（材料加工工程专业论文）环件轧制中导向辊对环件圆度误差影响规律研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 环件轧制是一种生产无缝环件的特种加工工艺，它是通过对环形断面的局 部连续轧制，将小直径厚截面的环形毛坯逐渐轧制成大直径薄截面的环件。 导向辊是环件轧制设备的重要组成部分，在轧制的整个过程中都起到了重 要作用。本文从理论、数值模拟、物理实验三个方面研究了导向辊对环件圆度 误差的影响。 ( 1 ) 相关理论。本文归纳了环件轧制变形和环件轧制模拟所涉及到的金属塑 性变形理论，恒定导向力下环件轧制条件和动力显示算法的特点。从理论上推 导了环件轧制时导向力需要满足的条件和环件在轧制过程中所需的导向力。 ( 2 ) 数值模拟。本文用a b a q u s 有限元分析软件建立了能反映导向力的环 件轧制模型，并在该模型中校核了芯辊进给速度和导向力。运用有限元 a b a q u s e x p l i c i t 对环件的轧制过程进行数值模拟，发现：1 ) 当导向辊在环件 轧制出口端时，随着环件轧制过程的进行，环件圆度误差逐渐增大，环件不同 高度上的圆度误差变化不大。在该模型下，当导向力较小时，环件的外圆圆度 误差大于内圆圆度误差，但随着导向力的增加，这种差异越来越不明显。随着 导向力的增加，环件圆度误差逐渐增大。2 ) 当导向辊在环件轧制的入口端时， 在轧制前期，较大的导向力可以得到较小的环件圆度误差；在轧制后期，较小 的导向力可以得到较小的环件圆度误差。变导向力可以使环件的圆度误差较小。 导向辊至于出口端的环件圆度误差小于入口端的环件圆度误差。 ( 3 ) 物理实验。本文介绍了环件轧制实验所需的设备，提出了环件轧制的两 组实验方案。a 组实验，固定导向力，改变轧制时间，以发现环件在轧制过程中 的圆度误差变化规律。b 组实验，固定轧制时间，改变导向力，以发现导向力对 环件圆度误差的影响。环件圆度误差的测量数据，证实了当导向辊至于环件轧 制出口端时，环件在轧制过程中的圆度误差逐渐增大；随着导向力的增加，环 件圆度误差逐渐增大。 以上研究的意义是：发现环件轧制中导向辊对环件圆度误差的影响，并为 精确数值模拟提供实验方面的数据依据，这有助于提高环件的车l $ 1 j 质量。 关键字：环件轧制，导向辊，圆度误差，数值模拟，物理实验 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t r i n gr o l l i n gi sas p e c i a l i z e dr o l l i n gp r o c e s sf o rm a n u f a c t u r i n gs e a m l e s sr i n g s ，i n w h i c ht h ed i a m e t e ro ft h er i n gi n c r e a s e sa n dt h er i n gc r o s s s e c t i o nd e c r e a s e sb y c o n t i n u o u s l yl o c a lr o l l i n g 。 a sa l li m p o r t a n tp a r to fr i n gr o l l i n gm i l l ，g u i d i n gr o l lh a si m p o r t a n tf u n c t i o n d u r i n gt h ew h o l er o l l i n gp r o c e s s g u i d i n gr o l le f f e c to nr o u n d n e s st o l e r a n c ei s r e s e a r c h e db yt h e o r y ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n dp h y s i c a le x p e r i m e n t ( 1 ) t h e o r y i ti ss u m m a r i z e dt h em e t a lp l a s t i cd e f o r m a t i o nt h e o r ya b o u t r i n gr o l l i n gd e f o r m a t i o na n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，r i n gr o l l i n gc o n d i t i o n so nc o n s t a n t g u i d i n gf o r c ea n dc h a r a c t e r i s t i co fd y n a m i ce x p l i c i ta l g o r i t h m g u i d i n gf o r c er e q u i r e d b yr i n gr o l l i n gc o n d i t i o ni sd e r i v e df r o mt h e o r y ( 2 ) n u m e r i