（机械设计及理论专业论文）金属材料表层滚压设备的研制.pdf

金属材料表层滚压设备的研制 摘要 金属材料表面经多次滚压可产生严重的塑性变形，进而有望使其获得 亚微米甚至纳米尺度的超细小晶粒。本文着重研制出一种能够对金属材料 表面实施较高速度、多道次滚压的金属材料表面滚压设备，为今后深入研 究金属材料表面组织经滚压处理后有关组织的演变、性能特征及其应用等 问题，提供必要的条件。 本文主要工作如下： 1 对设备的设计过程当中，始终本着运用现代设计理论及方法指导实践 的思想。将设备所希望实现的功能分别独立成各个功能模块，并使各个功 能模块分别具备各自独特的功能特色，在后期的方案制定中将这些功能模 块进行合理组合，以形成不同结构布局的设备设计方案，之后再运用优化 设计的方法，从各方案中选择最优的方案作为设备最终的设计方案； 2 借助于a n s y s 有限元分析软件，对滚压设备进行分析； 3 对设备关键部件如上辊轴、试样支撑轴和下辊轴及其组合结构分别进 行模态分析： 4 将优化设计、设计方法学、计算机辅助设计、动态设计、有限元法、 工业艺术造型设计、模块化设计、人机工程等新兴理论与方法融合进设备 结构方案的确定和设计过程当中，同时指导后期设备的加工制作。整个工 作中尽可能做到运用科学、准确的设计思想指导设备设计，从而提高设备 生产效率，降低制作成本。 l 本文的成果及设备主要实现的功能如下： 1 设备能够提供0 4 0 0 0 0 n 的输出压力载荷，对试样表面的滚压力恒 定、平稳，同时可以通过数据记录系统读取输出压力的数值； 2 设备能够提供0 1 2 5 0 r m i m 的输出速度，对试样表面的滚压速度可 以达到1 0 k m h ，最高可以达到1 2 k r n h ，输出转速连续、可调，同时可以通 过数据记录系统读取电机输出转速； 3 设备在实验室运行表明，该设备运行平稳，输出压力稳定，输出速度 均匀，为课题项目进一步深入、系统的研究提供了保证。 关键词：表层滚压现代设计强度分析优化设计模态分析 t h er e s e a r c ho fm 匝t a ls i 瓜f ac e r o l l p r e s se q u i p m e n t a b s t r a c t s e q u e n t i a l l yr o l l i n ga n dp r e s s i n gf o r c ec a nm a k et h es u r f a c eo fm e t a l m a t e r i a lp r o d u c eb i gs t r a i n f u r t h e rm o r e ，i tm a ym a k et h es u r f a c eo fm e t a l m a t e r i a lb e c o m es u p e rs c r a p p yg r a i nw i t hs u b m i c r o ns c a l eo re v e nn a n o s c a l e t h i sd i s s e r t a t i o nf o c u s e so nt h ee q u i p m e n tr e s e a r c h ，w h i c hc a nr o l la n dp r e s st h e s u r f a c eo fm e t a lm a t e r i a lw i t hh i g h e rv e l o c i t ya n dm u l t i p a s sr o l l i n g i tc a n p r o v i d et h en e c e s s a r yc o n d i t i o n sf o rt h ef u r t h e rr e s e a r c ha b o u to r g a n i z a t i o n e v o l u t i o n ，p e r f o r m a n c ec h a r a c t e r i s t i ca n da p p l i c a t i o no ft h es u r f a c eo fm e t a l m a t e r i a la f t e rr o l l i n g t h em a i nw o r ki nt h i sd i s s e r t a t i o ni sa sf o l l o w s i nt h ee q u i p m e n