（机械设计及理论专业论文）数控碾环机环件轧制工艺动作研究及其实现.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 碾环机环件轧制工艺对环件的质量和生产成本有重大影响。为了改善产品质量，减 小生产成本，必须改进现有的环件轧制工艺，提高碾环机的自动化程度。本文基于实际 工程项目的需要，对数控碾环机的新型环件轧制工艺动作进行研究，并予以实现。 首先，本文调研和总结了普通碾环机在实际生产中存在的各种问题，根据环件轧制 理论对现有问题进行分析研究，提出了一种新型环件轧制工艺，给出了实现这一工艺的 数控碾环机的总体设计方案。 其次，根据总体设计方案设计了数控碾环机的机械结构。根据工艺要求对每个机构 进行详细设计，确定机构尺寸以及彼此之间位置关系。新型碾环结构部分包括主动辊机 构，推进机构，支撑机构，抱紧机构等。 然后，根据原始参数，计算各液压缸工作负载和运行速度，设计满足环件* l n 工艺 要求的液压回路，制定液压系统原理图和电磁铁动作表，再进行液压系统参数计算，确 定液压缸，液压泵，驱动电机的型号。 最后，根据工艺要求进行碾环机电气控制系统设计。把控制系统的任务进行分解， 选择p l c 控制器和其他电器设备型号，设计p l c 输入输出电路，组建硬件部分，编写 p l c 程序，设计触摸屏控制界面等。 通过对环件轧制理论的研究，发现普通碾环机中存在的问题可以通过改进环件轧制 工艺动作予以避免。通过对数控碾环机的结构、液压和控制系统的设计，发现满足这套 工艺的机械设备在设计方面是可以实现的，操作不是很复杂，成本也是在可接受的范围 之内。因此本文提出的这一新型环件轧制工艺具有很高的实际意义和应用价值。 关键词：碾环机；环件轧制；轧制工艺；p l c 数控碾环机环件轧制工艺动作研究及其实现 s t u d y o nt h er i n g r o l l i n gp r o c e s so f n u m e r i c a lr i n g r o l l i n gm i l l a n di t sa p p l i c a t i o n a b s t r a c t t h er i n gr o l l i n gp r o c e s sh a si m p o r t a n ti n f l u e n c eo nq u a l i t ya n dc o s to ft h ef o r g i n gr i n g t oi m p r o v eq u a l i t ya n di n d u c ec o s t ，i tm u s tb ed o n et oc h a n g et h eo l dr i n gr o l l i n gp r o c e s sa n d h e i g h t e nt h ea u t o m a t i o nl e v e lo fr i n gr o l l i n gm i l l t h i sp a p e r ，t om e e tt h en e e do ft h ef a c t o r y p r o j e c t ，d o e sar e s e a r c ho nt h en e wr i n gr o l l i n gp r o c e s s ，a n dc a r r i e si to u t f i r s t ，t h i sp a p e rm a k e sas u m m a r yo fa l ld i s a d v a n t a g e st h a te x i to no l dr i n gr o l l i n gm i l l i nt h ep r o d u c i n gp r o c e s s a c c o r d i n gt ot h et h e o r yo ff i n gr o l l i n g ，t h i sp a p e rd o e sar e s e a r c ho n t h e s eq u e s t i o n s ，f i n d san e w r i n gr o l l i n gp r o c e s s ，a n dm a k e s at o t a ls c h e m et oc a r r yi to u t s e c o n d l y ，a c c o r d i n gt ot h et o t a ls c h e m e ，t h i sp a p e rm a k e sad e s i g no nt h em e c h a n i s mo f t h en u m e r i c a lr i n gr o l l i n gm i l l ，a n da c c o r d i n gt ot h en e wr i n gr o l l i n gp r o c e s s ，d o e sad e t