（机械制造及其自动化专业论文）大型辗环机轴向轧制机构有限元分析与结构改进.pdf

f i n i t ee l e m e n t a n a l y s i sa n d s t r u c t u r ei m p r o v e m e n to f a x i a l r o l l i n ga s s e m b l y o fh e a v yd u t y r i n gr o l l i n gm i l l b y w uq i a n u n d e rt h es u p e r v i s i o no f p r o f w a n gq i a n g at h e s i ss u b m i t t e dt ot h eu n i v e r s i t yo fj i n a n i np a r t i a lf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n t s f o rt h ed e g r e eo fm a s t e ro f e n g i n e e r i n g u n i v e r s i t yo fj i n a n j i n a n ，s h a n d o n g ，er c h i n a m a y2 9 ，2 0 1 1 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解济南大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借鉴；本人授权济南大学可以将学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保 存论文和汇编本学位论文。 囟么开 口保密( 年，解密后应遵守此规定) 论文作者签名：差虻导师签名：j 巴1 医日期：型 ：笸： 济南大学硕上学位论文 目录 摘要 a b s t r a c t 1 0 r 第一章绪论1 1 1 辗环机2 1 1 1 辗环机的分类2 1 1 2 轧环原理4 1 1 3d 5 3 k - 2 5 0 0 a 辗环机介绍5 1 2 辗环机的研究进展6 1 2 1 辗环机的发展史和国外研究状况6 1 2 2 国内研究现状8 1 2 3 轧环理论和实验研究8 1 2 4 辗环机机架及其重要部件的分析和结构优化9 1 3 存在的问题lo 1 4 选题意义1 0 1 5 研究内容11 第二章非线性接触有限元理论基础1 3 2 1 有限元方法。1 3 2 2 非线性接触有限元1 4 2 3 面一面非线性接触有限元15 2 3 1 面一面的接触单元1 5 2 3 2 面一面接触分析的执行1 6 2 3 3 面一面接触单元介绍1 6 2 4 小结1 8 第三章d 5 3 k 一2 5 0 0 a 辗环机轴向轧制机构锥辊装配体的有限元分析1 9 3 1 锥辊装配体的几何建模2 0 3 2 锥辊装配体有限元模型的建立2 l 大型辗环机轴向轧制机构有限元分析与结构改进 3 3 锥辊装配体的约束处理2 3 3 4 锥辊装配体的载荷处理2 4 3 4 1 轧制力按照不同等级的网格划分加载2 5 3 4 2 轧制力按照不同位置施加2 8 3 4 3 非线性接触对的建立2 9 3 5 锥辊装配体的计算结果分析3 0 3 6 小结3 2 第四章d 5 3 k - 2 5 0 0 a 辗环机轴向轧制机构机架的有限元分析3 3 4 1 机架装配体的几何建模3 3 4 2 机架装配体的有限元建模3 4 4 3 机架装配体的约束处理3 5 4 4 机架装配体的载荷处理3 5 4 5 机架装配体的计算结果分析3 6 4 6 小结3 9 第五章d 5 3 k - 2 5 0 0 a 辗环机轴向轧制机构锥辊装配体的结构改进4 1 5 1d 5 3 k - 2 5 0 0 a 辗环机锥辊轴结构分析。4 1 5 2d 5 3 k - 2 5 0 0 a 辗环机锥辊轴结构改进。4 2 5 3d 5 3 k - 2 5 0 0 a 辗环机锥辊轴结构改进及有限元分析结果4 3 5 3 1 改进方案4 3 5 3 2 改进方案分析4 6 5 4 小结4 8 第六章结论与展望4 9 6 1 结论4 9 6 2 展望5 0 参考文献5 1 致谢5 5 附录a ：攻读硕士学位期间发表论文及专利申请5 7 济南大学硕 ：学位论文 摘要 无缝环件广泛应用于机械制造行业，环件轧制是一种生产高性能无缝环件的 塑性加工工艺，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 产成本低等显著技术经济优点，还具有省力，生产率高、产品范围广、易实现等 显著优点。辗环机是大型环件生产线上的重要设备，其环件轧制质量和速度在很 大程度上决定了大型环件生产线的产品质量、生产效率和材料利用率。 