td e s i g np r o c e s s ，t h em o d e m d e s i g nt h e o r ya n dm e t h o d sa r e a l w a y su s e dt og u i d ep r a c t i c e s e v e r a lf u n c t i o n a lm o d u l e sa r es e p a r a t e l y d e s i g n e dt oa c h i e v et h es p e c i a lf u n c t i o n a n dt h e s ef u n c t i o n a lm o d u l e sh a v e t h e i ro w np a r t i c u l a rf u n c t i o n s d u r i n gt h el a t e rp r o j e c t sf r a m i n g ，t h e s ef u n c t i o n a l m o d u l e sa r ea s s e m b l e dt of o r mt h ed i f f e r e n ts t r u c t u r a lp r o j e c t s a f t e rt h a t ，b yt h e o p t i m i z i n gm e t h o d ，s e l e c t i n gt h eb e s td e s i g np r o j e c tf r o ma l lp r o j e c t s ，t h ef m a l p r o j e c ti sc o n f i r m e d ； t h es o f t w a r eo fa n s y sf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sm e t h o di su s e dt od e s i g n r o l l p r e s se q u i p m e n t ； m o d e ls h a p ea n a l y s i sa r eu s e df o rk e yp a r t ，s u c ha st o pa x i sa s s e m b l y 、 s p e c i m e na x i sa s s e m b l y 、a n db o t t o ma x i sa s s e m b l y ； s o m en e wt h e o r ya n dm e t h o da r eu s e dt o g u i d e s t r u c t u r ep r o j e c to f e q u i p m e n t ，e q u i p m e n td e s i g na n de q u i p m e n t m a c h i n i n gb yu s i n gm o d e md e s i g n m e t h o d ，w h i c ha r eo p t i m i z a t i o nd e s i g n ，m e t h o d o l o g yo fd e s i g n ，c a d ，d y n a m i c d e s i g n ，f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，i n d u s t r i a la r ts c u l p td e s i g n ，m o d u l a r i z a t i o nd e s i g n ， m a l l - m a c h i n ee n g i n ee t c i no r d e rt oi m p r o v et h ep r o d u c i n ge f f i c i e n c ya n d r e d u c ec o s to fe q u i p m e n tm a n u f a c t u r e ，s o m es c i e n t i f i c ，a c c u r a t ed e s i g ni d e a sa r e a d o p t e dt og u i d eo fe q u i p m e n td e s i g n t h er e s e a r c hr e s u l to ft