（机械制造及其自动化专业论文）大型环件径轴向辗环运动学分析及变形规律研究.pdf

o nd e f o r m a t i o n r e g u l a r i t ya n dk i n e m a t i ca n a l y s i so f r a d i a l - - a x i a lr o l l i n gf o rl a r g e r i n g b y z h a n gx i a n k e 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 ，p r c h i n a m a y2 8 ，2 0 1 2 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究所取 得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发 表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明 确方式标明。本人完全意识到本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 广 孤黼 1 日期：砂嘛，7 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。 口公开口保密(年，解密后应遵守此规定) 论文作者签名删吖翩躲碱眺砂叫、7 济南大学硕士学位论文 目录 摘 要i i i a b s t r a c t v 第一章绪论1 1 1 大型环件径一轴向辗环工艺1 1 1 1 径一轴向辗环原理1 1 1 2 径一轴向辗环工艺过程2 1 2 大型环件径一轴向辗环工艺的研究现状3 1 2 1 大型环件辗环运动学分析研究3 1 2 2 大型环件辗环有限元分析研究4 1 2 3 课题的提出6 1 3 课题的来源、目的和意义7 1 3 1 课题的来源7 1 3 2 课题研究的目的及意义一7 1 4 本文的主要研究内容7 第二章大型环件径一轴向辗环运动学分析9 2 1 引言9 2 2 主辊与锥辊的转速匹配关系一9 2 3 锥辊与环件的滑动规律1 1 2 4 环件直径扩大速度1 3 2 5 轴向辗环机构的后退速度1 3 2 6 径向与轴向直线运动的匹配关系1 4 2 7 径向与轴向进给速度1 5 2 8 抱辊的运动分析1 6 2 9 本章小结1 9 第三章大型环件径一轴向辗环有限元分析2 l 3 1 引言2 1 3 2 金属成形过程的有限元分析2 1 3 2 1 拉格朗日乘子法2 1 3 2 2 动力显式有限元算法2 3 3 3 有限元软件的选择2 3 大型环件径轴向辗环运动学分析及变形规律研究 3 4 大型环件径一轴向辗环模拟流程一2 4 3 5 几何模型的建立2 5 3 6 材料模型2 5 3 7 单元类型2 6 3 8 有限元网格划分2 7 3 9 接触定义2 8 3 1 0 约束与初始条件一2 9 3 1 1 简化积分与沙漏控制一3 0 3 1 2 载荷的施加3 0 3 1 2 1 锥辊运动的控制一3 1 3 1 2 2 抱辊运动的控制一3 2 3 1 3 有限元分析结果一3 3 3 1 4 本章小结3 5 第四章大型环件径一轴向辗环变形规律分析一3 7 4 1 引言3 7 4 2 辗环中的环件形状变化3 7 4 2 1 网格的变化3 7 4 2 2 径一轴向辗环过程的宽展3 8 4 3 工艺参数对环件变形的影响3 9 4 3 1 主辊转速对环件变形的影响3 9 4 3 2 摩擦系数对环件变形的影响4 0 4 3 3 芯辊进给速度对环件变形的影响4 1 4 4 本章小结4 3 第五章结论与展望4 5 5 1 结论4 5 5 2 展望4 5 参考文献一4 7 致谢5 3 附录5 5 济南大学硕士学位论文 摘要 大型环件径一轴向辗环是一种特种塑性加工工艺，环件辗环是通过辗环机使环件发 生连续局部变形，从而使毛坯产生直径变大截面变小。环件辗环具有省力、省料、生产 率高、环件质量好、产品范围广和易实现等显著优点被广泛应用在工业领域。 本文首先应用理论计算分析了大型环件径轴向辗环过程中径向进给速度、轴向进 给速度以及它们之间的联系，同时对环件辗环中主辊与锥辊转速的匹配关系、锥辊与环 件的滑移规律进行了理论研究；结合d 5 3 k 2 5 0 0 a 辗环机的几何尺寸，对抱辊运动进行 了分析，获得了抱辊运动的轨迹方程。