翟 華，宥摶睿

（1.合肥工業(yè)大學(xué) 工業(yè)與裝備技術(shù)研究院，安徽 合肥 230009；2.合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，安徽 合肥 230009）

一種環(huán)件矯圓機(jī)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)

翟 華1，2，宥摶睿2

（1.合肥工業(yè)大學(xué) 工業(yè)與裝備技術(shù)研究院，安徽 合肥 230009；2.合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，安徽 合肥 230009）

根據(jù)環(huán)件矯圓要求，設(shè)計(jì)了一種新型大型環(huán)件圓度矯正機(jī)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)中的環(huán)件進(jìn)行了受力分析，推導(dǎo)出了環(huán)件圓度矯正機(jī)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)圓輥與圓環(huán)之間的不打滑條件，得出環(huán)件圓度矯正機(jī)可驅(qū)動(dòng)的異形環(huán)件的尺寸范圍。

矯圓機(jī)；回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)；圓度；大型環(huán)件

大型環(huán)件主要應(yīng)用在工程機(jī)械、非開挖裝備、化工、能源、水利水電和國(guó)防等行業(yè)領(lǐng)域[1]。圓度是保證裝配質(zhì)量的重要形位公差，現(xiàn)階段運(yùn)用輾環(huán)或擴(kuò)孔技術(shù)[2]，對(duì)大高度差、大壁厚差、大橢圓度和偏心等缺陷的環(huán)坯件進(jìn)行整圓，消除環(huán)坯件缺陷[3]。但輾環(huán)工藝無(wú)法進(jìn)一步提高零件質(zhì)量，由于連續(xù)施加載荷環(huán)件殘余應(yīng)力大，局部矯正工藝是保證環(huán)件圓度質(zhì)量的重要工藝環(huán)節(jié)，需要專用的回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)環(huán)件回轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)環(huán)件局部矯正。

1 矯正機(jī)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖1所示，由伺服電機(jī)帶動(dòng)的主動(dòng)輥輪，在摩擦力作用下帶動(dòng)環(huán)件轉(zhuǎn)動(dòng)。主動(dòng)輥輪外側(cè)由彈簧抵住支撐輥輪，在給環(huán)坯件提供正壓力，確保環(huán)坯件輥圓外，主動(dòng)輥輪依然可以順利帶動(dòng)環(huán)坯件轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖1 環(huán)件矯圓機(jī)構(gòu)示意圖

為了進(jìn)一步穩(wěn)定環(huán)坯件在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中位置，矯正機(jī)中線左右兩側(cè)夾角為60°處有從動(dòng)輥輪和支撐輥，樣機(jī)建模如圖2所示。

圖2 回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)三維圖

2 回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)受力分析

主動(dòng)輥輪處受力如圖3所示，主動(dòng)輥輪帶動(dòng)圓環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)的條件是主動(dòng)輥輪與圓環(huán)之間不出現(xiàn)打滑現(xiàn)象。已知條件為根據(jù)電機(jī)參數(shù)能得出電機(jī)帶動(dòng)的主動(dòng)輥輪力偶矩M，輥輪半徑r，輥輪與圓環(huán)之間的摩擦系數(shù)fs。F1、F2為從動(dòng)輥輪支撐彈簧提供的支撐力，F(xiàn)3為主動(dòng)輥輪彈簧提供的支撐力，k1、k2、k3分別為三個(gè)支撐彈簧的剛度系數(shù)，d1、d2、d3分別為它們的變形量。FN是主動(dòng)輥輪對(duì)環(huán)件施加正壓力，F(xiàn)是主動(dòng)輥輪對(duì)環(huán)件施加驅(qū)動(dòng)力，其表達(dá)式為

圖3 主動(dòng)輥輪處受力分析

由X、Y方向受力平衡可知[4]

主動(dòng)輥輪對(duì)圓環(huán)施加的力為

由主動(dòng)輥輪與圓環(huán)之間不打滑，可得

設(shè)圓環(huán)的最大圓度誤差為Δ，所以三個(gè)彈簧的行程最大dmax=Δ。為保證圓輥與圓環(huán)之間不出現(xiàn)打滑，三處彈簧的剛度系數(shù)滿足