h i sd i s s e r t a t i o na n dt h em a i nf u n c t i o no ft h e e q u i p m e n ta r ea sf o l l o w s 1 t h ee q u i p m e n tc a no f f e ro u t p u tp r e s s u r el o a df r o m0t o4 0 0 0 0 n t h e r o l l i n gp r e s s u r eo nt h es u r f a c eo fs p e c i m e ni sc o n s t a n ta n ds m o o t h ，a n dt h ed a t a o fo u t p u tl o a dc a nb er e c o r d e db yt h ed a t ar e c o r ds y s t e m ； 2 , t h ee q u i p m e n tc a no f f e ro u t p u ts p e e df r o m0 - 1 2 5 0r m i n t h er o l l i n g s p e e do nt h es u r f a c eo fs p e c i m e nc a nr e a c h10 k m h ，a n dt h eg r e a t e s ts p e e dc a n r e a c h1 2 k m h t h eo u t p u ts p e e di sc o n s t a n ta n da d j u s t a b l e ，a n dt h ed a t ao f o u t p u ts p e e do ft h ee n g i n e e rc a nb er e c o r d e db yt h ed a t ar e c o r ds y s t e m ； i v 3 t h eo p e r a t i o no ft h ee q u i p m e n ti n d i c a t ei tw o r ks m o o t h l ya n di t so u t p u t s p e e d i ss t a b i l i t y k e yw o r d s ：s u r f a c er o l l - p r e s s ；m o d e mt i m e sd e s i g n ；o p t i m i z a t i o nd e s i g n ； i n t e n s i t ya n a l y s i s ；m o d ea n a l y s i s v 广西大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取得的 成果和相关知识产权属广西大学所有，本人保证不以其它单位为第一署名单位 发表或使用本论文的研究内容。除已注明部分外，论文中不包含其他人已经发 表过的研究成果，也不包含本人为获得其它学位而使用过的内容。对本文的研 究工作提供过重要帮助的个人和集体，均已在论文中明确说明并致谢。 论文作者签名：割饮 0 即) 年多月咎日 学位论文使用授权说明 本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即： 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本： 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务 学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文； 在不以赢利为目的的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 请选择发布时间： 回即时发布口解密后发布 ( 保密论文需注明，并在解密后遵守此规定) 论文作者签名：翻佼导师签妒芝秒妒月步日 j 。西大掌硬士尊啦论文 金属材察l 裹层滚冉澈备的研制 1 1 引言 第一章绪论 随着现代科学技术的发展，对金属材料使用性能的要求越来越高，传统金属材料性 能的不断改善和发掘，是人们普遍关心的热点问题之一。 在金属材料的各种强韧化方法中，细晶强化是为数不多的能够在提高强度的同时又 可以改善韧性的方法之一i ，因此，晶粒细化技术受到大多数材料工作者的关注，他们 做出了大量的工作，进行了深入的研究，取得了丰硕的成果 2 - 4 1 。 