以上述的理论计算结果为依据，同时结合 d 5 3 k 2 5 0 0 a 辗环机的实际辗环数据，应用大型通用动力学分析软件a n s y s l s d y n a 建立大型环件径轴向辗环有限元模型，设置相应的工艺参数实现了大型环件径轴向辗 环的三维动态数值模拟仿真，通过a n s y s l s d y n a 进行环件辗环数值模拟可以确定 影响环件辗环效果的关键因素，基于该数值模拟仿真的结果研究环件在径轴向辗环过 程中的网格变换情况以及环件辗环过程中径轴双向宽展的表现，最后通过改变轧辊与环 件之间的摩擦系数、主辊的转速和芯辊的径向进给速度，进行对比研究它们对环件径 轴向辗环成形的影响，最终确定最佳参数值。 通过对大型环件径轴向辗环的运动学分析和应用有限元软件对大型环件径轴向辗 环的动态模拟仿真分析研究了环件变形规律，对大型环件径轴向辗环工艺参数的设置 奠定了基础。 关键词：径轴向辗环；数值模拟；有限元；运动学分析；变形规律 大型环件径轴向辗环运动学分析及变形规律研究 i v 济南大学硕士学位论文 a b s t r a c t l a r g er i n gr a d i a l - a x i a lr o l l i n gi sas p e c i a l i z e dp l a s t i cr o l l i n gp r o c e s s ，w h i c hc r u s h e sr i n g b l a n ki n t ob i g g e rd i a m e t e ra n ds m a l l e rc r o s ss e c t i o nt h r o u g hc o n t i n u o u s l yl o c a lb yr i n g r o l l i n gm a c h i n e d u et os a v i n gf o r m i n gf o r c e ，i n c r e a s i n gu t i l i z a t i o nr a t i oo fm a t e r i a l ， i m p r o v i n gp r o d u c t i v i t y , h i g h e rp e r f o r m a n c eo fr i n g ，w i d e n i n gp r o c e s s i n gr a n g ，e a s ya c h i e v i n g a n do t h e rs i g n i f i c a n ta d v a n t a g e s ，r i n gr o l l i n gi sw i d e l yu s e di nm a n yi n d u s t r i a ld o m a i n s t h i sp a p e ra p p l i e dt h e o r yc a l c u l a t i o nt oa n a l y z et h er a d i a ls p e e da n da x i ss p e e da n dt h e r e l a t i o nb e t w e e no ft h e mi nt h ep r o c e s so fr i n gr a d i a l a x i a lr o l l i n g ，m e a n w h i l e ，m a d ea t h e o r e t i c a ls t u d yo nt h er e l a t i o nb e t w e e nt h er o t a t i o no ft h em a i nr o l la n dt h er o t a t i o no ft h e a x i a lr o l l ，o ns l i d i n gr e g u l a t i o no ft h ea x i a lr o l la n dt h er i n g a c c o r d i n gt ot h eg e o m e t r ys i z e o ft h ed 5 3 k - 2 5 0 0 aa x i a l r a d i a lr i n gr o l l i n gm i l l ，a n a l y z e dt h eg u i d er o l lm o v e m e n t ，a n dg o t t h et r a je c t o r ye q u a t i o no ft h eg u i d er o l lm o v e m e n t b a s e do nt h et h e o r e t i c a lr e s u l t sa n dt h e d a t ao ft h ed 5 3 k - 2 5 0 0 aa x i a l - r a d i a lr i n gr o l l i n g ，a p p l y