（材料加工工程专业论文）轴向进给轧制力能参数计算与检测.pdf

摘要轴向进给轧制力能参数计算与检测摘要本文工作的主要目的是根据受力面积与平均单位接触压力之积得到受力均值( p - f p ) ，得出轴向进给轧制轧制力和力矩的理论值计算公式，并进行轧制测试试验，对理论计算公式的正确性进行验证。分析轧轮和轧件的接触面状况，对轧轮和轧件进行数学描述，得出接触面和接触面各边界线的参数方程并进行了计算求解，得出接触面积计算表达式。对试验中轧件的隆起情况进行统计分析，得出轧件隆起高度的数学表达式，并与理想状态下接触面积表达式相综合，得出一般轧制的等效接触面积计算公式。根据4 5 # 钢变形抗力模型，结合单位接触压力有关研究成果，针对轴向进给轧制这种特定情况，求得轧制变形程度和应变速度的数学表达式，得出轴向进给轧制4 5 # 钢的变形抗力，得到轴向进给轧制单位接触压力计算公式。接触面积与单位接触压力之积得到主要部分轧制力。此外，轧制力还包括轧件精整和校正部分受力，本文将其简化为弹性回复力。根据弹颦性力学关于两个平行圆轴的接触问题的有关计算公式，得到轴向进给轧制弹性回复力的计算公式。根据轧制条件的几何关系和受力分析，将轧制力及其摩擦力进行分解，得到径向、轴向和切向各轧制力计算公式；切向摩擦力与轧轮直径之积得到轧制力矩计算公式。以理论计算得出的结果作指导，设计和制作了各传感器并安装调试，进行轧制测试试验，利用动态应变仪等仪器和数据采集卡对轧制过程进行了测试和记录。对记录的数据进行分析和处理，得到了轧制力及力矩的实测值。将实测值与相应条件下的理论值作了比较，在1 1 0 次测试试验中获得3 1 3 个数据，误差在i 一2 0 ，2 0 ) 以内者占8 3 7 ，超出i 一3 0 ，3 0 ) 者只占6 ；并将部分理论值与相应的数值模拟结果进行了比较和分析，两者曲线比较接近，从实测和数值模拟两方面证明了利用本文公式进行工程计算是可行呵靠的。各工艺参数对接触面积、轧制力和力矩的影响进行了理论分析和试验研究，取得的一些结论对机床设计和轧制工艺设计具有参考价值。本文完成了轴向进给轧制基础理论研究的部分工作，揭示了各轧制工艺参数与轧制力和力知的内在联系，加深了对轴向进给轧制这一新迫性成形方法变形过程和变形规律的理解和认识，为设计和改进轴向进给轧制轧机、轧轮和轧制工艺提供了指导。关键词：轴向迸给轧制单位接触压力接触面轧制力传感器a b g 丌认c tc a l c u l a t i o na n dt e s to ff o r c ep a r a m e t e ro fa x i a lf e e db a rr o l l i n ga b s t r a c tt h em a i np u r p o s e so f t h i sd i s s e r t a t i o na r et og e tt h ef o r m u l a sc a l c u l a t i n gt h er o l l i n gf o r c e sa n dr o l l i n gt o r q u e sb a s e do nt h ef o r m u l at h a tt h ep r o d u c to fi n t e r f a c ea r e aa n da v e r a g eu n i tp r e s s u r ei sa v e r a g ef o r c e ( f p p ) ，f u r t h e r m o r ev a l i d a t et h ee x a c t i t u d ea n dr e l i a b i l i t yo ff o r m u l a sb yt a k i n gs o m er o l l i n gt e s t s t h ed i s s e r t a t i o ns u p p o s e dt h a tw o r k p i e c e sw e r ed e f o r m e du n d e rp e r f e c tc o n d i t i o n st h a tt h e yw e r en op i l e u po nw o r k p i e c e ，m a d eam a t h e m a t i c a la n a l y s i so ft h ei n t e r f a c e sb e t w e e nr o l l e r sa n dw o r k p i e c e ，p r e s e n t e dt h ee q u a t i o n so fi n t e r f a c e sa n de q u a t i o n so ft h e i rb o u n d a r y1i n e sa n dg o tt h es o l u t i o n so ft h e s ee q u a t i o n si naw a yo fe x p r e s s i o n s t h e nt h ed i s s e r t a t i o nt o o kas t a t i s t i co ft h eh e i g h to f m a t e r i a lp i l e u po fw o r k p i e c e