a i l e d d e s i g nf o re v e r ym e c h a n i s m t h er i n gr o l l i n gm i l lm e c h a n i s mi n c l u d e sa c t i v e r o l l e r m e c h a n i s m ，f e e dm e c h a n i s m ，s u p p o r tm e c h a n i s m ，h o l dm e c h a n i s ma n ds oo n t h e n ，a c c o r d i n gt oo r i g i n a lp a r a m e t e r s ，t h i sp a p e rc a l c u l a t e sw o r k i n gl o a da n dr u n n i n g s p e e do fh y d r a u l i cc y l i n d e r s ，d e s i g n st h eh y d r a u l i cc i r c u i tt h a tm e e tt h en e e d s ，d r a w st h e s c h e m a t i cd i a g r a mo fh y d r a u l i cs y s t e ma n dt h et a b l eo ft h e w o r k i n gs e q u e n c eo f e l e c t r o m a g n e t s a f t e rt h e s e ，t h i sp a p e rc a l c u l a t e sw o r k i n gp a r a m e t e r so fh y d r a u l i cs y s t e m ， a n dc h o o s e st h es t y l eo fh y d r a u l i cc y l i n d e r s ，h y d r a u l i cp u m p ，d r i v i n gm o t o r f i n a l l y ，a c c o r d i n gt ot h en e wr i n gr o l l i n gp r o c e s s ，t h i sp a p e rd e s i g n st h ea u t o m a t i c c o n t r o ls y s t e ma n dw r i t e sp r o g r a mc o d e s i td i s a s s e m b l e st h ew h o l em i s s i o no ft h ea u t o m a t i c c o n t r o ls y s t e m ，c h o o s e st h es t y l eo fp l cc o n t r o l l e ra n do t h e re l e c t r i c a le q u i p m e n t s ，d e s i g n s i n p u ta n do u t p u te l e c t r i c a lc i r c u i t ，a s s e m b l e st h eh a r d w a r e ，a n dw r i t e st h ep r o g r a mc o d e s ， d e s i g n st h ed e s ko ft h et o u c hs c r e e n t h r o u g hd o i n gar e s e a r c ho nt h et h e o r y o fr i n gr o l l i n g ，t h i sp a p e rf i n d st h e s e d i s a d v a n t a g e sc o u l db ea v o i d e db yi m p r o v i n gt h eo l dr i n gr o l l i n gp r o c e s s t h r o u g hm a k i n ga d e s i g no nm e c h a n i s m ，h y d r a u l i cs y s t e m ，a n da u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e m ，t h i sp a p e rf i n d st h i s s c h e m eo fn u m e r i c a lr i n gr o l l i n gm i l li se n a b l et oc a r r yo u t ，i sn o tc o m p l e x ，a n di t sc o s ti s a c c e p t a b l e s o ，t h en e