环件径向轧制进给系统设计

李路可，杨 杰，张瑞珠

（华北水利水电学院 机械学院，河南 郑州 450011）

环件轧制是一种借助辗环机生产高机械性能无缝环件的特种加工工艺，它通过连续局部塑性变形使环件整体壁厚减小、直径扩大、截面轮廓成形，是一种节能、节材高效的先进制造技术[1]。合理的进给系统及其进给系统控制方式是环件轧制的关键。辗扩过程中根据工件成形阶段的不同，需要变换多个进给速度，并且要求在各个进给速度下能够平稳运行。本文介绍了环件径向轧制原理、环件径向轧制进给系统机构组成及其进给系统的控制方案和适用场合。

1 环件径向轧制原理

图1 环件径向轧制原理示意图

环件轧制分为环件径向轧制和环件径-轴向轧制。立式径向环轧机轧制环件的基本原理如图1所示。其工作原理为：驱动辊1旋转，驱动辊和环件2之间的摩擦带动环件旋转，而芯辊4有一个向驱动辊前进的进给运动，从而给环件以轧制力，于是环件通过驱动辊和芯辊构成的轧制孔型产生连续的局部塑性变形，使环件壁厚减小、直径扩大、截面轮廓成形。信号辊5和导向辊3可以绕轴向在和环件的摩擦力作用下自由地转动。导向辊给环件压力作用以保证环件的平稳转动。驱动辊旋转轧制运动由电动机提供动力，直线进给运动由液压或气动装置提供动力。

2 环件径向轧制进给系统

辗扩技术具有其独特的优点以及对各行业较为广泛的适用性。用辗环机辗压环形件时，可使环形锻件有高的生产率和锻件质量，且能大大减轻劳动强度。进给速度是影响产品质量的重要因素之一，而实现稳定轧制也必须以合理的进给速度为前提，因而进给控制系统的作用显得尤为重要。在辗压环件的不同阶段需要相适应的进给速度，要求能迅速响应，且具有稳定性和连续性。合理的驱动进给力和芯辊进给速度能提高零件的圆度，确保轧制的稳定性。因此根据环件轧制工艺需要通过进给系统适时调整控制芯辊速度。实现良好的进给运动控制，不仅能有效提高辗件的质量和精度，而且能改善芯辊的受力情况和使用寿命[4]。国内外辗环机的结构形式和控制系统各不相同，特别是对精度的控制各有不同的方法，在适用性方面也有差别，但它们的共同特点在于确保机床的稳定运行和辗扩零件的精度，以提高环件的质量[5]。

2.1 滚珠丝杠进给系统及其控制

辗环机滚珠丝杠进给系统是由伺服电机、输入输出共线的减速器及滚珠丝杠副组成，其机构示意图如图2所示。减速器2固定在辗环机的床身1上，其输入端与伺服电机3的输出轴固定相连，输出端与滚珠丝杠4的一端固定相连，滚珠丝杠螺母与主滑块5固定在一起。伺服电机的转动由伺服驱动器控制，驱动减速器降低伺服电机输出到滚珠丝杠的转速，以此来实现轧制径向驱动进给需要。

图2 进给系统结构示意图

该系统采用伺服电机经减速器驱动滚珠丝杠副的电动机械方式，滚珠丝杠推动主滑块作直线运动，安装在滑块上的支撑轮推动芯辊向前运动，与驱动辊共同完成环件的轧制运动。通过PLC设定伺服电机的频率转换点，调节各个阶段工进速度及速度的转折点[6]。根据环件轧制各阶段的特点和各自对辗压力、进给速度及机构位置的要求，在环件轧制的快速进给阶段、咬入阶段、初始辗压阶段、稳定辗压阶段以及精辗阶段，PLC控制伺服电机工作，分别设定不同的转速，满足进给需要，合理地控制环件的外观和尺寸。