s af o r m u l ar e l a t i n gt ot h eh e i g h to fm a t e r i a lp il e u pw a sg o t f o r m u l a st h a tw e r eg o tu n d e rp e r f e c tc o n d i t i o n si n t e g r a t e dw i t ht h ef o r m u l ao ft h eh e i g h to fm a t e r i a lp i l e u p ，f o r m u l a st oc a l c u l a t et h ea r e a so fi n t e r f a c e sa tu s u a ld e f o r m i n gw e r ee d u c e d t h ed is s e r t a ti o ng o tf o r m u l ao fs t r a i na n daf o r m u l ao fs t r a i nr a ti oo fa x i a lf e e db a rr o l li n g u s e dac o m m o nf o r m u l ao fy i e l ds t r e s so fs t e e l4 5a n du s e dr e l a t e dr e s u l t so fu n i tp r e s s u r e s ，u n i tp r e s s u r e so fa x i a lf e e db a rr o lli n gw e r eg o t t h ep r o d u c t so fa r e a so fi n t e r f a c e sa n du n itp r e s s u r e sa r em a i nr o l1i n gf o r c e s r e l l i n gf o r c e sa l s oi n c l u d et h ef o r c et h a ti su s e dt of i n i s ht h ew o r k p i e c e h e r er e g a r d e di ta se l a s t i cr e c o v e rf o r c e a c c o r d i n gt ot h er e l a t e df o r m u l a so fm e c h a n i c so fe l a s t i c i t ya n dp l a s t i c i t yo nc a l c u l a t i n gt h ef o r c eo ft w op a r a l l e lc o n t a c t i n gs h a f t s ，f o r m u l ao fr e c o v e rf o r c eo fa b s t r a c ta x i a lf e e db a rr o l l i n gw a sg o t i na c c o r d a n c ew i t hg e o m e t r i cr e l a t i o n s h i p sa n df o r c ea n a l y s i s ，r o l l i n gf o r c e sa n dt h e i rf r i c t i o n sw e r ea n a l y z e di n t or a d i a lf o r c e 、a x i a lf o r c ea n dt a n g e n ti a lf o r c e t h ep r o d u c to ft a n g e n t i a lf r i a t i o n sa n dd i a m e t e ro fr o l l e ri sr o l l i n gt o r q u e t h e nf o r m u l a s o fr o l1i n gf o r c e sa n dr o lli n gt o r q u ew e r eg o t g u i d e db yt h er e s u l to fc a l c u l a t i o n ，s e n s o r sw e r ed e s i g n e d ，m a d ei n s t a l l e da n da d j u s t e d i n s t r u m e n t sw e r eu s e dt om e a s u r ea n dr e c o r dt h ed a t a w h e nr o l l i n gt e s t sw e r ep r o c e e d i n g t h ed a t aw e r ea n a l y z e da n dp r o c e s s e d ，t h et e s t i n gv a l u e so fr o l l i n gf o r c e sa n dt o r q u e sw e r eg o t t e s t i n gv a l u e sw e r ec o n t r a s t e dw i t hv a l u e