wr i n gr o l l i n gp r o c e s si ss i g n i f i c a n ta n dv a l u a b l et ot r u ep r o d u c t i o ni n t h ef a c t o r y k e yw o r d s ：r i n gr o l l i n gm i l l ；t h e o r yo ff i n gr o l l i n g ；r i n gr o l l i n gp r o c e s s ；p l c 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目：翌丝蠡蚴拯盛垡丝垒盟丝主堑维纽盏丝塞塞丝 作者签名： 丝亟盈 日期：丝里年丝月生日 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本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、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题目：盔蛰幺颦盈蓝筮盈轻缁红兰堑之幺巨蛰羞么匕塾垂丝l 作者签名： 导师签名： e l 期：递芝年j 互月厶l e t e t 期：丝! 星年j 三月e l 大连理工大学硕士学位论文 1绪论 1 1课题的来源、目的和意义 瓦房店轴承厂基于轴承环件以及其它轧制环件的急剧扩大的需求，决定自己开发出 一款数控碾环机，取代目前的手动碾环机，提高该厂的生产效率。现在该厂使用的碾环 机不仅效率低下，占用大量人力资源，更主要的是环件质量不容易保证，更换环件、定 环件直径、不同产品加工转换这几个环节都比较浪费时间，还不容易操作，故障频率高。 这些问题都严重影响了生产计划，造成了一定的经济损失。同时，这种问题在瓦房店轴 承行业是一个普遍存在的问题，在全国也是一个存在已久的难题。因此，开发出一款满 足行业需求的数控碾环机，具有科技创新的重要意义，同时也具有重大的商业价值。 1 2 环件轧制概况 在塑性加工中，锻造、冲压、拉拔、轧制等是通用的最基本方法。但是，随着工业 技术的发展，各种机械装备需要形状更复杂的零部件，生产批量也急剧增加，上述几种 塑性加工方法已不能满足生产需要。特别是随着世界性的能源紧张，原材料匾乏，促使 各工业发达国家纷纷投入大量人力、物力开发研究，寻求能够节能、节材的塑性成形新 工艺、新方法。在塑性加工中，根据工具与工件的运动形式，可归纳为回转塑性成形和 非回转塑性成形。其中，工件和成形工具( 模具) 中任一个旋转或两者都旋转的形式，统 称为回转塑性成形。环件轧制就是一种回转塑性成形【l l 。 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。环件轧制能够生产各 种形状尺寸、不同材料的环形件，直径4 0 r a m 1 0 0 0 0 m m ，高度1 5 m m 4 0 0 0 r n m ，壁厚 1 6 r n m - 4 8 m m ，重量0 2 k g 8 2 0 0 k g 。环件的材料通常为碳钢、合金钢、铝合金、铜合金、 钛合金、钴合金、镍基合金等。直径1 0 0 0 0 m m 、高度4 0 0 0 m m 的核反应堆容器环件是 目前最大的车l * t j 环件。 环件c l n 从* l * j j 力方向上可分为径向轧制，径轴向轧制。 径向轧制，迫使环件发生变形的主动力是沿着环件径向方向的* l n 力。环件在受到 这种作用时，壁厚减小，环件直径扩大。同时受力点，也就是环件的内外表面与施力物 数控碾环机环件轧制工艺动作研究及其实现 体的接触点首先发上变形，因此环件的内外表面在高度方向上会比壁厚中间要高，容易 出现端面凹陷问题。 径轴向轧制，使环件发生形变的力除了来自径向的挤压力，还有来自轴向的压力。 径轴向轧制具有很多优点，克服了径向轧制的一些缺点，但设备复杂，控制难度大。 环件轧制从坯料轧制条件来说，可以分为热轧环和冷轧环。 热轧环一般的尺寸范围要大的多，多数用于火车车轮及轮箍、燃汽轮机环、集电环 或一些大型环形件的加工生产，但是轧制前一般需要对毛坯进行加热，而且不同轧制材 料对温度敏感度不同，轧制工艺较复杂，而且加工精度也没有冷轧环高。 冷轧环是在常温下利用金属环件塑性变形来获得所需形状尺寸和精度，具有材料利 用率高，轧制件最大程度地接近成品件的形状和尺寸，改善金属流线分布，提高寿命等 优点，有很好的经济和社会意义，所以该工艺引起国内外企业界和研究机构的普遍重视。 冷轧环尺寸范围要小，环件轧制动力学参数复杂，设备设计难度较大。 环件轧制工艺通常是以锻锤- 车l 环机、平锻机- 车l 环机、锻锤压力机车l 环机等设备配 置在一起组织生产，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，具有较好的技术经济效果，具体表现在以下几个方面： ( 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 1 0 以上。 ( 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i m s 2 r n s ，轧制周期为1 0 s 3 6 s ，最大生产率1 0 0 0 件m ，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4 0 5 0 ， 生产成本降低7 5 。用环件轧制生产e q l 4 0 汽车后桥从动锥齿轮锻件时，比模锻单件 材料消耗降低5 k g ，成本降低2 0 。和一般锻造相比，环件轧制生产的模具费用可减少 7 0 以上。环件轧制工艺通常是以锻锤机一轧环机、平锻机一轧环机、锻锤机一压力机 大连理工大学硕士学位论文 一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。 以上几方面的优点使得环件轧制的成本大大低于其它生产方式。尤其在生产贵金属 和难变形金属方面，这种生产方式更能显示出优越性。因此，对于各类环件，无论是单 件还是批量生产，环轧工艺是生产环件的最经济、有效的加工方法。 2 - 4 1 3 环件轧制技术研究及发展方向 环件轧制技术是随铁路技术运输业发展起来的一门技术。自1 9 世纪中叶以来，铁 路运输的迅速发展使火车的行驶速度和载重量大幅提高，原有的铸铁车轮无法满足使用 要求，于是人们在铸铁车轮上套装了性能更好的、可更换的钢制轮箍。为此，1 8 4 2 年英 国建造了轮箍轧机，1 8 8 6 年俄国奥斯特洛维茨铸造厂设立了火车轮箍生产车间。随后， 环件轧制技术在其他领域也得到了广泛应用。 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7 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 e 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，g 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 a n g 用能量法研 究了l 形截面环轧制力矩变化规律。分析中考虑了芯辊进给速度的影响。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，但芯辊进给速度较小时，它的影响 可忽略不计。上述各种理论分析方法均采用不同假设对问题做了较大程度的简化，因此 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，利用平面刚塑性有限元方法，d y ，y a n g 等人，对环件轧制的平面变形作了分析， 获得了变形金属的速度场和沿着接触表面的外力，计算出了应变速率分布，驱动辊的转 矩和垂直压力分布。1 9 9 0 年n a k s o ok i m 等人，用三维刚塑性有限元方法对环件轧制进行 了模拟，并编制了r i n g 的计算机程序。其主要工作是将s m s ( a c t u a l l yr o t a t i n g m e s h s y s t e m ) 网格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 h s y s t e m ) 网格系统，既保证了精度又减少了计算量。在国内许思广博士后用三维刚塑性有 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， 数控碾环机环件轧制工艺动作研究及其实现 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s l 锘 n 载速度对工艺性指标和效率指标的影响。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 8 年t l i m ，i p i l l i n g e r 等人，在弹塑性有限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 。近年来国内外的众多学者尝试将有限元法应用于环件轧制的过程 中，这些工作为开发出集变形分析与工艺计算和过程控制于一体的环件轧制计算机辅助 分析系统打下了基础。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。武汉理工大学的朱春东、张猛等学者，研究了数学模型在0 5 0 0 型辗扩机测控系统中进行尺寸数字控制的方法，使该机在汽车后桥伞齿轮生产中，尺寸 精度误差达到a o l m m ，从而保证了毛坯质量。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大 量的研究。