（材料加工工程专业论文）大型内台阶环件径轴向轧制成形技术基础研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 中文摘要 环件径轴向轧制工艺主要用于大型无缝环件的生产，是通过环件轧制设备 使毛坯环件壁厚减小、高度减小、直径扩大、截面轮廓成形的先进塑性回转成 形工艺。该工艺具有生产效率高、产品质量好、节能省材等优点，所成形的大 型环件已被广泛应用于重型机械、能源、航空航天等工业领域。大型内台阶环 件径轴向轧制工艺是一种特殊的环件径轴向轧制成形工艺，其工艺过程是多因 素耦合作用下的复杂动态变形过程，目前对其研究极少，导致实际生产工艺设 计中缺乏科学的依据，严重制约了该工艺的进一步应用与发展。 本文首先根据内台阶环件的形状特点，设计了轧制成形方案，按照传统的 建模方法建立了3 d 热力耦合有限模型；然后结合轧制理论，分析了实际轧制 过程中容易出现的爬辊问题，运用有限元模拟和实验方法，对建立的有限元模 拟模型的轴向稳定性控制进行了优化，为研究内台阶环件径轴向轧制成形工艺 提供了可靠的技术手段。 根据内台阶环件变形特点，分析了大型内台阶环件在径轴向轧制工艺中的 几何截面变形规律。通过仿真模拟，揭示了大型内台阶环件径轴向轧制过程中 环件的应力、应变、温度以及力能参数的分布与演变规律，分别对不同成形方 案进行了工艺优化与设计，研究结果为深入了解和研究大型内台阶环件径轴向 轧制的变形机制奠定了基础。 结合实际工艺过程，对内台阶环件径轴向轧制工艺过程进行了设计和规划， 包括提出了下料计算方法，毛坯设计与计算方法；在环件径轴向轧制条件的基 础上，推导出了径轴向的进给速度、驱动辊以及轴向锥辊旋转速度的合理取值 范围，设计了进给控制规范，对工艺规程提出了指导建议。研究结果为实际生 产过程中各工艺参数的设计提供了理论指导。 关键词：内台阶环件；径轴向轧制；有限元模拟；工艺规划 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t r a d i a l a x i a lr i n gr o l l i n g ( r a r r ) t h n i q u em a i n l yu s e di nt h ep r o d u c t i o no fa l a r g es e a m l e s sr i n g ，w h i c hi sa l la d v a n c e dp l a s t i cf o r m i n gt e c h n i q u et or e d u c et h e t h i c k n e s sa n dh e i g h t , e n l a r g et h ed i a m e t e ra n df o r mt h ep r o f i l eo ft h er i n gb yr i n g r o l l i n gm a c h i n e i th a sb e e nu s e dt om a n u f a c t u r el a r g es e a m l e s sr i n g sa p p l i e di nm a n y i n d u s t r yf i e l d s ，s u c h 嬲h e a v ym a c h i n e ，e n e r g ye q u i p m e n t , a e r o n a u t i c sa n d a s t r o n a u t i c se t c ，d u et oi t st e c h n i c a ls u p e r i o r i t i e ss u c ha sh i g he f f i c i e n c y , g o o dq u a l i t y , e n e r g y a n dm a t e r i a l s a v i n g r a d i a l a x i a ll a r g e i n n e r - s t e p s e c t i o n r i n gr o l l i n g t e c h n o l o g yi sas p e c i a lk i n do fr a r rf o r m i n gt e c h n o l o g y , w h i c hi sac o m p l i c a t e d f o r m i n gp r o c e s s 、析廿l m u l t i - f a c t o r sc o u p l i n gi n t e r a c t i v ee f f e c t s a tp r e s e n t , t h e r e l a t i v er e s e a r c h e so fr a d i a l a x i a ll a r g ei n n e r - s t e pr i n gr o l l i n ga r ef e w , w h i c hc a u s e t h es c i e n t i f i cg u i d a n c eo fa c t u a lm a n u f a c t u r ep r o c e s sd e s i g nl i m i t e d ，a