环轧成形专家系统项目设计方案

1 环轧成形专家系统 项目设计方案 第 1 章 绪论 述 究的目的和意义 工业技术的发展对环形件产品的要求越来越高，而计算机技术的快速进步，为塑性加工工艺的扩展提供了便利条件。传统的环轧工艺设计过程高度依赖工艺人员的经验，而这些经验又全靠工艺人员的领悟和师父的传授，以上过程是一个长期而缓慢的积累过程。由于依靠自身积累的经验性知识因人而异，不同的人对同一工艺过程的理解会有很大的差异。同样的零件，不同的工艺人员设计的方案会有较大差异。这种工艺设计的不规范性和随意性都给环轧工艺设计质量和效率的 提高带来了很大的困难。辗环生产工艺复杂，应用计算机技术有助于了解环件在轧制过程中的变化规律，制定合理的工艺方案，从而提高环件的精度，缩短生产周期，推动环件轧制向更高水平迈进。 自从电子计算机诞生以来，其主要的功能就是进行数值计算与数据的处理，其知识处理能力即智能却很低，然而人工智能 (称 出现，改变了这一现状。人工智能经过几十年的发展，已经形成了八个大的方向，而其中专家系统理论最为成熟、应用最为广泛。 由于环件轧制成形工艺涉及到许多工艺参数的计算和设置问 题，所以确定一整套工艺方案是非常复杂的，而且人工制定工艺方案不可避免具有许多缺点。 专家系统 （ 是一个智能计算机程序，它利用知识和经验，通过推理来解决某领域中只有人类专家才能解决的难题 1。它集中了人类专家的灵活性和计算机系统的智能性两大优点，且具有比人类专家更多的优越性，如：继承了计算机系统快速、准确的优点；不受时间地域限制的优点；可以综合许多个专家的优点；可以将专家知识长久保留的优点。此外，培养一个人类专家需要大量的投入，经过十几年甚至几十年的时间才能成功，而专家系统就不一样了，许多专家系统可能在 开发的时候要大量的人力和物力，但是，一旦开发成功，可以在瞬间完成 2 成百上千个专家系统的复制工作，即在短时间内造就许许多多的“专家”。因此，专家系统在环轧制造中的应用可以大量的缩短产品设计时间，提高效率，同时也能减轻工艺设计人员的劳动量。 件轧制的 分类及 特点 环件轧制 （ 又称环件辗扩或扩孔、辗环 ） 是借助辗环机使环件壁厚减小、直径扩大、截面轮廓变形的塑性成形工艺，与整体模锻比较，它具有大幅度降低设备吨位和投资、振动冲击小、节能节材、生产成本低等显著优点，是轴承环、齿轮环、法兰环、火车车轮及轮箍、燃汽轮机环等 各类无缝环件的先进加工技术，在机械、汽车、火车、船舶、石油化工、航空航天、原子能等许多工业领域日益得到广泛应用 2。 轧制的环件外径尺寸为 40 10000件高度为154000件的重量为 2000见的轧制环件产品有轴承环、齿轮环、火车车轮及轮箍、燃汽轮机环、电机集电环等，最大的轧制环件是直径 10000度 4000 环件轧制可以分为径向轧制和径一轴向轧制。图 a） 所示为三个辊的径向轧制，其中驱动辊为主动辊 ，同时作旋转轧制和直线进给运动 ； 芯辊为被动辊，做从动旋转轧制运动 ； 导向辊和信号辊都可自由转动。在驱动辊作用下，环件通过驱动辊与芯辊构成的轧制孔型产生连续的局部塑性变形。当环件经过多转轧制变形且直径扩大到预定尺寸时，环件外圆表面与信号辊接触，驱动辊停止直线进给运动并返回，环件轧制过程结束。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，其它轧辊运动无需再提供动力，而在环件摩擦力作用下随环件做从动转动。图 b） 为四辊轧制，驱动辊在电动机地驱动下作恒速的旋转运动，无进给运动 ；压力辊 向驱动辊移动，完成径向进给运动 ； 为了使环件在轧制过程中定心和防止振动，轧环机上设置一对抱辊，抱辊从环件的两侧以一定的抱辊力抱住环件，随环件径向地增大，两个抱辊臂逐渐张开。抱辊的作用是对环件施加一定的抱辊力，保证轧制过程稳定进行，在轧制的最后阶段，抱辊起着归圆的作用。中、大型轧环机多采用此种结构，这种轧机结构简单，价格低，工艺控制容易，适用广泛，一般用于矩形截面、沟槽形截面环件的生产。 