i n gt h el a r g e - s c a l eg e n e r a l p u r p o s e f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r ea n s y s l s - d y n am a d eaf i n i t ee l e m e n tm o d e lo ft h e d 5 3 k - 2 5 0 0 aa x i a l r a d i a lr i n gr o l l i n gm i l l t h r e e d i m e n s i o n a ld y n a m i cn u m e r i c a ls i m u l a t i o n o ft h er i n gr a d i a l a x i a lr o l l i n gi sa c h i e v e db ys e t t i n gt h ea p p r o p r i a t ep r o c e s sp a r a m e t e r s i t p r o v e dt h a tt h er i n gr o l l i n gn u m e r i c a ls i m u l a t i o nb yt h ea n s y s l s d y n ai sf e a s i b l e ， w h i l ei d e n t i f i e dt h ek e yf a c t o r so fa f f e c t i n gt h er o l l i n ge f f e c t t h et r a n s f o r m a t i o nr i n gg r i d d u r i n gt h er o l l i n gp r o c e s s ，a sw e l la st h ed i a m e t e ro fp e r f o r m a n c eo ft h et w o - w a yw i d e e x h i b i t i o ni ss t u d i e di nt e r m so ft h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u l t s f i n a l l y , b yc h a n g i n gt h e f r i c t i o nc o e f f i c i e n tb e t w e e nt h er o l l sa n dr i n g ，t h er o t a t i o n a ls p e e do ft h em a i nr o l la n dt h e r a d i a ls p e e do fm a n d r e l ，t om a k eac o m p a r a t i v es t u d yo nt h e i re f f e c tt or i n gr o l l i n gf o r m i n g ， a n du l t i m a t e l yd e t e r m i n e dt h eb e s tp a r a m e t e rv a l u e s t h i sp a p e rs t u d i e dr i n gr o l l i n gd e f o r m a t i o nr e g u l a r i t yo nt h eb a s i so fk i n e m a t i c sa n a l y s i s o ft h ea x i a l r a d i a l r i n gr o l l i n ga n dd y n a m i cs i m u l a t i o na n a l y s i su s e df e m ，w h i c hl a i d f o u n d a t i o nf o rs e t t i n gt h ep a r a m e t e r si nt h er a d i a lr i n gr o l l i n gp r o c e s s k e yw o r d s ：r a d i a l a x i a lr i n gr o l l i n g ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；f e m ；k i n e m a t i c s a n a l y s i s ；d e f o r m a t i o nr e g u l a r i t y v 大型环件径轴向辗环运动学分析及变形规律研究 v i 济南大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 大型环件径一轴向辗环工艺 大型环件径轴向辗环是在辗环机的作用下使环件直径、壁厚、截面轮廓发生变化 的一种塑性成形工艺，与整体模锻相比，它具有大幅度降低投资与设备吨位、振动冲 击小、节能节材、降低生产成本等显著优点，是轴承环、法兰环等各类无缝环件地先 进加工技术。