机械驱动径向锻机锤头运动特性研究_黄玉玲.pdf

第 3 期1径向锻机径向锻机是 20 世纪 80 年代迅速发展起来的一种新型锻造设备。径向锻机每分钟最低锤击次数比快锻液压机高一倍，由于锤击次数高，坯料形变产生的热量可抵偿坯料散失到环境中的热量，因此加工过程中温度变化较小，近似于恒温锻造。这对加工温度范围窄的高合金钢、钛合金或难变形合金的生产非常合适，保证了产品质量1。在一次加热中坯料总变形率的增加，也就提高了生产率和成材率。径向锻机具有锻件质量好、生产效率高、自动化程度高和原材料消耗低、工装简单且通用性强等优点，可保证产品有更高的精度，减少了后续工序的加工余量。径向锻机也称精锻机，其工艺具有脉冲锻打和多向锻打的特点，而且脉冲锻打频率高，速度快，每次变形量很小。此外，径锻机的工艺与传统汽锤等锻造完全不同，具有无可比拟的优势，不论是锻造材质内外部质量、成材率、尺寸精度、自动化程度、经济型和对环境保护与操作者的卫生安全等各个方面均有明显的改善和提高。锻件可为圆形、方形矩形截面的棒材和光轴、台阶轴和锥形台阶轴2。文献3针对目前国内应用最广泛的 4 种不同主机结构的径向锻造机（GFM SX 型、GFM SKK 型、GFM RF 型和 SMS MEER SMX 型）进行了重点研究，分析了径锻机主机的基本结构原理和结构特点。文献4总结了近半世纪以来国外机械驱动、液压驱动、机液混合驱动径向锻造机锤头驱动方式的主要研发进展。文献5阐述了径锻机锤头调节的原理。本文针对机械驱动径向锻机锤头的运动特性进行研究。2径向锻机锤头的机构形式径向锻机的锤头的机构是由偏心轴 1、滑块 2、连杆 3 和箱体 4 组成的曲柄滑块机构，偏心轴 1 在电机的驱动下以转速 n 旋转，滑块在偏心轴的作用下沿着连杆的轴向和径向进行往复运动，滑块沿着连杆的轴向运动又驱动连杆和锤头部件完成对工件的锻造。在一个锻造周期内，只有 1/4 周期锤头对工件做功，锤头对工件的最大下压量为偏心轴的偏心距 e，其他 3/4 周期滑块、连杆和锤头均完成空行程运动，为了保持能量的节约和锻造能量的充足，偏心轴上安装着的飞轮可以将 3/4 周期内的能量储存起来，在 1/4 周期对工件做功时释放出来。径向锻机的锤头运动机构基本构成如图 1 所示。3运动特性分析偏心轴 OA 绕 O 点以转速 n 旋转，OA 为偏心距e，按照图 2 的旋转方向，连杆 2 和锤头 5 沿 y 轴方收稿日期：2022-12-20；修订日期：2023-01-18作者简介：黄玉玲（1984），女，工程师。主要从事机械结构力学仿真工作。E-mail：机械驱动径向锻机锤头运动特性研究黄玉玲1，2，姜峰3（1.兰州兰石集团有限公司能源装备研究院，甘肃 兰州 730314；2.兰州兰石能源装备工程研究院有限公司，甘肃 兰州 730314；3.兰州兰石集团有限公司，甘肃 兰州 730314）摘要：本文研究了机械驱动径向锻机锤头的运动特性。从理论和仿真分析两方面，研究分析了偏心轴的转速（输入量）与偏心轴的旋转角速度，滑块的运动特性及连杆与锤头的运动特性（输出量），周期性运动形式明显，呈现三角函数曲线形式。研究结果可为径向锻机选定设计参数提供理论指导。关键词：径向锻机；锤头；运动特性；研究中图分类号：TG315.79文献标识码：ADOI：10.16316/j.issn.1672-0121.2023.03.008文章编号：1672-0121（2023）03-0041-03第 58 卷 第 3 期Vol.58 No.3CHINA METALFORMING EQUIPMENT&MANUFACTURING TECHNOLOGY2023 年 6 月Jun.202341-第 58 卷向做往复运动，锤头在 3/4 行程开始时，锤头开始打击工件，3/4 行程末，锤头开始沿工件表面径向方向退出；偏心轴 4 带动滑块 3 完成沿 x 轴和 y 轴的往复运动。径向锻机锤头运动机构的简化分析模型如图 2 所示。已知偏心轴的旋转角速度与偏心轴的转速存在以下关系：=n30式中：为偏心轴旋转的角速度，rad/s；n 偏心轴的转速，r/min。则偏心轴的旋转角度 为：t=n30t式中：为偏心轴旋转的角度，rad；Sx为滑块垂直于连杆运动的位移，mm。滑块垂直于连杆运动的位移为：Sx=ecos=ecos（t）=ecos（n30t）式中：e 为偏心轴偏心距，mm。连杆轴向运动的位移为：Sy=esin=esin（t）=esin（n30t）式中：Sy为连杆轴向运动的位移，mm。连杆轴向运动的速度为：v=dSydt=Sy=ecos（t）=en30cos（n30t）式中：v 为连杆运动的速度，mm/s。连杆轴向运动的加速度为：a=d2Sydt2=Sy=-e2sin（t）=-e（n30）2sin（n30t）式中：a 为连杆运动的加速度，mm/s2。4数值模拟建立径向锻机锤头的运动学仿真分析模型，模型由大地（模拟径向锻机的锻造箱体 4）、带锤头的连杆、滑块和偏心轴组成。其中偏心轴与锻造箱体 4 组成旋转副，滑块与偏心轴之间组成 1 个旋转副，滑块和连杆之间组成 1 个平移副，连杆和锻造箱体组成 1个平移副。分别给偏心轴、滑块、连杆和锤头部件赋予金属材料属性，以便仿真软件计算输入模型的旋转和平移惯量。仿真分析模型如图 3 所示。偏心轴的偏心距为 5mm，其旋转副设置转速为600r/min 的旋转电机驱动。