（材料加工工程专业论文）gh4169合金环件精密辗轧过程中的运动学与力学分析.pdf

摘要 摘要 由于环件辗轧技术在综合技术经济效益方面具有突出的优势，使得辗轧环件 成为了航空、航天领域中高性能环形零件毛坯的主要来源。迄今，环件辗轧技术 已发展成为轧制技术、零件制造技术、自动控制技术和材料科学相互交叉的一种 先进制造技术，是制造高性能精密环件的首选工艺。 g h 4 1 6 9 合金是一种综合性能优异的高温合金，6 h 4 1 6 9 合金在常用的高温合 金中具有较高抗拉和屈服强度。此外，g h 4 1 6 9 合金还具有优秀的抗腐蚀性、抗 氧化性、耐辐射性能，满意的成形性能以及良好的塑性和长期的组织稳定性，使 g h 4 1 6 9 合金成为6 5 0 以下使用的高温合金中综合性能最好的合金。 本文针对环件精密轧制尤其是径轴双向复合轧制技术中的关键问题，对双向 复合轧制过程中环件的运动学规律和轧制力学关系进行了系统的理论分析、数值 模拟和试验研究工作。 ( 1 ) 环件运动学规律方面，重点针对轧制过程中的接触弧长、双向变形量分 配关系、瞬时直径、轧制时间、锥辊转速等关键参数进行了理论上分柝。提出了 关键运动学参数的新的计算方法，并对所提出的计算方法和公式进行了试验验 证。 ( 2 ) 轧制力学关系方面，主要针对径向、轴向轧制力、力矩，及其对环件轧 制过程的影响进行了理论推导和试验验证，同时采用试验方法研究了环坯尺寸和 芯辊尺寸对径向轧制力的影响。 ( 3 ) 对于径轴双向复合轧制引入了轧制曲线的概念，并对g h 4 1 6 9 合金矩形环 件双向轧制过程中轧制曲线的设计方法及其对环件内热力参数的影响进行了理 论分析和试验研究。提出一种特殊轧制曲线以提高环件截面内热力参数分布的均 匀性。 ( 4 ) 开展了6 1 1 4 1 6 9 合金矩形环件轧制过程的有限元数值模拟。定量揭示了轧 制力和环件内等效应变、等效应变速率、温度的分布规律，并与试验结果进行了 对比分析，结合试验环件的金相分析明确了角部温升的原因。 本文采用理论分析、数值模拟和试验研究相结合的方法系统研究了环件径轴 双向复合轧制过程中关键参数的变化规律。所提出的计算方法、公式和相关结论 可以为完善环件精密轧制理论体系、优化工艺设计和过程控制技术奠定基础。 关键字：6 1 4 1 6 9 合金，径轴双向复合轧制，运动学和力学关键参数，轧制曲线， 数值模拟 西北工业大学硕士学位论文 a b s t r a c t a st h ec o m p r e h e n s i v es e r v i c ep e r f o r m a n c ea n dm a n u f a c t u r i n gc o s to fr i n g p r o d u c e db yr i n gr o l l i n gm a c h i n e ，t h i sk i n do f r i n gh a s b e e nt h em a i ns o u r c eo f b l a n k o fs u p e rp r o p e r t yc o m p o n e n tu s e di nt h ea g c ao fa v i a t i o na n da s t r o n a v i g a t i o n n o w , t h er i n gr o l l i n gp r o c e s sb e c o m e st h ef i r s tc h o s e np r o c e s s i n gw h i c hp r o d u c e st h eh i g h p e r f o r m a n c ea n da c c u r a t er i n g t h et e c h n i q u eo fr i n gr o l l i n gh a sb e c o m eac r o s s a d v a n c e dt e c h n i q u eo fm a n u f a c t u r ea m o n gt h er i n gr o l l i n g , p a r t sm a n u f a c t u r i n g , a u t o m a t i cc o n t r o la n dm a t e r i a ls c i e n c e g h 4 1 6 9a l l o yw h i c hp o s s e s s e sc o m p r e h e n s i v ep r o p e r t y , t e n s i l es t r e n g t ha n d y i e l ds t r e n g t hi sak i n do fh i 【曲t e m p e r a t u r en i c k e lb a s ea l l o y s i na d d i t i o n , i th o l d s e x c e l l e n tc o r r o s i o nr e s i s t a n tp r o p e r t y , i n o x i d i z a b l ep r o p e r t y , s oi tu