560 mm伺服辊锻机结构特点及有限元静力学分析

于 江 邹宗园 杜俊雷

(1.二重(德阳)重型装备有限公司，四川618000；2.燕山大学，河北066004)

辊锻工艺由于在生产制造成本及锻件成形质量方面有着较大优势，被广泛应用于叶片、钩尾框、前轴等复杂难成型锻件的生产中。近些年来，越来越多地在锻造技术中被采用。辊锻机是实现辊锻工艺的一种锻压机械，它利用一对相向旋转的扇形模具使坯料产生塑性变形，从而获得所需锻件或锻坯[1]。

随着辊锻机朝着更智能、精度更高的方向发展，先进的伺服技术被人们越来越多地应用于辊锻机。伺服控制技术是当前机电领域较先进的反馈控制技术，具有高度集成化、网络化、智能化、全数字化等特点。该设备采用扭矩电机驱动装置，无飞轮离合器等装置，利用两台同步伺服扭矩电机，实现较高的动态与控制准确度，锻辊可以从机架侧面抽出，是该设备机械方面的另一大特色，这样就可以实现自动更换锻辊和模具，缩短更换装模具时间，提高生产效率，降低了对单个锻辊的磨损，保证了锻件的成形精度[2]。国内北京机电研究所在辊锻机研究开发方面做了很多有益的工作，研发了460～1250 mm等各种自动辊锻机[3-4]，并设计制造出的国内首台250 mm伺服驱动辊锻机样机，将伺服技术应用在辊锻机组的控制系统当中，为推进国内伺服驱动辊锻机的研究与应用做了有益的尝试[5]。

上述伺服辊锻机是将伺服系统应用在辅助系统或主驱动系统上，主要生产的产品为连杆等小型锻件。本文介绍的辊锻机是二重装备自主研发的560 mm伺服辊锻机，主要用于叶片的精密辊锻成形。将伺服电机的动力直接作用于锻辊，结构紧凑，外形美观，辊锻速度高、生产率高。辊锻机可配备机械手进行自动辊锻，同时也可配备工件运输装置与生产线上其它设备一起实现自动化生产。本文首先对560 mm辊锻机的结构特点及技术参数进行简要介绍，然后着重对其本体结构进行强度和刚度分析，利用Marc有限元模拟软件对辊锻机本体关键结构进行静力学分析计算，分析辊锻机在四道次分别受到最大辊锻力时本体结构的应力和变形，校核其强度和刚度。

1 560 mm伺服辊锻机的结构特点

1.1 主要技术参数

衡量辊锻机性能与规格技术参数不仅是设备工作状况的重要标志，也是用户挑选辊锻机的首要参考。560 mm伺服辊锻机的主要技术参数为：

辊锻模外径：560 mm

辊子外径：400 mm

辊锻模有效宽度：650 mm

最大辊锻件长度：150 mm

辊子中心距：550～570 mm

中心距调节量：10 mm

锻辊转速：≤24 r/min

额定辊锻力：2000 kN

伺服主电机：30 kW(扭矩数显)

重量：13 t

外形尺寸：1.56 m(左右)，2.6 m(前后)

地面以上高度：2.2 m

生产率：400 件/h

辊锻模的形式及紧固方式：环型、镶块，同时适应两种模具安装

两个辊子的水平精度：≤0.1 mm

1.2 主要构成及特点

560 mm伺服辊锻机主要由本体结构、驱动系统、中心距调节机构、模具喷雾润滑系统、轧辊机械手、控制系统等部分组成，图1为其结构示意图。其中本体结构主要包括上横梁、横拉杆、立柱、拉紧螺栓(拉杆)和底座等。机架采用了全预紧组合结构，四根拉紧螺栓分别穿过四根空心立柱，将上横梁、底座及立柱紧固为具有预应力的机架。

图1 560mm伺服辊锻机结构示意图Figure 1 Structural diagram of 560 mm servo roll forging machine

1.2.1 上下锻辊调节机构

辊锻模固定在两个锻辊上，锻辊两端由滚动轴承支撑。锻辊由伺服电机驱动，其转速、扭矩、中心高以及可操纵触摸屏通过控制程序调节，以适应不同辊锻工艺的要求。可实现分别调节上下辊转速，且可使上下辊转向相反，实现部分楔轧机的功能。减速器为同轴行星齿轮减速机，传动比高，结构紧凑，与传统结构相比减少了离合器、制动器、飞轮以及气动系统等结构，结构简单，大大降低了后期的维护、维修成本。