n ds e r i o u s l y r e s t r i c tt h ef u r t h e rd e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o no ft h et e c h n i q u e i nt h i sp a p e r , f i r s t l y , a c c o r d i n gt ot h es h a p ec h a r a c t e r i s t i c so f i n n e r - s t e ps e c t i o n r i n g ，t h er o l lf o r m i n gs c h e m e sw e r ed e s i g n e d , a n da3 dc o u p l e dt h e r m o - m e c h a n i c a l f em o d e lw a se s t a b l i s h e db a s e do nt h et r a d i t i o n a lm e t h o d ；t h e n , a c c o r d i n gt ot h e t h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dc l i m b i n gp r o b l e m so ft h ea c t u a lm a n u f a c t u r e ，t h ef em o d e l w a so p t i m i z e dw i t hf es i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t t h er e s u l t sw o u l dp r o v i d et h e r e l i a b l et e c h n i c a lm e t h o df o rf u r t h e rs t u d y i n gt h er a d i a l a x i a ll a r g ei n n e r - s t e pr i n g r o l l i n gt e c h n o l o g y a c c o r d i n gt ot h ed e f o r m a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fi n n e r - s t e pr i n g ，t h er i n g ss e c t i o n d e f o r m a t i o nr e g u l a t i o nw a sa n a l y z e d o nt h eb a s i so fs i m u l a t i o n ，t h ed i s t r i b u t i o na n d e v o l u t i o nr e g u l a t i o no ft h er i n g ss t r e s s ，s t r a i na n dt e m p e r a t u r ea sw e l la st h ef o r c e a n dp o w e ri nt h er o l l i n gp r o c e s sw a sr e v e a l e d , a n dt h ed i f f e r e n tf o r m i n gs c h e m e s w 饿r e s p e c t i v e l yo p t i n 蝴t h er e s u l t sl a i da f o u n d a t i o nf o rf u r t h e ru n d e r s t a n d i n g a n dr e s e a r c h i n go nt h ed e f o r m a t i o nm e c h a n i s mo fr a d i a l - a x i a ll a r g ei n n e r - s t e ps e c t i o n r i n gr o l l i n gt e c h n i q u e c o m b i n i n g 、航t ha c t u a lt e c h n o l o g i c a lp r o c e s s , t h ed e s i g na n dp l a n n i n go f r a d i a l - a x i a li n n e r - s t e pr i n gr o l l 迦w a si n v e s t i g a t e d , i n c l u d i n gt h ec a l c u l a t em e t h o do f b a i t i n ga n db l a n k o nt h eb a s i so ft h et e c h n i c a lc o n d i t i o n sf o rr a d i a l - a x i a ll a r g er i n g 武汉理工大学硕士学位论文 r o l l i n gt e c h n i q u e ，t h er e