仿真分析时间 0.1s，可以得到连杆和锤头的位移曲线如图 4 所示，连杆和锤头的速度曲线如图 5 所示，连杆和锤头的速度曲线如图 6 所示，滑块垂直于连杆运动的位移如图 7 所示。由图 4 图 6 分析，针对机械传动径向锻机锤头图 1径向锻机锤头的结构形式432112341.导向装置 2.连杆 3.滑块 4.偏心轴 5.锤头SxSyAAyx5A O图 2径向锻机锤头运动机构模型图 3精锻机锤头运动仿真模型42-第 3 期的运动特性，呈现三角函数曲线形式，周期性运动形式明显，由图 7 可以看出，滑块垂直于连杆的运动特性也呈现三角函数曲线形式，运动幅值满足 2 倍偏心轴偏心距。同时，理论分析结果和仿真分析的结果具有一致性。5结论利用理论分析的计算公式可以快速进行径向锻机设计参数的确定，如下压量、打击频率等重要参数，同时连杆锤头部件的速度和加速度曲线为锻造力的设计提供了数据支持，从而对电机的最大扭矩的设计和锻造箱体的受力分析和优化均提供了依据。参考文献：1杨震,王炳正,宋道春,等.径向锻造设备与工艺综述J.锻压装备与制造技术，2018，53（6）.2刘强，潘有武，黄艳龙，等.车轴径锻生产线及径锻机现状与发展趋势J.锻压装备与制造技术，2016，51（5）.3杨华，高俊峰，何琪功，等.径向锻造机的几种典型主机结构分析J.锻压技术，2021（6）.4武哲,柯锋贤,姜旭庆.径向锻造机锤头驱动方式的发展与思考J.锻压技术，2020（8）.5李佳，何雪龙，黄艳龙，等.径锻机锤头调节过程分析J.锻压装备与制造技术，2016，51（6）.5.04.03.02.01.00.0-1.0-2.0-3.0-4.0-5.0位移/mm时间/s0.00.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.10图 4连杆和锤头的位移曲线时间/s0.00.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.10350.0250.0150.050.0-50.0-150.0-250.0-350.0速度/（mm/s-1）图 5连杆和锤头的速度曲线时间/s0.00.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1020000.010000.00.0-10000.0-20000.0加速度/（mm/s-2）图 6连杆和锤头的加速度曲线时间/s0.00.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.105.04.03.02.01.00.0-1.0-2.0-3.0-4.0-5.0位移/mm图 7滑块水平运动的位移曲线黄玉玲，等：机械驱动径向锻机锤头运动特性研究Research on the motion characteristics of the hammerhead for mechanical-driven radial forging machineHUANG Yuling1，2，JIANG Feng3（1.Lanzhou LS Group Co.,Ltd.,Energy Equipment Research Institute,Lanzhou 730314,Gansu China;2.Lanzhou LS Energy Equipment Engineering Research Institute Co.,Ltd.,Lanzhou 730314,Gansu China;3.Lanzhou LS Group Co.,Ltd.,Lanzhou 730314,Gansu China）Abstract:The motion characteristics of the hammer head for a mechanical-driven radial forging machine hasbeen studied in the text.From two aspects of theory and simulation analysis,the rotational speed(input)andangular speed of the eccentric shaft,the motion characteristics of the sliding block and the motion character-istics(output)of the connecting rod and the hammer head have been studied and analyzed.The periodic mo-tion form is obvious,which shows a trigonometric functions curve form.The research results can provide the-oretical guidance for selecting design parameters for radial forging machine.Key words:Radial forging machine;Hammer head;Motion characteristics43-