3 图 1a） 环件径向轧制原理图 图 1b） 环件径向轧制原理图 图 比 径向轧制中的四辊轧制，径轴向轧制增加了轴向端面轧辊机构，同时从径向和轴向对环件进行轧制，使得径向轧制产生的环件端面凹陷再经过轴向轧制而得以修复平整。径轴向轧制的锥辊表面线速度基本与环件端面线速度同步，上端面锥辊做向下进给运动，同时整个轴向机架随环件径向地增大做向外水平移动，完成环件的轴向轧制。目前，只有较先进的大中型轧环机采用径轴向联合轧制工艺，径轴向轧环机适用于壁厚、大轧制比或截面复杂的环件加工，生产效率高。 4 图 1件径轴向轧制原理图 环件轧制与环件的其它生产方式相比，在技术上具有很多优点： （ 1） 设备吨位小，加工范围大 ： 其成形过程是局部加压连续小变形的积累，工件与工具的接触面积小，因此，变形工艺力小，所需设备吨位小，小吨位设备可加工大的无接缝环件，扩大了环件的加工范围。 （ 2） 材料利用率高 ： 环件轧制的工件截面形状更接近成品，材料利用率比模锻提高 上。 （ 3） 产品质量好 ： 轧制环件的金属纤维沿环件圆周方向连续分布，与环件使用中的受力和磨损相适应。其内部组织致密，晶粒细小，力学强度、耐磨性和疲劳寿命明显高于其他加工方法生产的环件。 （ 4） 劳动条件好，生产率高 ： 环件轧制类似于静压轧制，无冲击、 振动，噪声低，改善了劳动环境。环件轧制又易于机械化和实现自动化，生产率高，劳动强度低。轧制速度通常为 12m/s，轧制周期为 10s大生产率 1000件 /h，大大高于其他方法加工环件的生产率。 （ 5） 生产成本低 ： 据有关资料统计，环件轧制与自由锻相比，材料消耗降低 40%50%，生产成本降低 75%。用环件轧制生产 件 时，比模锻单件材料消耗降低 5本降低 20%。和一般锻造相比，环件轧制生产的模具费用可减少 70%以上 3。 环件轧制工艺通常是以锻锤 轧环机、平锻机 轧 环机、锻锤 压力机 轧环机等设备配置在一起连线组织生产。与传统的环件自由锻造工艺、环件模锻工艺、环件火焰切割工艺相比，有较好的技术经济效益。 5 家系统概述 家系统的基本概念和基本特征 专家系统是人工智能应用研究最活跃和最广泛的课题之一。自从 1965年第一个专家系统 4，经过 20年的研究开发，到80年代中期，各种专家系统已遍布各个专业领域，取得很大的成功。 表 1专家系统 常规程序 专家系统 =知识 +推理 常规程序 =数据结 构 +算法 专家系统将知识组织成数据级、知识库级和控制级 常规程序将知识组织成数据级和程序级 专家系统是通过推理获取问题的解或证明某个假设，本质上是符号处理 常规程序一般是通过查找或计算获取问题的解，本质上是数值计算 专家系统处理的数据大多数是不精确的、模糊的 常规程序处理的数据多数是精确的 专家系统一般具有解释机构，它可以对自己的行为做出解释 常规程序一般不需要具备解释功能 专家系统是一个智能计算机程序系统，其内部含有大量的某个领域专家水平的知识与经验，能够利用人类专家的知识和解决问题的方法来处 理该领域问题。也就是说，专家系统是一个具有大量的专门知识与经验的程序系统，它应用人工智能技术和计算机技术，根据某领域一个或多个专家提供的知识和经验，进行推理和判断，模拟人类专家的决策过程，以便解决那些需要人类专家处理的复杂问题。它和传统的常规程序的区别如表 15。 一般讲，专家系统具有如下一些基本特征 6： （ 1） 具有灵活性 一般都采用知识库与推理机分离的构造原则，可以在系统运行时根据不同的要求分别选取合适的知识构成不同的求解序列，实现对特定问题的求解。 （ 2） 具有透明性 专家系统一般都设置了解 释机构，用于向用户解释它的行为动机及得出的某些答案的推理过程，可以使用户能比较清楚地了解系统处理问题的过程及使用的知识和方法，从而提高系统的可信程度。 （ 3） 具有交互性 可以与领域专家或知识工程师进行对话以获取知识，同时可以通过与用户对话以索取求解问题时所需的知识以及回答用户的询问。 （ 4） 具有实用性 6 专家系统是根据领域问题的实际需求开发的，这一特点决定了它具有坚实的应用背景。可以用于多种领域，取得巨大的经济效益及社会效益。 