（材料加工工程专业论文）锚杆斜轧成形规律及工艺参数研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 自钻注浆式外螺纹锚杆是一种比较先进的锚固体系，集钻孔、注浆、锚固等 多功能为一体。利用斜轧工艺加工锚杆外螺纹，不仅可以避免切断金属纤维结构 导致的强度降低，而且可以利用冷塑性变形过程中的加工硬化提高其表面强度。 同时，该加工工艺还可以节省材料、提高精度和效率等优点。但是，现在对空心 件外螺纹三辊斜轧方面的研究还有不足，实际生产中主要还是靠经验调整参数为 主。 本文结合钢管轧制、锲横轧、两辊斜轧等方面的理论知识，分析了管状毛坯 外螺纹三辊斜轧咬入和稳定轧制的条件，讨论了轧制过程中轧件的运动状态及应 力分布，根据波形螺纹特征分析了轧制过程中坯料与轧辊间的滑动机理。 根据产品尺寸要求及轧制系统空间位置关系设计轧辊，设置模拟系统，确定 轧制变量参数。建立毛坯及轧辊三维图形，导入d e f o r m 3 d 软件并设置不同参 数组合的前处理文件。模拟并对后处理数据进行分析。 根据模拟结果，分析了轧辊在径向及轴向的载荷分布，讨论了壁厚对径向载 荷的影响，建立了空心管外螺纹斜轧选择合适壁厚的理论依据。对轧件的应力数 据进行分析，利用有限元方法验证了关键部位的应力性质及不同轧制时间的应力 分布。对应变分布的分析找出了斜轧过程中容易出现牙型尺寸不足的原因。最后 分析了不同壁厚、辗轧角、毛坯外径对最终轧件内外径及壁厚变化的影响规律。 本课题的研究为进一步研究外螺纹三辊斜轧工艺和生产提供了部分理论依 据，具有一定的理论价值和现实意义。 关键字：锚杆三辊斜轧有限元d e f o r m 3 d 武汉理，丁大学硕士学位论文 a b s t r a c t s e l f - d r i l l i n gg r o u t i n ga n c h o rr o di sa na d v a n c e da n c h o r a g es y s t e mc o n t a i n i n g t h ef o l l o w i n gf u n c t i o n s ：d r i l l i n g , g r o u t i n ga n da n c h o r i n g t h ec r o s s - r o l l e da n c h o r r o dn o to n l yc a t la v o i dt h ed e c r e a s eo fs t r e n g t hd u et ot h ec u to f fo fm e t a lf i b e r , b u t a l s oc a ni m p r o v et h es u r f a c es t r e n g t hd u et ot h ec o l dp l a s t i cd e f o r m a t i o n m e a n w h i l e ， t h ep r o c e s s i n ga l s oh a so t h e ra d v a n t a g e ss u c ha ss a v i n g ，i m p r o v i n gt h ea c c u r a c ya n d e f f i c i e n c y a n di na c t u a lp r o d u c t i o n , a d j u s t i n gt h ep a r a m e t e r si sm a i n l yb a s e do n e x p e r i e n c e i nt h i sp a p e r , c o m b i n i n gt h et h e o r e t i c a l k n o w l e d g eo fs t e e lc r o s s - r o l l i n g ， c r o s s - w e d g e - r o l l i n g a n dt w o - r o l l - c r o s sr o l l i n g , t h e b i t i n g a n d s t e a d i l yr o l l i n g c o n d i t i o n so ft u b et h r e e - c r o s s - r o l l i n gw e r ea n a l y z e d ，t h es t a t eo fm o t i o na n ds t r e s s d i s t r i b u t i o no fr o u g hw e r ed i s c u s s e d a c c o r d i n gt ot h ew a v e f o r mc h a r a c t e r i s t i c s ，t h e m e c h a n i s mo fs l i d i n gb