在此基础上，德国t h y s s e n ( 机器制造公司开发的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 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。因此，环件轧制技术又上了一个新台阶。 在大量的环件轧制理论研究基础上，环件轧制实验也得到快速地发展。2 0 世纪6 0 年代，英国学者w j o h n o s o n 等首先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。随 后，j o h n o s o n 和c a d d e l l 的进一步实验指出，环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实验引起的硬化小2 5 左右。轧辊表面单 位压力分布能从一个侧面反映变形区内应力状态及变形情况，验证有限元分析结果。 m a m a l i s 用测压针方法研究了不同材料在不同孔型中s l 铝, j 时的单位压力分布。得到在变 形区入口附近单位压力迅速升高并达到峰值，随后缓慢降低，在轧辊连心线附近单位压 力曲线出现拐点的规律。当压下速度较大时，单位压力可出现两个峰值。这些现象说明 平板轧制理论和摩擦理论不适用于环件轧制过程。对于环件轧制过程的分析，必须根据 环件轧制特点重新建立环件轧制理论。1 9 8 4 年，h a w k y a r d e 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 大连理工大学硕士学位论文 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。 在国内武汉理工大学的华林、张猛等人设计了环件轧制实验测试系统，在d 5 1 1 6 0 a 立式轧环机上进行s l * i j 实验。建立了环件轧制静力学、运动学以及动力学、几何学模型。 揭示了环件轧制成形原理和普遍规律。应用该原理华林等人于上世纪9 0 年代初，在 d 5 1 4 0 0 通用轧环机上开发出了e q l 4 0 汽车差速器从动螺旋齿轮锻件$ l n 成形工艺。分 析了e q l 4 0 汽车从动螺旋齿轮辗扩成形的特点及锻件缺陷成形原因。该工艺已经在北 京、湖北等地企业投入生产应用。为了节省经费，并推广环件$ l , s j 实验和科学研究，1 9 9 6 年太原重型机械学院研制了w h z 2 0 0 型环件s l , t j 实验装置。该装置整机性能良好，改 变辊形后可对不同截面环件进行实验研究，并且其所需经费要比制造厂节省一半以上。 实验研究受条件限制往往具有一定的局限性，只能反映研究对象的某一侧面。但人们通 过各种实验方法，已逐步认识到环件轧制过程所具有的一些基本特性，为进一步深入地 开展理论研究奠定了基础。 如今，环件轧制技术已经成为环形零件生产的高效、先进和主要的工艺方法之一， 并向着以下几个方向迅速发展： ( 1 ) 大型环件轧制技术。直径2 0 0 0 m m 以上的大型环件越来越多地采用环件轧制工 艺生产，原来的马架扩孔工艺已被逐步淘汰。 ( 2 ) 高速环件s l n 技术。随着环件轧制设备及其上、下料辅助设备的机械化自动化 程度的提高，环件* l n 速度和生产率迅速提高。小型轴承环自动生产线生产率已达3 0 0 0 件l l 。 ( 3 ) 精密环件轧制技术。目前，精密轧制的环件直径尺寸精度可达i 1 0 0 0 。 ( 4 ) 复杂环件s l * i j 技术。对于复杂截面的环件，通常简化成近矩形截面的环件，然 后再机加工。为减少机加工量，提高材料利用率，复杂截面环件成形轧制生产得到高度 重视和迅速发展。通过轧制用毛坯的优化和$ l n 孑l 型的合理设计，许多复杂截面的环件 逐步实现了直接成形。 ( 5 ) 柔性环件轧制技术。目前已有的柔性环件$ l n 设备，其孔型更换时间为15 h 2 h ， 轧制环件直径2 5 0 m m 9 0 0 m m ，重量2 0 k g 1 0 0 k g ，非常适合批量为5 0 件的小批量轧件生 产。 ( 6 ) 轧制生产设备的发展趋势。大型化，电子和数控自动化操作，建立自动生产线。 对中小型辗扩机主要是运用闭式辗扩提高精度，提高效率，实现少无切削加工1 2 刮。 数控碾环机环件轧制工艺动作研究及其实现 1 4 碾环机历史及现状 碾环机是一台机、电、液、仪一体化的数控设备，用于加工高质量的无缝环件，具 有许多优良的工艺特性；主要用于轧制轴承环、齿圈、法兰、轮毂、薄壁桶形、风电法 兰等锻件，可轧制碳钢、不锈钢、钛合金、铜合金等 辗环机，又称环轧机、轧环机、扩孔机，是加工环形锻件的先进设备，广泛应用于 石油化工、工程机械、轴承、航空航天、发电等工业领域的环形件生产。 跟环件轧制理论一样，碾环机也有很长的发展历史。