sg o tf r o mc a l c u l a t i o n f r o mt h e3 1 3v a l u e so f11 0ti m e st e s t t h e r ea r e8 3 7 v a l u e sw h o s ee r r o r sb e l o n gt o ( 一2 0 ，2 0 ) a n d6 v a l u e sw h o s ee r r o r se x c e e d ( 一3 0 3 0 ) m o r e o v e r ，t e s t i n gv a l u e sp a r t l yc o m p a r e dw i t ht h a to fn u m e r i c a ls i m u l a t i o n t h ed i f f e r e n c e sb e t w e e nt h ev a l u e sg o tf r o md i f f e r e n tm e a n sa r es m a l l p r o v e db yt e s t i n ga n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，t h ef o r m u l a sc a l c u l a t i n gr o l l i n gf o r c e sa n dt o r q u ei np r a c t i c eu s ea r ef e a s i b l ea n dc r e d i b l e e a c hp r o c e s sp a r a m e t e rh a si n f l u e n c eo nt h ea r e a so fi n t e r f a c e sa n dr o l l i n gf o r c e sa n dt o r q u e s i n f l u e n c e sw e r ea n a l y z e da n ds t u d i e d t h ec o n c l u s i o n sh a v er e f e r e n c i n gv a l u e sf o rd e s i g n i n gm a c h i n ea n di m p r o v i n gp r o c e s s t h ed i s s e r t a t i o na c c o m p l i s h e dp a r to ff o u n d a t i o nt h e o r ys t u d i e so na x i a lf e e db a rr o l l i n g ，d e m o n s t r a t e dt h ei n h e r e n tr e l a t i o n s h i p sb e t w e e nr o l l i n gp a r a m e t e r sa n dr o l l i n gf o r c e sa n dr o l l i n gt o r q u e s ，d e e p e n e dt h ec o m p r e h e n s i o no fp r o c e s sa n dm a t e r i a lf l o w i n gl a w s ，o f f e r e di n s t r u c t i o n st od e s i g na n di m p r o v em a c h i n e 、r o l l e ra n dp r o c e s so fa x i a lf e e db a rr o l l i n g k e gw o r d ：a x i a lf e e db a rr o l l i n gi n t e r f a c er o l l i n gf o r c eu n itp r e s s u r es e n s o ri l l符号清单符号清单k 一轧轮径向进给速度6k 一轴向拉伸速度6一轧件半径6，o 一坯料半径“6r 一轧轮半径6b 一轮宽6。r 一轧轮角速度6m ；一轧件角速度6e 一轧件与轧轮柱面接触面7只一轧件与轧轮锥面接触面7只一后轧轮锥面轧制所成轧件螺旋面面7只一坯料柱面7只一轧件柱面7兄一前轧轮锥面轧制所成轧件螺旋面7l 一坯料柱面只与后轧轮轧制所成螺旋面e 的交线7l ，一轧轮柱面与后轧轮轧制所成螺旋面e 的交线7l ：一轧轮锥面与后轧轮轧制所成螺旋面，3 的交线7厶一前轧轮锥面与坯料柱面的交线7厶一轧轮锥面与柱面的交线在轧件上压印线7g 一与l 的交点7h 一五与水平面的交点7，一，与水平面的交点7 f 一，与后轧轮轧制所成螺旋面只的交点7一，与后轧轮轧制所成螺旋面忍的交点7d 一坐标系原点7s 一半螺距即轧件旋转一周轴向拉伸的一半长度74 一轧件曲面只o 一1 2 3 ，4 ，5 6 ) 上的某一点7口一轧轮成形角。7r 。一轧轮锥面上点到轧轮轴心距离“1 6f 一圆锥弧面h i m n 在j 轴向的投影面积1 7彤一圆锥弧面h i m n 在z 轴向的投影面积1 7只一圆弧面接触面积g h n 的面积1 7y ) 一曲线工。的y 轴参数方程1 7y ，如) 一曲线l 。