a s o n a b l es c o p ef o rf e e dr a t eo ft h ei d l er o l l e ra n du p a x i a l r o l l e r , t h er o t a r yv e l o c i t yo ft h ed r i v e nr o l l e ra n da x i a lr o l l e rw e r eo b t a i n e d ，a n dt h e s p e c i f i c a t i o no ff e e dc o n t r o lw a sd e s i g n e da s w e l la st h eg u i d a n c eo ft e c h n i c a l p r o c e d u r ew a sp r o p o s e d t h er e s u l t sw o u l ds u p p o r tt h ea c t u a lt e c h n i c a lp a r a m e t e r s d e s i g nw i t ht h e o r e t i c a lg u i d a n c e k e y w o r d s ：i n n e r - s t e pr i n g ；r a d i a l a x i a lr i n gr o l l i n g ；f es i m u l a t i o ni t e c h n i c a l p l a n n i n g i i i 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 大型环形零件主要包括矩形截面和异形截面两种，已被广泛应用于重大装 备，石化，能源等领域，如：风电机组设备的轴承套圈及风塔法兰、大型机械设 备轮缘、压力容器及核反应堆的加强圈等。该种零件由于工作环境苛刻，所以性 能要求很高，对其制作工艺有严格的标准，因此，一般采用环件径轴向s l 锘f j 技术 获得。环件径轴向轧制技术是一种生产大型无缝环件的先进制造技术，与传统的 大型环件自由锻造生产工艺相比，它具有节能省材、产品质量好、精度高、生产 效率高、生产成本低等优点【1 l 。 1 1 环件径轴向s l 带a j 原理与工艺过程 1 1 1 环件径轴向轧制原理 环件径轴向轧制原理如图1 1 所示，在径向环件s l 铝f j 设备的基础上，增加了 一对轴向端面轧辊，对环件的径向和轴向同时进行轧制，以获得复杂的截面轮廓 形状的环件。 图1 1 环件径轴向s l a i j 的基本原理 如图1 1 中显示，环件径轴向轧制的工作原理为驱动辊作主旋转s l 锖a j 运动， 芯辊作径向直线进给运动，端面轴向锥辊作主旋转运动和向外的水平移动，同时 武汉理工大学硕士学位论文 上端面锥辊还作向下的轴向进给运动。环件在各轧辊的作用下产生径向壁厚减 小、轴向高度降低、内外直径扩大、截面轮廓成形的连续局部塑性变形，当环件 经反复多转次轧制使直径达到预定值时，芯辊的径向进给运动和端面锥辊的轴向 进给运动停止，环件径轴向轧制变形过程结束。 1 1 2 环件径轴向轧制工艺过程 大型环件径轴向轧制的基本生产流程为：称重下料一装炉加热一压机制坯一 轧制一热处理一机加工一检测，其工厂生产流程的现场如图1 2 所示。 一i：iio- ：淄，蝼匾l 函 健；1 ；，r 1 一一k1 l _ | 机加工拉滑 图1 2 环件轧制生产流程现场图 1 2 环件径轴向轧制的研究现状 1 2 1 发展现状 环件轧制技术的研究最早起源于上世纪六、七十年代，当时英国学者w j o h n s o n 等 2 - 4 1 首先在轧环机上对矩形截面环件轧制开展了环件轧制试验研究，并 在实验室建造了小型卧式环件轧机，对轧制力、力矩及压下量进行连续测量，得 到了一些基本结论。1 9 7 3 年，jbh a w k y a r d 等【5 】安装了一台芯辊可沿轴线移动的 环件实验轧机，提高了轧机刚度和实验精度。1 9 7 6 年，agm a m a l i s 等 6 , 7 1 利用该 轧机上进行了环件金属变形和宽展试验，并测得不同材料在不同孔型中轧制时的 单位压力分布。 2 武汉理工大学硕士学位论文 在基础实验研究的成果上，国内外的学者们逐步开展了环件t l 常a j 的理论研 究。agm a m a l i s 等i s 首次采用平面滑移线法计算了矩形截面和t 形截面环件轧 制的轧制力和力矩分布情况，并通过了实验的验证。武汉理工大学的华林等 9 a o 采用上限法研究了矩形截面环件轧制力能参数计算方法，并采用平面滑移线法研 究了矩形截面环件轧制的塑性穿透条件。dy y a n g 等【l l 】采用上限法研究了闭式孔 型中内台阶截面环件轧制力能参数的计算方法。 从上世纪8 0 年代末，学者们在这些理论研究的基础上，引入了计算值数值 模拟技术，来对环件轧制技术进行研究。1 9 8 8 年dyy a n g 等【1 2 】最早采用刚塑性 有限元方法对环件轧制的平面变形作了分析，研究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，获得的 计算结果与实验数据相近。随后nk i m 、yy e a 和许思广掣1 3 1 5 】分别采用三维刚 塑性有限元方法对环件轧制过程进行了数值模拟研究。