d 5 3 k - 2 5 0 0 a 辗环机是大型辗环机中的一款设备，此辗环机根据经验提出设 计方案，因此可能出现了轴向轧制机构重量过大，关键部位强度、刚度不够等问 题。本课题正是由d 5 3 k - 2 5 0 0 a 辗环机轴向轧制机构锥辊装配体和机架装配体的 强度和刚度问题提出并完成分析，进而根据结果对锥辊装配体进行结构改进，使 其结构更加紧凑合理。 本文d 5 3 k - 2 5 0 0 a 辗环机轴向轧制机构为研究对象，以有限元法的基本理论 为基础，采用有限元软件a n s y s ，开展锥辊装配体和机架装配体的非线性接触 分析，并以有限元分析的结果为依据对锥辊装配体进行结构改进。 本文的主要研究内容有： 第一，通过分析对比d 5 3 k - 2 5 0 0 a 辗环机轴向轧制机构的锥辊装配体在锥面 上某一位置加载的情况下，在几种不同网格等级下进行有限元模拟，得到锥辊装 配体的变形、应力、应变分布。通过改变加载位置分析不同加载位置下零件的最 大变形、最大等效应力、最大等效应变能否满足材料的使用要求，并且总结规律。 第二，在对d 5 3 k - 2 5 0 0 a 辗环机轴向轧制机构的锥辊装配体分析的基础上， 建立d 5 3 k - 2 5 0 0 a 辗环机轴向轧制机构机架装配体的有限元模型，模拟机架装配 体在锥辊轴几种不同加载位置的情况下的最大变形、最大等效应力、最大等效应 变，此结果为进一步的锥辊轴结构改进提供依据。 第三，在进行有限元分析的基础上，以有限元分析数据为依据，对 d 5 3 k - 2 5 0 0 a 辗环机轴向轧制机构的锥辊装配体为例对锥辊轴的锥角进行结构改 进。提出改进方案，并分别进行分析，对比选择较优结构改进方案，得到相对较 大犁辗环机轴向轧制机构有限元分析与结构改进 优的结构，同时增加辗环机锥辊轴强度和刚度。 综上所述，本文所作的研究工作，可以为辗环机轴向轧制机构的设计、有限 元分析、结构改进等提供参考，并对于提高环件轧制的质量和指导实际生产具有 工程应用价值。 关键词：辗环机，锥辊装配体，机架装配体，有限元分析，结构改进 a b s t r a c t s e a m l e s sr i n g sa r ew i d e l yu s e di nm a c h i n e r ym a n u f a c t u r i n gi n d u s t r yi nm a n y i n d u s t r i a l f i e l d s ，r i n gr o l l i n gi s ap l a s t i c p r o c e s s i n gt e c h n o l o g yt h a tp r o d u c e h i g h p e r f o r m a n c es e a m l e s sr i n g , i th a sas i g n i f i c a n tr e d u c t i o ni nt o n n a g eo f e q u i p m e n ta n di n v e s t m e n t ，as m a l ls h o c k , s a v ee n e r g ya n dm a t e r i a l s ，l o wp r o d u c t i o n c o s t s ，a l lt h i si ss i g n i f i c a n tt e c h n i c a la n de c o n o m i ca d v a n t a g e s b u ta l s oi th a so t h e r s i g n i f i c a n ta d v a n t a g e si se f f o r t ，h i g hp r o d u c t i v i t y , p r o d u c ts c o p ei sb r o a d ，e a s yt o i m p l e m e n t ，e t c 黜n gr o l l i n gi nr i n gl i n ei sal a r g ek e ym a c h i n e ，t h eq u a l i t yo ff i n ga n d t h es p e e do fr i n gr o l l i n gd e t e r m i n et h eq u a l i t yo fp r o d u c t ，t h ep r o d u c t i o ne f f i c i e n c y a n dm a t e r i a lu t i l i z a t i o no ff i n gl i n e t h ed 5 3 k - 2 5 0 0 ar i n gr o l l i n gm a c h i n ei sad e v i c eo ft h el a r g er i n gr o l l i n g m a c h i n e , t h ed e s i g ns c h e m eo ft h i