的y 轴参数方程1 7符号清单r t l 一轧轮半径与轧件半径之和与轧轮半径之比1 7f 一圆弧面g h n 的石轴向投影面积1 8砰一圆弧面g h n 的z 轴向投影面积1 8抚，b ，一力作用面宽度1 9p 。，p ：- $ l 件接各触面上的单位接触压力1 9x 一某一点n $ l 件轴心的距离1 9仃一某一点的应力1 9毋一某点滑移线切线的夹角1 9七一材料特征值的开平方即纯剪屈服应力。1 9r 一常数。1 9妒一滑移线某点的切线与某线问的夹角1 9o - ，o r 口，盯c a ，口，c 各点的应力1 9口。一滑移线上彳，曰两点切线问的夹角一1 9a 一滑移线上口，c 两点切线日j 的夹角。1 9以一变形抗力2 lr 一相对温度2 lt 一轧制温度( ) - 2 1f 一变形程度2 1i 一变形速度2 1一基准屈服应力( m p a ) 2 la l a 6 系数2 1乇一坯料原长2 21 1 - $ l 件长2 2址一坯料轧成轧件伸长量2 2k 一某点由，o 轧至，轴向拉伸的距离2 2t 时一时间2 2，一变频器频率2 2一摩擦系数2 4只一作用于接触面e 上的压力。2 5只一作用于接触面只上的压力2 5v l 符号清单彳、簟一只在x 轴向和y 轴向的分量2 5y 一曲面e 上某点轴向速度与切向速度的夹角2 5瓦一曲面上的摩擦力2 5瓦。、吖、砰一瓦的各轴向分量2 5巧、巧、彳一瓦的各轴向分量2 5卢一曲面f 2 上某点轴向速度与切向速度的夹角2 5a 一拉伸丝杠螺距2 6r 一电机带轮与减速器带轮直径之比2 6一一传动比。2 6一一拉伸电机额定转速2 6一曲面e 上某点的切向速度2 6一轧制电机额定转速2 6r 。一无滑动点轧轮半径2 6k 一无滑动点轧件半径。2 6巧、彤、巧，一只在各轴向的分量2 6q 一一两平行弹性圆轴的最大接触压应力2 7p 。一两圆线接触单位压力2 7r 。，r ：一两接触圆轴半径。2 7，e ：一对应圆轴材料弹性模鼍2 7。，：一对应圆轴材料的泊松比2 7p o - $ l 件与轧轮问的弹性回复力2 7譬、彳一晶的y 、z 轴向摩擦力2 8名、0 、芝一各轴向合力2 8肘，一接触面e 上的摩擦力距2 8 f ：一接触面疋上的摩擦力距2 8m 。回复力的的摩擦力距2 9z 1 一面鼻形心的。轴向值2 9肘。一只作用在轧件上的力矩一2 9z 2 一面最形心的z 轴向值2 9肼p 2 一只作用在轧件上的力矩2 9i x符号清单尺机一电机的皮带轮半径3 0r 机一电机的皮带轮半径3 0k 一无滑动点轧轮和轧件线速度吆”3 0鸭一拉伸系统丝杠角速度3 l口一轴向进给率0 lv 。一坯料轴向进给速度即本文中的略3 0”一轧轮切向线速度3 l疋，一接触面e 轴向面积翻d 绘图测量值3 6e ，一f 2 ，与f 2 ，的相对误差“3 6s 一轴向拉伸偏移最3 6d 。一坯料直径3 7d ，一轧件直径3 7d 一轧件隆起直径3 7a r 一隆起半径。3 8，一考虑隆起坯料当量半径3 8r 。一电阻片金属丝电阻值3 9a r 一受力后电阻值与原值之差3 9j r ( 0 一电阻片金属丝材料灵敏系数3 98 一电阻片金属缝纵向应变3 9吼，盯2 一材料屈服应力- 3 9毛，岛一材料应变3 9f 一一圆截面上最大剪应力3 9e 一材料弹性模量3 9一受力件的受力值3 9a 面一受力件的受力面积3 9】l f 、m f 一扭矩4 0a 一丝杠受拉在采集卡中记录下电压值。4 l邑一丝杠受拉输出系数( 矿) 4 2b 一柱形传感器受压采集卡中记录下电压值4 2c 一柱形传感器输出系数( n v ) 。4 2x符号清单p 一小号圆筒形传感器受到的拉压力4 9以一小号圆筒形传感器截面积4 9岛一小号简形传感器输出理论应变值4 9宇。一轧轮心轴扭矩输出系数( y ) 。5 0毛一柱形传感器输出系数( m ”) 5 2t ，t 1 ，a t 2 一轧件下降温度5 3只一轴向拉力。7 2以一材料强度极限7 2仃n 一结构钢拉伸疲劳极限7 3；一疲劳系数7 3r 一断面缩减率( ) 7 4x i插图清单插图清单图2 1 轴向进给段运动原理图6图2 。2 三维模拟图和接触面示意图7图2 3 坐标系和各参数标注示意图8图2 4 曲面h i m n 及y 轴向视图和参数标注示意图1 4图2 5 滑移线场1 9图2 6 棒料与轧件尺寸示意图”2 2图2 7 应变速度对4 5 # 钢真实应力的影响2 3图2 8 钢的含c 量和温度对摩擦系数的影响2 4图2 9 接触面压力分解示意图”2 5图2 1 0 曲面e 和只上摩擦力分解示意图2 5图2 1 1 轧轮压制面“3 2图2 1 2 轧件局部隆起3 7图2 1 3 大轧轮成形角口轧件局部隆起向外翻卷”3 8图3 1 仪器连接示意图4 0图3 2 径向力b 测量贴片位置及方法图4 1图3 3 柱形传感器与径向丝杠受力输出比值标定方法图4 2图3 4 轴向拉力r 测量方法图4 2图3 5 扭矩吖测量贴片位置及方法图4 3图3 6 柱形传感器尺寸图“4 3图3 7 大号圆筒形传感器尺寸图4 4图3 8 小号圆筒形传感器尺寸图”4 4图3 9 柱形传感器的安装图”4 5图3 1 0 滑环和电阻片的粘贴示意图4 5图3 1 1 负荷为4 9 1 t o n 时采集卡记录的柱形传感器输出电压曲线。