家系统的产生与发展 专家系统属于人工智能的一个分支，产生于 60年代中期 ，是人类长期探索机器智能的智慧结晶和升华。它的发展进程大致可分为四个时期 6 （ 1） 孕育期 （ 1965年以前 ） 专家系统是在人工智能的发展中孕育产生的。 1961年 解不定积分问题时所表现出的能力达到了麻省理工学院 （ 等生的水平。为达到这一水平， 中包含了专家系统思想的雏形。在这一时期，人工智能研究者在人工智能的基本理论和方法的研究上取得了较大的进展，如在知识表示 （ ，推理方法 （ 、搜索策略 （ 等方面均获得了有益成果。这些成果为专家系统的产生打下了良好的基础。 （ 2） 初始期 （ 1965 1971） 1965年 现人类专家之所以能够很好地解决许多困难问题，其主要原因在于他们拥有大量的专门知识，尤其是检验性知识。基于这种想法， 解决问 题的能力已经达到了专家水平，在某些方面，该系统甚至超过了领域内的专家。 志了人工智能的一个新领域 专家系统的诞生。 （ 3） 成熟期 （ 1972 1977） 七十年代专家系统趋于成熟，先后出现了一批较成功的专家系统，其中有代表性的有 一时期开发的专家系统比初创时期的第一代专家系统有了较大的改进。在此期间，专家系统取得的较大进展是 的概念。 （ 4） 发展期 （ 1978 ） 随着专家系统的成熟，专家系统的应用领域迅速扩大，处理问题的难度也不断增加。由于七十年代末骨架系统的出现，大大缩短了专家系统的研制周期。以商品化为目的的专家系统开始投入使用，如 国于 70年代末期，在医疗领域内首先开展专家系统的研究， 80年代初开始渗透到其它领域。到了 80年代中期，由国内研制的一批专家系统开发工具相继出现，如上海工业大学的南大学的 7 立专家系统的必要性 既然有人类专家可以解决 专门问题，为什么还要建立专家系统呢？其目的可以归纳为如下几点： （ 1） 使专家知识形式化 我们要建立专家系统的领域常常是这样一些领域，即在这些领域里专家们有丰富的实践和经验，但尚没有形成完整的见解。也就是说，人们的知识还落后于专家的经验和实践。专家系统则可以帮助从这些经验中获取知识，将知识形式化。这个将知识形式化的过程也就是逐步明确如何去解决问题的过程。 （ 2） 建立推理模型 对于专家系统要解决的这类复杂问题，专家们常常只能非正式地和不准确地说明他们的推理过程，因此无法建立典型的数学模型来进行计算分析。而专家系统技术则可以帮助建立合适的推理模型，并试验各种把事实组合起来以产生专家推理结果的途径，对专家的推理决策过程进行试验和模拟。 （ 3） 综合多个专家的知识和推理过程 在某一领域内，专家用以解决同一问题的方法和途径可以是不相同的。专家系统有助于比较和判别这些不同的方法或综合多个专家的知识和推理过程。在国外，如 如，由国家地震局地球物理研究所等单位建立的地震预报专家系统（ 就是一个能综合多个专家意见的系统。 （ 4） 便于传播专门知识 和推广专家经验 由上述三点可以看到，建立专家系统的过程也是一个利用先进的专家系统技术将知识形式化并逐步明确如何利用知识进行推理的过程。在这个不断完善的过程中使专家系统能达到人类专家的水平。由于专家的数量少，远不能满足实际需要，而且培养和雇用专家的费用昂贵，因此建立达到人类专家水平的专家系统就便于在较大范围内传播专家经验，推广专门知识并代替一些专家进行推理决策，解决现实世界中提出的问题。这就是为什么有了专家我们还要建立专家系统的原因。 内外研究现状 家系统的研究现状 作为人工智能一个重 要分支的专家系统 ,是在 20世纪 60年代初期产生和发展起来的一门新兴的应用科学，而且正随着计算机技术的不断发展而日臻完善和成熟。目前已研究的专家系统模型有很多种，其中较为流行的有 7：基于规则的专家系统、基于案例的专家系统、基于框架的专家系统、基于模糊逻辑的专家系统、 8 基于 于人工神经网络的专家系统和基于遗传算法的专家系统等。 国外对专家系统的研究与开发相对时间较长，目前已经有上万个专家系统投入使用。另外还有许多系统正在试验阶段。 二十世纪八十年代以来，专家系统的研制开发明显地趋于商品化 ，直接服务于生产企业，产生了巨大的经济效益。