e t w e e nr o u g ha n dr o l l e r sw e r es o l v e d d e s i g n e dr o l l ，s e tt h es y s t e mo fm o d e la n dd e t e r m i n e dt h ev a r i a b l ep a r a m e t e r s o fr o l l i n g a c c o r d i n g t ot h es i z er e q u i r e m e n t so fp r o d u c t e s t a b l i s h e dt h e t h r e e d i m e n s i o n a lg r a p h i c so f r o u g ha n dr o l l e r , a n di m p o r tt h e mi nt od e f o r m 一3 d s e t s o m eg r o u p so fp r e t r e a t m e n tf i l e sa c c o r d i n gw i t ht h ed i v e r s i f i c a t i o no fp a r a m e t e r s m a d et h es i m u l a t i o nr 1 1 n sa n da n a l y z e dt h ep o s t - p r o c e s s i n gd a t a t h el o a dd i v e r s i f i c a t i o nl a wo fr o l li nt h er a d i a la n da x i a ld i r e c t i o nh a sb e e n a n a l y z e da c c o r d i n gt ot h er e s u l t so fs i m u l a t i o n d i s c u s s e dt h ei m p a c to ft h i c k n e s so n t h er a d i a ll o a d ，a n de s t a b l i s h e dt h et h e o r e t i c a lb a s i so fc h o o s i n gs u i t a b l et h i c k n e s si n t h ep r o c e s so fc r o s s r o l l i n g t h es t r e s sd a t ao fr o u g h sw a sa n a l y z e d t h ev a l i d a t i o no f t h es t r e s sp r o p e r t yw a sm a d ea b o u ts o m ek e yp o i n t sb yt h em e a no ff e m b yt h i s m e t h o d ，t h es t r e s sd i s t r i b u t i o nv a r y i n go v e rt h er o l l i n gt i m ea l s ow a sa n a l y z e d t h e r e a s o na b o u tt h es h o r t a g eo ft h r e a da f t e rc r o s s r o l l i n gw a sa l s os u m m a r i z e d f i n a l l y , t h el a wo ft h ea f f e c td i f f e r e n tt h i c k n e s s ，c r o s sa n g l ea n do u t e rd i a m e t e ro fb l a n k m a k i n go nt h ei n n e ra n do u t e rd i a m e t e ro ft h ef i n a lp r o d u c tw a sa n a l y z e d t h e c o n c l u s i o np r o v i d e ss o m eo ft h e o r e t i c a lb a s i sf o rt h ef u r t h e rr e s e a r c ho ft h e t h r e e - c r o s s - r o l l i n gt e c h n o l o g ya n dp r a c t i c a lo p e r a t i o n i th a ss o m et h e o r e t i c a l s i g n i f i c a n c ea n dp r a c t i c a lv a l u e k e yw o r d s ：a