4 6图3 1 2 柱形传感器杯定曲线，4 7图3 1 3 丝杠和柱形传感器径向加载采集卡记录的部分电压曲线4 8图3 1 4 负荷为3 3 1 t o n 时采集卡记录的圆筒形传感器输出电压曲线”4 9l插图清单图3 1 5 圆筒形传感器标定曲线5 0图3 1 6 扭矩标定辅助用零部件：节架5 0图3 1 7 轧轮心轴扭矩杯定纯扭矩加卸载示意图5 l图3 1 81 0 7 0 n m 加载纯扭矩轧轮心轴输出曲线图5 l图3 1 9 轧轮心轴扭矩杯定曲线图5 2图3 2 0 测量时轧制的部分轧件5 3图3 2 1 空载状态干扰电压曲线5 4目3 2 2z j 兹加- 3 7 9 5 0 5 h z 。c 椭搬力矩电压鼢5 4目3 - 2 3 三盖小b - 5 2 , 6 f o - 3 7 蛳懒力矩电压慨5 5图4 1f 与s 、，2 y 、f l 、o 。之关系曲线图”6 2图4 2 ，与轧制力各轴向分量及力矩之关系曲线图6 3图4 3 卢与s 、彤、f l 之关系曲线图。6 3图4 4 声与轧制力各轴向分量及力矩之关系曲线图6 3图4 5 与、彤、f 、0 s 之关系曲线图一6 6图4 6 口与轧制力各轴向分量及力矩之关系曲线图6 6图4 7r l 恒定，坯料原始半径，o 与接触面y 轴向面积彤关系曲线图7 0图4 8 恒定，坯料原始半径r 0 与扭矩肘关系曲线图7 0图4 9 ，1 恒定，坯料原始半径r o 与径向力瓦关系曲线图一7 0图4 1 0 恒定，坯料原始半径r o 与轴向力目关系图7 l图4 1 1 坯料，o 恒定，轧件半径，。与 l s r j 力及扭矩曲线图7 2图4 1 2 轧件拉断断面7 2图4 1 3 一定坯料直径条件下轧轮成形角与轧件极限半径曲线图7 4图4 1 4d o - 2 1 6 m 伪，d 1 - 1 4 7 r a m 轧件7 5图4 1 5d o - 3 0 r a m ，d 1 - 1 8 3 m m 轧件”7 5图4 1 6d o 一3 0 r a m ，d ，。2 6 4 r a m 车l 件7 6图4 1 7 ：。：! ：r l 1 1 锄”，4 2 5 0 月j 轧制温度f 与轧制力关系曲线7 7r - 1 0 0 m m 。b - 5 r a m插图清单图4 1 8 温度f 与轧制力及扭矩曲线图7 7图4 1 9 口- 1 5 。，o 。1 5 , r t - 。1 1 9条件下，b 与轧制力及力矩曲线图7 8f = 5 0 h z t - 1 0 0 0 。c 。r - 1 0 0 。图4 2 0 轧件阶段受力输出曲线图7 9图4 2 1 良好的圆弧过渡与否对轧件表面质量影响的轧件7 9图4 2 2 口一3 0 。，f 一1 1 0 0 。c ，b l o m m 时，不同直径缩减率下b 与载荷径向分量的关系曲线8 0图4 2 3 口3 0 。，f - 1 1 0 0 c ，b l o m m 时，不同直径缩减率下b 与载荷轴向分量的关系曲线8 0图4 2 4a - 3 0 。，t - 1 1 0 0 。c ，6 一l o m m 时，直径缩减率不同b 与载荷切向分量的关系曲线8 lx 表格清单表格清单表2 1 某些条件下变形抗力o r 。的计算值2 3表2 2 降起高度统计表一3 7表2 3 考虑隆起因素轧件主要参数举例3 8表3 1 轧机主要技术性能4 0表3 2 柱形传感器液压机加载与采集卡数据记录统计表4 6表3 3 径向加载和卸载丝枉与柱形传感器输出的应变值及比值。4 7表3 4 径向丝杠和大号圆筒形传感器受力输出电压及两者之比值。4 8表3 5 小号圆筒形传感器输出应变值及两者之比值4 9表3 6 扭矩标定数据表5 l表3 7 测试值与计算值的比较5 6表4 一r o1 5 , r - - 1 2 , rf f i1 0 0 条件下r 变化与理论值主要数据6 2a = 1 5 0 f 一1 0 0 0 。c b 一5。表4 2r o 。1 i ，l = 1 7 f f s1 0 0 条件下，口变化与理论值主要数据6 5a = 1 5 。f 一1 0 0 0c ，b - 5表4 3 ：麓 f - - 1 2 , l r 0 0 0 - 罢5 条件下，口变化与理论值主要数据6 7表4 4口1 1 5 。，l 。9 r i l o o 条件下r o 变化与理论值主要数据6 8t 一1 0 0 0 9 c ，b 5表4 5 一定坯料直径条件下轧轮成形角口与轧件极限尺寸7 4表4 6 羔二：芝r ，1r - 1 。1 1 9 0 0 ，6 5 条件下，f 与主要理论值关系数据。7 6独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究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，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得扭撼型堂班窒簋睦或其他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做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。