例如， 专家系统，用于为 约资金近 1亿美元 ； 工 利 1200万美元 ： 著名的 免损失达 2700万美元。 在我国，专家系统的研制始于 70年代末，首先在中医领域发展，在 80年代中期掀起专家系统研究的热潮。“七五”期间，国家投资在 10个不同领域开发了几十个专家系统，取得很大的 经济效益和社会效益。我国在专家系统的研制开发方面虽然起步较晚，但也取得了佳绩。例如，中国科学院合肥智能机械研究所开发的农田施肥专家系统，中国科学院西北水土保持研究所开发的旱地小麦综合管理专家系统，南京大学开发的新构造找水专家系统，吉林大学开发的勘探专家系统及油气资源评估专家系统，浙江大学开发的服装剪裁专家系统及花布图案设计专家系统，北京中医学院开发的肝病诊断专家系统等都取得了明显的经济效益和社会效益，对推动专家系统与人工智能理论和技术的研究起到了重要作用。我国的专家系统研究开发正在走出实验室与计算机科学界， 开始进入各个应用领域。研究队伍也由计算机专业人员演变到由领域专家，计算机专业人员与了解用户需求的专业人员构成的新组合。目前在工程设计，工业企业的生产与管理等方面的专家系统的研制与开发正方兴未艾。 目前专家系统的研究在国内外正 如火如荼 的不断进行中，专家系统的研究不再满足现有的各种模型与专家系统的简单结合 ,形成基于某种模型的专家系统了 ,而是在不断向深层次方向发展。针对专家系统的核心知识表示和知识获取 ,探索更方便、更有效的方法 ,解决困扰专家系统的知识获取瓶颈、匹配冲突、组合爆炸等问题 ； 针对现在数据多、知识少的特点 ,将数据挖掘引入专家系统之中 ； 将多 以提高专家系统的性能。 轧技术的研究现状 1968年，英国学者 0先开展了环件轧制试验研究。他们在立式二辊轧机上进行基本参数的试验研究，发现环件轧制时径向变形区的径向对称点存在塑性铰。同年， 结构形式与工业生产轧机相同，在该轧机上， 件轧制生产的金属硬度变化，沿轴向、径向及周向差别不大，平均硬化程度比轴向压缩试验引起的硬化小 25%左右。 1973年， 3在 件试验轧机。 1976年， 4测压针方法研究了不同材料在不同孔型中轧制时的单位压力分布。 1979年以来， 7深入分析了异形截面轧制时，金属在各种孔型中的流动特性，观察了压下速度、摩擦条件、环坯形状及孔型尺寸变化对环件截面变化的影响，目的在于提高孔型的充满率，另外，国外的 研究了轧制 材料，在试验轧机上研究了各种异形截面环的轧制及变形特点 18。 国内燕山大学的许思广 19，对恒压力轧制条件下环件宽展变形进行了研究，许思广等人用视塑性试验方法分析了环件轧制中金属产生较大变形后的应变分布，其用于试验的材料为铅锑合金，发现轧制时，受轧制力影响，环件的圆心有从轧辊连心线向咬入侧偏离的趋势，导致驱动辊与芯辊接触弧长发生变化。武汉理工大学的华林等人在 60制的试验研究，设计了环件轧制测试系统，对环件轧制中的力学和运动学参数进行了试验测试和研究 21。 究内容 环轧成形 工艺设计涉及到许多工艺参数的计算和设置问题，本文要解决的问题是根据产品的需求信息进行产品工艺加工自动化设计，以此为重点，本文的主要研究内容有： （ 1） 根据环件轧制成形理论， 对环件轧制工艺进行系统地研究，分析该工艺的物理学本质，建立环件轧制成形工艺参数的计算方法和确定原则，全面系统地了解掌握环件轧制成形过程中各种工艺参数对成形过程的影响规律，为环件轧制工艺专家系统的工艺参数计算和选择提供理论依据。 （ 2） 深入研究和分析企业对环轧工艺专家系统的功能需求， 建立专家系统框架。 （ 3） 通过 对专家系统 结构 研究，以及对环轧工艺设计专家系统的实例研究，建立环轧专家系统结构模型。 10 第 2 章 环轧成形 工艺设计流程 件轧制过程的基本条件 件咬入孔型 环件连续咬入孔型是环件转动并实现稳定轧制的必要条件。