sr i n gr o l l i n gm a c h i n ew a sb a s e do ne x p e r i e n c e , n o tt h r o u g ht h ec h e c kt e s t ，w h i c hi sr e s u l t i n gi ns o m ep r o b l e m s ，s u c ha st o om u c h m a s so fm a c h i n eb o d y , n o ts u f f i c i e n tr e s e v a t i o no fs t r e n g t ha n ds t i f f n e s so f k e yb o d y p a r t s t h i ss u b j e c to ft h i sp a p e ri se x t r a c t e da n dc a r r i e do u tt h ea n a l y s i sd u et ot h e s t r e n g t ha n ds t i f f n e s so ft h ec o n ea s s e m b l ya n dt h er a c ka s s e m b l yo ft h ed 5 3 k - 2 5 0 0 a r i n gr o l l i n ga x i a lr o l l i n gb o d y i nt h i sp a p e r , n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n a l y s i si sc a r r i e do u tt ot h ea x i ar o l l i n g b o d i e s lo ft h ed 5 3 k - 2 5 0 0 ar i n gr o l l i n gm a c h i n es h e a rb yu s i n gt h ef e mc o d eo f a n s y s b o t hc o n ea s s e m b l yc a r r i e ra n dt h er a c ka s s e m b l ya l ed e e p l yi n v e s t i g a t e d o nt h eb a s i ct h e o r yo ff i n i t ee l e m e n tm e t h o d t h es t r u c t u r a li m p r o v e m e n t so fc o n e a s s e m b l yc a r r i e ra r eb a s e do nt h er e s u l t so fc o n ea s s e m b l ye l e m e n ta n a l y s i s t h e m a i nc o n c l u s i o n so ft h i sp a p e ra r ea sf o l l o w s f i r s t l y , t h r o u g ha n a l y s i sa n dc o m p a r et h ec a s el o a d i n go nt h et a p e rs u r f a c eo ft h e d 5 3k - 2 5 0 0 ar i n gr o l l i n gm a c h i n ea x i a lr o l l i n gb o d y , a n di ti ss i m u l a t eu n d e rs e v e r a l d i f f e r e n tl e v e l si nt h eg r i df i n i t ee l e m e n t ，s oi to b t a i n e dd e f o r m a t i o n , s t r e s s ，s t r a i n v d i s t r i b u t i o no ft h ec o n ea s s e m b l y w ec h a n g et h ep o s i t i o no fl o a d i n gp a r t s ，w ec a n k n o wt h em a x i m u me q u i v a l e n ts t r e s s ，t h em a x i m u me q u i v a l e n ts t r a i n a r et h e s s a p p e a s e t h em a t e r i a lr e q u i r e m e n t sa n ds u m m e du pt h el a w s e c o n d l y , w ee s t a b l i s h t h ef l a m ea s s e m b l yf i n