ks a w a m i p h a d i 和h u t s u n o m i y a 等【1 6 r 7 j 在此基础上利用显式有限元分析，准确地得了到轧制过程的各 项参数，并大幅缩短了计算时间。kd a v e y 等 1 8 1 通过a l e ( a r b i t r a r y l a g r a n g e e u l e r ) 流动方程对环件轧制进行了模拟，提出了基于a l e 流动方程的环 件轧制有限元模型，比常用的l a g r a n g e 程序节省了大量的计算时间。 径向轧制理论和数值模拟技术的发展，促进了径向异形截面环件轧制的研 究。韩国khk i m 等人【1 9 , 2 0 l 通过体积成形有限元软件m s cs u p e r f o r m 对内径带 沟槽的异形截面环件进行了数值模拟研究，结果显示能有效控制内径成形和环件 规圆。kd a v e ) , 等人【2 l 】基于a l e 弹塑性有限元法，对于计算时间和算法进行了改 进，基本能够实现了v 形环件轧制的数值模拟。国内许思广等人 2 2 , 2 3 用二维刚塑 性有限元法对几种简单截面的环件轧制过程进行了分析，解决了主辊转速确定、 压下量分配、咬人曲线计算及边界条件处理等问题。华林等人阱】对非矩形截面环 件( l ) 型台阶环件轧制成形规律进行了研究，把台阶形环件分成两个矩形环件，按 照对矩形截面环件等体积理论，从几何关系上对异形截面环件毛坯设计、压下量 分配进行研究，给出了相关经验公式。在此基础上，左治江等人【2 5 】从静力学，运 动学方面，深入分析了异形截面环件冷轧变形基本规律，推导出了沟球截面轧制 过程中轧辊的运动参数设计公式，建立了沟球截面环件工艺参数设计和优化方 法：钱东升等人 2 6 - 2 9 推导出了沟球截面和台阶截面的轧制条件、运动学和动力学 参数，通过运用a b a q u s 有限元模拟软件建立了有限元模型，对理论分析进行 了模拟和现场轧制实验进行了验证，并对异形截面环件冷轧的毛坯设计、孔型形 状，轧辊尺寸设计和进给参数设计进行了优化。在国内外学者的共同努力下，异 3 武汉理工大学硕士学位论文 形截面环件径向轧制技术得到了飞速的发展并逐步成熟。 轧制基础理论研究较成熟后，径轴向轧制技术的研究也开始进行，1 9 8 9 年， 韩国学者c h o ihd 等【3 0 3 1 1 首次对大型环件径轴向轧制的工艺过程进行了描述， 并采用自适应的控制方法对径轴向轧环机轧制过程中的几何参量的控制进行了 研究。本世纪初，随着航天工业的快速发展，特别是载人航天飞船及特种装备、 大型设备对大直径高强度精密环形件的需求量的增大，使得更多的学者开始对大 型环件径轴向轧制工艺进行研究。张淑莲等人【3 2 - 3 4 对0 5 0 0 0 m m 铝合金轧制工艺 过程进行了详细叙述，并对铝合金在轧制中容易出现的爬辊扭曲等问题进行了研 究，提出了相应的解决方案。2 0 0 7 年，潘利波【3 5 】在环件径向轧制理论的基础上， 从静力学和塑性成形的角度，通过建立物理模型和力学模型，研究了环件轧制工 艺中的轧制条件，主要包括径轴向轧制中轴向孔型的咬入条件与锻透条件，以及 径向单导向辊轧制与径轴向双导向辊# l 带j j 情况下的环件刚度条件。 由于大型环件径轴向轧制是一个大尺寸的成形过程，成形过程中涉及到多因 数耦合作用，如单纯采用实验法或解析法对该过程进行研究，势必造成大量环件 材料的浪费和能源的消耗。因此，有限元数值模拟方法作为一种有效、精确、详 细的工艺分析方法，也被广泛应用于环件径轴向轧制工艺的研究和开发。2 0 0 7 年 以来，在径向有限数值模拟研究的基础上，潘利波等人f 3 8 】基于a b a q u s e x p l i c i t 环境建立了环件径轴向轧制的有限元模型，研究了不同毛坯和工艺参数对环件径 轴向轧制变形的影响规律，揭示了环件径轴向轧制成形机理，建立了毛坯与工艺 参数设计方法。郭良刚等人【3 9 】首次在a b a q u s 环境下，建立了大型环件径轴向 轧制的热力耦合模型，并对三维瞬态传热问题的基本方程和导向辊的柔性控制进 行了相关叙述和研究。周广等人 4 0 - 4 2 1 通过运用大型环件径轴向轧制热力耦合模 型，模拟分析了环件在变形过程中应变和温度的不均匀性，对环件径轴向轧制中 的轧辊尺寸和进给参数进行了优化设计。在这些学者们的努力下，环件径轴向轧 制有限元仿真分析技术得到了完善并逐步成熟。 在径轴向轧制技术不断发展的过程中，异形截面环件径轴向轧制技术的研究 开始起步，袁海伦等人1 4 3 0 7 】采用虚拟径轴向轧制方法对法兰件和斜l 型截面环件 进行了研究，对轧制工艺和毛坯结构等问题进行了优化。王泽武等人【4 8 5 0 】对核容 器大型锥形环件进行了虚拟轧制研究，实时观测了环件在轧制过程中成形和缺陷 生成的动态过程，给出了不同时刻环件节点的位移、应力、应变、速度云图，并 结合计算结果对毛坯结构尺寸、驱动辊转速、芯辊进给速度、锥辊进给速度等轧 制工艺参数进行了优化。 4 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 2 存在的问题 综合分析国内外大型异形截面环件径轴向轧制的研究现状，存在以下问题： 第一，对异形截面环件的轧制大部分集中在径向轧制方面，对异形截面径轴 向轧制的研究比较少；在环件的径轴向轧制方面所做的大量研究大都是针对矩形 截面环件，对于异形截面的径轴向轧制研究还很浅，对其成形机制和变形规律的 研究几乎没有。 