忽略导向辊对环件的作用力，由环件咬入孔型的力学模型，得到环件咬入孔型条件与进给量关系，亦即用每转进给量表示的咬入条件为 121221 12m a x 112 （ 2 0h 环件在轧制孔型出口处的壁厚 0h 环件在轧制孔型入口处的壁厚 h 环件轧制中每转壁厚减小量 环件咬入孔型所允许的最大每转进给量 环件与轧制孔型之间的摩擦角 件塑性锻透条件 环件连续咬入孔型只是使环件产生轧制运动，并不一定能保证环件产生轧制变形，所以环件咬入孔型仅是环件轧制变形的必要条件。要使环 件既咬入孔型又产生轧制变形，除了满足咬入条件外，还应满足塑性锻透条件。环件锻透条件与进给量关系亦即进给量表示的锻透条件为 12121113m i n 1)(2 件塑性弯曲失稳分析 环件轧制中的塑性弯曲失稳现象是指环件在导向辊的压力作用下压扁而成为废品。由已提出的环件在导向辊压力作用下产生塑性弯曲失稳力学模型得到环件在轧制中不产生塑性弯曲失稳的刚度条件 （ 其中0H、 H 、 别为环件轧制前的壁厚、轧制中的壁厚、和轧制结束的环件壁厚允许达到的最小值： 11 10021m i n a （ 2 实际生产中在己知轧辊尺寸时，可应用上式来校核环件的刚度，或在未知轧辊尺寸时，可应用环件刚度条件来设计轧辊。 件轧制直线进给运动分析 直线进给运动用进给速度 v 表示。根据环件轧制条件，每转进给量有一个极限范围 ，由此可以得到环件轧制直线进给速度的极限范围： 1212112113m i n 2 1212212112m a x 112 （ 2 以上分析的轧制理论是环件轧制成形的充要条件，也是环件轧制成形工艺设计及校核的基础。 件轧制成形工艺设计 件 设计及推理计算方法 环件 环件 图是 在环件零件图基础上，考虑加工余量、轧制公差、轧制余块等绘制而成的。设计 环件 图时，应注意： （ 1） 由于环轧是在敞开或半敞开式型槽中成形的，金属轴向流动量较小，所以 环件 的截面形状不能过于复杂，并应尽量减小轴向形状的非对称性。为此，可附加余量或将不同截面形状的零件组合设计来达到形状简化的目的 ； （ 2） 加工余量和尺寸公差。由于环件轧制工艺不能排除多余金属，金属轴向流动量较少，因此要在 环件 上留有储存多余金属的部位，并适当加大其余量和公差。对大型环件一般应将这种部位设置在内孔面上。 加工余量和公差的选取是由 环件 的外 径决定的，可采用下面的推理计算方法进行。 矩形截面的 环件 设计： fD=pD+ 2 fd=pd+ 2 fB=pB+ 2 12 表 1列有部分零件的加工余量及公差值 环形零件外径的加工余量 环形零件内径的加工余量 环形零件高的加工余量 矩形截面 环件 的外 径 矩形截面 环件 的内径 矩形截面 环件 的高 表 2轧制环件的加工余量和公差 环件 外径 外径 内径 高度 余量 公差 余量 公差 余量 公差 80 3 1 3 2 3 1120 3 1 3 2 3 21150 3 1 3 2 3 51180 1 3 2 81220 1 2 21250 1 4 1 3 51300 5 1 1 3 4 2 301350 1 5 1 3 5 2 坯设计及计算推理过程 （ 1） 轧制比 轧制比简称轧比，它定义为轧制前的环件毛坯截面积与轧制后的环件 环件 截面积之比。设 、0A、 制前环件毛坯截面积、轧制后环件 环件 截面积，0H、 件 壁厚。 则： （ 2 13 对于用封闭孔型轧制矩形截面环件，由于环件轴向尺寸不变，轧制比可以用环件毛坯壁厚与环件 环件 壁厚之比表示，即，其中若环件毛坯的壁厚0可能出现锻透和咬入条件不能同时满足的情况。因此环件毛坯的最大壁厚不能超过求解公式为 a （ 2 并得到最大轧比 a （ 2 作为一种极限情况，取 0,1220 轧比设计中，应按 行校核。环件轧制工艺设计中，为了计算方便，通常用轧制后的环件 环件 孔径轧制前的环件毛坯孔径0个轧比记做当量轧比 K。当量轧比 K ，也就是说，当量轧比取值范围比轧比的取值范围大。 实际生产中轧制比选择遵循一定的规律，与环件形状规则有相关联 系，可采用下表所列规则进行推理。 表 2 轧制当量比的选择 选择条件 简单的异形截面 2杂的异形截面 有端面碾压时 23 （ 2） 毛坯尺寸设计 对于不同形状的 环件 ，设计时一般规律为 ： 截面为矩形的 环件 ，一般选用矩形截面毛坯 ； 为防止端面产生凹陷现象，对沟形截面 环件 ，采用梯形截面的毛坯比较合适 ； 对轧制比大的 环件 ，毛坯截面可做成鼓形 ； 对异形截面的 环件 ，毛坯形状应与 环件 截面形状尽可能相似。