i t ed e m e n tm o d e lo ft h e d 5 3 k - 2 5 0 0 ar i n gr o l l i n gm a c h i n ea x i a lr o l l i n gb e d y , o nt h eb a s eo ft h ed 5 3 k - 2 5 0 0 a a x i a lr i n gr o l l i n gm a c h i n er o l l i n gb o d yc o n ea s s e m b l yb a s e do nt h ea n a l y s i s w e s i m u l a t et h ef r a m ea s s e m b l yu n d e rt h e d i f f e r e n tl o a d i n gp a r t s t h e nw ek n o wt h e m a x i m u md e f l e c t i o n ，t h em a x i m u me q u i v a l e n ts t r e s s ，t h em a x i m u me q u i v a l e n ts t r a i n a n dt h er e s u l tf o rt h ec o n er o l l e r sp r o v i d eab a s i sf o rt h es t r u c t m ei nt h ef u r t h e r i m p r o v e m e n t t h i r d l y , m a k i n gb a s e do nt h ef i n i t e d e m e n ta n a l y s i s ，w ed ot h es t r u c t u r a l i m p r o v e m e n t sa n dc o n ea n g l e n o ft h ed 5 3 k - 2 5 0 0 ar i n gr o l l i n gm a c h i n ea x i a lr o l l i n g b o a yc o n ea s s e m b l y , i tb a s e o nt h ed a t e so ft h e f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s t e n i m p r o v e m e n td e s i g n so f t o o lc a r r i e ra n df r a m ea r ep u tf o r w a r da n dc o m p a r e db e t w e e n e a c ho t h e rb a s e do l lt h er e s u l t so ff e ab yu s i n ga n s y s t h e nw eo b t a i nt h es t r u c t u r e o fr e l a t i v e l yb e t t e r , w h i l ei n c r e a s i n gt h er i n gr o l l e rc o n ea x i ss t r e n g t ha n ds t i f f n e s s i ns u m m a r y , t h i sp a p e r sr e s e a r c hw o r k ，t h ea x i a lr i n gr o l l i n gm a c h i n ef o rr o l l i n g m e c h a n i s md e s i g n , f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ，s t r u c t u r ea n di m p r o v e m e n to fr e f e r e n c e , a n df o ri m p r o v i n gt h eq u a l i t yo fr i n gr o l l i n ga n dg u i d et h ea c t u a lp r o d u c t i o no f e n g i n e e r i n gv a l u e k e yw o r d s ：r i n gr o l l i n gm a c h i n e , c o n ea s s e m b l i e s ，r a c ka s s e m b l i e s ，f i n i t e e l e m e n ta n a l y s i s ，s t r u c t u r ei m p r o v e m e n t v 1 第一章绪论 环件轧制( 又称环件辗扩) 是一种生产高性能无缝环件的塑性加工工艺。