已经开展的研究和所取得的成果表明，某些超细晶材料具有强度高、抗腐蚀性能及 耐磨性能强、低温力学性能好、高温超塑性优良等特性，能有效阻碍裂纹萌生及其扩展， 可广泛应用于航空、航天，汽车、机械、电器、医疗和功能材料等领域。超细晶金属材 料的研究代表了目前现代材料研究的重要方向之一1 5 】。 1 2 材料整体晶粒细化技术的研究进展 1 2 1 热机械控制轧制技术 热机械控制轧制o m c p ) 处理是钢板生产中日臻成熟的晶粒细化技术，这项技术可 使低碳钢板中的铁素体晶粒达到1 0 - t l l l m l l l 。新日铁最近开发出新型t m c p 工艺并成功 应用于制造出具有表层超细铁素体晶粒的厚钢板( s u f 钢板) 。这种钢板的抗裂纹扩展能 力强、低温韧性优异。 1 2 2 强烈塑性变形技术 强烈塑性变形( s p d ) 方法是使材料品粒细化的重要途径，这一方法可使金属材料的 晶粒细化至亚微米级o t u n - - l o o n m ) ，这种方法的代表性技术有扭转变形( h i g hp r e s s u r e t o r s i o n ) 技术、等通道转角挤压 u a lc h a n n e la n g u l a rp r e s s i n g ，简称e c a p ) 技术、连续 循环弯曲剪切( c o n t i n u o u sc y c l eb e n d i n g ) 技术、多道次等温锻造( m u l t i p l e - s t e pi s o t h e r m a l f o r g i n g ) 技术、轧制( r o u i n g ) 技术等f 5 棚。 广西，翻# 目| 士掌位论文 童属材辑表层蔫【压设备的研制 e c a p 技术是目前制备大块超细晶金属材料的最有效途径之一，在超细晶金属材料 的研究中发挥了巨大的作用。该技术是在一个特别设计的模具中进行，模具的两个横截 面形状完全相同、通道以一定角度相互交叉，材料在挤压力作用下通过通道，在通道转 角处产生大量的纯剪切变形，经过反复多次往返挤压，使被挤压金属材料的晶粒得到细 化 9 1 。 图l - l 为这一技术的原理示意图。这一技术目前可使铝，铜等金属材料的晶粒平均 尺寸均小于l l t m 9 1 。 应变区 图1 - 1e c a p 处理原理示意图 f i g 1 - ie c a pp r i n c i p l e 此外，日本研究者发明的累积叠轧焊( j u m ) 法可使一些强度较低的金属材料晶粒尺 寸减小到5 0 0 r i m 以下。 不对称轧制技术也可以使金属的组织得到更加明显的细化。不对称轧制，由于存在 搓轧区，使得材料在轧制时产生包括剪切在内的剧烈塑性变形，从而使材料的晶粒得到 细化。图l 一2 ( a ) 、( b ) 、( c ) ，图l 一3 ( a ) 、 及图l 一4 ，它们都说明了不对称轧制能够 使晶粒得到细化【l o i 2 ，。西，o # 习扛b 曹h 芷论文金属材辑表层葺l 压设备的习f 制 ，异径比为1 ：( b ) 异径比为1 3 3 ：c 异径比为1 5 4 固1 2 不同异径比下，以2 0 压下率冷轧后试样的晶粒照片【l o l f i g ! - 2m a c r o s t r u c m mo f 2 0 r o l l e dp i e c ef o rd i f f e r e n tr a i l e rd i a m e t e rr a t i o 异径比为1 ；b ) 异径比为1 - 3 3 图i - 3 不同异径比下，以3 7 压下率冷轧后试样的晶粒照片【1 0 1 f i g 1 3m m s ! f i i c 衄o f3 7 r o i l e dp i e c ef o r d i f f e r e n tr a i l e rd i a m e t e rr a t i o 广西大掌硕士掌位论文金属材料表昙舞u e 设鲁的习h 触 ， 图1 4 不对称变形区示意图 f i g i - 4d e f o r m a t i o nz o n eo f a s y m m e t r i c a l l yr o l l i n g 1 0 1 1 2 3 材料的纳米化技术 目前，人们对纳米材料产生了浓厚的兴趣，相关研究得到了广泛的深入。