但是由于滚珠丝杠的负载能力较弱，这种进给系统的刚度特别是滚珠丝杠本身的刚度对滑块的定位精度和控制系统的稳定性影响很大。滚珠丝杠受轴向载荷作用产生的变形约占整个进给传动系统误差的30%～50%，为了满足较高的精度要求，需要加强滚珠丝杠螺母本身的刚度，在合理的范围内进行预紧。并且选择适当的支承方式和结构刚度：当环件轧制负荷较小时可选用固定-自由方式；当滚珠丝杠较长时应选用固定-支承方式；用于高转速高精度轧制时选用固定-固定方式，适当施加预拉力可部分补偿丝杠的热变形，提高其刚度。

2.2 凸轮进给系统及其控制

该系统是由芯辊、凸轮、滑块、动力机和减速器等部分组成，滚轮2固定在滑块1上，并与安装在凸轮轴上的作等速运动的凸轮3接触连接，凸轮轴由支座4固定在机架上，并与减速器6连接，回程油缸7固定在机架上，其活塞杆与主滑块固定连接如图3所示，进给驱动为机械式，回程为液压式。

该系统根据所选动力机5的不同可以分别用于环件的粗辗和精辗。粗辗环件的精度要求不高，要满足圆度和壁厚这两种条件，选用普通电动机作为动力机通过减速器降低凸轮的转速，并利用凸轮的轮廓线进行自主控制即可。进行精辗时，选用伺服电机和凸轮同时进行控制，PLC设定伺服电机的频率转换点并且利用凸轮轮廓线各个变速区的特点来控制进给速度，这样可以在一定程度上弥补伺服电机转速变化时的速度连续性差的缺点，并使环件的外观和尺寸精度得到进一步的提高。在整个辗压过程中，测控系统跟踪轧制过程检测工件外径，辗压结束时由测量装置向PLC发出信号，PLC通过变频器控制伺服电机快速转动，最终回程油缸控制芯辊退回。

图3 辗环机凸轮进给系统结构图

凸轮进给装置可实现稳定的液压调速，减少运行中的波动，使进给速度稳定可靠。但是凸轮传动件之间为点接触，易磨损，只宜用于传力不大的场合，凸轮轮廓精度要求高，并且环件轧制进给行程过大的话会使凸轮变的笨重。因此对于环件轧制进给系统所用凸轮应建立凸轮理论轮廓曲线和实际轮廓曲线，合理地进行设计加工。

2.3 偏心滚轮进给系统及其控制

该进给机构包括动力机、减速器、传动装置及主滑块，偏心轮3和滚轮2等构成传动装置，动力机4与减速器5相连，减速器输出轴与偏心轮轴连接，传动装置与主滑块1连接，回程油缸6固定在机架上，其活塞杆与主滑块连接，如图4所示。偏心轮工作部分的圆弧线圆心同偏心轮圆心存在一偏心距，非工作部分的圆弧线的回转极半径小于基圆半径。偏心轮进给机构的实施方式与凸轮进给系统基本相同，而偏心轮的加工易于凸轮。

图4 辗环机的偏心轮轮进给系统的结构图

偏心轮工作部分的轮廓曲线为圆弧线。用于环件粗辗时，选用普通电机，主要利用偏心轮的轮廓线进行自主控制。精辗环件时需要利用PLC对伺服电机的控制。在辗压过程中，由于偏心轮的轮廓线所致，芯辊的进给速度逐渐减小，PLC通过伺服电机对偏心轮的转速进行改变，能够快速完成空进给。咬入后伺服电机转速不变也能使芯辊的进给速度逐渐降低，满足此时的进给需要。进入精辗压后，PLC控制伺服电机停转，芯辊与辗压轮的位置保持不变，延长精辗压时间，环件的外观和尺寸进一步提高。测量装置向控制系统反馈信息，来控制芯辊运动。