辗 环机是借助其径一轴向轧制机构对热态毛坯施加轧制力，使金属产生连续的局部 的塑性变形，实现毛坯直径扩大、壁厚减小、截面轮廓成形的塑性加工设备。辗 环机是大型环件生产线上的重要设备，其环件轧制质量和速度在很大程度上决定 了大型环件生产线的产品质量、生产效率和材料利用率。辗环机的轧环精度和效 率直接影响到环件的材料利用率和环件的产品质量，轧环工艺参数在一定程度上 也影响到轧环效率。大型环件生产线包括下料工序、制坯加热工序、环件轧制工 序、车削工序，其中环件轧制工序是环件生产线中的核心部件，直接影响着环件 的产品质量和材料利用率【1 - - 4 。图1 1 所示为轧环生产线工艺流程图。 图1 1轧环生产线工艺流程图 随着现代工业的发展，对于无缝环形件的需求量越来越大，同时对无缝环件 的轧环质量和材料利用率的要求也越来越高。在风电、汽车、火车、化工、船舶、 能源、冶金、机械、航空航天等诸多工业领域中，环件轧制工艺得到了广泛的应 用。利用环件轧制工艺生产大型环件具有大幅度降低设备吨位和投资、节能节材、 生产成本低、振动冲击小等显著技术经济优点，还具有省力，生产率高、生产成 本低、产品范围广、易实现等显著优点【l 】。所以环件轧制工艺已成为法兰环、齿 轮环、火车车轮、轴承环、燃汽轮机环等各种无缝环形零件的先进制造技术和主 要加工方法。例如风力发电设备的塔筒连接法兰、航空航天的火箭筒连接法兰、 大型辗环机轴向轧制机构有限元分析0 结构改进 大型轴承环、地面发射设备大回转支承、核反应堆容器环件、高颈法兰等，可加 工的材料种类非常广泛，例如碳钢、不锈钢、合金钢、铜合金、铝合金、高温合 金、钛合金、钴合金、镍基合金等，辗环机在风力发电、机械、火车、汽车、船 舶、航空航天、石油化工、原子能等众多工业领域发挥着重要作用。图1 2 为德 国s m se u m u c og m b h 公司的r a w8 0 0 5 0 0 8 0 0 0 18 0 0 型辗环机生产现场和 图i 3 车削成形的环件产品。 图1 2r a w8 0 0 5 0 0 8 0 0 0 1 8 0 0 辗环机生产现场 图1 3 车削成形的环件产品 环件轧制设备水平低，会造成环件端面平整度低，尺寸精度差，加工余量大 等问题。随着我国对大型环件件的生产和需求量不断，因此对辗环机的精度要求 也随之增加，但是对于辗环机的设计仍然以依靠传统经验公式、数据、结构为主， 较保守的经验数据通常会导致产品材料的浪费，造成成本的增加，产品生产周期 的增加，同时也会对轧环的质量产生影响，因此这就需要对辗环机受力主体的结 构进行结构分析 3 1 。 1 1 辗环机 1 1 1 辗环机的分类 辗环机是集机、电、液、仪一体化的设备，结构复杂，自动化程度高。从不 同的角度出发，辗环机有不同的分类方法。表1 1 为辗环机的分类。 2 济南大学硕上学位论文 表1 1 辗环机的分类 按毛坯的温热辗环机用于大中型无缝环件的轧制。 度冷辗环机用于小型无缝环件的轧制，例如：轴承套圈等。 用于大型和特大型环件轧制成形，既有采用径向轧制变形的， 卧式辗环机 按设备结构也有采用径一轴向联合轧制变形的。 特点 用于中小型环件轧制成形，通常采用径向轧制变形，属于径向 立式辗环机 轧环机( 国内设备代号d 5 1 系列) 。 径向轧制卧式辗环分d 5 1 ( 立式) 和d 5 2 ( 卧式) 两种结构，用于中小型环件轧 机制成形。 国内设备代号d 5 3 k 系列，重型超大数控设备，结构复杂，自 按轧制变形 径轴向辗环机动化程度高，通常采用卧式机身结构，用于大型和特大型环件 特点 的轧制成形。 适用于小型环件轧制成形，通常也采用径向轧制变形，它同时 多工位辗环机 轧制多个环件。 图1 4 为按轧制变形特点分为径向轧制原理图、径一轴轧制原理图、多工 位轧制原理副3 1 。 ( a ) 径一轴向轧制原理图( b ) 径向轧制原理图 3 大型辗环机轴向轧制机构有限元分析与结构改进 渗i 猕蘸 遴! 擎 ( c ) 多工位轧制原理图 图1 4 按轧制变形特点分类 径一轴向辗环机是在径向轧制卧式辗环机基础上增加了端面轴向轧制机构。 对热态毛坯径向轧制的同时采用一对锥辊对环件端面进行轧制，有效地提高了环 件端面精度和质量。径一轴向联合轧制卧式轧环机的端面轴向轧制机构分固定式 和移动式两种。其中移动式端面轴向轧制机构可在轧环机机身上水平移动，以适 应不同直径的环件轧制。端面轴向轧制机构的工作方式有三种： ( 1 ) 在环件整个过程中，端面锥辊轴向轧制和径向轧制同时进行； ( 2 ) 为了防止环件在轴向产生宽展，在环件径向轧制的初期，端面锥辊进 行轴向轧制； ( 3 ) 在环件径向轧制的后期，端面锥辊进行轴向轧制，使环件达到规定的 轴向尺寸。 常见典型轧制环件截面图见图1 5 【3 1 。 二 缓荭3口匾二 舀舀舀目日臣目 曰如口口口扣口 筐了匾藿j 冒目臣 图1 s 环件轧制典型产品形状 1 1 2 轧环原理 轧制大型环件多采用径一轴向辗环机，它是在径向辗环机的基础上，设置了 4 济南大学硕上学位论文 一套由锥辊组成的轴向轧制机构，可实现对环件的径向和轴向同时轧制，以保证 环件的端面质量。