人们采用 机械研磨法、非晶晶化法、电解沉积法、强烈塑性变形法等多种方法已制备出多种纳米 粉体材料和纳米块体材料，通过现代测试系统和技术，对纳米材料表征的认识越来越深 刻【1 1 嘲。 1 3 材料表面晶粒细化技术的研究进展 材料表面超细化、表面纳米化处理不但可以大幅度提高块体材料的表面硬度、增强 耐磨性、改善疲劳性能，而且可以显著提高表面层的纳米组织化学反应活性，使表面化 学热处理温度下降【凇。 目前，已经广泛提出了多种表面改性技术，如喷丸、电镀、喷涂、气象沉积( p v d 、 c v d ) 、激光处理和表面化学处理等，这些技术通过材料表面组织结构的改善极大地提 高了材料的服役行为，在工业上取得了广泛的应用 2 2 - 2 6 。 在块状粗晶粒材料上获得纳米结构表层有三种基本方式 2 7 - 2 8 ：表面涂层或沉积、表 面自身纳米化和混合方式。 4 ，百，矗弗司e t 掌位论文金属材肆表层爿l 压设鲁的研制 ( a 渐涂层或沉积 表面自身纳米化，( c ) 混合方式 图l - 5 表面纳来化的三种基本方式阎 f 嘻1 - 5s c h e m a t i ci l l u s t r a t i o no f t h r e et y p e so f s u r f a c en a n o c o , s t a l l i z a t i o n ( a ) z f a c ec o a t i n go rd e p o s i o n ( b y s u r f a c cs e l f - n a n o c r y s t a l l i z a t i o n ( c ) h y b r i ds u r f a n a n o c w s t a l l i z a t i o n ( 1 ) 表面涂层或沉积 首先制备出具有纳米尺度的颗粒，再将这些颗粒固结在材料的表面，在材料上形成 一个与基体化学成分相同( 或不同) 的纳米结构表层。这种材料的主要特征是：纳米结构 表层内的晶粒大小比较均匀，表层与基体之间存在着明显的界面，材料的外形尺寸与处 理前相比有所增加，图1 5 ( a ) 。 ( 2 ) 表面自身纳米化。 对于多晶材料，采用非平衡处理方法增加材料表面的自由能，使粗晶组织逐渐细化 至纳米量级圆。这种材料的主要特征是：晶粒尺寸沿厚度方向逐渐增大，纳米结构表层 与基体之间不存在界面，与处理前相比，材料的外形尺寸基本不变，图l - 5 ( b ) 由非平衡过程实现表面纳米化主要有两种方法：表面机械加工处理法和非平衡熟力 学法 表面机械加工处理法：在外加载荷的反复作用下，材料表面的粗晶组织通过不同方 向产生的强烈塑性变形，迸而逐渐细化至纳米量级。总体来说，能够使材料表面产生局 部往复强烈塑性变形的表面处理技术都具有实现表面纳米化的潜力，其中比较成功的方 法有：表面机械研磨( 也被称为超声喷丸法或者高能喷丸法) ；球磨法；高能表面处理技 术等【2 n 高能表面处理( h i g h - p o w e rs u r f a c ep r o c e s s i n g ，h p s p ) 技术在原理上与表面机械研磨方 法和球磨方法相似，都是通过外力导致表面产生强烈塑性变形的原理。高能表面处理技 术与表面机械研磨方法更相似，都是颗粒按照设定的参数与样品表面发生碰撞。两者的 不同之处在于：高能表面处理技术中使用的颗粒比超声喷丸方法中使用的颗粒更小：高 s 童属材# 裹层藏压设名r 的研制 能表面处理技术要求颗粒的速度是超音速，而超声喷丸方法要求颗粒的振动频率为超声 频率 ” 近年来已有文献 参见3 1 3 3 】报道在不同金属表面上采用高能喷丸方法成功制备出 纳米晶结构层以及表面纳米晶结构层组织转变的研究进展。所研究的金属包括纯铁p 、 3 1 6 不锈钢、低碳钢【3 2 】以及有色金属【3 3 l 等。 ( 3 ) 混合方式 将表面纳米化技术与化学处理相结合，在纳米结构表层形成过程中或在形成后，对 材料进行化学处理，此时在材料的表层形成了与基体成分不同的固溶体或化合物，见图 l 5 ( c ) 由于表面机械加工处理法在工业上的应用不存在明显的技术障碍。并且由于材料的 组织沿厚度方向呈梯度变化，在使用过程不会发生剥层和分离。因此，目前的表面纳米 化研究多数集中在表面机械加工处理产生表面自身纳米化刚。 2 0 0 0 年，国际纳米材料大会上，中国科学院金属研究所卢柯博士领导的研究小组提 出的结构材料表面纳米晶化被认为是最有可能在结构材料上取得突破的纳米技术之一。 对金属材料表面进行机械变形纳米化处理后，可显著降低材料的氮化温度 3 5 - 3 9 1 4 现代设计理论与设计方法概论 现代设计方法实质上是科学方法论在设计中的应用。