近年来，美国、法国、德国等工业比较发达的国家纷纷出资对辗环机设 计、辗环理论和试验分析进行研究，并且取得了比较好的经济效益【1 】。 1 1 1 径一轴向辗环原理 在轴向端面上通过增加一对锥辊实现对环件的轴向辗环，这样可以修复了径向辗环 所产生的环件端面不平整的缺陷，并且通过轴向端面辗环还可以获得不同截面轮廓形状 的环件，如图1 1 所示为大型环件径一轴向辗环的基本原理图。 主辊 抱辊环件下锥辊 图1 1 径一轴向辗环的原理图 环件径轴向辗环过程主要包括芯辊的径向进给运动、抱辊的曲线运动、上锥辊的 轴向进给运动和上下锥辊的后退运动。芯辊的径向进给运动给环件施加了径向压力，从 而通过主辊与环件的摩擦力带动环件旋转，芯辊也会在与环件接触摩擦力的作用下做旋 转运动；抱辊的曲线运动主要是为了保证环件具有良好的圆度、保证辗环的顺利进行； 上锥辊的轴向进给运动目主要是为了使环件在轴向上达到高度减少；上下锥辊的后退运 动是保证辗环顺利进行的一个主要条件。 在环件径一轴向辗环过程中，主传动系统中的两台主电机通过传动箱中的一级螺旋 伞齿轮和两级圆柱斜齿轮减速后，将主电机的扭矩由输出轴传递给主辊，从而使主辊作 大型环件径一轴向辗环运动学分析及变形规律研冗 旋转辗环运动；芯辊在油缸拉力的作用下做径向直线进给运动，同时由于摩擦力作用而 做从动的旋转运动；机身两侧油缸产生的推力使一对抱辊始终贴紧环件，当环件直径增 大时，油缸大腔的液压油从比例溢流阀排出，从而给环件施加抱辊力达到整圆的目的， 当环件中心偏离机器中心线时，那一面的抱辊将迫使工件向反方向摆动；端面辗环中的 上、下锥辊各由一台直流电机，经两级齿轮减速后驱动带动锥辊旋转运动，其中上锥辊 在油缸推力的作用下做轴向的直线进给运动。 如图1 2 所示为某大型环件径轴向加工设备模型图，主要由主辊、主传动系统、芯 辊、抱辊系统、轴向辗环系统、床身等组成。大型环件径一轴向辗环工艺主要是用来于 生产大型环件。 ( b ) 俯视图 图1 2 径一轴向辗环机示意图 1 1 2 径一轴向辗环工艺过程 大型环件径- 车由向辗环的主要原料是金属棒料，主要加工工艺和流程：棒料经过加热 炉加热之后，进行截断，然后经过镦粗、冲孑l 、再加热，最后经过径一轴向辗环机辗环 成合格环件，环件径一轴向辗环工艺对环件的辗环成形有着重要的影响，如果大型环件 径_ 车由向辗环工艺参数设置不合理，将严重影响环件的成形。我国引进的德国w a g n e r 济南大学硕士学位论文 公司的c n c 径轴向辗环机，其在实际的辗环生产中，显示出比较独特的优越性；然而 这仅仅停留在实际生产上，其实际生产中工艺参数的制定、辗环产生的环件缺陷、毛坯 的优化等问题所需要的理论知识比较匮乏。而现实中的情况是，很多生产厂家只是购买 了昂贵的环件辗环设备，而对其工艺设计、控制等方面并不清楚，缺乏必要的指导，所 以一直处于摸索的状态下，这样严重延误了生产同时对资源产生了大量的浪费【2 - 3 。 1 2 大型环件径一轴向辗环工艺的研究现状 1 2 1 大型环件辗环运动学分析研究 环件辗环涉及到直线进给运动、旋转运动、导向运动以及环件自身的转动和直径扩 大运动，而且辗环过程是时变的，具有高度的几何非线性和物理非线性。这使得环件辗 环物理力学机制变得极为复杂，研究工作难度大。 19 6 8 年，英国学者w j o h n s o n 等首先在立式二辊轧机上基本环件辗环参数的实验 研究，发现塑性铰存在于环件径向变形区的径向对称点上；1 9 7 3 年，h a w k y a r d 在u m i s t 实验室安装了一台具有压力辊且其可沿轴线移动以便于试验时环件的装卸且轧辊两端 支撑，从而提高了轧机刚度与试验精度的专用环件试验轧机；1 9 7 6 年，m a m a l i s 则在该 轧机上进行了环件金属变形与宽展试验，其试验结果表明：在恒压速度的条件下不规则 的轴向宽展变形总会发生；并且压下速度的大小对宽展有着明显的影响；同时环件内部 存在着弯曲与剪切的组合变形；1 9 7 6 年，m a m a l i s 利用测压针的方法得到不同材料辗环 时在不同孔型中的单位压力分布规律：在环件变形入口附近的单位压力迅速升高并达到 峰值，随后缓慢降低，在轧辊的连心线附近出现单位压力f h j 线的拐点，如果压下速度比 较大，则单位压力可能出现两个峰值。