径轴向辗环机工作原理见图1 【们。 ( a ) 辗扩初始( b ) 辗扩完毕 l 熟态环坯删向辗压辊( 锥棍) 3 一芯辊4 一芯辊支架5 一径向辗压辊 图1 6 辗环机工作原理 将冲孔后的热态环形坯件l 套入直径比其孔稍小的芯辊3 后，令径向辗压辊 5 移动，接触环坯，并给与径向作用力，使之旋转以减小其横截面积。令轴向辗 压辊( 锥棍) 2 用于支撑变形的环形件，并同时控制环形件的宽度及其端面对轴 线的垂直度。改变芯辊、径向辗压辊和轴向辗压辊( 锥棍) 的外形形状，可以辗 扩出具有各种异形截面的环形件睁1 1 】。 1 1 3d 5 3 k - 2 5 0 0 a 辗环机介绍 辗环机由机身、径向轧制机构、轴向轧制机构、定心机构、传动系统、测量 机构、液压系统、电气控制系统等组成。图1 4 为d 5 3 k - 2 5 0 0 a 辗环机的结构示 意图，其主要技术参数如表1 1 所示。 表1 2d 5 3 k - 2 5 0 0 a 辗环机主要技术参数 径向轧制 轴向轧 锥辊角度辗环外径 最大车l i t i i 项目制力高度 毛坯最大壁成品最大壁 力( k n ) ( 。)( m m ) 厚( m m )厚( 衄) ( k n )( r a m ) 数值 2 0 0 01 2 5 03 56 0 0 - 2 5 0 05 0 03 3 01 7 0 5 大型辗环机轴向轧制机构有限元分析0 结构改进 图1 7d 5 3 k - 2 5 0 0 a 辗环机的结构示意图 d 5 3 k - 2 5 0 0 a 辗环机的径向$ l n 机构固定在床身上，轴向轧制机构通过由两 根径向导轨与机床床身相连接，轴向轧制机构的径向进给液压缸固定在机身尾 端，轴向进给液压缸悬挂在轴向轧制机架上端。为了保证轴向轧制过程中锥辊的 运动轨迹，轴向轧制机架左右两侧分别设有导轨。 1 2 辗环机的研究进展 1 2 1 辗环机的发展史和国外研究状况 环件轧制技术是伴随着铁路运输业而发展的。英国在1 8 4 2 年建造了轮箍轧 机，俄国奥斯特洛维茨铸造厂在1 8 8 6 年设立了火车轮箍生产车间。之后，环件轧 制技术广泛应用于其他领域。1 9 0 0 年美国m i d v a l e & q r d a n a n c e 公司副经理s l i c k 提出了辗环工艺，1 9 0 6 年制成了s l i c k 辗环机，1 9 2 0 年获美国专利。美国b e t h c l e m 钢铁公司在1 9 8 0 年也设计制造了同类辗环机。最早制造环件轧制机器的国家是德 国并用于生产的是蒂森机器公司( 公司始建于1 8 6 5 年) 瓦格纳工厂，该厂把配有 自动上料和自动卸料装置的a g w 4 0 0 型辗环机在1 9 8 5 年首次投放市场，至1 9 9 0 年，瓦格纳公司销往世界各国的辗环机已达4 0 多台。日本三菱长崎机工株式会社 与瓦格纳公司在1 9 9 1 年合作生产了a g w 型辗环机。s m se u m u c og m b h 公司在 2 0 0 4 年生产了r i w a8 0 0 0 5 0 0 辗环机。近年来，在德国钢铁工程师协会环件轧制 委员会以及生产厂家的大力支持下，各研究机构在环件轧制在线控制方面进行了 6 济南大学硕仁学位论文 大量的研究。德国t h y s s c n 机器制造公司在此基础上开发的c n c 环件轧机具有 o c s ( o p e r a t o rc o m m u n i a c a t i o ns y s t e m ) 和c a r ( c o m p u t e ra i d e dr o l l i n g ) 系统，其结 果使整个环件生产过程实现了计算机自动控制，能灵活地生产各种规格的产品， 大幅度地提高了生产率和产品质量，降低了成本。所以，环件轧制技术又上了一 个新台阶【4 1 。 在环件轧制的实验室研究方面，2 0 世纪6 0 年代，英国学者w j o h n o l s n 等开展 了环件轧制实验研究。他们在立式二辊轧机上进行了基本参数的实验研究，发现 环件轧制时径向变形区的径向对称点存在塑性铰。h a w k y a r d 在1 9 8 4 年考察了压 下速度、摩擦条件、环件形状及孔型尺寸等因素对孔型中金属流动及环件截面形 状的影响。初步探讨了轧制异形截面环如何保证环件外径达到规定尺寸时，环件 材料恰好充满孔型，形成理想的截面形状的问题【4 】o 上世纪6 0 年代开始了环件轧制的理论研究工作，由于受到客观条件的限制， 大量的研究工作被限制在近似或经典塑性成形理论的研究领域。滑移线基本理论 是上世纪2 0 年代建立的，该方法主要用于求解理想塑性材料的平面应变问题。 h a w k y a r d 采用平砧锻造平板时的滑移线场解首次给出轧制力和力矩的简洁表达 式。与实验结果对比，轧制力公式的误差小于1 0 ，轧制力矩的误差在1 5 左右。 环件轧制中金属变形复杂。