圆弧偏心轮进给装置能能很好地满足使用要求，并且加工方便，寿命长，对动力机调速性能要求不高，选用普通匀速电机作为动力机可满足粗辗进给要求，选用伺服变速功能的动力机可进行精辗进给控制。

2.4 多杆进给系统及其控制

辗环机多杆进给系统包括动力机、减速器及传动装置，动力机与减速器连接，减速器输出轴与传动装置相连，传动装置又与执行机构支撑轮连接，传动装置右端通过轴座3、楔铁14与机身的右横梁12连接，其中传动装置包括曲柄连杆机构、肘杆机构、四杆机构。曲轴16一端与减速器连接，另一端与曲柄销17连接，连杆15下端与曲柄销17连接，上端通过轴6同时与两肘杆5和7连接，两摇杆9和10下端与机身连接，如图5所示。

图5 辗环机的多杆进给系统的结构图

其中曲柄连杆机构中的曲轴，相对于二肘杆结合处轴，处于偏执状态，动力机与减速器连接。芯辊安装在滑体左端的特定点上。传动机构中，肘杆通过轴与滑块连接，滑块下方与直线导轨滑动连接。曲柄机构可由任何形式普通匀速转动的动力机带动曲轴转动，由偏心曲柄销带动连杆往复运动。肘杆机构可以起到增力作用和减速作用，这为节省动力、提高产品精度创造了极为有利的条件。四杆机构与肘杆机构实现串联结合。

该系统在辗压前，通过旋转手轮1调节楔铁的位置，来控制肘杆5和肘杆7的上下位移，这样就可以控制摇杆向左移动的最终位置，进而控制环件的壁厚。辗压开始时，动力机经减速器带动曲轴转动，使曲轴的转速合理，曲柄销带动连杆向下移动，于是轴8向左移动，压向旋转的辗压辊。曲柄可做360°旋转，滑体可做单次进给，也可以做多次进给，由于摇杆的最左位置不改变，可以很长时间进行精辗压阶段，进入精辗阶段，环件的外观和尺寸进一步提高。在整个辗压过程中，壁厚无论进行单次辗压还是进行多次辗压，都不会改变，可以很好地控制环件的精度。

3 结语

本文介绍了几种环件径向轧制进给系统，分析了各自相应的控制方案。滚珠丝杠进给系统定位精度和灵敏度高，能提高生产效率，工艺成熟，应用广泛，但应注意提高传动刚度；凸轮进给系统能够实现复杂的运动要求，可靠性高，结构简单紧凑，但是凸轮传动件易磨损，只宜用于传力不大的场合；偏心轮进给机构调速连续无波动，可提高产品质量；多杆进给系统对系统的优化组合能更好地提高辗扩件的尺寸精度。

辗环机驱动进给系统控制规范的合理性和稳定性，直接关系到辗环机生产的环件精度。几种进给系统为辗环机的改进提供了参考和实用依据。

[1]华 林，黄兴高，朱春东.环件轧制理论和技术[M].北京:机械工业出版社，2001.

[2]阮 维.环件轧制进给控制模型与仿真研究[D].武汉理工大学，2008.

[3]华 林，阮 维，张 金.基于Matlab的环件轧制进给控制系统的仿真[J].武汉理工大学学报，2008，（6）.

[4]何思松，任德志，时大方，等.精密冷辗机滑块进给的运动分析与伺服控制[J].轴承，2007，（9）.

[5]张吉光.数控辗环机最佳辗轧工艺路线的确定[J].锻压装备与制造技术，1995，30（5）：20-21.

[6]冯亦武.数控碾环机环件轧制工艺动作研究及其实现[D].大连理工大学，2008.

[7]詹 勇，吴秀峰，翟 鹏，等.辗环机工作原理及性能分析.锻压装备与制造技术，2012，47（3）.

[8]刘 琳，詹 勇，董林原，等.辗环机自动轧制的初步研究.锻压装备与制造技术，2012，47（4）.