它是以满足市场产品的质量、 性能、时间、成本、价格等综合效益最优为目的，以计算机辅助设计技术为主体，以知 识为依托，以多种科学方法及技术为手段，研究、改进、创造产品活动过程所用到的技 术群体的总称 4 0 t 。为了寻求保证设计质量、加快设计速度、避免和减少设计失误的方法 和措施，并适应科学技术的发展需要、使设计工作现代化，因此产生了现代设计方法。 现代设计理论与设计方法主要有下列特点1 4 1 l ：系统性；社会性：创造性：宜人性； 最优化；动态化；设计过程智能化；设计手段的计算机化和数字化；设计和制造一体化。 现代设计理论与设计方法不仅指设计方法的更新，也包含了新技术的引入和产品的 创新。目前现代设计方法所指的新兴理论与方法主要包括： 1 ) 信息论方法，如信息分析法、技术预测法等。它是现代设计方法的前提； 2 ) 系统论方法，如系统分析法、人机工程以及面向产品生命周期中各个阶段( 如设计、 6 ，1 旷大擘啁| 士掣啦论文 金属材料襄层聋睚设- t 的习h 目 制造、使用、回收处理等) 的设计； 3 ) 控制论方法，如动态分析法等； 4 溉化论方法，它是现代设计方法的目标； 优化方法【4 2 l 不仅用于产品结构的设计、工艺方案的选择，也用于运输路线的确定等。 机械优化设计包括建立优化设计问题的数学模型和选择恰当的优化方法与程序。机 械优化设计是应用数学方法寻求机械设计的最优方案，所以首先要根据实际的需要应用 专业知识确定设计的限制条件和所追求的目标，确立设计变量之间的相互关系等。机械 优化设计问题的数学模型可以是解析式、试验数据或经验公式。虽然它们给出的形式不 同，但都反映了设计变量之间的数量关系。 5 ) 对应论方法，如相似设计、反求工程设计等； 6 ) 智能论方法，如c a d ，c a e 、并行工程、虚拟设计、人工智能( 主要是专家系统) 等。它是现代设计方法的核心； 7 ) 寿命论方法，如可靠性设计、价值工程和稳定性设计等； 8 ) 离散论方法。如有限元和边界元方法： 有限元分析方法是随着电子计算机的发展而迅速发展起来的一种现代设计计算方 法它是2 0 世纪5 0 年代首先在连续体力学领域一飞机结构静、动态特性分析中应用的 一种有效的数值分析方法，随后很快就广泛的应用于求解热传导、电磁场、流体力学等 连续性问题。 9 ) 突变论方法，如模糊评价和决策等； 1 0 ) 艺术论方法，如艺术造型等 以有限元法在现代设计方法当中的应用为具体实例。有限元法不仅可以求解结构体 的位移和应力，还可以对结构进行稳定性分析和动力学分析，求解出结构的自激振动频 率、振型等动力响应，以及动变形和动应力等。近年来，有限元分析软件( 如a n s y s 软 件等) 得到了蓬勃发展。这些软件带有功能强大的前处理( 自动生成单元网格、形成输入 数据文件) 和后处理( 显示计算结果、绘制变形图、等值线图、振型图并可动态显示结构 的动力响应等) 程序。由于有限元通用程序使用方便，计算精度高，其计算结果已成为 各类机电产品设计和性能分析的可靠依据。 具体针对予本文来说，设备设计当中将优化设计、可靠性设计、设计方法学、计算 机辅助设计、动态设计、有限元法、工业艺术造型设计、价值工程、模块化设计、相似 性设计以及绿色设计等方法进行合理的运用，以科学、现代的方法指导设备的设计。 7 | r l r 大掌司仕譬啦论文童属材辑表屡爿l 匪设备的研制 1 5 课题来源及主要研究内容 本课题来源于广西自然基金“变形铝合金表面晶粒超细化的研究”项目。为使这一 项耳能够系统、深入地开展下去，制备出表面具有超细晶粒的金属材料是这项工作得以 迸行的基础，因此，自行研发一台能够使金属材料表面晶粒细化的设备至关重要。本着 这一目的，本文旨在设计、制造能够对铝合金或其它金属材料表面施以大应变、多次塑 性变形从而使金属材料表面产生强烈塑性变形的表面滚压设备。 本文主要研究内容如下： 1 设备结构方案的制定。设备设计前期，设计设备实现所需功能的功能模块f 4 3 】，对 每一功能模块进行具体分析，将设备所需具备的功能分解为不同的、有利于产品设计制 造及装配的许多模块，并在满足要求的基础之上，尽可能使产品精度高、性能稳定、结 构简单、成本低廉，且模块结构尽量简单、规范。按照这些模块进行选择和组合，整理 出设备的设计思路，最后确定出设备的最终设计方案； 2 设备设计方案的确定。依次对前期各个设计方案进行筛选之后运用有限元 a n s y s 软件进行静力学分析、动态特性分析，以及采用优化设计方法，以数学规划理 论为基础，以计算机为辅助工具。