第二，在异形截面环件径轴向轧制的理论研究方面，都对轧制过程进行了相 关假设与简化，而异形截面环件径轴向轧制是一个大尺寸复杂的成形过程，成形 过程中涉及到多因数的耦合作用，如对其过程进行了大范围简化，研究结果就不 精确。在异形截面径轴向轧制工艺方面的研究也比较少，由于异形截面环件径轴 向轧制都是针对大型环件，所以需要深入分析工艺参数对成形过程的稳定性和成 形产品的质量影响。 第三，在异形截面环件径轴向轧制的有限元模拟研究方面，大多都忽略了温 度变化对轧制过程的影响，而在实际轧制过程中，由于环件的变形量大，加工时 间长，环件的温度变化会很大，对轧制过程的影响很大。所以现在亟需建立一个 贴近实际工艺的异形截面环件轧制热力耦合模型，来深入准确的分析大型异形截 面环件成形的影响规律。 基于上述分析，本课题以内台阶环件为研究对象，通过工艺分析，推导出内 台阶环件径轴向轧制的轧制条件和工艺控制理论公式；运用a b a q u s 软件，建 立内台阶环件径轴向轧制热力耦合模型，结合实验和模拟结果，揭示环件在轧制 过程中的变形规律，优化轧制工艺，提出工艺规程控制方法。 1 3 课题的来源、目的及意义 1 3 1 课题来源 本课题来源于国家8 6 3 计划项目“大型环件成形制造过程数字化建模仿真与 工艺优化 ( 项目编号：2 0 0 9 a a 0 4 2 1 1 2 ) 和江苏省科技创新与成果转化专项“超 大型复杂环件近净型轧制关键技术研究”( 项目编号：b e 2 0 1 1 0 9 3 ) 。 5 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 2 课题的目的及意义 本课题通过对内台阶环件径轴向轧制工艺进行理论分析和有限元模拟研究， 揭示内台阶环件在径轴向轧制过程中的变形规律和轧制力能参数变化规律等，为 规化与控制一次轧制成形内台阶环件的径轴向轧制工艺提供理论支持和科学依 据。研究结果促进了我国在环件轧制技术的应用和发展。 1 4 本文的主要研究内容 1 4 1 环件径轴向轧制仿真模型的轴向稳定性控制 本部分内容首先分析了内台阶环件的形状特点，提出了单件轧制和双件合轧 成形方案，并根据轧制方案的特点，细分了四种可用于用于生产内台阶环件的轧 制方式；然后通过分析内台阶环件在径轴向轧制过程中的截面变化规律和的几何 尺寸变化过程；再结合分析结果，在传统有限元建模仿真技术的基础上，建立了 内台阶环件径轴向轧制的仿真模型，最后针对模拟和实际生产中常出现的问题， 对模型进一步优化，获得抑制爬辊现象的一种有效解决方法。为本课题模拟研究 内台阶环件径轴向轧制生产技术，提供准确有效的研究方法。 1 4 2 内台阶环件径轴向轧制成形规律 在本部分内容主要运用a b a q u s 软件，模拟内台阶环件在径轴向轧制中的 变形过程，通过对模拟结果进行分析，获得了环件在各种轧制方式下的成形规律， 包括环件应力分布、应变演变与分布、温度演变与分布已经力能参数变化规律。 研究结果为深入了解内台阶环件径轴向轧制工艺奠定了基础。 1 4 3 内台阶环件径轴向轧制工艺优化 本部分的内容是在前两部分研究结果的基础上，再根据轧制过程中出现的问 题，分别对单轧和双轧两种成形工艺方案进行了针对性的优化，优化后的结果为 指导内台阶环件的轧制生产提供了科学的技术支撑。 6 武汉理工大学硕士学位论文 1 4 4 内台阶环件径轴向轧制工艺过程设计与控制规划 本部分内容是在前面的研究成果的基础上进行的，对内台阶环件的轧制生产 工艺进行设计，包括下料重量的计算，制坯过程中的毛坯的设计规则，径轴向轧 辊的合理进给参数计算方法以及各轧辊尺寸的理论设计原则，并根据实际生产工 艺过程，对内台阶环件径轴向轧制的工艺规程进行设计和控制。研究结果为实际 轧制工艺设计提供了理论依据。 7 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章内台阶环件径轴向轧制成形工艺分析与建模 大型内台阶截面环件在大型机械设备制造、能源装备等领域有着广泛的运 用，比如：大型机械设备轮缘部件、发电机组设备的齿圈等，其锻件截面如图2 一l 所示。用于生产大型内台阶截面环件的传统制造工艺为马架扩孔或者环件径轴向 轧制工艺，后者是先将毛坯制造成矩形截面环件，然后通过机械切削等方式加工 成内台阶截面环件，这些工艺加工量大，原材料利用率低，而且金属流线被大量 破坏。若采用一次成形内台阶截面环件的径轴向轧制技术制造，则只需对轧制后 的锻件进行少了的切削加工即可，不但大大提高材料利用率，减少加工工时，而 且能获得内部质量致密的环件。 图2 - 1 内台阶截面环件示意图 2 1 内台面环件径轴向轧制成形方案设计 根据内台阶环件的截面特点，一般有两种方案用于成形内台阶环件：第一种 称为单件轧制( 简称单轧) ，一次只成形一个锻件，其中又包含两种成形方式， 即，方式一：小壁厚环在上面轧制( 如图2 2 ) ，方式z - 小壁厚环在下面轧制( 如 图2 3 ) ；第二种称为双件合轧( 简称双轧) ，先一次成形一个锻件，再通过切割 的方法获得两个内台阶截面的环件，其中也包含两种成形方式，即，方式三：内 沟槽环件轧制( 如图2 - 4 ) ，方式四：内凸台环件轧制( 如图2 5 ) 。 