c a ls i m u l a t i o n r i n gr o l l i n gm o d e lr e f l e c t i n gg u i d i n gf o r c ei s s e tu p b yf 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 b a q u s ，a n dm a n d r e ls p e e da n dg u i d i n g f o r c ea r ec h e c k e d s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a t1 ) w h e ng u i d i n gr o l li sl o c a t e da tt h e r o l l i n ge x i t ，t h er o u n d n e s st o l e r a n c ei n c r e a s e sd u r i n gt h er i n gr o l l i n gp r o c e s s ，i ta l s o i n c r e a s e sw h e ng u i d i n gf o r c ei n c r e a s e s b u ti td o e sn o ts h o wd i f f e r e n c ea td i f f e r e n t h e i g h t s o u t e rc i r c l er o u n d n e s st o l e r a n c ei sl a r g e rt h a ni n n e rc i r c l e s ，b u tt h e d i f f e r e n c ed e c r e a s e sw h e ng u i d i n gf o r c ei n c r e a s e s 2 ) w h e ng u i d i n gr o l li sl o c a t e da t t h er o l l i n ge n t r a n c e ，a tt h eb e g i n n i n g ，l a r g eg u i d i n gf o r c el e a d st os m a l l e rr o u n d n e s s t o l e r a n c e ，b u tl a t e r ，s m a l lg u i d i n gf o r c ed o e ss o a n dv a r i a b l eg u i d i n gf o r c ei sg o o d f o rr o u n d n e s st o l e r a n c e c o m p a r i n gg u i d i n gr o l l st w ol o c a t i o n s ，w h e n g u i d i n gr o l li s l o c a t e da tt h er o l li n ge x i t ，t h er o u n d n e s st o l e r a n c ei ss m a l l e r ( 3 ) p h y s i c a le x p e r i m e n t r i n gr o l l i n ge x p e r i m e n t a le q u i p m e n t sa r e i n t r o d u c e da n dt w og r o u p so fe x p e r i m e n t a lp r o g r a ma r ep r o p o s e d i ng r o u p a ， g u i d i n gf o r c ei sc o n s t a n t ，a n dr o l l i n gt i m ei sv a r i a b l e ，i no r d e rt of i n dt h ec h a n g eo f r o u n d n e s st o l e r a n c ed u r i n gt h er i n gr o l l i n gp r o c e s s i ng r o u pb ，r o l l i n gt i m ei s c o n s t a n t ，a n dg u i d i n gf o r c ei sv a r i a b l e ，i no r d e rt of i n dg u i d i n gf o r c ee f f e c to n r o u n d n e s st o l e r a n c e e x p e r i m e n t a ld a t ac o n f i r m st h a tw h e ng u i d i n gr o l li sl o c a t e da t t h er o l l i n ge x i t ，t h er o u n d n e s st o l e r a n c ei n c r e a s e sd u r i n gt h er i n gr