根据 环件 形状不同进行下面推理： 对于矩形截面的 环件 ，毛坯尺寸如下确定 ： 内直径： 2 外直径： 0220 （根据体积相等原理得到） （ 2 K 轧制比 14 0d 矩形截面毛坯的内径 0D 矩形截面毛坯的外径 对于外台阶环件毛坯设计方法如下： 首先由 环件 轴向尺寸确定毛坯轴向尺寸 B 0；B 0式中，0件 和毛坯大环部分的轴向尺寸；件 和毛坯小环部分的轴向尺寸。 再按当量轧制比 02201 ； （ 2 02201 （ 2 式中， 最后为了保持轧制稳定性和合理分配毛 坯大环和小环的体积，应对毛坯径向尺寸进行修正。从小环部分的内孔表面减去体积 1V ，使之加到大环和小环的外表面处。为了使轧制中外台阶环件内、外表面所受轧制力的合力作用线尽可能重合，以减小它们构成的倾翻扭矩，使体积 1V 和 2V 的截面呈三角形，体积3据体积不变条件321 得 1（ 2 01001010001010102 2 （ 2 01001010001010103 221 （ 2 式中 为比例系数，其值为 21 ；芯辊在轧制中总进给量，其值按下式计算 22111111001212 1R 、 2R 分别为与大环部分对应的驱动辊和芯辊工作表面半径 ； 件 和毛坯大环部分的外半径平均值， 4/01；件 和毛坯大环部分的内半径平均值， 4/0，于是得到修正后的外台阶环件毛坯径向尺寸为 3010 2 15 2010 2 （ 2 100 2s 料设计及推理计算方法 （ 1） 下料重量计算 记 （ 2 制坯加热的火耗重量与下料重量、加热设备和加热次数等有关，其值按下式计算式中，其中为火耗系数 14 （ 2 环件 重量 下料重量 为制坯冲孔的废料芯重量 为制坯加热的火耗重量 （ 2） 下料尺寸计算 轧制用毛坯的制坯工序通常由墩粗、冲孔、冲连皮、整形等工步组成。第一个工步墩粗要求料段具有合理的高径比或长径比，端面平整，且与中心线垂直。料段高径比的合理数值应为 ： l （ 2 生产实践表明，料段高径比以 以取 选设备 按照环件轧制设备结构特点分类 ，环件轧制设备可分为立式轧环机和卧式轧环机两类。按照轧制变形特点分类，环件轧制设备可分为径向轧环机、径轴向联合轧环机和多工位轧环机。立式轧环机通常采用径向轧制变形，属于径向轧环机，适用于中小型环件轧制成形。卧式轧环机既有采用径向轧制变形的，也有采用径轴向联合轧制变形的，适用于大型和特大型环件轧制成形。多工位轧环机通常也采用径向轧制变形，它同时轧制多个环件，适用于小型环件轧制成形。国内常用的立式轧环机主要技术参数列在表 4中。根据毛坯尺寸初选设备 16 表 2产立式轧环机主要技术参数 轧环机 型号 5151制环件半径 /5160 250 350 轧制环件宽度 /5 50 85 环件材料强度极限 / 95 95 95 最大生产率 /件 1h 500 400 200 公称轧制力 /0 98 155 滑块最大行程 /0 110 130 轧制线速度 /(m 1s ) 2轴转速 /r 1 120 80 62 驱动辊外径 /60380 500520 680700 压缩空气公称压力 / 辊中心高 /70 875 1050 驱动辊与芯辊最小中心 /85 265 365 电动机功率 /7 75 机床外形尺寸 L WH/2001550 1850 2890 1990 2400 40501800 3000 机床总重量 /800 6500 10000 件 轧制模具设计及推理方法 轧制用轧环机一般包括主轧辊 （ 主轧辊进给时又称为驱动辊 ） 、芯辊、端面轧辊或导向辊和信号辊等。由于设备型号不同，轧制工具的结构形式、设计要求也有一定的差异。导向辊和信号辊，除环件的外轮廓是非直线的以外，一般都为圆柱形外廓。 （ 1） 驱动辊 驱动辊材料通常为 55有用 45铸钢，其热处理硬度为 4550本结构尺寸按照所选设备进行设计，见表 3。