学位论文作：袁极勇签字日期：z 嘶年汐月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解扭撼拦堂婴究盟院有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权拯越盈堂受究总瞳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、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。学位论文作者躲勰勇签字日期：“年罾月厂日导师签名：i 亨女签字日期：“年9 月二日第一章引言第一章引言1 1 轴向进给轧制的特点轴类件在机械、车辆、电机等许多行业有着广泛的应用，其外形和尺寸多种多样，对于细长的阶梯圆轴，可以采用轴向进给轧制法制造。轴向进给轧制法属于回转塑性加工范畴，以其局部的连续的成形方式，为阶梯圆轴和回转体类坯件的制造，开辟了一条新方法，具有以下特点和优点：柔性强，一对轧轮可以成形多种外形和直径的零件。生产设备投资较低，轧轮制作简便寿命高，安装调试快捷；金属材料的利用率高，一般达到8 0 以上，可以实现少无切屑加工；生产效率较高，纯轧制加工时间一般在半分钟以内；轧件的强度比相应圆棒料切削件的强度有所提高，轧件表面光洁度可达v 6 ；成形加工中s l * i j 力小，能耗少，基本上无噪音和三废污染，对厂房和地基无特殊要求；生产方式比较简单，易于实现自动控制和连续加工制造。由上所述，轴向进给轧制法具有楔横轧成形的部分优点，又具有高柔性、轧轮制作便宜、低生产成本等自己的特点，适于多品种、小批量轴类件的生产，具有明显的综合技术经济优越性，是比较有发展前途的一种新工艺技术。1 2 轴向进给轧制的发展概况1 2 1 轴向进给轧制国外发展概况德国德累斯顿科技大学m m o u s k a 和汉诺威大学的m 一1 r o t a r e s c u等人在二十世纪九十年代中期歼始研究轴向进给轧制，在德累斯顿科第一蕈引言技大学制造了试验用设备进行了车l n 试验，并在设备上安装了一些传感器来监控和记录了一些轧制参数。在1 9 9 7 年和1 9 9 8 年，用a b a q u s 有限元软件模拟了成形过程，得到了轧制时工件的金属流动状况、应力和应变的分布状况和自由端凹坑逐步形成过程。采用c l * , j 实验和数值模拟相结合的方法，研究了两个轧轮轧制简单阶梯轴的基本参数如轧轮成形角、工件轴向进给率、工件径向进给率等对工件成形效果的影响、缺陷类型及防止措施等。初步分析了工件轧入阶段轧轮成形角大小和轧轮轧制面宽度对轧制力大小的数值关系，轧入阶段工件轧制温度和工件径向进给量与轧件隆起的关系，轧件扭曲与径向进给率和受轧时间的数值关系并和楔横轧作了对比。得出在稳定轴向进给阶段，轴向进给率与能耗和轧件表面质量存在有关系的结论，并给出轴向进给率最小值。提出j , 孵f j 生产的一些工艺参数如待轧棒料的尺寸和温度、轧轮的几何尺寸和表面粗糙度、轧制过程中轧件的转速和径向进给速度及轴向进给率等。统计出了轧轮成形角和轴向进给率与材料损耗的关系模型。以碳钢、合金钢、不锈钢、铝合金等棒料为原材料生产出了外径2 0 8 0 r a m ，长达6 0 0 h i m 的高质量的实心和空心台阶轴。这些研究工作为进一步研发轴向进给c l n 工艺提供了初步的信息与经验。为将此工艺推向实用阶段，许多问题有待深入研究。1 2 2 轴向进给轧制国内研究状况本世纪初，在北京机电研究所任广升、徐春国研究员的主持下，由马翠乎硕士等人参与进行了轴向进给轧制的理论研究和轧机的设计制造，并进行了许多c l n 试验工作，取得了丰硕的成果。定义了一些参数，比如轴向进给率户，轧件直径缩减率“等。提出轴向进给轧制的主要工艺参数，作出轧轮与轧件的接触面示意图，第一章引言初步分析了轧轮与轧件的相对运动和滑动关系，给出了轴向进给率最大值计算公式。应用d e f o r m 一3 d 有限元软件，对工件不同的直径缩减率、不同的进给率、不同的轧轮成形角和轮宽进行了轴向进给轧制变形的三维动态模拟，得到了三维变形状态下轧件内部应力场、应变场、温度场的分布特点和模具的受力状况及材料流动规律的各种图表。从图表中可以知道轧制阶段的一些重要信息，比如：一般g l a i j 过程中，径向车l a w j 力、轴向拉力和轧轮切向力大小情况。在已知的一些轧制参数情况下，如轧轮成形角口、轴向进给率芦、轧轮轧制面宽度b 、轧件直径缩减率s 。，从图表中可以知道确切的轧制力的各轴向分量具体的数值模拟值；轧制力的径向力、轴向拉力和轧制力矩因轧轮成形角、轴向进给率、棒坯料原始直径、轧件直径缩减率、材质和温度等参数的变化而变化的情况，研究了部分因素对轧制力大小的影响：轧轮径向进给阶段及轴向进给阶段轧件从接触面到轴心的等效应力状况：轧件的直径缩减率和轴向进给率对轧件内部的应力分布有很大的相关性，轴向进给率和轧轮成形角对轧制力特别是其径向分量的影响非常大；轧轮轧制面宽度b 的大小对径向进给阶段的轧制力有很大影响。分析了轧件两端头扭转的成因和影响因素，给出了轧件的扭转角度关于轴向进给率在不同缩减率下的曲线图；数值模拟了自由端头凹心的形成过程，分析了形成凹心的影响因素，给出凹心长度关于轧轮成形角和进给率大小的曲线图。根据理论计算和数值模拟所得的参数，设计制造了轧机进行了实验研究。从实践中对轧件的缺陷类型及防止措施、轧制参数的选择和轧制工艺等作了探索和总结，成功地轧制了一批实心钢材和铝合金台阶轴。国内的这些工作，为轴向进给轧制技术面向市场应用迈进了坚实的一步。