o l l i n gp r o c e s s ，i t 武汉理工大学硕士学位论文 a l s oi n c r e a s e sw h e ng u i d i n gf o r c ei n c r e a s e s t h e s er e s e a r c h e sh e l pt of i n dg u i d i n gf o r c ee f f e c to nr o u n d n e s st o l e r a n c e ，a n d p r o v i d ee x p e r i m e n t a ld a t af o rp r e c i s en u m e r i c a ls i m u l a t i o n t h e s ea l eg o o df o r i m p r o v i n gr o l l i n gq u a l i t yo fr i n g k e yw o r d s ：r i n gr o l l i n g ，g u i d i n gr o l l ，r o u n d n e s st o l e r a n c e ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ， p h y s i c a le x p e r i m e n t 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究性工作及 取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他入已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武 汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所作的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表 示了谢意。 研究生签名：日期型! 垂：! 墨 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部内容，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 研究生签名：二查盔垫一导师签名：盈日期：型 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 环件轧制概述 第1 章绪论 环件轧制是一种生产无缝环件的特种加工工艺，它是通过对环形断面的局 部连续轧制，将小直径厚截面的环形毛坯逐渐轧制成大直径薄截面的环件。这 种连续局部塑性加工成形工艺，是轴承环、齿轮环、法兰环、火车车轮及轮箍、 燃气轮机环等各类无缝环件的先进制造工艺，在机械、汽车、火车、船舶、石 油化工、航天航空，原子能等许多工业领域中日益得到广泛应用川。 环件的轧制生产方式与环件的其它生产方式相比，在技术上具有很多优点： ( 1 ) 设备吨位小、投资少、加工范围大。环件轧制变形是通过局部变形的积 累而实现环件成形的。与整体模锻变形相比，环件轧制变形力大幅度减小，因 而轧制设备吨位大幅度降低，设备投资大幅度减小。 ( 2 ) 产品范围广。环轧工艺可用于大中型( 特别是厚壁) 环件的热轧加工，亦 可用于中小型环件的精密冷轧。所加工的环件断面形状可以是方形、矩形、t 形、 l 形、v 形、h 形、齿槽及其它异形，环件的直径尺寸小至几十毫米的小型件， 重量不足1 公斤，大到几十米的大型件，重量可达十几吨。 ( 3 ) 环件精度高、加工余量少、材料利用率高。轧制成形的环件几何精确度 与模锻环件相当，制坯冲孔连皮小，而且无飞边材料消耗。与环件自由锻工艺 和火焰切割工艺相比，轧制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，纤维沿 圆周方向排列，特别是承受周向应力能力大为增强，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 ) 生产效率高。用轧制方法生产的大型环件比锻造法提高生产效率2 0 - 4 0 位【2 】 i 口o 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 武汉理工大学硕士学位论文 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。近年来，环轧工艺在国内外受到了很大的重视，美国、德国、日本、 韩国、法国等工业发达国家均纷纷出资资助轧环机和环轧工艺理论与试验的研 究，并且已经在实际应用中取得了良好的经济效益【3 j 。 环件轧制的设备1 6 - 8 1 、毛坯【9 。1 1 1 、温度等不尽相同，但它们的轧制原理相似。 环件轧制时，电动机通过减速器带动驱动辊旋转，环件轧制通过它与毛坯之间 的摩擦力拽入毛坯并对其连续地施压，而环形件毛坯与芯辊之间的摩擦力又带 动芯辊转动，同时在进给系统的推动下，芯辊与驱动辊之间的中心距逐渐缩小， 直至变形结束。经轧制变形的环件，外径长大，壁厚减小。