1 9 7 9 年以来，h a w k y a r d 为了提高异性截面在各 孔型辗环的充满率对金属在各种孔型中的流动特性进行了深入研究，观察了摩擦条件、 压下速度、环坯形状与孔型尺寸的变化对其的影响。2 0 0 2 年j s g u n a s e k e r a 教授等人开 发了美国第一台实验用径向辗环机如图1 3 ，并成功在该实验装置上进行了多种结构的 环件辗环【4 | 。 m a m a l i s 与j o h n s o n 等人还对宽展与塑性铰的形成作了试验与研究，蒋日东等也根 据径向辗环的规律对径轴向辗环工艺进行了一些分析和研究，提出了综合可轧区的概 念，并对综合可轧区进行求解，最后将各种非线形约束用几条曲线统一起来，可方便地 确定径向和轴向压下量的范围，不仅可以保证辗环过程顺利进行，还可以避免鱼尾等缺 大型环件径- 轴向辗环运动学分析及变形规律研冗 陷的产生，并基于辗环过程的数学模型与约束分析，以辗环时间最短为指标函数，对主 要控制参数径向进给速度与轴向进给速度进行二维寻优【5 。引。武汉理工大学的华林等经 过长期理论和实践探索，从静力学、运动学、动力学、几何学、塑性成形原理和系统控 制等方面深入研究了环件径向辗环工艺的辗环条件、成形流动规律、力能计算方法、工 艺设计方法和过程控制方法，揭示了径向辗环的物理本质，建立了环件径向辗环理论体 系。武汉理工大学的华林在d 5 1 1 6 0 a 辗环机上进行了环件辗环试验研究，并设计了环 件辗环测试系统，对环件辗环过程中的力学与运动学参数进行了试验测试与研究。 图1 3 径向辗环实验机 国内燕山大学的许思广等对恒定压力辗环条件下环件的宽展变形进行了研究，许思 广等用视塑性试验方法利用铅锑合金环件分析了环件辗环过程中金属流动所产生较大 变形后的应变分布，发现辗环过程中由于辗环力的影响，环件的圆心具有从轧辊的连心 线向咬入侧偏离的趋势【7 】。 文献 1 中对径轴向辗环工艺有过一些相关叙述，介绍了大型环件径轴向的辗环原理 和发展历程，以及现阶段的一些应用现状，分析了辗环过程中的环件尺寸变化关系以及 设备控制的原理和特点，针对实际辗环设备，描述了整个大型环件的辗环工艺流程。c h o i 对径轴向辗环工艺的特点进行了分析研究。纵观以上所有这些研究工作，都缺乏深入的 理论依据，而且主要的研究都集中在径向辗环上，对径轴向辗环成形规律的探讨也不 够。而国内外真正对该工艺进行理论研究与计算机模拟以及实际生产实验分析以揭示其 规律的公开的研究文献几乎为空白。 1 2 2 大型环件辗环有限元分析研究 大型环件径一轴向辗环过程是集三维连续渐变、非对称、非稳态、宏微观耦合与热 力耦合等特点于一体的高度非线性问题，由于问题的复杂性，基于理论解析与反复试验 4 济南大学硕士学位论文 的方法难以得到满意的研究结果，而有限元仿真能模拟环件辗环成形的全过程，从而可 以在计算机上进行多次反复试验，其已成为研究先进的精确性塑性成形技术、实现产品 的塑性成形技术的强有力工具，这就为大型环件径一轴向辗环这种复杂塑性成形问题的 研究创造了有利的条件。 n k k i m 等在以下方面对环件辗环进行了研究【8 9 】： ( 1 ) 利用三维刚塑性有限元方法、编制了r i n g 的计算机程序使计算量得到了减少； ( 2 ) 针对变形区应用三维刚塑性有限元建模，分析了变形区的速度场、接触面的压 力分布和应变速率场； ( 3 ) 对不同抱辊摩擦系数下的环件变形区的等效应变速率分布进行了比较，认为芯 辊和环件之间的摩擦系数为零是合理的。 d y w a n g 等在以下方面对环件辗环进行了研究【l o 】： ( 1 ) 利用塑性有限元方法得出驱动辊转矩、应变速率、垂直压力的分布，与实验数 据进行了对比显示两者数据很相近； ( 2 ) 利用三维刚塑性有限元法对t 型截面环件的辗环进行了模拟。 t l i m ，i p i n i n g e r 等在以下方面对环件辗环进行了研究【l l 】： ( 1 ) 通过前一增量步有限元计算得到了环件瞬时外径，然后利用导向辊与环件的方 位关系来确定导向辊的运动轨迹； ( 2 ) 利用改进的双网格技术，对t i 6 a 1 4 v 矩形环件和v 型环件热力耦合三维有限 元进行模拟，分析了环件的宽展、应变和温度分布特征。 k d a v e y ，m j w a r d 等在以下方面对环件辗环进行了研究 1 2 - 1 4 】： ( 1 ) 通过a l e 进行模拟仿真发现它比惯用的l a g r a n g e 程序节省大量的计算时间； ( 2 ) 对芯辊与环件无摩擦、仅沿环件轴向有摩擦与沿环件任何方向都有摩擦，进行 模拟对比轴向宽展发现有摩擦有助于获得更精确的模拟结果； ( 3 ) 基于伪平面应变假设，对火车车轮与轮毂的热辗扩成形进行了有限元模拟。 