第一章引言1 3 课题的提出意义和技术线路如前所述，对轴向进给轧制法的研究，一些研究人员已经作了大量的工作，但还存在着很多问题，有待于进一步深入揭示其变形特征和轧制机理，提出合理的工艺参数并得到实践的检验，使这种轴类件成形技术得到进步和完善；对轧机进行合理的升级改造，使之能够进行市场化应用和推广，为中小批量轴类件的生产提出一条可供选择的新方法。目前，国内外尚未见到对轴向进给轧制接触面进行过数学描述，从而对轴向进给轧制轧制力及力矩进行理论上的分析计算，得出比较确切的数学表达式或拟合出经验公式，并得到实验验证。这项工作是必要的：首先，轧制力及4 ：l n 力矩足正确设计和合理使用轧机必不可少的主要参数。对轴向进给# l n 力及轧制力矩的计算分析和测试，可以搞清轧件与轧轮之间的接触面情况与轧制力各分量之间的内在联系，直观形象地揭示出轧制力及力矩与各工艺参数之间的相互影响关系；检验4 ；l n 力数值模拟数据结果的正确性，对分析# l n 过程中轧件内部受力状态和应力应变状态、变形机理和拉缩、弯曲和中空等的缺陷机理的分析，减少或避免轧件缺陷出现，以及确定轧制稳定进行的条件和能耗参数等，具有萤要作用。其次，了解轧制力及轧制力矩的大小及其变化规律，可以为轧机的设计和改造提供原始资料，优化工艺设计，克服轧机设计和改造的盲目性，减少轧机的不合理使用；比如机床的刚强度设计，电机功率的选择、齿轮轴承的选择，工件夹持装置预紧力大小的确定、实现机床的数控改造所需元器件和部件的选择与确定，以及进行c d c a m 开发等，有重要参考价值；同时呵以为正确设计和使用轧轮、制定合理的轴类件制造工艺等方面提供参考。第三，对# l n 力及轧制力矩的数学分析研究，搞清轧制力及力矩的变化情况，可在理论上加深对轴向进给车l a , j 机理的认识，对轴向进第一章引言给轧制的理论的发展起到积极的促进作用，丰富塑性加工理论。本文工作的主要目的是根据受力面积与平均单位接触压力之积得到受力均值伊p 。尸) ，得出轴向进给轧制轧制力和力矩的理论值计算公式，并进行轧制测试试验，对理论计算公式的正确性进行验证。文章将在简单、直观、接近实际的接触面分析基础上，推导轴向进给轧制轧制力及轧制力矩的求解方法，并设计和安装了传感器进行轧制测试试验，验证理论结果的可靠性和工程上的可应用性。选题为：轴向进给s l 审, j 力能参数计算与检测。论文在一般的s l 锖, j 条件的基础上：轧轮成形角口、轧轮s l 带, j 面宽度b 、原始棒料半径r 0 、轧后棒料半径 、轴向进给率声眵响p 的关键参数为控制轴向进给电机转速的变频器输出频率，) ，对轴向进给s l 南, j 的接触面积其上的平均单位接触压力分别进行推导，从而给出一般的轧制条件下轧制力和轧制力矩的计算方法，求解出s l 老j j 力及轧制力矩的一般数学解析式；利用传感器和动态应变仪及数据采集卡等仪器对轧制力的径向分量、轴向分量和轧制力矩等值进行采集和记录，对测量值和相应的理论值进行对比分析和误差分析，考核理论计算的可行性和可靠性；根据理论值和部分测量值，分析各工艺参数对力能参数的影响，其结论对轧机、轧轮和轧制工艺的设计和改进具有参考价值。本文的研究工作属国家自然科学基金轴类件柔性成形机理及模拟研究的部分内容，项目批准号为5 0 2 0 5 0 0 3 。第+ 章轧件蹙力的珲论分析第二章轧件受力的理论分析轴向进给轧制的轧制压力和力矩的大小，主要取决于轧轮与轧件间的接触面积及其空间位置，以及在接触面上的单位压力及其分布。接触面上某- d , 面域d 的单位接触压力记为多，此接触面上的受力记为乒，则户；f r 刀口。当接触面积庐为平面，歹为单位平均接触压力p o时，则户f p 。受力记为，力臂记为f ，扭矩记为庸，则麝一f x ，。2 1 轴向进给轧制轧件与轧轮接触面理论分析2 1 1 接触面模型轴向进给轧制原理图如图2 1 所示：将加热至轧制温度的棒料坯件紧固于夹头( 如三爪卡盘) 中，可径向相对运动的两柱状带锥轧轮作同向转动提供轧制动力，以相对方向作径向进给运动轧入到坯料中，随轧件一起旋转的昔头夹持着工件作轴向进给运动，同时轧轮作径向进给或回退运动轧出不同直径的轧件，三种运动的配合轧制出所需外形的轴类件。轴向进给阶段足成型的主要阶段，在其稳定轧制阶段，轧轮轧入到轧件中的合适位置，不再作径向进退运动，夹头夹持着轧件作轴向进给运动，同时轧轮的顶园面精整轧件表面，轧出合格的轧件。一：“甜a ) 径向轧入段b ) 轴向进给段图2 1 轴向进给g l 审 l 原理图i l i -一i l l第章轧件受力的理论分析从上图2 1 中可以看出，轧件变形区接触面由轧轮的几何形状及切入轧件程度和坯料尺寸确定。假设轧轮足刚性的，轧件无局部隆起变形和弯曲变形，经c a d 模拟造型和对实际轧件的观察，夸张的轧件接触面示意图和各曲面曲线的标注和如图2 2 所示，轧件的接触面如图2 1 1 。当a 轧轮向轧件待轧的一端偏出约0 5 r a m ，则轧件有较大的向下摩擦力，防止了轧制过程中轧件向上供起( 反向有导板阻挡) 。与a轧轮所成的完整的接触面不同，b 轧轮所成的接触面受到部分破坏，故选取a 轧轮所成的接触面来分析。图2 2 三维模拟图和接触面示意图轧件与轧轮接触面由部分圆柱面g h n 和部分圆锥面h i m n 两部分组成，即图2 2 中曲面e 和曲面，2 。