n c h o rr o d ，t h r e e - c r o s s r o l l i n g ，f e m ，d e f o r m 一3 d 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， 论文中不包含其他人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： 关亏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： 导师签名：二斑：鱼日期：翌生：兰：堑 武汉理f 人学碗十学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 自钻注浆式外螺纹锚丰t 是一种比较先进的锚固体系是集钻孔、注浆、锚固 等多功能为一体的新型高科技支护产品。该产品解决了常见锚杆在钻进时遇到 的塌i l 问题，能够保证复杂地质条件下的注浆效果。在抗弯、抗剪强度和表面粘 结等方面优势明显，可以任意切割、连接、施加预应力和荷载释放，并可以作注 浆导管使用，具有很大的应用价值。其主要组件包括螺帽、杆体连接件、止浆塞、 全长外螺纹杆体、钻头、垫板等。通过将钻孔、注浆和锚阎等功能一体化，馒其 本身既是钻杆又是预应力锚杆的受力体和注浆管。使用自钻注浆式外螺纹锚杆进 行岩土锚固施工，可以省去锚卡| 制作、下锚杆、拔套管等诸多工序，不仅降低丁 施工成本，而且提高了施工质量l ”】。 图1 1 自钻注浆式外螺纹锚杆 由于在反复弯曲冲击载荷下工作，既要承受拉伸和压缩应力，又要承受扭转 应力、弯曲应力，因此，杆体对强度有比较高的要求。在工作状态下，高频应力 冲击导致杆体与连接套的内外螺纹产生高频撞击。长时间韵持续作用下容易引起 磨损失效和疲劳失效【4 1 。因此，对轩体外螺纹的加工要考虑其失效的因素。波形 螺纹具有抗冲击疲劳的特点。此外，波形螺纹用于支护用的锚杆杆体时还具有以 下优点：提高丁锚杆的锚固强度：便于安装钻头、连接套、紧固螺母；使杆体能 够任意切割和连接加长。因此，在杆体外部加工波形螺纹对提高锚杆的强度有重 要的作用。 1 2 外螺纹加工的研究现状 现在螺纹加工中最常用的方法是切削加工和滚压加工。切削方法工艺成熟， 操作方便，但是效率低且切断了金属的纤维，降低了零件的质量。滚压螺纹是 武汉理工大学硕士学位论文 一种无屑加工方法，其实质是利用某些材料在冷态下的可塑性来进行加工，使工 件在滚压工具压力的作用下产生塑性变形，滚制出相应的螺纹。它不切断金属的 纤维使金属塑性变形而形成螺纹。和切削加工相比，滚压加工具有优质、高效、 节省材料等方面的优点【5 】。随着机械加工工业的飞速发展，对螺纹件的性能要求 也越来越高，许多关键零部件的螺纹必须采用滚丝工艺进行制造，才能满足设计 及性能要求【6 】。 1 3 外螺纹斜轧工艺概述 斜轧属于特种轧制，也是滚压技术的一种，斜轧的特征是轧辊轴线与轧制中 心线有一定的夹角，如图1 2 所示。调整前，轧辊轴线与轧制中心线在同一水平 面上。调整后，夹角在垂直面上的投影称为辗轧角，即图中的9 ；夹角在水平面 上的投影称为送进角，即图中的q 。b 角利于轧件轴向运动，提高生产速率；q 角利于轧辊咬入轧件，使轧制进入稳定状态。国内对空心管进行外螺纹斜轧工艺 的研究还很少，在该方面的研究还有很大的空间。 1 3 1 螺纹滚压技术 图1 2 轧辊、轧件几何关系 q 一送进角；b 一辗轧角 螺纹件是人类最早发明的简单机械之一，在古代人们就利用螺纹固定战袍的 铠甲、箭头等。在冷态下实现螺纹冷滚压开始于 8 3 1 年，早先是利用搓丝机搓 制紧固铁路枕木用的螺栓。然而直到1 9 4 0 年以前对于滚压精密螺纹尚未获得广 泛的应用。这主要由于在1 9 世纪末和2 0 世纪初，坯件材料不适于滚压。随着坯 件材料机械性能的进一步改善，以及精密滚压工具和工艺性能更高的滚丝机床的 研制成功，螺纹的滚压加工技术得到更大的普及和发展，并且可以在碳素钢、合 2 武汉理工大学硕士学位论文 金钢、青铜、黄铜、铝、铍、钛、镍、粉末冶金和塑料等不同坯件材料上，对各 种类型的零件( 如丝锥、发动机地脚螺栓和动力螺栓、主轴和丝杠螺纹、空心薄 壁件上螺纹等) 进行各种螺纹( 包括精密螺纹) 的滚压加工f 7 8 。 随着现代电子技术的发展，螺纹滚压技术与计算机辅助技术、计算机仿真与 模拟技术等先进手段结合到了一起。美国的j o s e p hp d o m b l e s k y , p h d e 在2 0 0 0 年用d e f o r m 2 d 软件对螺纹冷滚压进行了模拟，他把螺纹滚轧简化成平面应变 问题，忽略弹性变形及温度效应的影响，把坯件当成刚塑性体进行了模拟，得到 了螺纹齿形的成形过程和金属流动方向。并尝试着用d e f o r m 3 d 对搓丝过程进 行了三维模拟，但由于螺纹成形属于小变形，计算过程复杂，对计算设备性能要 求高，并没有得到实质性的结论【引。 