s u a l l ye m p l o y e di n t u r b i n ea n de n g i n er i n g t h i sp a p e ra i m sa tr e s e a r c h i n gt h ek i n e m a t i c sa n dm e c h a n i c si nr a d i a la n da x i a l r i n gr o l l i n gp r o c e s s , w h i c hb a s e do nt h et r i a l su s i n gt h em i l lr a w5 0 0 - 4 0 0 , 3 0 0 0 - 7 0 0 p r o d u c e db yw a g n e rb a n n i n gc o m p a n yi ng e r m a n y i nk i n e m a t i c sr e s e a r c h , t h em a i n s u b j e c t si n v e s t i g a t e da r ec o n t a c tl e n g t h , r a d i a la n da x i a ld i s t r i b u t i o no fd e f o r m a t i o n a m o u n t ，i n s t a n td i a m e t e r , r o l l i n gt i m ea n dt a p e rr o l ls p e e d , a n dd e d u c e dt h ec o m p u t e d m e t h o do ft h e s ev a r i a b l e sa n dp r o v e dt h ec o m p u t i n gr e s u l t sb yt r i a l i nm e c h a n i c s r e s e a r c h ，t h em a i ns u b j e c t si n v e s t i g a t e da r er a d i a la n da x i a lr o l l i n gf o r c ea n dt o r q u e m o r e o v e r , t h i sp a p e ri n v e s t i g a t e dt h ei n f l u e n c eo fb l a n kd i m e n s i o na n dm a n d r e l d i a m e t e ro nt h er a d i a lr o l l i n gf o r c ea sw e l l t h i sp a p e rl e a d st ot h ec o n c e p to fr o l l i n gc u r v e , a n di n v e s t i g a t e dt h er o l l i n g c u r v ei nt h er i n gr o l l i n gp r o c e s so fg h 4 1 6 9a l l o yw i mr e c t a n g l ec r o s s - s e c t i o n b e s i d e s ，a n o t h e rs p e c i a lk i n do fr i n gr o l l i n gc u g v eh a sb e e nm e n t i o n e di no r d e rt o a v o i dt h et e m p e r a t u r ei nt h ec o m ro fr i n gr i s i n gt o om u c ha n dg e t t i n gau n i f o r m m i c r o s t m c t u r e n u m e r i c a ls i m u l a t i o no f r a d i a lr i n gr o l l i n gp r o c e s si sa l s od e v e l o p e df o rg h 4 1 6 9 a l l o y t h o s ef i e l dv a r i a b l e se q u i v a l e n tp l a s t i cs t r a i n , e q u i v a l e n tp l a s t i c s t r a i nr a t e ， t e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o na n dr o l l i n gf o r c ea r ei n v e s t i g a t e d , a n dc o m p a r e dw i t ht h e r e s u l t st e s t e db ye x p e r i m e n t s t h i sp a p e ra l s oa n a l y z e dt h er e a s o n so f t h et e m p e r a t