2 1 2 建立坐标系和各参数标记各曲面曲线的标注和坐标系如图2 3 所示：轧件轴心线和轧轮轴心线是两条乎行线，所构成的面作为面x o y ；轧件轴线为y 轴；曲面f 1 和f s 的交线与面x o y 的交点记为g ；过g 作垂直于面x o y 和l ，轴的截面，此截面交y 轴记为原点0 ；面x o y 内过0 点且垂直于y 轴的方向记为x 轴；过点0 垂直于x 轴和y 轴方向记为z 轴；三个坐标轴选取符合右手系。轧件旋转一周工件轴向进给距离记为签，则、# 周螺距为s ；棒料轧前半径记为r o ；轧后轧件半径记为，1 ；轧轮顶园半径记为r ；轧轮锥面夹角记为2 口，单面夹角为轧轮成形角d ；取曲面上任意一点4 b ，y ，z ) ，( f 一1 5 ) ，过4 点作y 轴的垂直面交y 轴于0 。，交轧轮轴心线于d ：，d l 爿。与面x o y 的夹角记为口；0 2 4 与面x o y 的夹角记为妒。蹦oj 。_ 。_ - 。_ _ 。_ 。_ 。_ 。_ 。_ _ _ ff卜、7 p，、+ “i妻图2 3坐标系和各参数杯注示意图8第二章轧件受力的理论分析2 1 3 曲面方程( 1 ) 面，l 方程面e 为轧轮圆柱面，在面e 上任意取一点4 扛，) ，z ) ，a i 点到坐标面x o z 的距离值为参数t ，则点4 的坐标为广工- o i 0 2 4 0 2 c o s 驴= 尺+ 一r c o s 妒t ：豳叫咖矿q - l 式中，伊 0 ，红】，吼由式2 2 0 求得；t 。 o s 】，具体s 值以及以f 各式中的s 值由式2 8 1 相应参数确定。此方程即为面只参数方程。( 2 ) 面f 方程曲面e 与面e 的交线k 为轧轮顶园与轧轮锥面交界处的界面圆的一部分，界面圆垂直于y 轴，所以，交线工。上各点至： i x o z 面的距离处处相等。过点g 作水平线交面巴于点h ，g h 为半周螺距，则g h 。s 。在面e 上任意取一点a ：b ，) ，z ) ，过a ：作母线交于点k ，记别：。t 。轧轮上与k 点相应的点记为k ，与a ，相应的点记为a ：，那么4 k 。t 。口丁知点a ：的轧轮半径爿矽：一r - 爿s i n a = r t s i n a 。则点a ：的座标为r 算一0 1 0 2 - a , 0 2 c o s 妒= r + h 一僻- - t s i n a ) c o s 伊_ _ ) ，一6 w + a 2 k c o s a s + f c o s 口( 2 2 )lz - 4 ：d 2s i n q ，一( 尺一t s i n a ) s i n q 式中，驴 0 伊： ，仍由式2 2 7 求得；r o ，( r 0 一，1 ) c s c 口 。此方程即为面只参数方程。( 3 ) 面e 方程在面e 上任取一点a ，仁，) ，z ) ，过点爿，作母线，与曲线l 交点记为b ，记翩，一r 。过点b 作l ，轴的平行线交坐标面桃于点c ，可知碡n ，b c与l ，轴在同一平面内，令o c - 与i s x o v 的夹角为一，则c 口。s o 。a s 点玎的坐标为：第二帝轧件受力的理论分析厂x o t a 3 0 a s o 一( o b + b a 3s i n a ) c o s 8 - “+ t s i n a ) c o s ojy - c b + b a ，c o s 口- a 万s + t c o 鲫l2 - ( r l + t s i n a ) s i n o式中，口 o ，扫】；r 【o ，( ，o 一，1 ) c s c 口】。此方程即为面只参数方程。( 4 ) 面f 4 的参数方程曲面e 为棒料圆柱面，由解析几何知其参数方程为：f 工一r o c o s o、lz r os i n o式中，口 o 幼】。2 1 4 接触面边界线方程( 1 ) 交线工。方程交线上1 为面e 和e 相交所成曲线，r + 一r c o s 伊= ( r 1 + t s i n a ) c o s o解得砌s 口一f 旦差塑一r l 卜ic 0 s 日，( 2 - 3 )( 2 4 )面e 和e 的方程工值相等，则( 2 - 5 )将式2 5 代入式2 3 得y = 詈+ ( 生等三擎翌一i lc o t a ( 2 - 6 )交线厶处，面和e 方程的三值相等，西( r t 磊+ t 焉s i 忑n a 面) s i n 0 瓦五r j s i n 磊q , 面解得妒洒【譬半卜( 2 - 7 )记点的角度参数值为q 和锻，则交线工。的参数方程为：( x _ r r 、一r c o s 妒 y 2 i s 0 + ( 訾一) c o t 口( 2 _ 8 )lz r s i n l p式中，o s 80 1 ，o s 妒s 朔，0 1 ，仍由式2 2 0 确定。第 二章轧件受力的理论分析( 2 ) 交线l ：方程交线：为面，2 和e 相交所成曲线，面最方程的x 、z 值和e 方程相应的簟、z 值相等，则rr + ，l 一( r t s i n a ) c o s q ，= ( r l + t s i n a ) c o s 疗l ( r t s i n a ) s i n 妒= ( ，l + z l s i n a b 拥日解得孤i n a = 面( r 丽+ r 1 ) t a n t p f li t a n 日十t 锄妒i c o s 疗t