因此，对金属变形规律的进一步研究多采用上限法或 能量法。1 9 8 4 年r y o o 用上限法解出轧制力和力矩的上限值，并解释了轴向宽展变 形产生“鱼尾 的现象。y 觚g 用能量法研究了l 形截面环轧制力矩变化规律。分 析中考虑了芯辊压下速度的影响。计算和实验表明，当压下速度较大时，其对轧 制力确有一定影响，但芯辊压下速度较小时，它的影响可忽略不计。上述各种理 论分析方法此无法提供环件内部精确全面的应力应变信息。随着计算机技术和塑 性理论的发展，用有限元方法模拟塑性成形过程弥补了各种解析或半解析方法的 不足，被用来解决了许多实际问题。应用于环件轧制中的有限元方法主要有刚 ( 粘) 塑性有限元法和弹塑性有限元法。1 9 8 8 年d y y a n g 等人利用平面刚塑性有 限元方法对环件轧制的平面变形作了分析，计算出了应变速率分布，驱动辊的转 矩和垂直压力分布，获得了变形金属的速度场和沿着接触表面的外力。1 9 9 0 年， 用三维刚塑性有限元方法，n a k s o ok i m 等人，对环件轧制进行了模拟，并编制了 r i n g 的计算机程序。其主要s m s ( a c t u a l l y r o t a t i n gm e s hs y s t e m ) 工作是将网格 7 大璎辗环机轴向轧制机构有限元分析与结构改进 系统中得到的变形区的精细网格代入a m s ( s p a c i a l l yf i x e dm e s hs y s t e m ) ) 网格 系统，既保证了精度又减少了计算量。1 9 9 4 年z m h u a , i p i l l i n g e r 等人用弹塑性 有限元法和一种特殊的混合有限元网格模型对环件轧制进行了研究。它们的模型 较好地对变形、应变和施加的力等参数进行了分析，并对环轧过程中的“鱼尾 现象进行了较好的预测。1 9 9 4 年t l i m ，i p i l l i n g e r 等人在弹塑性有限元分析中也用 到了混合网格进行模拟。利用该方法对矩形截面和v 型截面的径向和径轴向轧制 进行分析，其计算时间节省了近7 0 2 1 。 1 2 2 国内研究状况 我国于2 0 世纪5 0 年代开始应用环件轧制技术生产轴承环。1 9 5 9 年在上海建立 了锤一压力机扩孔机的轴承环轧制生产线。至此，环件轧制技术已经成为机械 零件生产的高效、先进和主要的工艺方法之一，受到越来越广泛的认识【2 1 。 2 0 世纪9 0 年代，我国自制的热成形辗环机辗压力为2 0 0 0 0 k n ，辗压件直径达 3 5 0 0 m m ，轴向高度5 0 0 m m 。济南铸锻所研制的轴向一径向辗环机和武汉理工大 学( 原武汉工学院) 研制的巾5 0 0 m m 型齿轮毛坯辗扩机都采用微机控制辗压成形 的汽车后桥从动锥齿轮坯尺寸形状精度已达世界水平。西安重型机械研究所为西 南铝业公司研制了国内最大的轧制铝质环件的5m 径一轴向数控辗环机，并于 2 0 0 6 年9 月投产，设备运行良好，产品的各项指标达到设计要求。国内轧环设备 主轧辊转速是恒定的，其优点是控制系统简单，不足之处是不能适用轧制不同材 质的环件需要，设备能力不能充分发挥。提高轧制线速度可以充分发挥设备潜能， 满足轧制不同尺寸环件对速度的要求。5 m 径一轴向数控辗环机的主轧辊传动和 轴向轧辊传动均采用直流调速系统，轧制线速度0 1 4 1 1 6m 8 ，无级可调。由 西安重型机械研究所自主开发研制的的5 m 径一轴向数控辗环机于2 0 0 6 年9 月在 西南铝业公司通过验收，设备运行良好，成功地轧制出满足我国航天工业急需的 大型铝合金环件。这不仅证明了我国辗环机的设计和制造技术的进步，而且标志 着我国轧制大型环件的工艺和控制技术的进步。 1 2 3 轧环理论和实验研究 近年来，国内各个行业对大型环件的需求量越来越大，同时对各种型号的辗 济南大学硕士学位论文 环机的要求也在不断的变化。国内生产辗环机的企业较多，济南铸造锻压机械研 究所有限公司、中国重型机械研究院有限公司、无锡大桥轴承机械有限公司、青 岛青锻锻压机械有限公司、南通海安县伟业机械制造厂、青岛琪源锻压机械有限 公司、青岛平安锻压机械制造有限公司、青岛益友锻压机械有限公司、中国洛阳 华众机械制造有限公司、天津市天锻压力机有限公司等企业进行辗环机的开发研 究和生产都在逐步向国际主流方向靠拢 2 - 1 0 1 。 燕山大学许思广用三维刚塑性有限元法分析了横断面为对称的辗环变形过 程，以及辗环过程的热耦合问题。郭正华等人则采用刚( 粘) 塑性动力显示有限 元法模拟了环件热轧时的金属流动规律，模拟结果不但得到环件轧制的接触力、 等效应变速率和等效应变的分布，还揭示出环坯形状、尺寸、温度和轧制加载速 度对工艺性指标和效率指标的影响删。解春雷、李尚健等人根据环件轧制过程 的有限元模拟结果制订控制策略，将模拟的最佳轧制力曲线转换为压力辊运动 的等效速度曲线，控制压力辊使其按预定的速度曲线运动。