碾环机最早出现在美国，美国 m i d v a l e & o r d a n a n e e 公司副经理s l i e k 早在1 9 0 0 年就提出了辗环工艺，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。该机可用铸钢坯直接生产大型车轮坯，并可与其他 设备组成车轮半自动生产线，加工坯料外径为3 8 0 m m 4 5 0 m m 的圆盘，经热压、切断、 冲孔和锻制坯，最后热辗环成形。可加工环件尺寸：外径4 0 0 m m - 1 3 2 0 m m ，最小厚度 1l m m ，重量9 0 k g 1 0 2 0 k g 。1 9 8 0 年，美国b e t h e l e m 钢铁公司也设计制造了同类辗环机。 德国最早制造环件轧制机器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，1 9 8 5 年首次把配有自动上料和自动卸料装置的a g w 4 0 0 型辗环机投放市场，到 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。1 9 9 1 年，日本三菱长崎机工 株式会社与瓦格纳公司合作生产了a g w 型辗环机。 我国轴承行业在2 0 世纪6 0 年代开始进口该公司的辗环机洛阳矿山机器厂锻造分厂 引进的r a w 2 0 0 1 6 0 型辗环机，是目前国内少有的大型高精度、高水平设备，可径向一 轴向双向轧制，年产5 0 0 t 环形件。1 9 5 9 年在上海建立了锤压力机扩孔机的轴承环轧制 生产线。现在，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。目前国内生产碾环机的厂家也有不少，东力数控公司生产 了一款碾环机：碾环外径：3 5 0 1 3 0 0 m m 碾环高度：2 5 0 m m ；径向轧制力：8 0 0 k n ； 主电机功率：2 2 0 k w ；最大轧环重量：7 0 0 k g ；平面尺寸：7 6 0 0 m m 2 7 5 0 m m ；地面上 高：3 4 4 0 m m 。济南沃茨数控机械有限公司，在国产辗环机原先半自动( 手动) 控制的基础 上，率先实了机器辗环轧制过程的自动控制! 环件轧制时只需按“启动”按钮，无需人工 干预，机器在计算机专家系统的控制下自动完成全部轧制过程。同时保留了原先的“调 整”与“半自动”运行规范，以备机器检修、调试等情况下使用。 目前市面上销售的，还有工厂正在使用的碾环机，种类繁多，样式各异。但总体上 还是可以根据各种条件进行分类。根据环件轧制工艺的类型，碾环机可以分为径向轧制 碾环机和径一轴向轧制碾环机。从环件轧制坯料的安放状态，碾环机可以分为立式轧制 碾环机和卧式轧制碾环机。 大连理工大学硕士学位论文 目前，辗环外径小于4 0 0 m m 的辗环机均为立式( 或倾斜式) 径向扩孔机，国产机常见 规格见表1 1 ，辗环外径较大的辗环机，无论是径向辗环或者是轴向径向辗环均为卧 式辗环机。 2 - 6 1 表1 1国产径向碾环机常见规格类型参数表 t a b 1 1 t h ep a r a m e t e r so fc o m m o nd o m e s t i cr a d i a lr i n gr o l l i n gm i l l 1 5 本学位论文的主要工作 ( 1 ) 新型环件轧制工艺设计。研究分析环件轧制理论，分析环件轧制工艺中存在的问 题，找出影响环件轧制的重要因数，再利用机械结构，液压系统，电控系统等综合知识， 设计出新型环件轧制工艺以及它的实现方案。 ( 2 ) 机械结构总体设计。根据环件轧制基本原理，设计碾环机的整体结构。为了减 小端面凹陷，设计了支撑盖板结构；为了解决增高和摆动问题，增加了抱紧机构；为了 减小振动，使主推进碾压装置设计为柔性进给装置；最后设计主传动，最后把所有的机 构联合匹配起来，组成一台新的环件轧制设备。 ( 3 ) 液压系统设计。根据新型环件轧制工艺，对液压缸负载分析和速度分析，针对 每个动作设计液压回路，总成为液压系统原理图，然后进行液压系统计算，确定各液压 缸的大小，进行液压元件选型。 ( 4 ) 控制系统设计。分析整个系统需要控制的电磁阀，电机数目，以及模拟信号的 数量与种类，选定控制系统的主控制器，显示终端，设计整个控制系统的硬件布置图。 最后，设计操作界面，根据工艺编写控制程序，进行动作实现。 数控碾环机环件轧制工艺动作研究及其实现 2 环件轧制理论 环件轧制涉及到直线进给运动、旋转轧制运动、导向运动、以及环件自身的转动和 直径扩大运动，而且轧制过程是时变的，具有高度的几何非线性，物理非线性和接触非 线性，这使得环件轧制物理力学机制变得极为复杂。从2 0 世纪6 0 年代开始，人们就进 行环件轧制理论研究，由于受到客观条件的限制，大量的工作被限制在近似或经典塑性 成形理论的研究领域内。到近代，人们才逐渐认识清楚环件轧制的力学原理，最终得到 环件轧制的基本工作条件。 2 1环件s l 韦j j 的基本工作条件 2 1 1咬入条件 环件咬入孔型是环件s l n 变形的必要条件。