u r e i nt h ec o r n e ro f r i n gr i s i n gb ym i c r o s t r u c t u r ei nr i n g k e yw o r d s ：g h 4 1 6 9a l l o y , r a d i a l - a x i a lr i n gr o l l i n g , m a i np a r a m e t e r si n k i n e m a t i c sa n dm e c h a n i c s ，r o l l i n gc u l v e , n u m e r i c a ls i m u l a t i o n i i 西北工业大学业 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作 的知识产权单位属于西北工业大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复 印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校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。 同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课题再撰写的文章一律注明作者单位为西北工业 大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：壶盹 们们年弓月q 日 指导教师签名： 砌7 年7 月2 7 日 西北工业大学 学位论文原创性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人郑重声明：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的内容 和致谢的地方外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表或撰写过的研究成 果，不包含本人或其他己申请学位或其他用途使用过的成果。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式表明。 本人学位论文与资料若有不实，愿意承担一切相关的法律责任。 学位论文作者签名：燃 硼年弓月，z 1 日 本论文的主要创新与贡献 本论文的主要创新与贡献 ( 1 ) 针对轧制过程中的接触弧长、双向变形量分配关系、瞬时直径、轧制 时间、锥辊转速等关键参数进行了理论上分析。提出了关键运动学参数的新的计 算方法，并对所提出的计算方法和公式进行了试验验证。经过试验验证，表明所 提出的新的计算方法与试验结果十分吻合。因此，所提出的计算方法能够客观的 反映环件轧制过程中的运动学规律，并且更直观的表示了关键参数的物理意义。 ( 2 )针对径向、轴向轧制力、力矩，及其对环件轧制过程的影响进行了理 论推导和试验验证，同时采用试验方法研究了环坯尺寸和芯辊尺寸对径向轧制力 的影响。所提出的计算方法与试验结果十分吻合，所提出的计算方法可用来衡量 轧机的力能参数。 ( 3 )对于径轴双向复合轧制引入了轧制曲线的概念，并对g h 4 1 6 9 合金矩形 环件双向轧制过程中不同类型轧制曲线对环件内热力参数的影响进行了理论分 析和试验研究。提出一种特殊轧制曲线以提高环件截面内热力参数分布的均匀 性。 i l l 第一章绪论 第一章绪论 1 1 概述 1 1 1 环件s l f f i l j 的特点 环件轧制是利用轧辊驱动环件转动，通过轧制孔型的连续s l 铝, j 变形，使环件 直径不断增大，壁厚减小，截面逐渐成形的特殊塑性加工过程。环件轧制技术是 目前生产高性能无缝环件最为有效的手段之一。在航空、航天、能源、交通等诸 多领域获得广泛应用。 与的其它生产方式相比，环件轧制技术具有很多技术经济优势： 1 ) 产品范围广。在一台轧机上不用换辊就可以生产不同规格的环件。包括 各种尺寸和截面形状的环件，小的重不足一公斤，大的可达十几吨甚至几十吨， 直径超过1 0 米。 2 ) 生产效率高。环件轧制设备的轧制速度通常为l 2 m s ，轧制周期一般 为l o s 左右，最小周期已达3 6 s ，最大生产率已达1 0 0 0 件h ，大大高于环件的 自由锻造和火焰切割，也高于模锻生产率。 3 ) 环件精度高、加工余量小、材料利用率高。轧制成形的环件几何精度与 模锻环件相当，制坯冲孔连皮小，而且无飞边材料消耗。与环件自由锻造工艺和 火焰切割工艺相比，s l 带 j 成形环件精度大为提高，加工余量大为减少，而且环件 表面不存在自由锻与马架扩孔的多棱形和火焰切割的粗糙层。 4 ) 环件内部质量好。轧制成形的环件，内部组织致密，晶粒细小，流线沿 圆周方向排列，其机械强度、耐磨性和疲劳寿命明显高于其它锻造和机械加工生 产的环件。 5 ) 生产成本低。环件轧制具有材料利用率高、机加工工时少、生产能耗低、 轧制孔型寿命长等综合优点，因而生产成本较低。德国制造0 3 5 0 0 唧1 1 0 咖 9 0 舢的碳钢环件，自由锻比轧制生产成本高7 7 ，火焰切割比轧制生产成本高 1 6 。