环件单导向辊径向 轧制原理如图1 1 所示。 图i - i 环件轧制原理图 向辊 辊 以d 5 6 g 9 0 型数控精密冷轧环机为例。驱动辊作旋转轧制运动；芯辊为被动 辊，作从动旋转轧制运动，并做直线运动，与驱动辊之间的中心距逐渐缩小； 导向辊是可自由转动的从动辊。在驱动辊作用下，环件通过驱动辊与芯辊构成 的轧制孑l 型产生连续局部塑性变形，使环件壁厚减小、直径扩大、截面轮廓成 形。这时光栅发出的瞬时外径值或内径值不断变化，当环件经过多转g l n 变形 且直径扩大到设定尺寸时，芯辊停止直线进给运动并返回，环件轧制过程结束。 武汉理工大学硕士学位论文 轧制过程中，导向辊的导向运动保证了环件的平稳转动。 1 1 1 环件轧制的理论研究 采用有限元数值模拟方法进行仿真实验是近几十年来s l , 锘u 理论研究中的趋 势。将有限元方法应用于轧制过程的理论研究不但可以节省实验费用，而且因 其高速性和可靠性可以对轧制过程中不易进行实验研究的课题进行深入的探 讨。金属塑性成形的刚塑性有限元分析是l e e 和k o b a y s h i 于1 9 7 3 年提出来的， 这种方法基于小应变的位移关系，以变分原理作为理论基础，认为在所有动可 容速度场中，使泛函数取得驻值的速度场就是真实的速度场，根据速度场可以 计算出各点的应变和应力。刚塑性有限元法中忽略了变形中的弹性变形，而考 虑了材料在变形过程中的体积不变条件，因此对于非线性联立方程组可允许一 个相对放松的收敛准则。在大变形量的金属成形问题中，弹性变形部分远小于 塑性变形部分，忽略弹性变形分量是合理的，此举可以大大简化计算过程，提 高计算效率。刚塑性有限元法采用功率方程，变形后的构形通过在离散空间点 上对速度积分获得，从而避开了几何非线性问题。利用刚塑性有限元方法，1 9 8 8 年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。 并将计算结果与实验数据作了比较，计算结果与实验数据很相近。1 9 9 0 年n k i m 等人用三维刚塑性有限元方法对环件轧制进行了数值模拟，并编制了r i n g 的计 算机程序，主要工作是在环件轧制有限元模型网格划分中引入了两种网格划分 系统，从而减少了计算量，并对矩型环件和t 型截面的环件进行了数值模拟， 并将其数值模拟结果( 最终的几何形状的改变) 与实验数据进行了比较，取得了好 的效果。d y y a n g 等人也对t 型截面的环件轧制进行了三维刚塑性有限元的数 值模拟，做了相似的工作。1 9 9 4 年，z m h u a ，i p i l l i n g g e r 等人进行了环件轧制 的三维有限元模型的研究，他们在分析过程中用到了弹塑性有限元方法，并开 发了一个特殊的混合有限元网格模型，最后利用提出的模型对钢材进行了数值 模拟，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，z m h u a ，i p i l l i n g g e r 等人利用混合网格 模型对环件异型截面轧制进行了有限元数值模拟，研究中利用提出的网格划分 方法对矩形截面和v 型截面的径向和径轴向轧制进行了分析，其时间节省了近 武汉理工大学硕士学位论文 7 0 。近年来，k s a w a m i p h a d i ，e m p a u s k a 等人，利用显式有限元模型对环件 轧制过程进行了分析，其主要是利用显式有限元程序分析各种冷环轧工艺过程， 可以发现，利用显式有限元分析，可很准确的得到环轧过程的各个参数。k d a v e y 和m j w a r d 通过越正流动方程对环件轧制进行了数值模拟，这主要是基于舭正 力学模型的有限元分析，它比惯用的l a g r a n g e 程序可以节省大量的计算时间， 可以对很复杂的变形过程进行数值模拟，提出了基于a l e 流动方程的环件轧制 有限元模型。 国内对环件轧制进行有限元分析研究的学者，主要是清华大学的许思广和 华中科技大学的解春雷等人。许思广博士后用三维刚塑性有限元法分析了横断 面为对称的环件轧制变形过程，并且分析了环件轧制过程的热耦合问题。解春 雷用刚粘塑性动力显式算法，数值模拟了环件轧制过程，提出了环件轧制过程 的刚粘塑性算法，数值模拟结果揭示出环坯形状、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。武汉理工大学罗洲等人使用a b a q u s e x p l i c i t 程序，使用显式算法中的最新求解技术，对环件轧制过程进行动态数值模拟来 真实的反映环件轧制的整个过程。武汉理工大学史宏江对圆锥辊子轴承套圈冷 轧精密成形工艺进行了理论和实验研究，运用d y n a f o r m 有限元软件对轧制过程 进行了有限元数值模拟，通过对锥形套圈对称冷轧制力学分析计算，得出了一 套适合锥形套圈冷轧制力能计算的公式，为锥形套圈冷轧制提供了理论依据【l 2 j 。 有限元方法针对导向辊的研究主要集中在导向辊的运动规律和导向辊位置 等方面，对于轧制过程中导向力方面的研究则相对较少。 1 。