图2 - 2 内台阶环件轧制方式一图2 3 内台阶环件轧制方式二 8 武汉理工大学硕士学位论文 图2 4 内台阶环件轧制方式三图2 5 内台阶环件轧制方式四 2 2 建立有限元模拟模型 2 2 1 环件规格尺寸 本文以某机械设备用轮缘环件为研究对象，其尺寸规格如图2 6 所示。 2 2 2 模拟模型 图2 - 6 内台阶截面环件规格 以文献 4 0 】提供的环件径轴向轧制各项参数计算方法和建模技术为基础，计 算出轧制过程中合理的进给参数范围，然后在a b a q u s e x p l i c i t 模块中建立3 d 热力耦合仿真模型，如图2 7 所示。 ( a ) 轧制方式一剖面图( b ) 轧制方式二剖面图 9 “酽 武汉理工大学硕士学位论文 ( c ) 轧制方式三剖面图( d ) 轧制方式四剖面图 图2 7 不同轧制方式有限元仿真模型图 结合内台阶径向轧制进给参数设计方法和径轴向轧制各工艺参数合理取值 范围的计算原则，针对内台阶环件在不同轧制方式中变形过程的特点，计算获得 各项模拟轧制主要参数，如表2 1 所示。 表2 1 轧制模拟工艺参数 进给参数 台阶成形阶段芯辊进给速度v l i m m l s 椭u 方式一赢嬲麓卷，0 1 黜s 主轧制阶段锥辊进给速度v 2 0 4 m m s 凸台成形阶段芯辊迸给速度v l 躺u 方式四蓄嬲麓徽， 主轧制阶段锥辊进给速度v 2 0 1 r n d l s 0 6 m m s 0 8 m m s 0 0 1 碰l r n s 轧制初始温度t l l5 0 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 3 有限元模型轴向稳定性控制 由于径轴向轧制生产的环件尺寸大，在重力和变形力的相互影响下，易使环 件受力不均，导致轧制过程不稳定，主要表现为环件在水平面晃动和在径向孔型 中向上窜动等现象，其中后者称为爬辊现象。环件晃动则会导致环件出现较大的 圆度误差，而爬辊现象轻则使环件形位精度大幅降低，重则使环件产生扭曲变形 而报废。在实际轧制过程中，一般是通过人为控制来进行调整和抑制爬辊现象， 而在模拟仿真中，主要是通过预先设置参数的方法对轧轴向制稳定性进行控制， 但这种方法不能根据实时轧制过程的稳定性而进行调整，所以模拟仿真中也经常 出现爬辊现象，如图2 8 所示。 图2 8 模拟仿真中的爬辊现象 针对爬辊现象，在传统的仿真模型中，一般是采取在环件上某个位置施加轴 向方向约束的方法对爬辊现象进行控制，但是该方法在实际生产过程中不可能采 用，因此，传统仿真模型的所得的结果的可靠性欠佳。为了给本课题的研究提供 一种更加科学精确研究方法，有必要根据实际生产情况，对有限元仿真模型的轴 向稳定性进行科学的优化。 2 2 3 1 环件受力分析 1 ) 静态受力平衡分析 在实际环件径轴向轧制中，由于环件有自身的重量，所以会在轧制设备上的 芯辊两侧设置一个工作台来承载环件，相当于将环件放置在一个平面上。从其轧 制原理图可知，轧制过程中，轴向孔型中的环件会受到来自上锥辊一个向下的作 用力p 口，同时下锥辊对环件施加反作用力，在这两个力的共同作用下，环件局部 产生塑性变形，降低了高度，而环件其他部分都未受到该作用力的影响。因此， 轴向孔型中的环件部分存在变形量，该处的高度均低于其他部分，所以环件会以 1 1 武汉理工大学硕士学位论文 工作台上靠近锥辊部分的边缘为支点，形成一个翻转力矩，其受力原理如图2 - 9 所示。根据力学平衡原理，在位于径向孔型一端的环件部分上会产生一个向上的 作用力，使环件在径向孔型中会产生向上运动的趋势，促使环件沿轴向方向爬升。 图2 - 9 环件在静态下的受力 2 ) 旋转状态下的受力分析 环件在径轴向轧制时，在径向孔型中，是由驱动辊旋转，芯辊进给，不断的 将环件咬入到径向孔型中；在轴向孔型中是由上下锥辊共同旋转，上锥辊向下进 给，不断的将环件咬入轴向孔型中；径轴向旋转的速度配合，避免环件的中心偏 离径向进给和轴向进给组成的平面。因此，环件是边旋转边长大的，旋转速度和 驱动辊以及锥辊的转速配合。 ( a ) 环件与导向辊接触模型( b ) 环件与导向辊摩擦作用 图2 1 0 环件和导向辊作用 环件在出轴向孔型中，由于上锥辊的迸给，环件的高度降低，并且会在环件 的径向上产生宽展，环件在推出轴向孔型后，先推出部分的高度要大于后推出部 分的高度，如图2 1 0 ( a ) 所示，1 1 3 1 1 2 1 - 1 1 ，所以连续的径向宽展形成了螺旋向上 运动的效果。同时，左右导向辊根据环件中心偏离程度来对其施加作用力，确保 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 环件在长大过程中的圆度。在径向孔型入口侧，环件的宽展部分受到导向作用力 的影响，会产生一个向上的滑动摩擦力尼，如图2 1 0 ( b ) 所示，使环件螺旋向上运 动的趋势。而环件经过径向孔型后，径向宽展完全被整平。所以在径向孔型出口 侧，环件和导向辊之间几乎没有向上的摩擦力。 此外，旋转状态下的环件在轴向孔型中的变形区是分布在两锥辊之间平行母 线的靠咬入方向一侧，如图2 1 l 所示。