前苏联统计，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 。国内用环件s l 带 j 生产e q l 4 0 汽车后桥从动锥齿轮锻件，相对于模锻成 形单件材料消耗降低5 k g ，生产成本降低2 0 。 由此可见，对于各类环件，无论是单件还是成批生产，环件轧制技术都是首 选的最佳成形工艺。而轧制技术已有1 0 0 多年的发展历史，主要经历了自单向轧 制向双向轧制发展过程，目前正向全数控化的方向发展，这可使得环轧技术控制 更精确、操作更方便，所得到的产品性能更优良。 西北工业大学硕士学位论文 1 1 2 环件车l f i i l l 技术的发展历程 1 8 4 2 年，b o d m e r n l 为英国的曼彻斯特一家公司设计制造出第一台环轧机。 1 8 5 3 1 8 5 4 年德国人a l f r e dk r u p p 为生产火车轮箍建造了另一台环轧机。1 8 5 5 1 8 5 6 年改进了此轧机，使其具有两步轧制的功能。其后，h u f f a m 在1 8 8 4 年、 w i l l f o r d 在1 8 9 1 年及m i l l e r 在1 8 9 6 年分别对环轧机作了一系列改进。2 0 世纪 初，d e m a g 制造的环轧机具有一个主动辊、一个靠液压移动的压力辊及抱辊。从 而成为现代环轧机的原始模型。到目前为止，环轧机的主要生产厂家集中在德国。 环件轧制技术问世一百多年来，虽然轧机结构形式不断更新，但基本生产工 艺仍保持其固有特色。其中主要包括下料、加热、冲孔、轧制、后续工序及成品。 卧式径向轧制的原理如图卜1 所示 图1 - i 环件径向轧制示意图 f i g 1 1p r i n c i p l eo f r a d i a lr i n gr o l l i n gp r o c e s s 环件径向轧制中，驱动辊为主动辊；芯辊为被动辊，同时作从动旋转运动和 直线进给运动；两抱辊都为自由转动的从动辊。轧制过程中，抱辊的导向运动保 证了环件的平稳转动。其中驱动辊旋转轧制运动由电动机提供动力，芯辊直线运 动由液压或气动装置提供动力，其他辊无需提供动力，而在环件摩擦力作用下随 环件作从动运动。 双向轧制的原理如图1 - 2 所示。 图1 - 2 环件轧制示意图 f i g i - 2p r i n c i p l eo f r a d i a l - a x i a lr i n gr o l l i n gp r o c e s s 2 第一章绪论 冲孔后的环坯套在芯辊上，芯辊向主辊方向移动产生径向压下量。主辊旋转 带动环件及芯辊转动，使环件径向壁厚减小，直径增加。环件的轴向变形由一对 锥形辊来控制。轧制过程中由于各种因素的影响，环件的圆心时常偏离径向轧辊 连心线。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，从而 有利于径向和轴向轧制的控制。在轧制的最后阶段，抱辊起整圆作用使环件达到 规定的圆度。 大型环件轧制的整个轧制过程一般分为四个阶段啪，如图卜3 所示。第一阶 段，径向轧制力迅速从零增至给定的最大值，使环坯形状由不均匀变为均匀，并 施加较大的抱辊力消除各种因素引起的环件偏心。第二阶段，轧机以给定的最大 径向轧制力继续进行轧制，直至达到给定的环件增长速率。然后，保持环件增长 速率恒定，逐渐减小径向轧制力，使得环件以不变的环件增长速率接近成品尺寸。 第三阶段，减小环件增长速率，缓慢过渡到环件的最终尺寸。第四阶段，进一步 减小环件增长速率使其接近于零，对环件进行精整。整个过程是以控制环件增长 速率为主，轧制力随环件增长速率而变。 图1 - 3 环件轧制周期 f i g 1 3r i n gr o l l i n gc y c l e 环件轧制中，径向轧辊与轴向轧辊同时作用于环件上，在环件两个不同方向 的部位产生两个不同方向的变形。因此，两对轧辊的控制好坏直接关系到产品质 量。常用的方法是，以尽量减小轴向轧辊与环件端面之间的滑动摩擦为原则；以 径向轧制变形为主，轴向轧制的调整要适应径向轧制的要求，当锥辊母线足够长 时，锥辊转速应满足图1 - 4 所示的匹配关系。从图中可以看出，锥辊的旋转速度 与锥辊与环件接触时的直径和环件外径的线速度有关，一般轧制过程中，主辊的 转速为定值( 即环件外径的线速度为定值) ，所以锥辊的转速主要与接触直径有 关。随着环件直径的不断增大，锥辊位置固定，接触直径也不断增大，那么锥辊 转速呈不断减小趋势。若锥辊的母线不够长，则锥辊采用“随动”的运动方式调 整位置，并且直线移动速度环件的增长速度相同，同时保持锥辊的旋转速度与环 件的转速匹配。 两北t 业大学硕士学位论文 图1 q 锥辊转速 f i g 1 - 4s p e e do f t a p e r r o l l s 对于大批量生产的小尺寸环件，可用偏心式四芯辊环轧机进行生产，如图 卜5 所示，它由一个驱动辊和分布在其周围的四个芯辊组成。芯辊装在转盘上， 驱动辊中心与转盘中心形成一定的偏心。当转盘绕其中心旋转时，芯辊轴线与驱 动辊轴线之间的距离发生变化，产生相应的压下量。轧制时，将环坯套在芯辊上， 转盘旋转一周即可生产一个环件，因此，这种轧机具有较高的生产率。 