1 2 环件轧制的实验研究 2 0 世纪8 0 年代，英国学者w j o h n 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 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轧制时的单位压力分布。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 4 武汉理工大学硕士学位论文 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* l n 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 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。 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 立式轧环机上进行轧制实验。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c l 带j j 成形工艺。分析了e q l 4 0 汽车从动螺旋齿轮轧制成形的特 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研制 了w h z - 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，并且其所需经费要比制造厂节省一半以上。近年来对 异形截面环件的实验研究有了很大的发展。研究了l d l 0 铝合金内台阶锥形环件 * l n 变形规律。提出了一种新的台阶截面环件的毛坯设计方法，阐述了台阶截 面环件的c l n 设计方案。针对外台阶截面环件在d 5 1 1 6 0 a 立式轧环机上轧制的 实际过程，结合现实生产中的实际情况，建立了外台阶截面环件* l n 过程中的 咬入条件、锻透条件以及刚度条件，并分别分析了工艺参数和几何尺寸对轧制 成形结果的影响规律【l 引。 1 2 导向辊概述 1 2 i 导向辊的分类 环件* l n 是连续的局部变形过程，在* l n 过程中环件只与驱动辊和芯辊局 部接触。接触区域并非是对称的，这使得环件两边摆动，这样就必须引入导向 辊，使之与环件接触，防止环件的摆动。在实际的轧制过程中，导向辊是由液 压调整装置控制的。导向辊按照数目可以分为单导向辊和双导向辊，按照运动 武汉理工大学硕士学位论文 方式可以分为固定导向辊和随动导向辊。 ( 1 ) 单导向辊和双导向辊 单导向辊类的导向机构分为油缸、转臂两部分，油缸通过上吊耳安装于机 架，转臂安装于辗压轮轴上，转臂右端通过支架带动导向辊绕驱动辊轴线旋转。 转臂左端与油缸通过吊轴联接。当在轧制的开始阶段，换向阀在前进位上油 缸活塞向下，导向辊向上，接触待轧制的环件；在轧制中间过程中，换向阀中 位工作，油缸处于差动状态工件推动导向辊，即油缸活塞被动向上移动：当 轧制接近完成时，换向阀后退位工作，括塞主动向上，即导向辊主动退让。单 导向辊环件轧制原理如图1 - 2 所示。 图1 3 双导向辊环件轧制原理图 在双导向辊类的导向机构中，导向辊的臂可绕一固定铰链旋转，在臂的另 武汉理工大学硕士学位论文 一端是导向辊，它因为与环件摩擦而发生自转。环件扩大时，推动导向辊的臂 向外转动，而液压缸通过液压的作用阻止这种运动，在它们的共同作用下，导 向辊的臂绕固定铰链旋转，并始终与环件接触，并对环件施加合适的力，以保 证轧制过程的稳定和环件的圆度误差。每当环件要发生摆动时，环件和导向辊 之间的压力就会相应的增加，最终阻止环件的摆动。这样，在环件的长大过程 中，液压装置合理的调整了导向辊的位置【1 4 】。其工作原理如图1 3 所示。 ( 2 ) 固定导向辊和随动导向辊 导向辊按导向辊的运动情况可分为固定导向辊和随动导向辊两类。最初的 导向辊结构为固定式，即导向辊回转中心位置固定不动，导向辊只在轧制后期 起作用。随着轧制技术的发展及对导向辊研究的深入，已研制出多种结构的导 向辊，除固定导向辊外，还有随动导向辊，而随动导向辊根据其导向辊摆臂位 置又可分为摆臂内置式与摆臂外置式。 固定导向辊在导向辊座下部装有一斜铁，调节其左右位置便可调节导向辊 的高低。在轧制开始时，工件和导向辊并不接触，随着轧制过程的进行，环件 壁厚变薄，直径长大，开始与导向辊接触，此时导向辊对环件施加一斜向上的 整圆力，在该机构上，导向辊下部的斜铁还能绕导向辊座轴线摆动，以改变轧 制时的金属流动方向，调整工件锥度。 随动导向辊的两种形式区分主要在于导向辊摆臂的位置，外置式导向辊座 摆动支承点在主轴座外侧，内置式导向辊座摆动支承点在主轴座内侧。随动式 的特点为导向辊为摆动式，其回转中心与主轴同心，在导向辊座后侧有一液压 缸提供压力。在轧制开始时，油缸推动导向辊座，使导向辊向上摆动至导向辊 上位，贴紧工件，随着轧制过程的进行，环件壁厚变薄，直径变大，导向辊开 始在环件变大抗力的作用下后退，当轧制进给到末工进始点时，导向辊主动后 退至下位顶杆，工件继续变大至设定尺寸。导向辊能绕辊座下部回转中心微量 转动，用以调整工件锥度。 固定式导向辊虽能在一定程度上改善环件的圆度误差，但由于导向辊固定 不变，在轧制开始时导向辊与环件并不接触，轧制过程中环件易出现振动，测 量出现误差，甚至导致轧制过程不能预期进行；特别是当对锻件直接轧制时， 振动更明显，芯辊易折断。