由图2 1 1 可知，环件在出径向孔型和咬 入轴向孔型之间的部分，会被上下锥辊共同施加的作用力压住，使环件在该侧的 轴向窜动受到有效的抑制，而在轴向孔型出口侧至径向孔型入口侧之间的环件未 受到类似作用力的影响。 图2 1 1 锥辊和环件相互作用图2 1 2 有倾角的导向辊 对环件静态和动态的受力分析可知，在径轴向轧制过程中，环件会受到一个 由上锥辊向下进给产生的翻转力，锥辊旋转在咬入环件时产生的压力及轴向宽展 和导向辊之间产生的摩擦力组成的合力，该合力是作用点在径向孔型入口侧附 近，方向向上。因此，可以将径向孔型入口侧的导向辊设计成有一定向下倾斜的 角度，如图2 1 2 所示。因此，导向辊向下的分力p v 能有效的抵消该合力，抑制 环件轧制过程中的爬辊现象。 2 2 3 2 导向辊分布的影响 本节的验证模型是在传统仿真模型的基础上，通过调整工艺参数，获得的一 个专门用于研究轴向稳定性的热力耦合模型，具体调整的参数如表2 2 所示。 为了验证环件爬辊现象产生的力学机理，研究导向辊倾角对环件径轴向轧制 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 过程的影响规律。设置一组导向辊分布不同，其他各个参数一样的模拟模型，该 组模型具体分布方式是：方式1 - 径向环件进出口两侧导向辊倾角都为o 。；方式 2 ：径向环件进出口两侧导向辊倾角都为5 。：方式3 ：径向进口侧导向辊为5 。， 出口侧导向辊为0 。；方式4 ：径向进口侧导向辊为0 。，出口侧导向辊为5 。分析 比较这4 种方式的模型对环件径轴向轧制过程的影响，得出最优的分布组合。 表2 2 改进仿真模型的工艺参数 1 ) 环件平整度变化 环件的平整度，是指在环件外径处，上端面节点的坐标y 值的最大差值。即， 乎辫m 似劬m n 劬。该值越小，说明环件越平整。经过分析模拟结果，整理得 到不同分布方式下，环件轧制后的平整度数据见表2 3 所示。 表2 3 不同导向辊分布方式下环件的平整度 比较表2 3 中的数据可知，导向辊组合方式1 和方式4 ，方式2 和方式3 的 环件平整度大小基本相同，但是方式1 和方式3 的平整度远大于方式2 和方式3 的平整度，因此，导向辊分布方式2 和方式3 轧制出的环件，精度明显好于方式 l 和方式4 的。 2 ) 对环件轴向稳定性的影响 环件轧制过程的在轴向上的稳定性，可以用环件上端面外径处任意一点的y 值在轧制过程中的变化情况来体现。导向辊不同的分布方式，会明显的影响环轧 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 过程的环件轴向 乳侧町同( s ) 图2 1 3 不同分布方式下环件轴向稳定性 轧制过程中，环件上某点坐标的y 值都是先降低，然后升高，因为该点在每 次经过轴向孔型时，位置达到最低，出轴向孔型后，环件逐渐会被托支撑往上翘， 当环件直径越大，这种往上翘的现象越明显，这种变化规律在图2 1 3 中表现很明 显。在轧制前期，不同轧制方式下环件某点坐标y 值变化情况基本一致，轧制后 期，尤其是环件直径迅速长大的时候，方式1 和方式4 的y 值波动非常大，说明 此阶段，环件上下窜动比较严重。但方式2 和方式3 变化情况和轧制前期差别不 大，这说明了在径向孔径入口侧的导向辊对环件向上运动的趋势得到了有效的抑 制。 3 ) 椭圆度度变化 椭圆度口是评价环件精度的重要指标，指的是环件外径相对于理论圆心的最 大距离减去最小距离，即： 9 = r t 口一一置口血( 2 - 1 ) 式中，冠d 指的是在轧制过程中环件的理论外径5 2 1 ，可表示为： ，_ 。= - 。 蜀口= ( h 一薯) 2 + ( 此一儿) 2 一b ( 2 - 2 ) 此处，( ，儿) 是环件外径上节点f 的坐标，( 薯，只) 是环件的理论圆心，秒的值 越小，说明环件的精度越高。 在环件径轴向轧制过程中，由于环件的尺寸较大，每转进给量也会较大，使 环件不同部位会存在较大的壁厚差，再加上控制误差，会导致环件在轧制过程中 存在明显的椭圆度。导向辊不同的分布方式，环件在轧制过程中的椭圆度变化规 1 5 武汉理工大学硕士学位论文 律如图2 - 1 4 所示。 轧制时同( s ) 图2 1 4 不同分布方式下环件椭圆度变化 图2 1 4 各曲线的变化显示，环件在轧制过程中椭圆度的变化规律可以分为3 个阶段，第1 阶段为环件咬入径轴向孔型，此阶段环件在变形力的作用下，开始 产生壁厚差，整个阶段，环件的椭圆度迅速增加；第2 阶段为环件稳定轧制阶段， 此阶段环件的椭圆度一直增大，但是比较缓慢，而且有呈阶梯式增长的现象，由 于随着椭圆度的增加，导向辊受力增大，促使环件椭圆度减小，有效的阻止了环 件椭圆度增大的趋势，但是随着环件外径以及外径的长大速度增大，每转进给量 会逐步增加，因此，椭圆度在有效的抑制后又会缓慢的增大；第3 阶段为整圆阶 段，此阶段环件径轴向进给速度逐步减小至0 ，所以环件的椭圆度会迅速减小， 最终环件的椭圆度会减小至2 - 4 r a m 之间。分析比较各个曲线，导向辊不同的分布 方式对环件椭圆度的变化影响很小，方式l 和方式4 分布下，环件在轧制过程中 椭圆度的变化相比于方式2 和方式3 的变化波动稍大。 综合以上的分析，环件径轴向轧制中，导向辊的分布方式不同，对轧制过程 影响不同，尤其是对环件轴向上的稳定性和精度影响很大，这也验证了前面的轴 向上受力理论分析。