杨合在以下方面对环件辗环进行了研究建立的有限元模型如图1 4 【1 5 - 2 4 1 ： ( 1 ) 针对变形区应用三维刚塑性有限元建模，分析了变形区的速度场、接触面的压 力分布和应变速率场： ( 2 ) 对t 型碲铅合金和铝合金环件的金属轴向流动和截面充填规律进行了研究；对 不同抱辊摩擦系数下的环件变形区的等效应变速率分布进行了比较，认为芯辊和环件之 间的摩擦系数为零是合理的； 大型环件径轴向辗环运动学分析及变形规律研究 图1 4 环件径一轴向辗环仿真模型 ( 3 ) 在a b a q u s e x p l i c i t 平台上基于液压调节的导向辊运动自适应柔性控制方法分 析了钛合金矩形环件径、轴向热辗扩环件的尺寸变化、应变、应力与温度的分布特征。 清华大学的许思广、华中理工大学的解春雷和武汉理工大学的华林，根据大型环件 径轴向辗环的特点，建立了大型环件径轴向辗环的三维有限元模型，解决了几何建模、 算法、接触、网格划分、加载等建模关键技术，实现了径轴向环件辗环的虚拟仿真【2 孓3 4 1 。 王泽武采用l s d y n a 软件通过解决确定热力边界条件与轧辊运动控制等关键技术 问题，建立了大型钛合金矩形环件热辗扩成形过程三维有限元模型【3 5 1 。 潘立波在a b a q u s e x p l i c i t 软件平台上，利用热弹塑性材料模型和热力耦合显式 有限元法，模拟了大型铝合金矩形环件热辗扩成形过程，获得了成形过程中环件的应力 分布、温度分布和特征点的温度演变情况【3 6 。 1 2 3 课题的提出 纵观这些专家学者在环件辗环技术各个领域研究情况，可以看出他们都取得了杰出 成绩，然而也可以看出还存在一些不足，他们研究大多比较片面，仅专注于环件辗环某 一方面的研究而忽略其它方面的研究，如蒋日东博士、华林博士等从环件辗环过程宏观 量( 几何学、静力学、运动学、动力学) 根据辗环过程毛坯体积不变假设和力能极限参 数分析，建立了环件辗环理论体系和毛坯结构、辗环工艺设计方法；k d a v e y 博士、解 春雷博士、a k l o h i t h a 博士和p v p a d m a s i r i 博士从环件辗环过程分布量( 有限元法、 上限元法) 开发了仿真软件包，模拟了环件辗环金属成形过程，实现了环件成形在计算 机上仿真辗环，但单独从宏观量或者分布量去分析环件辗环成形过程都具有一定的局限 性，而基于数值模拟技术研制大型、复杂环件的成形工艺，必须要求仿真模型具有相当 地完备性。同时对于像轴承环、白行车车轮环、火车轮箍环、飞机发动机环等这些批量 济南大学硕士学位论文 生产的环件，如何提高单个零件的生产效率，是厂家非常关心的问题，由于模拟单个环 件一个生产周期过程需要高性能计算机和相当长计算时间，目前生产过程中主要采用传 统试凑法。 环件辗环产品目前呈着向大型化、精密化、复杂化、柔性化的趋势发展。采用传统 的试凑法己不能满足当前产品多样化、大型化的需要，无法快速响应市场，实现绿色节 能节材制造。为此，本课题将根据目前国内济南铸造锻压机械研究所有限公司生产的 d 5 3 k 一2 5 0 0 a 型径轴向辗环机进行研究，根据实际结构尺寸建立环件辗环三维有限元数 值模型，结合环件辗环宏观量( 几何学、运动学、动力学) 和有限元数值模拟对环件径 轴向辗环进行运动学和有限元数值模拟，并研究辗环工艺参数对环件变形的影响。 1 3 课题的来源、目的和意义 1 3 1 课题的来源 本课题目来源于两个国家科技重大专项的子课题：“高档数控机床与基础制造装 备”( 项目编号2 0 0 9 z x 0 4 0 1 4 0 7 4 0 9 ) 与大型数控径轴向辗环机( 项目编 2 0 1 0 z x 0 4 0 0 4 1 3 1 ) 。 1 3 2 课题研究的目的及意义 环件辗环工艺的应用已经有很长的历史了。目前，大型环件被广泛应用在风力发电、 航空航天、原子能等许多工业领域中，这意味着生产大型环件的辗环机的需求量也将大 幅度增加。近几年，国内很多厂家开始自行研发生产大型辗环机，如济南铸造锻压机械 研究所有限公司、中国重型重型机械研究所有限公司、济南沃茨数控机械有限公司、济 南东力数控机械有限公司等等，但是数控辗环机的辗环工艺设置还停留在经验试验的基 础上，缺乏必要的理论支持，所以，对大型环件径一轴向辗环过程的研究变得尤为迫切， 本课题以济南铸造锻压研究所有限公司的d 5 3 k 2 5 0 0 a 辗环机为研究对象，利用理论计 算和数值仿真两种手段对大型环件的径轴向辗环工艺参数设置、环件径轴向辗环运动 学分析和环件变形规律进行研究。 