近年来，国外的螺纹冷滚压设备也有了很大的发展，螺纹冷滚压设备已经将 许多近来的先进技术应用到螺纹冷滚压设备中，大大提高了螺纹冷滚压的生产自 动化、可控性、生产效率和产品质量。螺纹冷滚压正向着自动化、易于调整、高 质量、多功能的方向发展。 1 3 2 斜轧工艺发展现状 斜轧工艺首先应用于无缝钢管生产，该技术由曼乃斯曼兄弟发明于1 8 8 5 年， 至今已有1 2 0 多年的发展【l0 1 。将斜轧成形技术用于生产无缝钢管以外的产品， 出现在二十世纪4 0 年代末5 0 年代初，首先在苏联用于工业生产，随后在日本、 美国等国家得到运用和发展，用它高效率地生产钢球、丝杠等产品，包括冷轧与 热轧、实心与空心产品，收到显著的技术效果。但是由于孔型斜轧成形在技术上 的复杂性( 主要是轧辊螺旋孔型设计制造、工艺调整) ，其产品大都限于形状比较 简单的产品【】”。进入2 0 世纪7 0 年代，国外在斜轧技术的发展方面明显滞缓。 产品类型基本上没有扩大，仍然以形状较简单的产品为主，只是在已有的产品类 型基础上，在提高生产率和产品精度的某些方面得到了一定的进展。近些年，随 着科技的发展，将计算机等高科技产品运用到轧制控制中，使轧制技术得到了高 速的发展。 我国斜轧成形的研究工作是从轴承钢球和滚子开始的。1 9 5 8 年，一机部机 械科学院与瓦房店轴承厂首先采用斜轧成形工艺生产轴承钢球。1 9 6 0 年，该厂 又在北京钢铁学院的协助下轧制成功球面滚子与锥面滚子。1 9 6 0 年北京钢院设 计一台倾角不能连续调整的球磨钢球轧机，并成功的轧制出球磨钢球。1 9 7 2 年 起，北京钢铁学院、北京轴承厂共同研究成功单孔型轧制中小型锥面滚子与圆柱 滚子，使斜轧滚子生产有新的突破。 1 9 7 2 年，我国开始研究由三个回转体组成的防滑钉产品的* l n ，斜轧一次 3 武汉理工大学硕士学位论文 成形，生产效率提高五倍，节省金属1 5 。北京钢铁学院与某厂轧出由五个回转 体组成的h 型产品。这类产品的试轧成功说明了孔型斜轧是能够轧制相当复杂 的产品的。北京钢铁学院于1 9 7 5 年协助北京光学仪器厂研究成功斜轧经伟仪大 小轴套【i l 】3 9 4 1 。 某些高翼缘产品，为了达到成形目的，多用三辊斜轧，而三辊斜轧在1 2 0 。 压缩轧件又比二辊在1 8 0 。压缩轧件好，故高翼缘产品，包括实心与空心的多采 用三辊成形。 上海工具厂等研究成功三辊热斜轧成形滚齿刀毛坏，模数范围为2 1 4 毫 米，直径为4 5 - 1 7 0 毫米，此项工艺生产效率大幅度提高，节约高速钢达1 5 2 0 。 1 9 6 4 年，兰州石油机械研究所首先轧制成功螺纹管。经过不断研发，该所研制 的螺纹管传热强化元件在8 0 年代中期已经达到世界领先水平。1 9 8 1 年1 1 月通 过部级鉴定以来，传热螺纹管产品已实现了标准化和系列化。目前己不仅在石油 化工领域，而且在冶金、医药、电力和原子能等部门也获得了广泛应用，经济效 益和社会效益十分显著【1 2 , 1 3 】。 1 3 3 外螺纹斜轧工艺分类 外螺纹斜轧主要有两辊斜轧和三辊斜轧两种，各有优缺点。两种工艺在对空 心钢管的外螺纹轧制对比中，两辊斜轧的参数设置比较容易，但是和三辊斜轧相 比，其滚压过程中钢管椭圆度较大，滚轧力过大容易引起坯件轴向开裂，空心管 壁厚不宜太薄；三辊斜轧比较稳定，滚压力低，产品质量较好，对坯件的要求相 对较低，但是由于三辊斜轧的理论研究太少，而且轧辊调整的难度较高【l4 1 。 三辊滚轧机一般采用立式结构，由于坯料能够自然定心，因此不需要导板。 适合于滚轧大直径高强度的螺纹制品和管接头类的空心螺纹零件。设置前后受料 台的三辊滚轧机特别是适用贯通滚轧加工长丝杠轴和蜗杆等工件的加工，滚轧精 度很高，累积螺距误差为3 0um 3 0 0 m m ，轧制速度为8 0 6 0 0 r m i n t ”】。 1 3 4 斜轧成形工艺中的技术关键 1 孔型设计：不仅需要精确计算体积相等与连接颈相适应，而且要计算由 于轧辊倾斜轧辊孔型的变化，以达到轧辊曲线包络轧件，这一问题在我国己从数 学与作图上得到理论解决并运用于指导实践 1 烨。 2 轧辊加- 1 - _ ：要实现斜轧的精密轧制，必然对加工工具轧辊孔型的尺 寸精度与表面光洁度提出很高的要求，给冷切削与磨削加工带来困难。 4 武汉理工大学硕士学位论文 3 轧机：为了实现精轧，轧机的刚度要大，除设计上增大刚度外，还采用 预应力机座增加其抵抗受轧制力时的变形能力。此外，轧机的调正精度，例如轧 辊倾角、径向距离、导板的行程等的调正都要求精确。 4 工具耐磨性：精轧对轧辊及导板的耐磨性要求很高，因为不论轧辊或者 导板稍微磨损产品的精度就无法保证。为此轧辊与导板在材料及热处理工艺的选 择上都要严格要求。经过多年的研究，目前我国精轧轴承钢球及滚子等产品己达 轧辊重磨一次可生产6 1 0 万粒，导板重磨一次可生产2 5 万粒基本上满足生产 的要求。 5 其它方面：如采用特殊的工艺冷却润滑刘，调正工艺的某些特殊措施等。 