图卜5 偏心式四芯辊环轧机 f i g 1 5m e c h a n i c a l4 - m a n d r e lr i n gr o l l i n gm i l l 由此可见，环件轧制技术正在朝向数控化、自动化、高效率、高精度的方向 发展，而所生产的环件产品的种类也更加多样化，主要表现在材料、加工范围、 尺寸精度、产品重量等方面。 1 1 3 环件产品的种类 环件轧制不仅可以生产不同尺寸和重量的环形件，更重要的一点是能生产出 4 第一章绪论 不同截面形状的异型环件。这些异型截面环件用其它方法往往难以生产。异型截 面环是通过不同的孔型和毛坯形状经过不同的工艺过程轧制而成。现在，能够生 产的环件截面有上千种，图卜6 列出了部分典型异型截面形状。 目前轧制环件产品的直径范围在中4 0 中1 0 0 0 0 m m ，高度为1 5 4 0 0 0 m m ，最 小壁厚为1 6 4 8 m ，环件的重量为0 2 8 2 0 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。常见的轧制环件产品有 轴承环、齿轮环、火车车轮及轮箍、燃气轮机环、集电环等，最大的轧制环件是 直径m1 0 0 0 0 m m 、高度4 0 0 0 m 的核反应堆容器环件。 厦( 【 1 2 环件轧制技术的研究现状 虽然环件轧制的历史悠久，应用范围日益增加。但相应的研究工作还不能适 应生产的发展，这方面的文献与其它领域相比显得欠缺。上世纪七十年代初，英 国和前苏联学者首先开展了环件轧制技术的研究工作。近年来，为提高产品质量、 降低成本，各工业发达国家已认识到环件轧制技术研究的重要性，并投入一定的 人力物力来从事这方面的研究工作。下面分试验和理论研究两个方面进行综述。 1 2 1 环件轧制的试验研究 1 9 6 8 年，j o h n s o n 伽首先在立式平轧机上进行了一些基本参数的试验研究。 轧机两棍同时驱动，选用不同的辊径来实现不同的辊速比。试验材料为碲铅合金 两北工业大学硕士学位论文 来模拟热轧状态。试验表明，轧制力和力矩随轧辊转角的变化规律在不同的压下 量条件下具有相同的趋势；环件s l n 与平面对称轧制时的轧制力之间的差别随轧 辊直径与轧材厚度之比的增加而增大。由于变形区出口速度大于入口速度，对于 理想刚塑性材料，这意味着在变形区外存在塑性铰，为证实这一想法，j o h n s o n 【4 】 做了钢环腐蚀试验，试验时先将环件在两辊之间压靠，然后放入f r y 试剂( 1 8 0 c c h c l ，1 0 0 c c h 。0 ，4 8 9 c u c l ：) 中腐蚀即可显现出变形区及塑性铰形状。载荷较小时， 变形区呈曲边三角形，塑性变形不能穿透整个环件高度：随着载荷增加，变形区 深度加大，三角形尖部逐渐连在一起，随后变形区变成近似长方形；当载荷达到 一定程度后，过环件圆心与变形区方向相反的对称部位产生塑性铰。塑性铰首先 在环件内侧产生，然后扩展到整个环件截面。由于弹塑性材料的钢环轧制试验时 都存在塑性铰，象铅及实际生产中的高温合金这种刚塑性材料环件，一定也存在 塑性铰。 为深入研究环件轧制过程，j o h n s o n 等。1 在试验室建造了小型卧式环轧机， 其结构形式与工业生产轧机相同。在这台轧机上，他们进行了轧制力，力矩及压 下量的连续测量。除s l $ 1 j 铅环外，还进行了冷、热状态下的铝环轧制和热轧钢环 试验，得到的结论为：( 1 ) 轧制力与轧制力矩在一定范围内呈线性关系；( 2 ) 润 滑剂可减小摩擦及磨边现象；( 3 ) 主辊转速一定的条件下，轧制力大小取决于压 下速度，对给定的总压下量，轧制力与压下速度之间存在幂函数关系；( 4 ) 抱辊 力对轧制过程起关键作用。抱辊力过大会是环件变形以至破坏；抱辊力过小时轧 制过程不能稳定进行，轧出的环件无法达到理想的圆度。在同一台试验轧机上 c a d d e l l ”的试验指出，环件轧制生产的金属沿轴向、径向及周向三个方向的硬 度差别不大，平均硬化程度比轴向压缩试验引起的硬化小2 5 左右，但在试验范 围内，c a d d e l l 没有得到环件横截面上硬度分布规律。 1 9 7 3 年，h a w k y a r d 等n ”在u m i s t 试验室安装了一台结构新颖的环件试验轧 机。其特点是芯辊可以沿轴线移动，装卸环件时由液压缸控制的拉杆机构使芯辊 下移；轧制时芯辊向上移动到工作位置。试验表明，对于不同尺寸和材料的环件， 都存在一个临界轧制力。随着轧制力接近临界值，环件内外侧开始出现金属横向 流动，但直径不发生变化，说明环件中心部分仍未进入塑性变形状态。此时，还 可观察到不稳定屈服现象，环件变成多边形。当轧制力高于临界值时，便可产生 足够的压下量使轧制过程进入稳定状态。这时，轧制力随压下量的变化，在开始 阶段有一个峰值；而轴向变形规律与对称轧制情况类似，即径向压下量越大，轴 向宽展越趋于均匀分布，轴向宽展量大小与环件轴向尺寸成反比。 关于环件的宽展变形，m a m a l i s 在同一台轧机上进一步作了研究。用铝合 金和碲铅合金模拟冷轧时加工硬化和热轧时变形速率敏感两种情况。环坯截面形 6 第一章绪论 状为矩形，在其轴向端面刻有径向和周向线组成的网络，在内外侧面则刻有轴向 直线。