其中,3r 121 f ，锻件 锻件r 环件 相应的圆角半径 矩形截面 环件 的高 角度 2A 、系数 m、和驱动辊直径 1D 根据不同的设备进行选值。 17 表 2动辊的结构尺寸 设备规格 1D 1H h 1A 1h 2h 2A l m 160 360 280 85 12 15 2 250 420 329 100 16 15 26 48 3 350 690 500 180 25 515 55 70 4 2） 芯辊 芯辊材料通常为 355处理硬度通常为4348分为细颈式和圆柱式两种。芯辊工作直径大小取决于环件的要求、生产效率、本身的强度等因素。直径大则轧制速度慢、环件椭圆度较小、端面比较整齐。但直径过大，则导致毛坯内径大，增加制坯工序 （ 需要扩孔 ） 。而直径小则轧制速度快、宽展小、生产效率高、所需的压力较小。芯辊的结构尺寸见表4。 表 2 芯辊结 构尺寸 轧环机规格 2D 2H 160 70/55 )10/(8 125/80 250 75/60 8 145/90 350 130 8 355 其中 ,2,322102 f 其中 f、 动辊与芯辊之间的径向间隙和芯辊工作部分进入驱动辊型槽的深度， 一般取 ,15.0 ,103 （ 3） 驱动辊及芯辊的校核 为了使环件既能连续咬入孔型，又能锻透，则根据环件轧制咬入条件和锻透条件可知，轧制中环件锻透所需的最小每转进给量不得超过环件咬入所允许的最大每转进给量亦即 ,m in 由该条件可得到环件轧制咬入条件和锻透条件所要求的驱动辊工作半径和芯辊工作半径之间的关系： 1（ 2 对该式进行整理得轧辊的极限直径为 ,i n1 （ 2 18 ,1m （ 2 驱动辊的工作半径 芯辊的工作半径 R 轧制环件的外半径 r 轧制环件的内半径 驱动辊最小工作半径 芯辊最小工作半径 轧辊和环件之间的摩擦角 轧辊的工作面最大半径也有限制。对于芯辊。其最大工作半径不能超过环件毛坯的内孔半径，否则，环件毛坯不能套入芯辊。对于驱动辊，其最大工作半径也受到轧环机所允许的驱动辊与芯辊中心距尺寸限制。因此所设计的轧辊工作半径可按其极限尺寸进行校核，保证轧辊工作半径在极限尺寸的范围内。 件轧制成形工艺参数设计 （ 1） 环件极限壁厚 若环件毛坯的壁厚过大，则有可能出现锻透和咬入条件不能同时满足的情况，亦即环件锻透时不能咬入，或者咬入时不能锻透。若环件壁厚过小，则有可能在导向辊压力作用下使其压扁。为了实现轧制变形，要求，得到a ， 前面 已求证。 根据环件轧制的刚度条件，已得出最小壁厚 （见式 2。 轧制的环件 环件 壁厚和相应的环件毛坯壁厚应按照环件的极限壁厚进行校核。 （ 2） 计算轧制力并选择设备 环件轧制力能计算是环件轧 制技术设计的重要内容。力能计算不但是环件轧制孔型强度设计和轧制工艺进给设计的依据，而且也是轧环机结构设计、工作参数设计和机电液零部件选择的依据。 环件开式轧制力计算 所谓开式是指环件两个端面不受孔型限制，即驱动辊和芯辊都为简单的圆柱形状，环件在两辊缝隙中产生轧制变形。设矩形截面环件开式轧制力、单位面积轧制力及轧制力矩分别用尸、 p、 利用开轧制力能上限可以得到 19 00 834112 2 00 834112 2 001 834112 2 L 接触弧长 K 环件材料在轧制条件下的剪切屈服强度 0h 环件原始壁厚 m 摩擦因子 1R 驱动辊半径 环件闭式轧制力计算式 这种轧制中环件两个端面封闭于轧制孔型内部，环件轴向宽展变形受到孔型侧 壁限制。利用连续速度场上限法可以得到矩形截面环件闭式轧制力能计算的方法如下（各符号含义与上同） 3834112 00（ 2 3834112 00（ 2 3834112 001（ 2 （ 3） 设备校核 在己知零件尺寸及形状的情况下可以按表 3中的技术参数初选轧制设备，并根据选择的设备设计出模具 孔型，然后进行模具孔型校核，并按式（ 2（ 2行轧制力的校核，如果满足轧制力，则可选用该设备，如果不满足条件则需选更适合的设备重新进行设计及校核。 （ 4） 每转轧制进给量的设计及校核 从轧制条件来看，环件轧制的每转进给量不得小于锻透所要求的最小每转进给量，同时又不大于咬入孔型所允许的最大每转进给量，即m a xm in 。