1 4 研究目标及研究内容 本课题在有关塑性力学理论知识的基础上，研究空心管外螺纹三辊斜轧加工 过程中金属流动和应力分布的基本规律；应用计算机模拟、有限元分析等新的研 究方法和手段，分析外螺纹斜轧过程中金属内部应力及变形分布状况；对比不同 参数设置对轧制成形的影响，丰富了轧制参数的选择在理论上的依据。 本文主要研究内容如下： 1 分析空心管外螺纹三辊斜轧的实现条件，包括咬入条件、轧辊转速、轧 件壁厚、送进角、辗轧角、摩擦系数等。 2 根据波形螺纹管产品的要求，对轧辊的尺寸、形状等参数进行设置。建 立轧辊及坯料的三维模型。确定轧制模拟参数。 3 根据模拟结果分析空心管件外螺纹三辊斜轧成形规律，分析轧制力、应 力应变等分布状况。讨论不同坯料壁厚、辗轧角、坯料外径等对轧制结果的影响。 1 5 本文的研究方法 根据金属塑性变形与轧制原理分析空心管外螺纹三辊斜轧的参数设置方 法。 利用造型软件建立轧辊及轧件的三维模型。将模型导入有限元分析软件， 对三辊斜轧进行数值模拟，对轧制过程中轧件变形区内的应力、金属流动情 况等进行分析。 调整送进角、辗轧角、轧辊转速等参数，进行建模和有限元模拟，对比不 同的参数设置下模拟结果的区别。 5 武汉理工大学硕士学位论文 1 6 本章小结 本章介绍了一种先进的锚固产品自钻注浆式外螺纹锚杆，阐述了该锚杆 在结构上的优点，同时引出了该锚杆外螺纹杆体的新型加工方法一外螺纹三辊 斜轧。此外，介绍了外螺纹加工技术的发展历程、斜轧工艺的发展状况以及斜轧 工艺的分类，明确了本课题的研究意义和主要内容，并制定了相应的研究方法。 6 武汉理i 大学碗十学位论文 第2 章外螺纹斜轧成形原理 外螺纹斜轧成形是将有一定壁厚的管形坯料轧制成管外壁有特定尺寸要求 的螺纹管，轧制前后轧件的理想示意圈如图2 - 1 所示。 _ 蔫 ( 幻 图2 - 1 理想轧件z f l a 前后示意图 a 一轧制前 b 一轧制后 21 外螺纹斜轧时金属的成形过程 外螺纹三辊斜轧时金属的成形过程，是将网形坯料沿轧辊轴向送入螺旋辊 问，坯料被咬入到三个同向旋转的轧辊内，由于轧辊对坯料的挤压，坯料沿轴线 方向呈螺旋式自口进，同时被轧制出所要求的形状和尺寸的轧件。轧辊螺纹孔型结 构如图2 - 2 所示。 图2 - 2 轧辊螺纹孔型结构 从金属塑性变形的角度看，螺旋孔型斜轧空心的回转体类零件时，其金属的 变形可分为两个阶段； 1 用螺旋孔型轧辊的凸棱部位咬入坯科：在轧辊的螺旋挤压作用下，使坯 料成形： 2 在孔型精整段，精整、轧准轧件的形状和尺寸，并消酥轧件在成形段孔 型内可能形成的圆三角使之达到设计要求的尺寸。 武汉理工大学硕士学位论文 轧件在被轧辊咬入时，由于其径向受到压缩，使其沿轴向延伸和因切向变形 而引起的圆三角。由三个轧辊的螺纹凸棱在空间形成的使坯料通过的孔口被称为 轧辊的孔型。坯料被轧辊的成形孔型段咬入以后，金属在轧辊孔型凸棱的复杂作 用下，使坯料金属处在很复杂的应力应变状态下，金属产生剧烈而复杂的变形过 程。金属除因孔型凸棱径向压缩使金属沿轴向剧烈的流动外，还在孔型壁的作用 下，沿径向和切向剧烈流动。由于轧辊凸棱径向压缩金属，但孔型壁限制金属轴 向的自由流动，很大的切向变形使轧件变成圆三角形。随着轧辊的旋转，压下量 逐步减小，轧件又向圆形发展，到精整段孔型内，压下量已经很小，孔型只对轧 件起到精整的作用。所以，经过精整段孔型后，轧件最终变成圆形而轧出，也就 是说，轧件在整个螺旋斜轧的过程中，金属有径向、轴向和切向的流动，反应到 轧件外形上，除了将坯料轧制成所要求的形状和尺寸的轧件外，在轧制过程中间 还将因三辊的压下作用而变成圆三角形【l6 】。 从上可见：外螺纹三辊斜轧过程中，轧件将一边成形，一边成螺旋式前进。 2 2 坯料的咬入条件 在坯料未变形部位刚接触到孔型的凸棱时，坯料仅仅在径向受到压缩，此时 接近该部位坯料的外侧面出现金属的堆积，继续压缩金属，坯料直径减小并向径 向和轴向变形。 在螺旋孔型中轧件的成形主要靠轧辊凸棱对旋转着的坯料逐渐地给以压下 量来保证【9 】1 2 。坯料每三分之一转内允许的最大压下量主要取决于坯料的咬入条 件。所以，坯料的旋转应该是使作用于坯料上的扭矩平衡。 坯料上作用有如下的力矩： m l 使坯料旋转的摩擦力矩； m 2 作用于坯料上的正压力引起的力矩； m 惯坯料的惯性力矩。 为保证坯料的咬入和旋转，应该满足以下条件： mlm2+m惯(2-1) m l 与m 2 之间的比值取决于坯料每三分之一转内的压下量值( z ) ，这样， 为了保证坯料的咬入，压下量不应该超过允许值。图2 3 可以看出两个力矩的关 系。 8 武汉理工大学硕士学位论文 图2 3 凸棱咬入毛坯的条件 m l = p p b x a x m 2 = p s i n j 3 + p c o s l 3 b x c x 式中p _ 一金属作用于轧辊的单位压力。 b 。金属和轧辊单元接触面的宽度； p 轧辊螺纹与轧件轴线方向的夹角，其大小为轧辊螺旋升角与倾斜角之 和。 