1 4 本文的主要研究内容 本课题以大型环件精密热轧设备d 5 3 k 2 5 0 0 a 辗环机为研究对象，通过分析典型环 件的辗环数据，了解辗环工艺参数的影响因素及环件辗环变化规律。采用有限元方法， 7 大型环件径- 轴向辗环运动学分析及变形规律研冗 考虑接触非线性，应用动力学分析软件a n s y s l s d y n a 对大型辗环机径一轴向辗环进 行模拟，通过理论与模拟相结合的手段，研究环件辗环径向进给速度、轴向进给速度以 及轴向机构的后退速度之间的关系和环件变化规律，为制订合理的大型环件径轴向辗 环工艺规范，提高环件精度提供依据。主要研究内容如下： ( 1 ) 对实际辗环数据进行分析，总结大型环件径一轴向辗环过程中环件变形、主辊转 速、芯辊径向进给速度、锥辊转速、上锥辊的轴向进给速度以及轴向辗环机构后退速度 在辗环过程中的变化规律； ( 2 ) 结合d 5 3 k - 2 5 0 0 a 辗环机的几何参数，分析抱辊的运动轨迹，以实际辗环数据为 基础结合o r i g i n 数据分析软件，求出抱辊随时间变化的位移方程； ( 3 ) 对大型环件径轴向辗环过程开展理论研究，计算并获得辗环过程中主辊转速与 锥辊转速之间的匹配关系和锥辊与环件的滑动规律，同时对芯辊径向进给速度、上锥辊 的轴向进给速度、环直径的增长速度和轴向机架的后退速度进行了计算得出相应的计算 公式，解决大型环件径轴向辗环工艺中的参数设置问题； ( 4 ) 利用三维设计软件s o l i d w o r k s 建立大型环件径轴向辗环的三维模型，将建立的 模型经x t 数据格式转换之后，导入动力学分析软件a n s y s l s d y n a 环境中，经过划 分网格、求解、后处理分析等步骤之后，分析模拟结果数据为径轴向环件辗环工艺制 作提供依据； ( 5 ) 采用动力学分析软件a n s y s l s d y n a 对环件径轴向辗环过程进行模拟仿真， 获得相应的辗环工艺参数和环件变形规律，解决大型环件径一轴向辗环工艺制定难的问 题。 济南大学硕士学位论文 2 1 引言 第二章大型环件径轴向辗环运动学分析 大型环件径一轴向辗环过程中的径向进给速度、轴向进给速度以及轴向辗环机构的 后退速度对加工合格的环件起着很重要的作用，在大型环件径一轴向辗环过程中主辊的 自转、芯辊的径向进给、锥辊的轴向进给以及抱辊系统的抱辊力的施加、配合轴向辗环 机构的后退之问的相互作用下使环件辗环沿着圆周方向逐渐扩展，而轴向高度逐渐变 小，从而得到一个合格的环件，为了满足环件径轴向辗环过程中的成形要求，则必须 对大型环件径轴向辗环工艺进行合理的设计和规划，否则环件辗环就会出现废品。 2 2 主辊与锥辊的转速匹配关系 为了便于计算建立如图2 1 所示的大型环件径轴向辗环模型图，n l 是主辊旋转速 度，d l 是主辊外径，n 2 为锥辊的旋转速度，点a 为环件截面中点，l 为锥尖到点a 的距离， 2 0 为锥辊的锥角，n 为环件在辗环过程中的旋转速度，由于芯辊的径向线性进给使主辊 与环件之间产生很大的摩擦力，从而促使环件以转速n 绕其轴心旋转，在辗环过程中随 着环件壁厚的逐渐减少环件内外直径逐渐变大，轴向辗环是分别由两个d c 电机驱动上 下锥辊旋转来实现的。 为了实现个完整的大型环件径轴向辗环，n 1 和n 2 之间的匹配是非常有必要的， 这也就是说锥辊的转速与主辊的转速必须遵循一定的规律。假设主辊与环件之间没有相 对滑动，也就是 r o d i n l = z t d n d ： r l = l 绝 d 1 ( 2 1 ) 在大型环件径轴向辗环过程中考虑到锥辊的磨损，环件与锥辊之间的相对滑动速 度，将被限于一个低水平，则环件在a 点的切向速度v a 与上锥辊在a 点的切向速度v ：a 可 以分别通过公式2 2 和公式2 3 来确定。 叱= 三( d 圳一r 2 c d ( 1 + 寺 ( 2 2 ) 大型环件径轴向辗环运动学分析及变形规律研究 v 2 一= 2 n n 2 l s i n t 9 南由i 一， v 磨 弋 缢 t = i 绷 i 潞 ( 2 3 ) 图2 1 环件的径轴向辗环模型图 假设在a 点处上锥辊与环件之间没有相对滑动，也就是v 2 a = v a ，则主辊与上锥辊的旋 转速度之比，即n 2 n 1 可以通过公式( 2 4 ) 来确定，而在实际辗环生产中上锥辊与下锥辊 以相同速度n 2 旋转。 