外置式随动导向辊优点为不改变主轴支承结构，主 轴支承跨距小，主轴刚性好。同时导向力大部分作用在床身上，小部分作用在 轴承座上，主轴不承受导向力，有利于减小主轴轧制时的弯曲变形，提高主轴 武汉理工大学硕士学位论文 回转精度，其缺点是导向辊对回转支承点力矩较大。实践证明，无论对车坯或 锻坯，该导向辊均有较好的整圆调锥效果，轧制时工件圆度误差、锥度十分稳 定，使用效果较佳。内置式随动导向辊优点为导向辊对回转支承点力矩较小， 缺点是拉大了主轴支承跨距，主轴受力点不在两支承中心。同时导向辊摆臂装 在主轴上，导向力直接作用在主轴上，不利于减少主轴变形。但实际效果接近 于外置式u 5 1 。 尽管导向机构结构不尽相同。但它们具有以下相同点：其一，导向辊的运 动形式相同，一方面它绕某一固定点做公转运动，另一方面绕自身圆心做自转 运动；其二，导向辊的受力形式相同，它们产生公转，是环件长大过程中产生 的压力和液压缸产生压力的综合效果，它们产生自转，是环件和导向辊之间摩 擦力的效果；其三，导向辊和环件的接触形式相同，理论上讲，导向辊和环件 的接触形式是线接触，考虑到挤压变形，其形式是很窄的面接触。对导向辊和 环件进行网格划分，可以发现，接触的网格是不断变化的。由于这种不稳定的 接触形式，以及轧制过程中的震动，环件和导向辊的精度等因素，环件与导向 辊之间很可能产生碰撞，这种碰撞加剧了轧制过程的不稳定性。但导向辊的运 动也受到液压缸压力的影响，它起到动态补偿的作用，对于减小导向辊受力的 波动，稳定导向辊的运动，稳定整个轧制过程都起到了作用。但对于这一压力 的具体作用规律尚无明确的论述。 1 2 2 导向辊的作用 尽管导向辊形式多样，但各类导向辊大多具有以下作用。 ( 1 ) 在初轧阶段，由于环件毛坯多在自由锻锤上制出，毛坯的内外圆很不规 则，会产生剧烈的跳动和偏摆，为保证轧制过程的稳定性，施加一定的导向辊 约束力使环件中心保持在驱动辊和芯辊中心的连线上，这样可以减少产生的跳 动或偏移，保证了轧制过程的顺利进行。 ( 2 ) 进入稳定轧制后，环件径向轧制变形区不对称于驱动辊与芯辊的中心 线，导向辊将平衡由于非对称轧制引起的偏移力，并矫正各种因素引起的环件 外径的不圆。 ( 3 ) 在轧制后期，导向辊对环件起到整圆作用，并改善粗糙度。另外，导向 辊在使测量稳定可靠，延长模具及机床主轴轴承寿命，调节工件锥度等方面也 武汉理工大学硕士学位论文 起到一定作用16 1 。 1 2 3 导向辊的研究现状 近年来，关于环件轧制的研究不断深入，主要包括环件轧制所需合适的进 给速度和力 1 7 - 2 1 】，异形截面环件和大型环件在环件轧制中的变化规律阱- 2 6 ，环 件轧制机液压系统，伺服系统，控制系统的研究 2 7 - 3 1 】，导向辊的研究 3 2 - 3 5 等。 导向辊的研究主要包括以下四个方面。 ( 1 ) 力学研究。主要是通过对轧环机导向辊系统几何模型的建立，推导了环 件加工中导向力的计算方法以及导向辊系统各个构件的受力情况，导向辊油缸 推力的计算公式。在正常情况下，导向辊的力是很小的，不能克服开始阶段环 件的剧烈摆动，在工业上，导向辊在开始阶段一般设计一个较大的值。在轧制 后期，随着环件壁厚的减小和直径的增大，其刚度逐渐降低，芯辊不再对环件 施加压力，导向力也可相应减小【3 6 - 3 8 。 ( 2 ) 运动规律的研究。主要是导出了矩形截面环件和沟球截面环件冷轧时的 直径增长规律的解析公式，该直径增长公式可以用于预测环件的直径。导出了 矩形截面环件和沟球截面环件轧制时的导向辊圆心旋转的角速度和角加速度的 解析公式，对于具体的例子还得出了曲线。在进给速度一定时，减小导向辊半 径可以使导向辊圆心的旋转角加速度的绝对值降低，从而减小了导向辊对环件 的冲击，有利于轧制平稳进行【3 9 1 。 另外对环件轧制数值模拟中导向辊的定位也有相关研究，建立了数学模型， 得到了导向辊运动方向和运动速度的计算公式 4 0 - 4 2 。 ( 3 ) 导向辊的数值模拟研究。认为加载了导向辊的数值模拟，不仅精度可以 达到更高的水平，在数值模拟速度方面也有很大的提高。通过对夹角取值的优 化，速度还可以进一步提高。在环件轧制的研究中，对于轧制过程中导向辊的 数值模拟和研究还没有进行深入的探索，这是因为导向辊的模型太过复杂。接 触表面的生成，导向辊接触区域网格密度的增加，导向辊位置和力的不确定等 诸多因素，使得导向辊模型过于复杂。另外，出现了一种新的简单的程序，它 能够精确的数值模拟导向辊的作用。这种方法并没有引入非线性模型，最大的 减少了计算时间，可以和拉格朗日公式一起使用。这种新方法的结果表明，导 向辊确实对轧制过程中的参数起到了明显作用，实现了数值模拟数据与实验数 武汉理工大学硕士学位论文 据高度吻合。他们对基本的杠杆方法提出了修正，证实了辐轮方法的效率，可 以用经典的分析方法计算导向辊的力【4 3 删。 ( 4 ) 导向辊的控制。主要是建立了随动约束力和随动位置的数学模型，它们 是轧制力和环件瞬时半径两个变量的函数，检测这两个变量，就可以对随动约 束力和随动位置进行控a f j t 4 5 1 。 但是这些研究还存在以下问题，在研究导向辊对环件轧制的影响时，没有 通过精确的试验进行充分的认证。