忽略进给中轧机和轧辊的弹性形变和导 向辊对环件的作用力，提出的环件轧制咬入孔型力学模型如图2 1 所示。 图2 1 环件轧制原理图 f i g 2 1 t h es c h e m a t i cd i a g r a mo fr i n gr o l l i n g 大连理工大学硕士学位论文 设、h 分别为环件在轧制孔型入1 3 处和出1 3 处的壁厚，则由图可以得出环件咬入型条 件与进给量的关系为 挑搞 罢+ 鲁一争 亿- ， ( 1 + 墨足) ”足 r，7 、。7 式中，从办= 一h 为环件轧制中每转壁厚减小量；为环件与轧制孔型之间的摩 擦角；墨、马分别为驱动辊和芯辊的工作半径；r 、r 分别为轧制中环件的内外半径。公 式( 2 1 ) 中只有两个变量，一个为，一个为一e 。- r ，所以可知，在实际环件轧制生产中， 酣 可以通过增大摩擦来改善咬入条件，并且随着环件半径的增大，越容易咬入。 2 1 2 锻透条件 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。环件锻透是塑性区穿透环件壁厚，环件产生壁厚减小、直径扩大的塑性变形，所以 环件锻透条件是环件轧制变形的充分条件。塑性区穿透环件壁厚的力学模型如图2 3 所 示。图中l 为环件接触弧长；吃为环件轧制变形区的平均壁厚；设从铖为环件轧制初始 时的壁厚减小量；h 为轧制瞬时壁厚。根据滑移线理论对图塑性变形进行分析可以得到塑 性区穿透环件壁厚，即环件锻透条件为 三1 瓦2 而 ( 2 2 ) 办 8 7 4 一叫 将式( 2 1 ) 代入整理可以得出由进给量表示的环件锻透条件为 娩h 血= 6 5 5 x 1 0 - 3 ( 脚) 2 ( 去+ 去+ 去一争 ( 2 3 ) 在轧环机设备能力许可的条件下增大每转进给量，或在制坯加工许可情况下减小轧 制用环件毛坯的壁厚，是改善环件轧制锻透条件的有效且可行的方法，并且随着换件半 径增大，环件锻透性逐渐增强。 数控碾环机环件轧制工艺动作研究及其实现 ，一q 一“ l l l r t卜、一一叼 l ) 叠 i l厶一rn i l l，”q 图2 2 环件轧制锻透模型 f i g 2 2 af o r g ep e n e t r a t em o d e lo ff i n gr o l l i n g 2 1 3 环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为 h 巩= 0 1 8 3 ( 1 + 参警 ( 2 4 ) 式中，屹。为环件内外半径初始时的平均值；凰、h 、日二分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。实际生产中在己知轧辊尺寸 时，可应用式( 2 4 ) 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。1 7 2 1 4 环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 从 ，出l 懈】，由此可以得到环件轧制直线进给速度的极限范围为 v v 。i = 6 5 5 x 1 0 - 3 n a 壁r 岱- & 一云) 2 ( t + 丢+ 鲁一争) ( 2 5 ) v 沁2 罴乏+ 鲁一争 q 6 大连理工大学硕士学位论文 以上分析的环件轧制理论是环件轧制成形工艺设计过程中必须考虑的，也是设计碾 环机的基础。 2 2 环件轧制工艺参数的理论设计 ( 1 ) 力和力矩的关系 环件稳定轧制过程中，在驱动辊和芯辊轧制力作用下环件处于静力平衡状态，即驱动 辊和芯辊对环件的作用力大小相等、方向相反，且作用在同一条直线上。芯辊为空转被动 辊，若忽略其支承轴承的摩擦力矩，则芯辊不能承受力矩作用，它对环件作用力的合力作用 线应通过芯辊轴心。根据静力平衡条件，驱动辊对环件作用力与芯辊对环件的作 用力保持平衡2 1 。根直线运动与旋转运动的关系可得： m = p i = 尸( 墨+ r + 尺一，) s i r l ( 舌砭) 式中： p 环件轧制力； l 力臂； m 力矩。 近似取芯辊对环件作用力位于接触弧中点，则 彘= 1 2 ，并考虑s i n ( 争三吃= 瓦l 代入上式得： m = 尸( 墨+ 恐+ r - r ) 素 ( 2 7 ) 立式轧环机中，驱动辊同时作直线进给运动与旋转轧制运动。卧式轧环机中，驱动辊 作旋转轧制运动，芯辊作直线进给运动。这两类轧环机的直线运动与旋转运动都要满足一 定关系。设1 ，为环件车l a j j 直线进给运动速度，址为环件每转轧制时间，则由速度定义得： 1 ，= z i h l m 若不计轧制中环件与驱动辊接触面之间的滑动，则环件轧制一转时间中驱动辊工作 面所转动的距离等于该转轧制中环件外圆周长即 2 x r = 2 z r n r l a t z x t = r ( 帆) 式中：n 驱动辊转速。 