方式l 和方式4 分布下，不利于对环件轴向稳定性和精度的 控制，但方式2 和方式3 的分布方式下控制效果明显较好，而且这2 种方式的影 响规律基本一致，充分的验证了入口侧导向辊的倾角对抑制环件爬辊有决定性的 作用。 2 2 3 3 导向辊倾角大小的影响 根据以上的比较，结合环件在轧制过程中的受力分析，只要径向孔型入口侧 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 的导向辊有倾角，对环件在轴向上的稳定性和精度控制效果非常明显。为了进一 步得到最优的导向辊倾角大小，设置一组其他参数相同，径向入口侧导向辊倾角 分别为2 5 0 ，3 5 0 ，5 0 , 6 5 0 和7 5 0 的模拟模型。分析模拟结果，比较不同倾角对环件 径轴向轧制过程的影响，得出最优的导向辊倾角大小范围。 1 ) 环件平整度变化 图2 1 5 不同导向辊倾角下环件平整度 图2 1 5 中的曲线说明了当倾角在3 5 0 左右，环件的平整度最好。当倾角小于 3 5 0 时，导向辊对环件的作用力在垂直方向上的分力不足以与环件上向上的合力 相抵，当倾角大于3 5 0 时，这个分力过大，与轴向锥辊在轴向孔型入口侧的压力 会以托板边缘为支撑部分，产生弯曲形变，而且随着角度的增大，这个形变效果 更明显。 2 ) 对环件轴向稳定性的影响 轧制时间( s ) 图2 1 6 不同导向辊倾角下环件轴向稳定性 1 7 武汉理工大学硕士学位论文 从图2 1 6 中的各曲线变化情况可看出，导向辊倾角对环件轧制过程中轴向稳 定性影响作用较小，但是当这个倾角在2 5 。时，在轧制后期，会由于环件外径以 及长大速度过快而出现比较明显的波动，这也说明了倾角在2 5 。时，导向辊的垂 直分力不足以将环件上向上的合力完全抵消。 3 ) 椭圆度变化 轧制时间( s ) 图2 1 7 不同导向辊倾角下环件椭圆度变化 比较图2 1 7 中5 条曲线的变化规律，和不同导向辊分布下所呈现的规律完全 一致。说明了不同导向辊倾角下，对环件的椭圆度变化影响不大。 2 2 3 4 实验验证 结合以上的理论分析和模拟仿真优化，开展实验验证，本实验在某公司环件 径轴向轧制生产线进行，其中入口侧导向辊，在固定支架上增加一个垫块，使原 本垂直水平面的导向辊工作面与环件外表面接触的切线向内倾斜3 5 0 ，图2 1 8 为 实验进行中，图2 1 9 为轧制获得的环件。 1 8 武汉理工大学硕士学位论文 图2 1 8 轧制实验过程中 图2 1 9 轧制实验样品 耋三兰塞墼壅堡堑鲑丝叁墼鱼里! 霉 锻件规格 最爹最矽管最銮高最妄高繁 实验过程中，径向孔型中的爬辊趋势得到了明显的抑制，轴向振动减小，整 个过程稳定可控。经过测量实验后，得到的数据见表2 4 。分析显示，外径处的 椭圆度控制在0 1 左右，平整度控制在高度尺寸的1 左右，所得到的环件精度 非常高。因此，本次实验也验证了以上的理论分析和模拟分析。 2 2 3 5 轴向稳定性优化结论 本小节针对环件径轴向轧制过程不稳定性中的爬辊现象进行了深入的分析， 揭示了爬辊现象产生的力学机理，提出了通过优化导向辊的形状和分布模式的方 法，通过模拟仿真优化和实验验证，有效的解决了爬辊现象，主要有以下结论。 1 ) 爬辊现象是由于环件在径轴向轧制过程中受到了非对称作用力的影响而 产生的，只要减小该作用力的效果，就能有效的抑制爬辊现象。 2 ) 由于导向辊形状的变化和分布，在径向孔型入口侧环件部分的轴向上产 生了一个向下的作用力，抑制了爬辊现象，使环件在轧制过程中轴向稳定性和精 度都明显提高。 1 9 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章内台阶环件径轴向轧制成形规律 大型内台阶环件径轴向轧制成形是多个因素耦合的变形方式，若直接采取实 验法对成形过程进行研究，势必浪费大量原材料和能源，若先采用有限元数值模 拟，通过分析模拟结果，来优化设计实验进行深入的研究，则可以大大减小实验 的成本，降低工艺优化设计的难度。通过对内台阶环件的单件轧制和双件合轧成 形规律的研究，揭示轧制变形行为，对进一步的工艺设计与优化奠定了基础。 30 1 环件几何尺寸变化 3 1 1 截面变化规律 内台阶环件的成形是通过带有凸台的芯辊，对环件坯料内壁进行辗轧，成形 台阶截面形状，同时锥辊对环件高度进行轧制，通过径轴向的联合轧制，使环件 坯料的壁厚减小，直径扩大，高度降低，以获得所需要规格的产品。环件的截面 变化过程如图3 1 所示。 图3 1 内台阶截面变化过程 由图3 1 可知，内台阶环件的变化分为两个阶段：第一个阶段为台阶成形阶 段，在此阶段，径向孔型中只有芯辊大工作半径的工作面和环件接触，轧制出台 阶的长度不断增加，因此可以认为环件的最大壁厚是保持不变的；第二阶段为主 2 0 武汉理工大学硕士学位论文 轧制扩孔阶段，此阶段，径向孔型中环件内壁全部与芯辊接触，最大壁厚减小， 但是台阶的长度不再增加。在这两个轧制阶段，轴向孔型对高度的轧制进给保持 独立，但是锥辊的转速要和环件外径处线速度匹配，锥辊后退的速度要和环件外 径长大匹配。 3 1 2 几何尺寸变化规律 由截面变化规律可知，根据金属塑性成形体积不变原理和环件各尺寸的几何 关系，因此有： 在台阶成形阶段( o ，s ，l ：里，台阶长度为日i ：r i 一，一为径向进