在环件尺寸精度的研究中，主要集中在宽展 方面晰】，它是环件端面平整情况的指标。环件圆度误差是评价环件尺寸精度的 另一重要指标，它是指在回转体同一横截面内，被测实际圆对理想圆的变动量。 而目前，国内外还没有出现环件轧制圆度误差方面的深入研究。另外，圆度误 差的简易测量方法在工程实际中被广泛采用。 1 3 课题的来源和意义 课题源于国家自然基金项目。其意义在于发现环件轧制中导向辊对环件圆 度误差的影响，并为精确数值模拟提供实验方面的数据依据，进而提高环件的 轧制质量。 1 4 本文研究的主要内容 ( 1 ) 从理论上推导环件轧制时导向力需要满足的条件和得到较小环件圆度 误差所需的导向力。 ( 2 ) 对轧制过程进行数值模拟，不断的改变导向力和导向辊方向，比较环件 的圆度误差，发现环件在轧制过程中的圆度误差变化规律和导向力对环件圆度 误差的影响。 ( 3 ) 进行两组环件轧制实验。a 组实验，固定导向力，改变轧制时间，以发 现环件在轧制过程中的圆度变化规律。b 组实验，固定g l n 时间，改变导向力， 以发现导向力对环件圆度误差的影响。测量两组实验的环件圆度误差，证实环 件在轧制过程中的圆度误差变化规律和导向力对环件圆度误差的影响。 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章环件轧制相关理论 2 1 金属塑性变形理论 在外力作用下使金属材料发生塑性变形而不破坏其完整性的能力称为塑 性，利用其塑性而使其成形并获得一定力学性能的加工方法称为塑性成形。与 其他加工方法相比，金属塑性成形有组织性能好，材料利用率高，尺寸精度高， 生产效率高，适于大批量生产等优点。 按照成形的特点，一般将塑性成形分为块料成形和板料成形两大类。轧制 是块料成形的一种，是将金属通过两个旋转轧辊间的特定空间使其产生塑性变 形，以获得一定截面形状材料的塑性成形方法。 2 1 。1 本构关系 在外力作用下，物体内各质点之间就会产生相互作用力，叫做内力。单位 面积上的内力称为应力。单元体在相互垂直的微分面上共有九个应力分量，写 成矩阵的形式为 f 吒勺欠 i q 靠i 【- 乞勺吒j 单元体棱长的伸长或缩短称为线变形，单位长度上的线变形称为线应变。 单元体在相互垂直的微分面上共有九个应变分量，写成矩阵的形式为 i 乞岛i l 勺i l 如乞j 塑性变形时应力与应变之间的关系叫做本够关系。按照列维一米塞斯增量 理论可知 武汉理工大学硕士学位论文 峥警卜三( q + 吒) 盯l z 。 l 妒钟j 一三( 叹训 峥钟一三( 吒+ q ) ， 3d e d 。互i 勺 ， 3d e d 2 j i 3d e d 如2 三i ( 2 1 ) 式中 痞孚厄i 虿习可i 鬲丽丽 ( 2 - 2 ) 否= 万1 厄习瓦习可i 鬲再历 ( 2 - 3 ， 2 1 2 屈服准则 在一定的变形条件下，只有当各应力分量间符合一定关系时，质点才开始 进入塑性状态，这种关系称为屈服准则。对于均质，各项同性，理想刚塑性材 料其屈服准则主要有屈雷斯加屈服准则和米塞斯屈服准则。屈雷斯加屈服准则 可以表述为：当受力物体中的最大切应力到达某一定值时，该物体就发生屈服， 即 f ：旦 衄1 2 ( 2 4 ) 式中：q 一材料的屈服极限。 米塞斯屈服准则可以表述为：在一定的变形条件下，当受力物体内一点的 应力偏张量的第二不变量达到某一定值时，该点就开始进入塑性状态m 7 1 ，即 ( 吒一q ) 2 + ( q 一呸) 2 + ( 巴一巴) 2 + 6 ( 砖+ + ) = 2 ( 2 - 5 ) 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 恒定导向力环件轧制条件 环件轧制中存在并经常发生环件在孔型中不转动，环件在孔型中转动但直 径不扩大，环件被压扁，环件在轧制过程中偏离中心等现象。任一现象的出现 都会破坏环件轧制的稳定性，甚至导致环件轧制过程无法进行，产生轧制废次 品。因此环件轧制必须满足一定的参数条件。 环件轧制需满足轧环机力能条件，即 v 屹 ，c m 肘。 w 形 ( 2 6 ) 式中：v ，m ，w 一环件轧制的轧制速度、轧制力、轧制力矩、轧制 功率； 心，c ，肘。，彬一轧环机所能提供的最大轧制速度、最大轧制力、 最大轧制力矩、最大轧制功率。 在环件轧制满足轧环机力能条件的前提下，环件的轧制速度应该满足 v三(2-7) v j 式中：，v 雌一最小和最大的轧制速度1 1 。 为保证环件不被导向辊压扁，导向力应该满足 尸 ( 2 - 8 ) 式中：p 一导向力； 一最大导向力。 2 2 1 轧制直线进给速度 环件轧制中不转动现象，是指环件与芯辊一起处于静止状态，驱动辊相对 于环件做相对转动，环件无法产生轧制变形，轧制过程中断。其本质原因是环 件轧制咬入条件得不到满足，即环件轧制实际每转进给量超过了咬入条件所允 许的最大每转进给量，环件因不能咬入孔型而不转动，要消除环件轧制中的不 转动现象，也就是环件连续咬入孔型，必须满足环件轧制咬入条件，即 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 丛虬= 器睁i 1 专爿 浯9 ， 式中：幽一环件轧制每转进给量； l 眦一环件咬入孔型允许的每转最大进给量； 一环件与轧辊之间的摩擦角； 羁一驱动辊半径； r 一芯辊半径； 天一环件外圆半径； ，一环件内圆半径。 