将上式计算可得环件轧制中直线进给运动速度与旋转轧制运动转速关系为： 数控碾环机环件轧制工艺动作研究及其实现 为： v = 懈r ( 2 8 ) ( 2 ) 公称轧制力 设尸雠为环件所需最大轧制力，五p 为轧制力安全系数，则轧环机公称轧制力为： = 以( 2 9 ) 最大轧制力为： 乙= 2 虬c ，+ 丢毒专聊等+ ；所争， 。， 式中： k 环件材料在轧制温度下的剪切强度； b 环件的最大宽度； 日o 环件的最大径向壁厚； k 瓢环件的最大轧制弧长在进给方向投影长度； m 轧制摩擦因子。 ( 3 ) 公称轧制力矩 将公称轧制力代入式( 2 7 ) 得公称轧制力矩丝为： 必= 酉1 ( r + 恐+ r - r ) ( 2 1 1 ) 将环件轧制咬入条件式( 2 1 ) 和锻透条件式( 2 3 ) 分别代入上式得公称轧制力矩范围 心盎( 墨+ r + r - r ) 托 5 7 2 1 。之嗟一万r ) ( 墨+ 必+ r - r ) ( 4 ) 旋转轧制运动转速 ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) 大连理工大学硕士学位论文 设v 1 为驱动辊的轧制线速度，则旋转轧制运动转速体为： 体：去 ( 21 4 ) 1 4 体2 赢 q 式中驱动辊轧制线速度m 可在1 3 m s 范围内选取。 ( 5 ) 电机功率 设以为电机许用过载系数，摩擦系数，7 7 为轧环机效率，则根据功率定义得所 需电机功率：为： 札= 警 将式( 2 1 0 ) 和代入上式( 2 11 ) 得电机功率范围为： 札揣( 局+ 恐+ r - r ) ( 2 1 6 ) 8 7 玩( 1 + r 墨) 一 zr 7 札薏( 惫一云+ 心+ r - r ) ( 2 1 7 ) ( 6 ) 电机转速 设i 为电机至驱动辊传动比，则由式( 2 1 4 ) 的动辊转速得电机转速吃为： 他= 赢 q 1 8 ) ( 7 ) 直线进给运动速度 将旋转运动转速和轧制条件式( 2 1 ) 、( 2 3 ) 代入直线运动与旋转运动关系式( 2 8 ) ，得直 线进给运动速度屹范围为： 屹瓦2 l f l w 2 r t r r 2 1 ) ( 1 + 每+ 鱼r 一争 ( 2 1 9 ) 一r 【l + 玛心j r 。 ，7 卜“叫 匕6 s s ，。3 体百r z l 百r 一云) ( 1 + 乏+ 簧一争) c 2 加， 数控碾环机环f l 轧制_ l 艺动作研 t 其实l 兕 3 环件轧制工艺研究与分析 环件轧制是在轧辊作川r 使环什毛坯壁厚减小，苴径扩大，截旧轮廓成形的连续局 部塑性加工新技术，具有节能、节材、高教和省力等优点，已经成为轴承环、齿轮环、 法兰环、火车车轮及燃气轮机环等各种尤缝环形零什的先进制造技术和主要加工方浊， 在机械、汽车、火车、船舶、冶余、化工、能源及航空航天等许多工业领域中得到了 泛的应用。由于环件轧制具有以上技术经济优势，人们对其进行了大量的研究。本章简 要介绍环件轧制理论、工艺参数理论设计和新魁轧制工艺设计。 31 环件生产工艺流程 环件生产工艺流程为：裁料烧料自由锻一冲i l 一环件轧制一后续处理，工艺流 程中的各个丁序、_ 步都要相瓦衔接、密切6 合，爿能能使轧制生产稳定进行。本节以 日前较成熟的热轧轴承环1 二艺为例介绍环件牛产工艺流样。图21 是加工完好成品。 幽3 1 轧制环件实物俐 f i g3 ir e a lf o r g i n gr i n g 根据轴承环形状尺寸，确定环什体秘的大小，雨根据加t 余量等确定用料的多少 利用等离f 切割机等进行裁料。 裁料完毕后，要把坯料送进电炉进行加热煅烧，烧到1 2 0 0 度左右，就可以取出， 一批料用时人慨半个小时。 大连理工大学硕士学位论文 自由锻，是很有技术含量的一分手工活。工人师傅借助空气锤锻打棒料，把棒料锻 打成环件要求的坯料高度，并把棒料四周锻打圆滑，便于碾环时环件转动。由于空气锤 是一个不精确的锻打机械，坯料的高度就很难控制，一般情况都是坯料高度不够。遇到 这样的情况，就需要反复锻打，很浪费时间。 锻打完毕后，坯料还是一个实心的圆柱体。这时就需要在圆柱体中心线上冲孔，为 后续加工做准备。冲头的大小与芯辊的大小是一致的，一般比芯辊稍大。冲孔对材料成 本有很大的影响，由于冲头大小基本不变，自由锻坯料的高度也就决定了冲掉材料的多 少，可见高度过大对材料的用料的影响。 做完这些前期准备工作，就可以把坯料送到碾环机上进行碾压了。环件轧制完毕后， 从碾环机工作台上取下环件，进行后续的车削以及精磨等加工。环件端面凹陷过大，车 削的深度就比较大，要求坯料的加工余量相应增加。无论从材料成本，还是从后续加工 成本上来说，端面凹陷都是急需解决的一个问题。 3 2 环件轧制问题调研 环件轧制理论以及环件轧制技术都已经有了很久的发展历史，在理论研究和工程实 现上都已经发展的很成熟。但是无论是国外的使用情况，还是从国外进口的设备在国内 使用时暴露的情况，都存在一系列问题。有些问题，是通过设备使用规范来进行避免问 题的出现，还有些问题通过