在环件内部钻有不同方向的小孔并塞入相同材料的细棒。这些措施用来研 究环件表面及内部的金属流动情况。结果表明，无论是轧制矩形或异型截面环， 不规则的轴向宽展变形，或称之“鱼尾”现象总要发生；压下速度对宽展有明显 的影响；平均宽展与压下量之间有近似抛物线的关系；辊径比及孔型形状等因素 对最大宽展位置产生一定影响。根据试验得到的网格变形情况还发现，环件轧制 中存在弯曲和剪切组合变形。苏联学者的研究表明，随环件外径与芯辊直径之比 的增加，芯辊附近的金属宽展增加，主辊附近的宽展减小；随着辊径比( 主辊直 径芯辊之境) 的增加，同样是靠近芯辊侧的宽展增加，主辊侧的宽展减小 m a m a l i s “”在芯辊上开有矩形槽的孔型中轧制t 形截面环时发现，随着压下量逐 渐增加，环件截面由矩形变为t 形形状的过程中主辊表面金属有脱离辊面现象， 形成“空穴”( c a v i t y ) ，如图卜7 所示，“空穴”的产生与压下速度、孔型形状 及环件尺寸等因素有关。 瑰岁i t r 飞 l h 图卜7 空穴现象 f i g1 - 7c a v i t yf o r m a t i o n ( a ) i n i t i a lp o s i t i o n f i r i a lp o s i t i o n 为了测定环件轧制时的单位压力分布，m a m a l i sn 1 ”1 在芯辊和主辊上分别安 装了测压针，并针对不同材料的环件在不同的孔型中进行了轧制试验。得到的分 布规律为：在变形区入口附近单位压力迅速升高并达到峰值，随后压力值缓慢降 低，在轧辊连心线附近单位压力曲线的曲率发生较大变化，出现拐点。当压下速 度较大时，芯辊侧的单位压力可出现两个峰值。这些现象与普通平板对称轧制时 的单位压力分布规律明显不同，说明平板轧制理论和摩擦峰理论对环件轧制不适 用，必须根据环件轧制特点重新建立环轧理论。平辊轧制时的单位压力沿轴向分 布为中间大、两边小的单调下降规律，说明金属始终向外流动，平面应变假设对 环件轧制不成立。关于单位压力分布，文献“”也得到了与上述相同的结果。 轧制各种环件时，金属的流动规律是人们最为关心的课题之一。这直接关系 到环轧产品的质量和性能。1 9 7 9 年以来，h a w k y a r d “引观深入分析了异型截面环轧 制时，金属在孔型中的流动规律。针对铅这种材料，考察了压下速度、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，目的在于提高孔型充满率。结 7 西北工业大学硕十学位论文 果表明用矩形截面环坯轧制异型截面环时，有相当一部分的孔型形状在试验中无 法充满。但改变毛坯形状后可得到令人满意的结果，为开拓环件$ l n 的应用范围， h a w k y a r d “”尝试了自行车圈这种更为复杂的环件轧制过程。由于变形量大、截面 复杂，从矩形截面环坯轧制到成品尺寸需要三种孔型分三个阶段进行。第一阶段 使环件中部金属向边部流动，形成凸缘；第二阶段使环件截面和外径接近最终尺 寸；第三阶段为折边和精整。试验中虽然遇到环件边缘开裂等问题，但使用轧制 法生产自行车圈的可能性被证实，轧件的精度达到标准要求。 生产中环件常在高温下轧制，为此，h i r a l “”在1 0 0 0 1 1 5 0 温度范围内 进行了c 2 5 钢的轧制生产试验，得到了宝贵的现场第一手资料，为研究环件内部 的变形情况，h i r a l “”1 使用不同颜色混合而成的塑泥环件进行轧制，从而清楚 地反映出环件截面内各点的径向应变分布规律。 o u d i n 等眦删认为用模拟材料研究环件轧制具有简单方便、适用范围广、结 果可靠等一系列优点。因此，他们研制出一种以石蜡为基本原料的模拟材料专门 用于环件轧制的研究。这种材料能较好地反映热轧环件时的各种特性。借助于此， 他们在试验轧机上综合考虑各种因素的影响对环件轧制进行模拟研究，各种试验 结果用于生产起到了良好效果。 在国内的华林、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 环机上进行轧制实验。建立了环件轧制静力学、运动学以及动力学和几何学模型。 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洲于上世纪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轧制成 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，并推广环件轧 制实验和科学研究，1 9 9 6 年太原重型机械学院嘲研制了删z 一2 0 0 型环件轧制实验 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 成本较低。 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。如冷轧过程中，环件的应变变化是无法用物理方法测量得到的。又如，对于 一些对热力参数比较敏感的材料( 如高温合金、钛合金等) 在轧制过程中，热力 参数的变化( 如温度) 对环件最终组织性能的影响等等，用物理试验来测量都是 很困难的。