i i 毪属和轧辊间的摩擦系数； 尽管三辊斜轧与两辊斜轧在坯料弯曲变形、应力应变分布等方面有所不同， 但是在单个轧辊咬入坯料的条件上有共同之处。为方便计算，以两辊斜轧时两对 称轧辊与轧件的咬入状态作为参考。在稳定轧制过程中，m 惯：o ，暂且忽略管壁 弯曲变形的因素，则摩擦力矩不小于正压力引起的力矩。根据图2 3 ，可以写出 下面的关系： e 融q 南2 肛i i l 脚c o s ) b x c x 南 珏2 ) 式中x 被压缩面积单元距毛坯轴线的距离： r l 、r 2 被压缩部分毛坯的最大和最小半径。 口工2 x c o s o f _ z c ，= b x + 2 x s 啬，咖= 而b x ； a - 一两辊轧制时两轧辊中心之间的距离。 光棍斜轧时，金属和轧辊接触面的宽度： 6 = 9 ( 2 3 ) 武汉理工大学硕士学位论文 式中、l r 材料系数： r 毛坯每半转的压缩量。 再考虑到上述关系，则接触面宽度可以用下式表示： b ，= ( 2 - 4 ) 为了简化问题，考虑到z 比a 和x 之值小得多，可以不计z 2 ，并认为a + 2 z a ，同时考虑到 ( a 一2 x ) = d a 一( r 。+ r 2 ) 综合以上公式可得三分之一转内的极限压下量确定方法： 孚= t a i l 胚1 k 2 ( 2 5 ) 式毗却一华， 矧一瑶 k ，：一兰r _ 。( s i n f l + , u c , o s f l ) 2 由式( 2 5 ) 可以看出，为了实现顺利的咬入，轧辊的位置直接关系到能否 满足压下量；轧辊咬入部分必须具有较大的外摩擦系数p ；有适当的轧辊倾角p ； 控制咬入压下量，既不能过小，又不能过大而超过极限值。 在稳定轧制中，允许的压下量值还可以由下式确定【1 7 】1 2 ： 石z 2 硐j 2 ( 2 - 6 ) d 孝zf1 + 要1 式中，d 轧制坯料直径； p - 金属与轧辊间的摩擦系数； 卜考虑坯料受三角形效应影响的系数； 卜轧辊直径。 可以看出：随着摩擦系数和轧辊直径的减小及随着三角形效应的增大，坯料 的极限压下量减小。在螺旋孔型中斜轧形状复杂的零件时，问题的解决就比较复 杂。 在设计外螺纹三辊斜轧工艺过程中，实际上就是要制定出合理的轧辊直径和 坯料直径的比值，选择好管壁的厚度和螺牙升高的激烈程度，后两者保证正常的 咬入条件和坯料在变形过程中的旋转。 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 2 3 斜轧时轧件的运动 轧件在斜轧过程中呈螺旋式前进，一边旋转，边轴向运动。轧制时，毛坯 接触到轧辊以后，轧辊与坯料之间产生摩擦，在该摩擦力矩的作用下，轧件获得 旋转运动。同时由于轧辊轴线与坯料轴线有倾斜角度，轧辊对坯料作用有轴向分 力，使坯料获得轴向运动。 假如轧辊与轧件的任意接触点为b ，轧辊这一截面的圆周速度为w b ，由于 坯料上的金属流动受到孔型的约束，被压缩金属的变形方向不再完全只和轧辊轴 线与坯料轴线的倾斜角p 相关。倾斜角b 对轧件速度的影响可以综合考虑进轧件 的螺旋升角当中。此时，w b 分解出两个分量v b 和u b ，则 v b = 矸r bc o s ( z = 警c o s ( 尾一尾) ( 2 7 ) = s i n a = 型磐s i n ( 尾一尾) ( 2 8 ) o u 式中v b _ 切于坯料旋转方向的速度分量； u 厂沿坯料轴向的速度分量： d 旷一接触点处轧辊的直径； n b _ 一轧辊每分钟的转数； b z 、p b 一轧件和轧辊孔型的螺旋升角。 坯料被咬入n ：l 型中之后，由于轧辊上螺纹凸棱的作用，坯料金属有径向和 轴向压缩，高低不等的孔型壁对轧件的螺旋运动虽有影响，但是轧件螺旋运动的 形式仍然不会改变。坯料的实际进给速度等于轧辊出口金属的速度除以轧制时轴 向滑动系数和坯料的延伸系数。 当坯料被咬入到孔型中之后，金属与孔型壁在任一点相接触的部分，一方面 有旋转运动，一方面有跟随相对于孔型壁这一点的空间位置向前运动而运动。也 就是说，坯料咬入初始阶段被卡截在孔型中的那部分金属，由于轧辊的旋转作用 而呈旋转运动；同时，由于孔型是呈螺旋式的存在于轧辊上，这样，被卡截在孔 型中的那部分金属便跟随孔型沿着轴向向前运动。当轧辊旋转完一周以后，被卡 截在孔型中的那部分金属业跟随孔型经过了一定距离。假设孔型壁上的一点沿着 螺纹绕轧辊旋转一周，即沿轧辊轴向向前经过了一个螺距，则该点对应的坯料上 的一点沿坯料轴向方向向前运动的距离为轧辊的螺距与螺纹头数的乘积，同时也 就是轧件成品的一个螺距。即： s = 吃s o ( 2 9 ) 式中，r 成品轧件的螺距； 武汉理工大学硕士学位论文 s 0 一轧辊的螺距； n i _ 轧辊螺纹的头数。 轧辊孔型上的一点实际是不会向前移动的，而是相对于坯料上对应点的移动 相差了轧辊的一个螺距。孔型壁上任一点的空间位置向前运动时的近似轨迹展 开，如图2 3 所示。 