假設(shè)k=k1=k2=k3，即可推出滿足不打滑條件的彈簧剛度系數(shù)為

3 回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)適應(yīng)性分析

由于設(shè)備及工藝水平的限制，會(huì)出現(xiàn)“橢圓形”、“心形”等異形環(huán)件，需要分析此型環(huán)件圓度矯正機(jī)適用的范圍。

3.1 橢圓形環(huán)件

三個(gè)支撐彈簧的最大行程為Δ，設(shè)環(huán)件的標(biāo)準(zhǔn)半徑為R。當(dāng)主動(dòng)輥輪帶動(dòng)橢圓形環(huán)件轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)兩種極限狀態(tài)，第一種如圖4a所示，橢圓長(zhǎng)軸正好轉(zhuǎn)動(dòng)至主動(dòng)輥輪正下方。

圖4 橢圓形環(huán)件極限狀態(tài)圖

第二種極限狀態(tài)如圖4b所示，橢圓短軸正好轉(zhuǎn)動(dòng)至主動(dòng)輥輪的正下方。所以設(shè)b=R，兩側(cè)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(luò)范圍之內(nèi)的橢圓環(huán)件可由環(huán)件矯正機(jī)驅(qū)動(dòng)。

3.2 心形環(huán)件

當(dāng)主動(dòng)輥輪帶動(dòng)心形環(huán)件轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，也會(huì)出現(xiàn)兩種極限狀態(tài)，第一種如圖5a所示，心形環(huán)件凸起處正好轉(zhuǎn)動(dòng)至主動(dòng)輥輪的正下方。設(shè)心形線極坐標(biāo)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(tài)如圖5b所示，心形環(huán)件凹處正好轉(zhuǎn)動(dòng)至主動(dòng)輥輪的正下方。設(shè)心形線極坐標(biāo)方程為ρ=a（1-cosθ），兩側(cè)支撐輥輪行程為Δ。

圖5 心形環(huán)件極限狀態(tài)圖

由于環(huán)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(zhǎng)b可由三角形邊角關(guān)系計(jì)算，其值為

AB的弦長(zhǎng)也可由心形極坐標(biāo)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(huán)件可由環(huán)件矯正機(jī)帶動(dòng)。

3.3 異形環(huán)件

由上兩小節(jié)對(duì)常見異形環(huán)件的分析綜合可知，處于半徑分別為

兩同心圓包絡(luò)范圍之內(nèi)的異形環(huán)件應(yīng)該可由環(huán)件圓度矯正機(jī)順利驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)，如圖6所示。

4 結(jié)論

圖6 異形環(huán)件回轉(zhuǎn)區(qū)域圖

本文設(shè)計(jì)了一種大型環(huán)件圓度矯正機(jī)回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)中的環(huán)件進(jìn)行了具體的受力分析，推導(dǎo)出圓輥與圓環(huán)之間的不打滑條件及轉(zhuǎn)動(dòng)環(huán)件受力的具體公式。最后總結(jié)了此矯圓機(jī)構(gòu)所適用的環(huán)件范圍。對(duì)環(huán)件的圓度矯正機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)具有一定的參考意義。

[1]華 林.環(huán)件軋制成形原理和技術(shù)設(shè)計(jì)方法[D].西安交通大學(xué)，2000.

[2]吳 虔.大型輾環(huán)機(jī)軸向軋制機(jī)構(gòu)有限元分析與結(jié)構(gòu)改進(jìn)[D].濟(jì)南大學(xué)，2011.

[3]華 林，趙仲治，王華昌.環(huán)件軋制原理和設(shè)計(jì)方法[J].湖北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1995(S1)：66-70.

[4]劉鴻文.材料力學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2004.

[5]崖華青，翟 華.一種曲軸自動(dòng)校直液壓機(jī)的檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].鍛壓裝備與制造技術(shù)，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(cè)技術(shù)研究[J].鍛壓裝備與制造技術(shù)，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(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51305116）；安徽省科技攻關(guān)項(xiàng)目（1604a0902138、1604a0902129）

翟 華（1973-），男，博士，教授，從事校直工藝?yán)碚摷霸O(shè)計(jì)、液壓系統(tǒng)及元件、現(xiàn)代設(shè)計(jì)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(shù)字化設(shè)計(jì)及現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論。E-mail：ytr930126@163.com