由于上下辊传动相对独立，因此方便实现大中心距调节量，最大调整量为10 mm。采用将上辊固定压紧，通过调节下辊的方式调节中心距，可实现调节机构同步控制，保证下辊中心距同步调节，调节精度为0.02 mm，两辊平行度为0.1 mm。调节机构具有刚度高、精度高、调节方便等特点，能够满足钛合金叶片轧制尺寸的精度要求。

1.2.2 电气传动系统

560 mm伺服辊锻机的电气控制系统由电气传动系统和基础自动化系统组成。伺服辊锻机辊子选用SIEMENS系列伺服电机，采用AC380V/AC220V供电电源。伺服辊锻机基础自动化系统的网络如图2所示。

图2 基础自动化系统网络图Figure 2 Network of basic automatic system

2 有限元强度刚度分析

560 mm伺服辊锻机的本体结构比较复杂，在进行有限元静力学分析时，对本体结构进行了简化，利用UG三维建模软件构建了辊锻机的简化三维实体模型，应用商业有限元模拟软件Marc进行分析计算。

2.1 有限元模型

为了便于分析计算，在建立辊锻机有限元模型时作了一系列处理。在实际中辊锻机各部件受力较为复杂，其中包括重力、轴向力、各接触件间的摩擦力、冲击力、辊锻力等等，其中辊锻力最大，且最为主要，故将辊锻力作为本文有限元分析中的唯一外载荷。简化了锻辊、机架等对整机强度和刚度无影响的细小结构部分，简化后的辊锻机有限元模型包括锻辊、轴承、轴承座、上横梁、横拉杆、立柱、拉杆以及底座，如图3所示。

根据结构及受力的对称性，取其1/2模型进行有限元分析。锻辊与轴承之间，轴承与轴承座之间均设置摩擦接触，摩擦系数为0.12；轴承座、横梁、立柱、拉杆、横拉杆、底座之间的所有接触面均设置粘结接触。主要部件的材料性能参数见表1。模型采用四面体网格，由于锻辊为承力的关键部件，因此作为重点分析对象，其单元尺寸取值较小，取为15 mm，其他部件单元尺寸略大，另外在划分网格时保证了各部件接触面处网格大小一致。整个有限元模型的单元数为658 128，节点数为154 993。

560 mm伺服辊锻机机架采用全预紧组合结构，预紧力为2400 kN，在模型中在拉杆上施加预紧力作为初始条件。有限元模型的边界条件包括施加于锻辊上的辊锻力、对称面上的对称约束和底座地脚处的固定约束。由于辊锻机一般最多可安装4副模具，而560 mm伺服辊锻机的锻模有效长度为650 mm，所以得到每道次的最大模具宽度为162.5 mm，将锻辊工作面进行分割，如图4所示。每道次的锻造载荷设置在1/4弧面上，沿着高度方向，数值为总辊锻力的一半，即1000 kN。第1道次的边界条件施加情况如图5所示，其它道次的边界条件与此类似。

图3 560mm伺服辊锻机本体结构简化模型Figure 3 Simplified model of main body structure for 560 mm servo roll forging machine

表1本体主要部件的材料性能参数
Table1Materialpropertyparametersofmainbodycomponents

构件材料弹性模量GPa泊松比屈服应力MPa锻辊35CrMo2130．3500轴承GCr152100．3355拉杆、横拉杆、横梁、轴承座、立柱、底座Q2352070．3235

图4 锻辊三维实体模型Figure 4 3D entity model of forging roll

2.2 计算结果及分析

2.2.1 整机的计算结果及分析

计算得到的整机Von-Mises应力云图如图6所示。由计算结果可知，四个道次中最大应力均位于轴承上与锻辊相互接触的区域，其次是拉紧螺栓、锻辊，其它部位的等效应力水平均较低，小于100 MPa。四个道次中机架上的最大应力依次为203.5 MPa、186.4 MPa、179.1 MPa和195.9 MPa，均小于轴承的许用应力。

辊锻机本体结构四道次在最大辊锻力200 kN作用下，沿着高度方向(Y方向)的变形量如图7所示。从图中可以看出高度方向的最大变形发生在上下锻辊上，机架的变形相对较小。

图5 第1道次边界载荷Figure 5 Boundary load of the first pass

2.2.2 锻辊的计算结果及分析

在最大辊锻力2000 kN作用下，锻辊四道次的Von-Mises应力云图如图8所示。

(a)第1道次(b)第2道次(c)第3道次(d)第4道次

图6 本体结构等效应力云图Figure 6 Cloud chart for equivalent stress of main body

图7 本体结构沿高度方向的变形(变形放大200倍)Figure 7 Structure deformation along with height direction of main body (enlarged view 200×)

图8 锻辊等效应力云图(变形放大200倍)
Figure 8 Cloud diagram of efficient stress for forging roll (enlarged view 200×)