轧 辊 轴 图2 3 孔型壁上任一点在轧辊旋转一圈中的运动轨迹展开图 2 4 斜轧时轧件的应力 管坯类三辊外螺纹斜轧成形过程中横截面径向压力分布如图2 _ 4 所示。三个 压力互相成1 2 0 。分布在坯料的周围。由于对称分布，在1 、2 、3 点离中性轴最 远的地方剪切应力为零，在这些点受到弯矩产生的正应力为拉应力，而在4 、5 、 6 点承受弯矩产生的正应力为压应力。根据稳定轧制时的力矩平衡条件，可以计 算出坯料被咬入时这些位置的应力大小【1 8 】： m y n 仃l 2 3 2 茹一万2 o 1 8 9 p r o ( t o r ) 压p l g ( a o r o ) r 6l g f 2 1 0 ) 。= m 印y + i n = 号器铲+ 孚去 式中p 径向载荷； r o - 坯料中径； 坯料被压缩段在孔型中的长度； 6 _ 坯料壁厚。 所以，要避免管坯弯曲引起轧制无法进行，就要尽量保证 o 1 2 3 盯j o 4 5 6 盯s 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 o s 为材料的屈服强度。 p 、 图2 4 坯料所受径向压力分布 2 5 斜轧时的应变类型 三辊外螺纹斜轧过程中存在着两种变形形式：一种是三个互相垂直的主应 变，即纵向应变x ，径向应变v 和轴向应变z 。这种改变形状所要求的应变成 为“必要应变”。必要应变直接受外力作用引起，其数值大小取决于轧机的几何 因素，及工具形状和轧机调整参数【1 2 】2 4 7 。另一种是无法观察到的三个剪切应变， 即周向剪切应变i 、纵向剪切应变i 和扭转剪切应变i ，这三种剪切应变是由 于材料内部应力引起，对所需形状的改变不起作用，因此是对此工序不必要的应 变，成为“多余应变 。 多余应变由不均匀变形产生。多余应变将导致材料内部产生各种形式的附加 应力，从而对工作负荷、力矩大小和变形的剧烈程度产生影响。用解析法计算力 能参数时，通常都是根据加工过程中的必要变形进行计算，即只考虑均匀应变， 而没有考虑多余应变的影响。因此对多余应变在加工过程中的影响程度，即所谓 应变的多余度进行测定和研究很有必要。它对力能参数大小的估计、成形工具特 性的分析、最佳加工方式的选择等都是十分重要的。 2 6 坯料和轧辊间的滑动 轧制过程中，轧件与轧辊间不仅有摩擦，同时，因为轧辊孔型与金属接触点 不同位置具有不同的半径( 对轧件和轧辊都是如此) ，所以轧辊的圆周速度和坯 料的圆周速度不相同，因而产生了金属与轧辊之间的滑动。滑动对毛坯的压下量 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 有很大的影响，因而对作用在轧辊上的压力以及对咬入条件都有所影响。滑动还 能影响到轧件的表面质量【1 7 】1 4 。 若此滑动过大，则金属容易粘连在轧辊的孔型内，使轧件表面质量变坏，产 生表面结疤或表面折迭等缺陷，粘连严重时，甚至会破坏轧制过程的顺利进行， 也引起轧辊孔型的不均匀磨损，影响到轧件的表面质量和尺寸精度。 如图2 5 所示，轧辊孔型壁和被压缩的毛坯的接触线为a b c 。轧辊的圆周 速度在孔型壁的各点由于其旋转半径不同而不同。很明显，轧辊孔型壁的圆周速 度从最小的b 点逐渐增加到最大的c 点，而且和轧辊的直径d 辊的增大成比例， 如图2 5 右边速度图中的曲线v b v c 。受压缩的毛坯的圆周速度由于相对于孔型 壁的不同点到坯料自己的旋转中心距离不同而不同，坯料的圆周速度则从最大的 b 点逐渐减小到c 点，与轧辊速度的变化正好相反，如图2 5 右边速度图中的曲 线v b v c 。轧件和轧辊的圆周速度有一理论上的相同点v n ，即在轧辊和轧件螺纹 啮合线上各点的线速度相等。 轧辊轴线 图2 5 轧辊螺纹孔型和被压缩金属不同点的速度 点a 处轧辊的圆周速度为 = 警( 2 - 1 2 ) = 署 ) 式中d 广点a 处的轧辊直径； n 辊轧辊每分钟转数。 与孔型壁点a 处相接触的金属a 点的相对于自己旋转中心的圆周速度为 k = 警( 2 - 1 3 ) 式中dr 坯料在a 点处的直径； 1 1i 广毛坯每分钟转数。 轧辊孔型壁和毛坯的圆周速度有一点是相等的，即在这点轧辊孔型壁和金属 之间无滑动，此即n 点，该点速度为 1 4 武汉理工大学硕七学位论文 v n 坯= 学 = 学 式中v n 辊轧辊n 点的圆周速度； ( 2 - 1 4 ) ( 2 - 1 5 ) v n 坯轧件n 点的圆周速度。 因为v n 辊= v n 坯 若轧辊螺纹凸棱顶端的滑动速度为v 滑= v 辊v 坯，则由以上公式可以得出 h = 詈卜矧 ( 2 - 1 6 ) 由此可以看出：金属与轧辊间的滑动，随着轧辊转速的增大和轧辊直径的增 大而增大，而过大的滑动会导致金属在轧辊上的粘连，而且产品出现结疤、折叠、 刮伤等缺陷。 2 7 斜轧时的三角形效应 三辊轧制过程中，轧件变形实际上是从圆到圆三角形再归圆的过程。三辊轧 机不像二辊安装有导板，因此它不具有封闭的变形区。在坯料通过轧辊进行轧制 的过程中，要产生交变的弯曲应力【8 19 1 。