響旋壓制件的成形質量。因此，本章節主要對與旋輪回轉半徑相關的零件結構進行優化設計。本文采用結構拓撲優化[8-10]的方法，建立了以結構柔度最小（剛度最大化）為優化目標的拓撲優化模型，基于optistruct對末端執行機構關鍵部件進行拓撲優化設計并對模型進行重構，得到最終優化模型。其設計流程如圖8所示。

圖8 拓撲優化流程圖

3.1 基于SIMP插值模型的連續體結構優化模型

以連續體結構柔性度（剛度）拓撲優化設計為例，在全局體積約束下，基于變密度法的拓撲優化模型為：

3.2 拓撲優化有限元仿真前處理

對結構進行拓撲優化之前，需要對模型進行必有的處理，主要包括模型的修復與簡化、模型網格劃分以及模型邊界條件的設定[11-13]。

（1）模型的簡化與修復。在進行結構拓撲優化之前，對模型結構進行必要的幾何清理，如刪除倒角和一些不必要的幾何邊線等會對網格質量產生影響的特征，確保可以提高模型的網格質量，提高優化仿真的效率。

（2）模型網格劃分。就后續的拓撲優化來說，適當的網格劃分是尤為重要的，網格劃分主要分為四面體網格和六面體網格兩種類型，對于復雜的幾何體來說，六面體網格的劃分是十分困難的。通常在網格劃分過程中，模型細節越多劃分網格時，越需要對幾何模型進行切割，本文對優化結構的網格劃分類型為二階四面體，節點數目為92471，單元數為102529。輪盤結構有限元模型如圖9所示。

圖9 輪盤結構有限元模型

（3）模型邊界條件設定。連桿和輪盤之間是通過RBE2連接模擬，這種連接方式可以有效的減少應力集中，是力的傳遞情況更符合實際加工情況[14]。在實際加工過程中，四個連桿交替輪流加載，單個連桿受載荷情況一致。輪盤結構關于中心對稱，在對輪盤結構進行拓撲優化時，只需考慮單根連桿的交替受力情況，單個連桿的結構拓撲優化完成后，可以把優化結果對稱添加到其它連桿上。加工零件過程中連桿關節處受三向載荷，其等效載荷大小為9007,8N。輪盤結構邊界條件如圖10所示。

圖10 輪盤結構優化邊界條件

3.3 輪盤結構拓撲優化設計

（1）首先，對拓撲優化前處理后的模型進行基礎靜力學分析。輪盤結構材料為45號鋼，許用應力為345MPa，對輪盤結構進行基礎靜力學分析，其連桿的應力應變分布如圖11所示。輪盤的應力應變分布如圖12所示。

圖11 連桿應力應變分布圖

圖12 輪盤應力應變分布圖

從位移云圖可以看出，連桿的最大位移為0.093mm，出現在連桿外邊緣處。輪盤的最大位移為0.018mm，出現在連桿安裝位置的邊緣。從應力云圖中可以看出，連桿的最大應力為92.5MPa。發生在螺栓孔邊緣，輪盤的最大應力為70.5MPa，同樣出現在輪盤螺栓孔邊緣。均小于其許用應力力，前期設計符合要求，并為后期優化結果的驗證提供依據。

（2）定義拓撲優化過程的優化參數設定。設計變量定義：分析輪盤結構的傳力途徑，由于輪盤和連桿上含有大量的安裝面和連接孔等結構，可供優化的區域并不多。如圖13所示，藍色和艷紅色所屬區域為設計變量區域，即在此區域內進行拓撲優化。定義柔度響應和體積分數響應[15]。該柔度為組合單個工況；體積分數為設計變量關聯的設計空間分數，定義約束：設定體積分數為0.6。優化目標為柔度最小化，即剛度最大化。設置完成后，開始進行優化。

圖13 可優化設計域

3.4 輪盤結構拓撲優化結果及分析

拓撲優化過程的應變能迭代曲線如圖14所示，經過34次迭代后目標函數收斂。拓撲優化的結果如圖5.9所示，

圖14 應變能迭代曲線圖

由于連桿可優化區域比較小，連桿結構在交變載荷的作用下連桿結構極易出現應力集中的現象，本次優化不對連桿結構做相應調整，故主要可優化對象為輪盤扇形區域，輪盤結構關于中心對稱，其具體優化區域如圖15所示。

圖15 拓撲優化結果

根據拓撲優化的結果，重新建立模型，如圖16所示。

圖16 優化后的三維模型

對新模型進行靜力學仿真，驗證優化結果。對新模型進行幾何處理后，進行網格劃分，網格類型為二階四面體網格，節點數目為92471，單元數為102529。然后設置相同的邊界條件，進行靜力學分析。其連桿的應力應變分布如圖17所示。輪盤的應力應變分布如圖18所示。

圖17 連桿應力應變分布圖

圖18 輪盤應力應變分布圖

從位移云圖可以看出，連桿的最大位移為0.117mm，出現在連桿結構邊緣，輪盤的最大位移為0.028mm，出現在連桿安裝位置的邊緣。從應力云圖中可以看出，連桿的最大應力為94.4MPa。發生在螺栓孔邊緣，輪盤的最大應力為80.2MPa，同樣出現在輪盤螺栓孔邊緣。

由拓撲優化分析結果可知：與優化前的基礎靜力學結果對比可知，優化后輪盤結構性能明顯提升，經過34步迭代后，結構拓撲優化發生收斂,結構最小總柔度值為224.6，比原來減小了71.83%；設計區域中輪盤的質量由原來的8.41kg減小到6.19kg。

4 結語

本文所設計的非圓旋壓設備其末端執行機構基于機械擺動導桿的運動原理，不僅保障了非圓截面薄壁零件的成形精度，同時末端執行機構上均布多個旋輪，通過多個旋輪交替的旋壓成形運動，可明顯提高旋壓成形加工效率。又基于結構拓撲優化原理，對末端執行機構進行優化設計，通過對比分析優化前后結構的應力、變形分布，結構的力學性能得到了明顯提升，優化效果明顯。