从图8中可以看出：

(1)通过比较同一道次同一锻辊不同位置的应力，看出应力集中的部位位于锻辊轴颈与轴身的过渡圆角处，以及锻辊与轴承相接触的部位，且由此向两边应力呈现递减趋势。

(2)通过比较同一道次的上、下锻辊，可看出相应位置处上辊的应力要高于下辊。

(3)通过比较同一锻辊不同道次的应力，可以看出第4道次的应力最高，最大等效应力为153.8 MPa，而锻辊的材质为35CrMo，屈服应力为500 MPa，取安全系数为1.4，许用应力为357.14 MPa，该最大等效应力在许用范围内，满足强度要求。

锻辊四道次沿高度方向的变形如图9所示，从图中可以看出：

(1)通过比较锻辊同一道次的Y方向变形量，可知锻辊最大变形量位于锻辊受力部位，并沿着轴线向两边呈现递减趋势。

(2)通过比较同一道次的上下锻辊变形量，可以看出上锻辊的变形量要比下锻辊的变形量大，主要是因为下锻辊更靠近底座的地脚，固定约束，故变形量较小。

(3)通过比较不同道次的锻辊变形量，可以看出第2道次与第3道次的变形量很相近，其中第2道次最大。

(a)第1道次(b)第2道次(c)第3道次(d)第4道次

图9 锻辊高度方向位移云图(变形放大200倍)Figure 9 Cloud diagram of displacement along with height direction of forging roll (enlarged view 200×)

图10 机架等效应力云图Figure 10 Cloud diagram of efficient stress for housing

对锻辊四个道次的变形量进行数据处理，分别取上下锻辊变形量最大值ε1和ε2，则锻辊总变形量ε=ε1+ε2。锻辊刚度的计算公式为[3]：

(1)

式中K为锻辊刚度；p为辊锻力；ε为锻辊高度方向总变形量。

计算得到各道次锻辊的变形量与刚度，见表2。

辊锻机的纵向刚度一般选用锻压设备常用的刚度指标公式衡量计算，许用刚度计算公式为[2]：

(2)

其中m为刚度系数，辊锻机中一般选7～10，此处m取10，则计算得到C=1414.2 kN/mm。由表3可以看出K>C，故四个道次锻辊刚度均满足要求。

2.2.3 机架的计算结果及分析

(a)第1道次(b)第2道次(c)第3道次(d)第4道次

图11 机架沿高度方向变形云图
Figure 11 Cloud diagram of deformation along with height direction for housing

四个道次的机架Von-Mises应力云图如图10所示，从图中可以看出：

(1)机架应力的最大值位于上横梁与拉杆的接触部位，以及圆孔边缘的应力集中区域，而整个立柱应力较小。

(2)通过对比不同道次的机架应力云图，可以看出四个道次的最大应力差别较小。最大应力为157.3 MPa，机架材料为Q235，屈服应力为235 MPa，取安全系数1.4，许用应力为167.9 MPa，故机架满足强度要求。

四道次的机架在高度方向的变形如图11所示，四个道次中，机架沿高度方向的最大变形均出现在靠近加载侧上横梁下表面的中间位置。对于最大变形，第1道次和第4道次相当，第2道次和第3道次相当，其中第1道次的机架变形最大，其上横梁最大变形量ε1为0.069 mm，下底座最大变形量ε2为0.038 mm，所以机架高度方向最大总变形量ε为0.11 mm。根据公式(1)，求得K为18 646.3 kN/mm，大于许用刚度C，故机架满足刚度要求。

3 结论

(1)二重装备新开发的560 mm伺服辊锻机与传统辊锻机相比，在结构上更加紧凑美观，生产效率更高。锻辊采用伺服电机驱动，上下调节机构具有刚度高、精度高、调节方便等优点，能够满足钛合金叶片轧制尺寸的精度要求。电气控制系统采用先进可靠的电气传动系统和基础自动化系统，可实现高精度、高效率、高质量的生产。

(2)通过对辊锻机本体主要结构件进行简化建模，利用有限元模拟仿真软件Marc，研究了560 mm伺服驱动辊锻机整体模型分别在四道次受到最大辊锻力时，锻辊与机架的应力分布情况及Y方向的变形。锻辊的最大应力出现在第4道次轴颈位置，大小为153.8 MPa，小于许用应力326.5 MPa；最大变形出现在第2道次，刚度为3787.2 kN/mm，大于许用刚度。机架的最大应力出现在第4道次，为157.3 MPa，小于许用应力167.9 MPa；最大变形出现在第1道次，为0.11 mm，其刚度为18 646.3 kN/mm，大于许用刚度。辊锻机强度和刚度均满足要求。