这个弯曲应力使金属在各轧辊的空隙间 产生凸胀，是坯料断面周期性地形成三角形，如图2 - 6 所示。根据分析，在轧制 力作用下，辊缝间管壁的弯曲力与壁厚的平方成正比，与管子平均直径成正比。 在相同的压力作用下，直径与壁厚比值d t 大的，也就是相对壁厚较薄的管子， 在辊缝出的管壁弯曲应力值要比厚壁管大，因此易于达到塑性弯曲值。另外在相 同的轧制力作用下，d t 比值大，单位压力也大，因此d t 比值越大，三角形效 应越显著。模拟表明，当d t 超过i i 1 2 时，便会形成严重的管尾三角。对于 壁厚管，由于断面三角形效应不显著，因此由圆到圆三角形再归圆的过程比较顺 利，管尾不形成明显的三角形。而对于薄壁管，在轧制前中段时间，由于有较厚 的外端作用，由圆到圆三角形再归圆的过程也能顺利进行，当轧到尾端时，由于 没有外端的牵制，而前部已经变成三角形，此时尾部的拽入力迅速降低，后滑加 大，金属急剧向径向扩展，强烈扩径的趋势越到尾部越显著，迫使金属挤入辊缝， 形成三角形喇叭1 3 ，严重时卡在辊缝间造成轧卡 2 0 , 2 1 】。 1 5 武汉理工大学硕士学位论文 2 8 本章小结 图2 - 6 三角形效应示意图 阐述t ； i - 螺纹三辊斜轧过程中金属的成形过程。根据坯料上的扭矩平衡，结 合两辊斜轧的相关理论，分析了三辊斜轧过程中轧制咬入的条件。分析了轧件的 运动特征：轧件在斜轧过程中呈螺旋式前进，一边旋转，一边轴向运动。此外还 讨论了轧制时的应力应变情况，并且对轧制中轧件与轧辊的滑动机理做了探讨。 为轧辊设计以及轧制参数的设定提供了理论基础。 1 6 武汉理 i 大学砸i ：- 学位论文 第3 章外螺纹斜轧模型的建立 3 1 坯料模型的建立 己知锚杆的外径为3 2 r a m ，长度为2 m 4 m ，材质为q 2 3 5 系列铡种， 善 方 案中选用锚轩常用钢种4 5 号钢。锚丰波形螺纹的规格如图3 1 所示。 图3 - i 波形螺纹尺寸图 毛坯为荒管，即常见的厚壁无缝管。为了缩短计算机计算时倒，只取局部进 行轧制模拟。毛坯的形状如图3 - 2 所示。 痧蚕 图3 - 2 毛坯尺寸标注 武汉理工大学硕士学位论文 3 2 轧辊模型的建立 3 2 1 轧辊直径的确定 在轧制环形零件且在螺旋孔型中旋转时，为了减小金属在轧辊上的压力和轧 制时的滑动速度，轧辊直径应该合理选择。同时，三个轧辊直径受轧件最小尺寸 的约束。 如图3 - 3 所示，三个轧辊的半径相等为r ，m 为o 1 0 2 的中点。要保证三个 轧辊旋转时互不干涉，必须满足以下不等式： r o l m 又 。m = 孚( r + r ) 则 r 牟( r + r ) 2 、 7 整理得 r v 口时，即轧辊旋转时，轧辊因摩擦带动轧件向前运动的速度v 6 大 于轧辊螺距孔型推动轧件向前运动的速度u 。但是，由于螺旋孔型凸棱的限制， v o 是无法实现的，出现轧件压迫凸棱前半面的情况。由于轧辊与轧件呈对滚运 动，这样就容易出现孔型凸棱轧切轧件前端面的现象，不利于轧制。 2 当v j ) v a 时，即便出现与上面相反的情况，而由于螺旋孔型凸棱的限制， v b 也是无法实现的。出现轧辊凸棱后半面推着轧件向前运动的情况，由于轧辊与 轧件呈对滚运动，这样就易于出现孔型凸棱轧切轧件尾部的现象，也不利于轧制。 3 当v b 州0 t 时，及轧辊因摩擦带动轧件向前运动的速度等于轧辊螺旋孔型 推动轧件向前运动的速度。这是最理想的轧制条件。轧件可在轧辊螺旋孔型中呈 一致的运动，此时轧件最平稳、最有利。实现v b _ v q 的条件是 = 等s i n p = = 斋c o s 口 ( 3 彤) 简化以后得 s i n p ， 一= = 一 s p n d 即 t a np - - t a na 即辗轧角与孔型的螺旋升角相等，萨b 。 辗轧角是影响轧制过程和轧件质量最关键和最活跃的因素2 8 , 2 9 。轧制过程 中，按照以上等式设定就能保证轧制结果的前提是准确设计并制造出螺距渐变、 凸棱高度渐变的轧辊，对工艺要求极高。本课题中简化了对轧辊的设计要求，将 通过有限元分析，讨论不同辗轧对轧制过程中等效应力、等效应变以及轧件尺寸 等方面的影响。 3 3 2 倾斜轴及倾斜角 设三个轧辊编号分别为轧辊l 、轧辊2 、轧辊3 。为设置倾斜角前，以轧辊 中心所在平面为x o y 平面，则倾斜后，三个轧辊的中心保持不变。三个轧辊逆时 针旋转条件下，为了保证轧件能被顺利轧制，具体倾斜轴及倾斜角如表2 所示。 表2 轧辊的倾斜轴及倾斜角度 2 4 武汉理工大学硕士学位论文 3 3 3 轧辊的旋转轴 由图3 - 8 可以计算出轧辊1 的旋转轴0 1 0 2 的空间坐标为( 0 ，一t a n p ，1 ) 图3 8 轧辊1 空间位置 图3 - 9 ( a ) 所示为轧辊倾斜角为零时的俯视图。设轧辊倾斜角为p ，轧辊2 倾 斜后中心不变，仍是0 2 ，上表面圆心0 0 2 在0 2 p 的连线上，0 2 p 即 为轧辊2 的旋转轴。 。