因此，对环轧过程的理论研究就显得格外总要，人们通过各种物理实 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。 1 2 2 环件轧制的理论研究 环件轧制的理论研究过程中，主要使用的研究方法如下：1 ) 初等分析法2 ) 第一章绪论 滑移线法3 ) 上限法4 ) 希尔一般方法5 ) 能量分析法6 ) 流函数法等。这些经典 的分析方法在环件轧制理论的发展过程中起到过一定的作用，为轧制成形工艺及 模具设计提供了理论分析的手段，对于预测成形力、变形工件整体几何尺寸变化、 金属流动的定性分析及近似地确定最佳成形条件，这些方法是非常有用的。但以 上研究方法都是建立在一定的假设上的，并且有一定的使用范围，因此，计算结 果上存在一定的误差。 虽然，文献删对环件轧制作了简单的理论分析，但第一个较为系统地分析 环件轧制力和力矩的是h a w k y a r d 伽。他认为环件轧制与普通平板轧制表面上相 似，实际上却存在很大差异。除两轧辊直径不等外，环件轧制的主要特点是每道 次的压下量很小，整个轧制过程由小压下量的多道次轧制组成：由于压下量较小， 导致环件径向厚度与接触弧长之比较大( 一般大于1 ) ，轧辊曲率半径与接触弧 长相比也大的可以忽略不计其影响。若进一步不考虑轧辊表面摩擦及外端作用， 则可直接引用压缩平板时的滑移线场理论解嗍来计算轧制力及轧制力矩。他推出 的轧制力表达式为： p = 2 砂矿【专焘d o 】“2 ( 1 - 1 ) 轧制力矩的表达式为： 丁= 矧”( 警 “2 带 m 。， 式中的，为滑移线场解给出的压力因子。计算表明，( 卜1 ) 式与试验结果的误差 一般不超过1 0 0 , 6 ，1 - 2 式的误差在1 5 左右。 1 9 8 1 年，y a n g 矧尝试用能量法分析时作了如下假设：1 变形为平面应变状态， 两轧辊接触弧长相等：2 变形区内轧制方向( x 方向) 的速度分量在各截面均匀 分布，两轧辊表面中性点位置相等。通过引入下列两个函数( 见图1 - 1 2 ) ： f h ( n ：( 兰2 五盟 得到平面速度场：t g c 力= 五学 a 门 仉：盟上 l 。1 2 g ( x ) t 铲竽幕y + 警躲一紫，7 u 叫 以中性点为待定系数，y a n g 分析了矩形截面及l 形截面环轧制时的轧制力矩变 化规律。1 9 8 3 年，y a n g 等【剐进一步提出更为精确的速度场应该是式( 卜4 ) 的速 9 西北工业大学硕士学位论文 度场与芯辊压下速度引起的速度场的叠加，即： l 圪= 圪。+ 圪2 l 巧= + 巧： ( 卜5 ) 式中的k 。，由式( 1 4 ) 计算，而圪：，e ：在假设了巧：沿变形区高度方向现行变 化后得到： f 蜘一抒 1 肾耻y _ - h ( ：x ) n 。6 、 g t x ) 式中，珞为芯辊压下速度。计算与试验表明，当压下速度较大时，巧对轧制力 矩确实有一定的影响。但压下速度k 较小时，其影响可忽略不计。此外，y a n g 啪 还定义等效摩擦系数u 。为总轧制力沿轧辊的径向分量与切向分量的比值。并用 式( 卜5 ) 的速度场分析了各种因素对其的影响。结果表明一般小于0 0 5 ， 对有较大影响的因素是芯辊压下速度和环件尺寸。 1 9 8 4 年，r y o o 1 针对轧制力和力矩的计算，将变形区简化成具有切向速度 间断的若干三角形同性块，在画出相应的速度矢量图基础上，考虑力平衡条件作 出力矢量多边形，以此解出轧制力和力矩的上限值。采用力多边形法，可定性地 分析变形区内应力状态。当接触弧长较短时，计算表明变形区中部产生拉应力状 态，解释了轴向宽展变形的“鱼尾”现象。关于轧制力的计算，文献。”充分考虑 环件轧制变形区的几何形状的特点，构造出不同于文献嘲中使用的滑移线场，得 到轧制力公式如下： p = i 4 s 6 6 m k ( ；_ ) 0 2 ( ：等_ ) 。1 ”+ a o w h ( 1 7 ) k 其中，w ，h 为轧件的轴向宽展和径向厚度；k 为剪切屈服极限；1 ，k 为变形平 均接触弧长和高度；a o 为外端作用力。 环件轧制中金属变形复杂，进行三维分析困难较多。环件轧制是三维、非对 称、多向轧制过程，具有典型的非线性、时变、非稳态特性。在这方面，h a y a m a 嘲 用能量法在圆柱坐标系中对环件轧制进行了三维分析。建立的金属变形模型特点 为：1 两轧辊产生的压下量么r 和a r ：由轧制力的平衡条件来确定。因此，各 辊的接触弧长不等。2 引入变形区分界半径r h 将变形区划分为主辊变形区和芯 辊变形区两部分。3 变形区内部各r z 断面上的平均圆周速度保持不变，分别为 v o 。和v 0 。4 环件的宽展变形由轴向变形与径向变形的比值。和。来描述。 在单道次三维分析的基础上，h a y a m a 啪1 对速度场进行了简化，不考虑宽展变 形的影响，把车l s t j 力、变形功率等用显式表达出来，并将几何关系与力能关系综 l o 第一章绪论 合起来，完成了环件连续轧制过程的分析，但在分析中，为得到符合试验的计算 结果，作者不得不调整轧辊表面摩擦系数，在主辊变形区和芯辊变形区得到的宽 展变形虽然不同，但也只能反映平均宽展。