华林、赵仲治、张猛 等人在环件辗扩工艺，辗扩力和力矩计算方面及辗扩进给规范等辗环工艺的研 究中取得了成果，并于2 0 0 1 年，华林等人撰写了著作环件轧制理论和技术在 机械工业出版社高水平著作出版基金的赞助出版。该书经过长期的理论和实践操 练，从静力学、运动学、动力学、几何学、塑性成形原理和系统控制等方面深人 研究环件# l n 条件、成形运动规律、力能设计方法、工艺设计方法和过程控制方 法，揭示了环件轧制的物理本质，建立了环件轧制的理论体系。书中介绍的工艺 流程、工步设计、生产组织等，是对大量环件轧制生产实践的总结和归纳，具有 很强的实用性【2 】。 1 2 4 辗环机机架及其重要部件的分析和结构优化 武汉理工大学的许雯利用有限元分析软件a n s y s 以d 5 6 g 9 0 型冷轧环机为 对象，对该设备的结构和性能进行了研究。机架的最大应力均远小于许用应力， 强度满足要求，在设计时应主要考虑其刚度；以减轻重量和提高刚度为目标，通 过多约束优化设计，使机架的重量减轻了1 7 9 ，刚度增加了1 0 4 8 ；丝杠的刚 度增加了2 9 6 2 。材料得到了更加充分地利用，产品的精度也随之提高，具有实 际应用意义。对d 5 6 g 9 0 型冷轧环机的研究，为新型冷轧环机的设计与制造提供 了依据。郝用兴应用a b a q u s - - 维有限元软件对d 5 6 g 9 0 冷辗环机机架刚度分析， 9 大型辗环机轴向轧制机构有限元分析与结构改进 分析了机架在不同载荷( 肌1 0 0 k 下的受力与变形的关系。鄢奉林利用a n s y s 中 的三维有限单元法对预紧机架进行了动力仿真，并进行了分析和比较。结果表明： 工件基点位移在初辗和终辗阶段变化大，在主辗阶段相对稳定，计算得出了工件 基点的变形刚度；机架上测量基准点与工件基点存在相对位移，其变化曲线显示 了动态变形引起的误差，轧制规程不同时动态误差不同。分析结果用来进行动态 误差补偿和控制、机床工艺参数调整设置，提高冷辗扩加工的尺寸精度。合肥工 业大学的时大方应用三维有限元方法对p c r - 1 2 0 辗环机机架的力学模型进行分 析，并根据计算结果得到了一些规律性结论，对辗环机的设计过程起到了指导作 用。 1 3 存在的问题 辗环机随着工业自动化进程的深入而得到越来越广泛的应用。当前，国内外 开发生产的辗环机主要是在参考原有机型的基础上进行的改进，还遵循着传统的 设计理论和设计规则，凭借着设计者的经验来选择设计参数，并借助一些手册、 图表、经验数据及一些经验公式来完成各种设计，这会造成辗环机结构本身存在 很多的缺陷和不足之处。另外，我国研发大型环件精密热轧设备的历史较短，在 设计方法上，主要参考了西方国家的同类设备，缺少对机床结构及变负载条件下 弹性变形的分析与计算，设计水平较低，设计理论不够系统、完整。在辗环机设 计方面，存在设备结构材料利用率低等缺点。近年来，我国国产辗环机进步很快， 其水平接近了国外产品的技术性能，但仍存在一定差距，主要表现在设备的稳定 性、可靠性、速度、成套性方面和自动化程度相对比较低，轧环精度也是主要差 距之一。 1 4 选题意义 在轧环过程中，辗环机的轴向轧制机构主要是控制环件在轴向产生宽展，使 环件达到规定的轴向尺寸，所以辗环机的轴向轧制机构直接决定环件产品的质量 和材料利用率。在辗环机的结构设计中，由于锥辊和机架在几何形状、外载荷作 用和约束条件等方面的复杂性，仅依靠传统的材料力学方法已难以对锥辊受力环 境的的各区域提供准确的分析，不能满足结构设计的要求。随着有限元技术的发 1 0 济南大学硕七学位论文 展，利用有限元的非线性接触理论方法分析锥辊部件的变形和应力分布状态，找 出其薄弱环节，进而再进行结构改进是一种有效的方法。目前对于锥辊和机架的 有限元分析中，利用三维造型软件、有限元软件、优化设计软件进行结合得到锥 辊和机架的刚度、强度分析结果，并且在研究中起到很大的指导作用。 d 5 3 k - 2 5 0 0 a 辗环机的研制是依据国外同等机型设计开发的，此辗环机的设 计缺少对机床结构及变负载条件下弹性变形的分析与计算，设计水平较低，设计 理论不够系统、完整。 随着大型环件应用领域的扩大，节能减排的意识和环件应用水平的提高，轧 环质量的要求也越来越高，因此对其进行综合性的分析势在必行。本课题对影响 辗环机加工中锥辊工作环境的各个因素进行分析，对辗环质量的提高具有较大的 实用和理论价值。 1 5 研究内容 根据课题的需要，采用有限元分析软件a n s y s 对辗环机轴向轧制机构锥辊 装配体和机架装配体进行有限元分析，这对于了解此辗环机的结构，进而进行运 动学分析，以改善其性能，提高轧环质量具有重要意义。本课题的主要研究内容 如下： ( 1 ) 选择d 5 3 k - 2 5 0 0 a 辗环机作为分析对象，对该机型环件轧制数据进行现 场采集，之后对采集的数据进行对比分析，明确该机的轴向工作极限轧制力和极 限扭矩，通过现场对其数据的采集和分析，对大型辗环机的轧制工艺和工作过程 有深入理解。 ( 2 ) 利用三维软件s o l