其中 、（ 2（ 2行计算。由 、决定的每转进给量范围较大，所以每转进给量 般来说，环件轧制温度较高，或者轧环机力能较富裕的，每转进给量可取较大值。 从轧制设备的力能条件来看，所能提供的每转进给量是有限的，其具体数值可按第一条中的轧制力能公式计算。以下根据环件开式轧制力式 （ 2来确定 20 轧环机所能提供的每转进给量。实际轧制力 p 不得超过轧环机的额定轧制力 代入式（ 2 00 834112 Lp c（ 2 上式 上式进行求解可以得到之代入环件与轧辊接触弧长公式得轧环机在额定轧制力下所能提供的每转进给量 002100220 1111438318316313916 2 式中 额定轧制力下所能提供的每转进给量 0h 环件毛坯壁厚 m 轧辊与环件之间的摩擦因子 轧环机额定轧制力 K 轧制条件下环件材料剪切屈服强度 （ 5） 轧制进给速度的设计及校核 环件轧制中，通常驱动辊旋转轧制转速是恒定的，而直线进给速度则是根据轧制工艺的需要而确定的。在驱动辊转速恒定的情况下，直线进给速度的大小直接影响到每转进给量和轧制时间。进给速度大，则每转进给量大，轧制时间短。每转进给量的大小，是直接通过进给速度来控制和实现的。 为了满足轧制条件，每转进给量应位于极限每转进给量范围内，相应地轧制进给速度也应位于极限进给速度范围内 ，式中 值分别按 式 （ 2、 （ 2计算 。 除了轧制条件外，进给速度还受到了轧制设备的力能条件限制，即进给速度不能超出轧制设备所能提供的轧制进给速度。在进给速度设计中，可按照轧制设备所能提供的每转进给量和环件毛坯与 环件 的 平均外圆半径初步确定进给速度： R a 11（ 2 式中， vp，件 的外圆半径平均值 。 若按上式设计的进给速度，能同时满足最小进给速度及最大进给速度的极限范围，则所设计的进给速度同时满足轧制设备力能条件和环件轧制条件的要求， 21 是可以实现的轧制进给速度。若按上式设计的进给速度不满足进给速度的极限范围的轧制条件，则可以考虑用环件毛坯外圆半径取代 2重新设计，以提高进给速度 ； 或者考虑用环件 环件 外圆半径取代 2重新设计，以降低进给速度 ； 也可以考虑适当减小轧制设备提供的每转进给量，以降低进给速度。 （ 6） 环件轧制时间 轧制时间是指一个环件开始轧制至轧制变形结束所经历的时间，即环件轧制生产率。轧制时间表达式为 000 （ 2 式中 h 环件轧制中的瞬时环件壁厚 0h 环件初始壁厚 轧制结束时的壁厚 通常，环件轧制过程大致可分为三个阶段 （ 以进给速度 和时间为坐标，环轧过程下图“环轧过程 三个阶段 ”所示 ） ： 1咬入孔型阶段、 2稳定轧制阶段、 3整形轧制阶段。生产中合理的分配轧制变形的三个阶段，可以获得合格的轧制 环件 。在环件轧制工艺设计中，可以根据轧制设备所能提供的进给速度 0，由此式计算出的轧制时间是设备完成环件轧制变形所需的最短时间，也是轧制设备生产中所能达到的最快节奏。 图 2 轧过程 三个阶段 22 体零件实现过程 本系统工艺设计流程如下： 图 2艺设计流程 不满足条件 不满足条件 轧制参数的设计及校核 不满足条件 不满足条件 模具设计：芯辊设计 模具的校核 极限壁厚的校核 轧制力的计算及设备的选取 输入环形零件尺寸信息 锻件的设计 毛坯、下料设计及初选设备 模具设计：驱动辊设计 满足条件 满足条件 满足条件 23 具体零件的设计过程 ： （ 1） 下图是一个简单的矩形截面环件，零件尺寸信息已标注 图 2形截面零件 （ 2） 环件 尺寸计算 由 理过程，得到 3,3,3 33,57,103 （ 3） 毛坯设计 由 理，零件为简单矩形截面，得到 K= 2 9 3,38 000 （ 4） 下料设计 下料重量 312 14 2 4 4 7 3 9 下料尺寸 l/ = = L= 5） 设备初选 由环件半径为 50表可初选设备 6） 驱动辊和芯辊的设计和校核 根据设备型号 160，得到： 8,35,18021 m ，尺寸满足条件 所以 351 8 0 , ，驱动辊和芯辊的尺寸为 24 （