此外，l u g o r a 采用希尔一般方法对 环件的平均宽展变形也进行过分析，关于变形区的假设与y a n g 田1 的作法相同， 但忽略t $ l 辊表面摩擦的影响，并用流函数构造出三维速度场，通过求解一个四 阶非线性常微分方程组得到平均宽展的数值解。计算结果表明无论压下速度如 何，宽展量随总压下量的增加单调增加。这一结果与试验结果不完全吻合。 环件轧制中，在轧辊的作用下金属产生塑性变形，使得轧件的出口速度大于 入口速度，于是沿环件周向产生附加压应力，这时除在变形区以外有可能产生塑 性铰外m ，整个环件还有弹性失稳的可能，这种失稳有两种形式，一种是面内失 稳；另一种是面外失稳( 沿环件轴向失稳) 。x u 等的分析指出，面外失稳先于面 内失稳。若环件截面为正方形，h 为其边长，r 为其半径，而其屈服极限、弹性 模量及泊桑比分别为y 、e 、v 。则满足下列条件时，环件首先发生面外失稳，而 不会发生塑性铰现象。 一y r ! e h 5 6 0 + 近年来，在德国钢铁工程师协会环件轧制委员会及各生产厂家的大力支持 下，以k o p p 教授为首的研究小组对环件轧制开展了大量的研究工作。他们开发 的环件轧制模拟系统包括变形区金属流动分析，轧制过程参数控制及环件坯料确 定。其中，金属流动的模拟采用了三维非稳态能量法，将变形区分成若干径向单 元，单元变形模式为：1 各径向截面在轧制中保持平面，即截面上各点角速度 相同。2 单元内应变呈线性分布。这样做便于模拟金属的整体流动特性，因此 是宏观流动模型，但不能求解出个点的应力应变状态。为进行过程控制，文献啊“ 中建立了所需要的连续轧制各工艺因素之间几何、静态及动态关系，并对过程控 制方法及其应用进行描述。 从某种意义上讲，目前使用的各种分析方法均采用不同的假设对问题作了较 大程度的简化，因此是近似的，无法提供环件内部精确全面的应力应变信息。1 9 8 8 年，y a n g 将s l n 过程简化成平面应变问题，用刚塑性有限元法求解，但只得到 了单位压力和等效应变分布。 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的理论研 究中刚“，这些工作为开发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。朱春东、张猛等人”， 西北工业大学硕士学位论文 研究了数学模型在q ，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，尺寸精度误差达到刀m = i 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。 总之，环件轧制的研究工作中，特别是理论研究工作还没有全面系统地展开。 目前对环件轧制的许多方面还认识不足，这种现状不能适应且阻碍了环轧技术的 发展。为了丰富环轧技术理论技术。本文旨在对环件稳态轧制过程中的运动学和 力学进行了研究，并配以试验验证；同时，还应用有限元数制模拟技术对轧制过 程进行了模拟，同时给予理论计算以验证。 我国目前的环件辗轧技术仅相当于国外上世纪七、八十年代的技术水平。这 种状况已经越来越成为制约我国环件制造技术发展的瓶颈问题之一，尤其是x x x 和x x x 等新型x x x 的研制对质量可靠性、生产成本和研制周期的要求十分严 格，使得开展x x x 用难变形材料环件精确轧制技术的研究势在必行。 本课题来源于国防基础科研难变形材料环件精密辗轧技术与工程化应用。 本课题研究的目的是通过理论计算和实际生产相结合研究难变形材料环件精确 轧制过程的运动学规律和力学关系，以丰富环轧基础理论，为提高环件轧制的精 度提供依据；根据试验条件的局限性，对环件轧制过程中一些场变量难以测量， 所以利用有限元方法对6 h 4 1 6 9 矩形环轧制过程进行数值模拟，并利用模拟结果 进行分析，为实际生产过程提供科学的理论指导。 1 3 有限元法在金属塑性成形中的应用 有限元法可由实验和理论方法给出的本构关系、边界条件、摩擦关系式，按 变分原理推导出场方程，根据离散技术建立计算模型，从而实现对复杂成形问题 进行数值模拟。分析成形过程中的应力应变分布及其变化规律，由此提供较为可 靠的主要成形工艺参数。因此基于有限元法的塑性成形数值模拟技术是当前国际 上极具发展潜力的成形技术前沿研究课题之一。 就金属塑性成形领域而言，有限元法大致可分为两类，一种是固体形塑性有 限元法( s o l i df o r m u l a t i o n ) 一弹塑性有限元法，这类有限元同时考虑弹性变形 和塑性变形，弹性区采用虎克定律，塑性区采用p r a n d t e - - r e u s s 方程和m i s e s 1 2 第一章绪论 屈服准则，对于小塑性变形所求的未知量是单元节点位移，适用于分析结构的失 稳，屈服等工程问题。对于大塑性变形，采用增量法分析。这类有限元法的特点 是考虑弹性区与塑性区的相互关系，既可以分析加载过程，又可以分析卸载过程， 包括计算残余应力应变及回弹、以及模具和工件之间的相互作用，可以处理几何 非线性和非稳态问题，其缺点是所取是的步长不能太大，计算工作量繁重，对于 非线性硬化材料计算复杂。过去弹塑性有限元法主要适用于分析板料成形、弯曲 等工序。 对于大多数体积成形问题，弹性变形量较小，可以忽略，即可将材料视