将直线进给速度v ：n r i , z 协一 ( 2 1 0 ) 代入式( 2 9 ) ，得 v v 蛳= 器( 击+ 去+ 去一号 c 2 - ， 式中： 一驱动辊转速。 环件轧制中转动但直径不扩大的现象，是指环件虽然能连续咬入孔型产生 轧制转动，但并没有产生整体直径扩大的塑性变形，即使长时间轧制也不能获 得所要求的轧制环件。环件直径不扩大是因为塑性变形区没有穿透环件径向壁 厚，即环件的外圆和内圆塑性区的心部仍为刚性区，因而不产生周向伸长和直 径扩大的塑性变形。其本质原因是咬入条件得到满足但锻透条件没得到满足。 要消除环件轧制中转动但直径不扩大的现象，必须满足锻透条件【l 】，即 幽叱= 6 5 5 x 1 0 - 3 ( 尺一r ) 2 【去+ 夏1 + i 1 一号j ( 2 j 2 ) 将式( 2 一l o ) 入式( 2 1 2 ) ，得 y 。= 皇兰堕兰三掣( 击+ j l i + 去一吾) ( 2 一3 ) 2 2 2 导向力 环件轧制塑性变形区位于辊缝中的狭小区域，而整体环件仍保持圆环形状。 环件在导向力作用下产生塑性失稳而压扁，相当于辊缝处为固定支撑的圆环曲 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 梁在导向力下产生塑性弯曲变形。于是提出环件在导向力作用下产生塑性失稳 力学模型1 1 ，如图2 1 所示。 图2 1 环件失稳模型 由图2 1 可知，环件所受最大弯矩位于固定支撑处，即位于轧制变形区出口 处，其值为 m p = p r = s i n o ( 2 - 1 4 ) 式中：兄- 环件中径，r = 去( 尺+ 厂) ； ( 2 - 1 5 ) 乡一导向辊运动方向与中心线夹角。 根据梁弯曲理论，环件轧制过程中不产生塑性失稳的刚度条件为 等h(2-16) w：攀(2-17) 式中：w 一抗弯截面模量； b 一环件高度； 日一环件壁厚。 将式( 2 1 4 ) 、( 2 1 7 ) 代入式( 2 16 ) ，得 p 丝m(2-18) 6 r 根据轧制os 前i n 后0 环件体积不变 1 5 ( 2 1 9 ) 武汉理工大学硕士学位论文 所以兄= 警 ( 2 - 2 。) 将式( 2 2 0 ) 代入( 2 18 ) 得 p 一熟_ ( 2 - 2 1 ) 1 3 s i n 0 ( r ；一# ) 设= 意 陆2 2 ， 由上式可以看出p 眦是日的增函数。随着轧制过程的进行，环件壁厚h 逐 渐减小，尸眦随之减小，环件轧制结束时，日取得最小值，令日= h 。考虑到轧 制过程中，导向辊的角度变化很小，假设矽= e o ，e o 为导向辊的初始角度。导向 力应小于最大导向力，即 火2 高 亿2 3 ， 图2 - 2 环件受力分析图 1 + 堕 平衡导向力晶：互毒2r2 s i n 0 1 6 ( 2 2 4 ) 武汉理工大学硕士学位论文 式中：l 一接触弧长，l = 由图2 3 可知 图2 3 导向辊夹角关系图 c o s 伊= ( 墨堕! 垦丛二g ： 2 ( r + r ) ( 尺+ ，i ) s i n 乡= 4 1 一c o s 2 口 式中：，；一导向辊半径； c 一驱动辊与导向辊圆心距。 环件每转迸给量 7 l ：堕 n r ! 所以忍= 只 1 + 里 墨 2 rs i n 秒 2 堕 蝎 11 11 + + + c o s 0 一1 7 ( 2 2 5 ) ( 2 2 6 ) ( 2 2 7 ) ( 2 - 2 8 ) ( 2 - 2 9 ) 武汉理工大学硕士学位论文 驱动辊转速n ，驱动辊半径足，芯辊半径足为定值，当进给速度v 一定时， 平衡导向力只是环件内外半径r ， 尺和导向辊角度目的函数。而，r ，秒都可 以由已知量和时间唯一确定，因此平衡导向力只是时间t 的函数，记为昂( f ) 。若 将轧制过程中p o ( t ) 的最大值记为昂( f ) 蛳， 将轧制过程中p o ( t ) 的最小值记为 昂( f ) 血n ，则 e o ( t ) m i 。p o ( t ) 昂o ) m “ ( 2 - 3 0 ) 随着轧制过程的进行，所需导向力b 不断变化。所以定导向力轧制环件时， 必然出现偏心现象。合适的导向力，可以使环件轧制过程中的偏心情况降到最 小，最大限度的提高环件轧制的质量。 2 3 动力显式算法的特点 在弹塑性有限元法中，其求解非线性微分方程方法可以分为两类：静力隐 式算法和动力显式算法。静力隐式算法的特征是迭代计算，因而在收敛性和计 算精度方面有较好的优势，但计算时间长以及效率不高是它的明显不足；动力 显式算法的特征是递推计算，对于规模大的计算模型，它在计算时间和效率方 面具有明显优势，但该算法关于时间步长是条件收敛的，这可以通过一些方法 来进行调整和克服。 由于两种方法各有优、缺点，所以在实际应用中，采用何种算法，必须根 据问题的性质和要求来确定。显式算法是基于时间的中心差分格式，使有限元 离散方程的计算显式化，从而没有了整体切线刚度矩阵，而这是隐式算法所需 要的，同时，在计算时不需要迭代和收敛准