鲁= 志c + 鸟d”4 三s i n 秒、 ( 2 4 ) 以利用大型环件径一轴向辗环工艺加工内径d r = 1 2 6 0 m m ，外径d r = 1 4 6 0 m m 的环为例， 假设环件毛坯的最初内径为d i = 3 0 0 m m ，外径d i = 8 0 0 m m ，同时假设在环件辗环过程中环 的高度保持不变，则随着环件直径的增j j h a o 将以一定的幅度增加，n 2 n l 的比值可以通 过公式2 4 计算求得，图2 2 为l = 2 0 0 m m 时，即上锥辊与环件接触位置保持不变，0 ) f n j n l 的影响曲线图，图2 3 为0 = 3 5 0 时，l 对n 2 n 1 的影响曲线图，通过图2 2 , i 图2 3 可以得出如 下结论： ( 1 ) 在这两个算例中，n 2 n 1 随着d d 的增大而增大，这就是说在环件辗环过程中上锥 辊的旋转速度，随着环件直径的扩大而增加； ( 2 ) 锥角2 0 越小，上锥辊转速n 2 的值就越大； ( 3 ) 如果上锥辊前端( l 很小) 是环件的接触区域，则在环件辗环过程中上锥辊需要 更大的旋转速度n z 。 1 0 济南大学硕士学位论文 乓 d a a 图2 2l = 2 0 0 m m l 对，n l n 2 随d d 的变化曲线 图2 32 0 = 3 5 0 时，n l n 2 随d d 的变化曲线 2 3 锥辊与环件的滑动规律 假设在环件截面边界中心点a 处没有相对滑动，研究环件b 点( 环内径与锥辊的接 触点) 的切向滑动；v b 是环件在b 点的切向速度，v 2 b 是上锥辊在同一点的切向速度， v b 和v 2 b 分别可以由公式2 5 和公式2 6 确定。 = 砌= 却，吾( 2 5 ) v 2 b = 2 册2 ( 三d 4 - d ) s i 删_ r 2 ed 。，z l ( 1 一百d - d ) ( 1 + 五d ) ( 2 6 ) 在b 点的v b 可以由公式2 7 推出，它表明上锥辊锥角2 0 对v b 没有影响。 = 叱= 卸 ( 1 + 等+ 扣7 ， 同理，可以推出在环外壁c 点的v c ，由于v b 与v c 的数值相同，但方向相反可得： = 吨= 净， 2 _ ( ，+ 等m + 纠一舨 泣8 ， 在环件辗环过程中，为了实现上锥辊与环件之间没有切向滑动，最0 a v b = a v c = 0 ，由 公式2 7 与公式2 8 可以推得： 三= 去( 。+ 刀) 汜9 ， 诵讨转谏与线谏度的关系，可以得到在匕锥辊b 点的线速度1 ，- 。： 大型环件径轴向辗环运动学分析及变形规律研究 1 ，曰= n 2 2 积b = n r c d 公式2 1 0 中r b 为b 点锥辊的半径； 同理可以求得在上锥辊c 点线速度v c ： v c = n 2 2 r c r c = n r c d 公式2 11 中r c 为c 点锥辊的半径； 由公式2 1 0 与2 1 1 可以得到： vbr r d u v 。c 尺，1 d 结合图2 2 中模型的几何尺寸关系可以得到： 兰! 墨二墨曼! ：s i n0 d d 通过公式2 1 2 与公式2 1 3 可以得到： ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) 在上述分析中的环件部分参数在下文的分析中同样被采用，图2 4 为在0 = 3 5 0 ，主辊 转速r l l = 1 0 r p m 时，v b 在不同三值下的变化规律曲线图，图2 5 为l 随d d 的变化曲线图， 表明在没有相对滑动的情况下，上随着环件内外径比值的增大而增大，由此可以得出如 下结论： 图2 4a v b 随d d 的变化曲线图2 5l 随d d 的变化曲线 ( 1 ) v b 随着三值的增大而减小，并且随着环件的内外径比值的增大而减小，为了减 小相对滑动，上锥辊底部接触位置需要给定参数( 例女h l = 3 0 0 m m ) ； 4互 秒 秒 n m 幽 一 d d ，一2一2 = = 且 c r r 暑g言q 济南大学硕士学位论文 ( 2 ) 为了创造一个没有相对滑动的条件，上锥辊与环件的接触区域应根据图2 5 所示 曲线而改变，这表明在环件辗环过程中，三随着环件内外径比值的增大而增加。 2 4 环件直径扩大速度 为1 f 保证环件辗环能够顺利进行，轴向辗环机构必须以一定的速度规律后退，1 段设 在大型环件径轴向辗环过程中，锥辊面上某一点与环件面上的某一点始终保持接触， 即这两点的线速度相同，同时假设大型环件径轴向辗环过程中环件一直是圆形的，由 此可以推出轴向辗环机构的后退速度必须与环件直径的增长速度相同，假设环件初始内 外圆半径分别为r o 、凡，环件初始高度为l l o ，某一时刻的环件内外圆半径和高度分别为r 、 r 、h ，根据环件辗环过程中的体积不变原理进行计算： 万( 尺；一r 0 2 ) h o = x ( r 2 一，2h 化简可得： r = 筹( r + r o ) + 兰 眩 i 妇r = r - b ，可推