将设计问题按规定的格式建立数学模型，并选择合适 的优化算法，之后编制计算机程序，然后通过计算机获得最优设计方案，最终确定出设 备的设计方案； 3 设备制作工艺的确定。确定设备的设计方案后，对具体的加工工艺做出明确的规 定，以定性的指导之后设备的顺利制作； 4 设备性能参数的测定。通过性能参数系统的设计，设计压力传感器及数显表装置， 设计速度数显表装置，以此来准确、实时的记录设备的运行工况。 1 6 课题研究意义 近年来：a l m g 合金的晶粒细化工艺、低温与高温变形、超塑性等都得到了大量的 研究，我国把开发a 1 m g 合金材料列为重点开发的高新技术产业之一 高速滚压技术可使材料表面产生大应变、多次塑性变形，进而使铝合金表面获得亚 微米甚至纳米尺度的超细小晶粒。当前，将高速滚压技术应用于金属材料表面的晶粒超 3 r 1 ，大掣嘎士学位论文 童属材j 件表层滚压设备的研制 细化研究还不够深入，相关设备很少。因此，研制出速度和压力都能够保持恒定、且可 以连续可调的滚压设备，为深入研究材料表面超细晶组织与性能的关系提供了前提和基 础，对探索应用于工业化生产的铝合金表面纳米化方法具有重要的意义嗍。 9 ，百大擘q 甄士掌位讼! 文金属材料表层爿u 五舒t 畚的研制 第二章金属材料表层滚压设备的设计要求及方案 2 1 设备的性能指标要求 本文所承担的任务是设计、制造出用于滚压金属材料表面的设备，为接下来的课题 项目实验工作提供条件和基础。 根据课题要求，所设计设备应满足以下几项性能指标： ( 1 ) 能够对试样表面提供恒定压力，且压力大小连续可调： ( 2 ) 提供给试样表面的最大等效应力可达到7 5 0 m p a ； ( 3 ) 能够对试样表面提供恒定滚压速度。且滚压速度大小连续可调； ( 4 耀供给试样表面的最大滚压速度可达到1 0 k m h 。 2 2 设计指导思想和基本设计思路 现代设计是对过去长期的传统设计活动的延伸和发展，是对传统设计的深入、丰富 和完善。现代设计不仅指设计方法的更新，也包含了新技术的引入和产品的创新它是 随着当代科学技术的飞速发展和计算机技术的广泛应用而在设计领域发展起来的 自行研制滚压设备的设计指导思想是：运用现代设计理论和设计方法，在满足使用 要求的基础上尽可能做到产品精度高、性能稳定、结构简单、成本低廉、便于操作。 设计的基本思路是：采用模块化设计方法将产品设计任务转化为模块化产品方案。 根据设计要求迸行功能分析，合理创建出一组模块，同时使模块结构尽量简单、规范。 通过计算机辅助设计、工业造型设计、有限元法、虚拟设计、价值工程、优化设计等现 代设计方法的运用，确保所设计产品达到使用性能指标和经济性能指标。 运用计算机辅助设计方法确定出设备结构方案，结合工业造型设计方法使所设计产 品具备三维立体效果，使设计方案更加直观。 运用有限元方法，通过a n s y s 分析软件进行非线性分析，得到设备前期设计的最 基本设计参数：对设备进行结构静力分析及动态特性分析，使产品设计和生产得到优化。 价值工程是以功能分析为核心，以获得最优价值的一种设计方法。本文从用户需求 广西大掌q 【t ：掌位论文 金属丰r 料表层爿u e 设薯r 的习卜删 出发确保产品的必要功能，去除多余功能，调整过剩功能，增加必要功能，对成本构成 进行合理分析，从各方面探求降低成本的合理方法。 2 3 设备设计原理和功能模块的设计 2 3 1 轧制机械设计原理的启示 一般，金属通过两个旋转方向相反的轧辊时，在轧辊的压力作用下，使金属产生塑 性变形，从而改变其断面的形状和尺寸，这种工艺过程称为轧制被轧制的金属称为轧 件。 被轧件一般被看成是塑性体，当所受外力增加到某一极限时，开始产生塑性变形。 随着外力的继续增大，塑性变形不断增加。 轧钢机械或轧钢设备主要指完成由原料到成品整个轧钢工艺过程所使用的机械设 备一般包括轧钢机及一系列辅助设备组成的若干机组。通常把使轧件产生塑性变形的 机器称为轧钢机湖。 轧钢的主要目的是得到满足一定规格要求的型钢，其过程是通过调整压下量的大 小，在足够大的轧制力作用下，经过单道次或者多道次对钢锭或钢坯进行轧制，使被轧 件达到所要求的规格轧钢机对被轧件的轧制过程是使轧件整体都发生塑性变形的过 程在每道次的轧制过程中，轧制力数值从高到低逐渐递减。 通常，轧机的上下轧辊直径相等，转速相同，且均为主动辊，轧制过程对两个轧辊 完全对称，理论上讲，被轧件除受轧辊作用外，不受其他外力作用，轧件在入辊处和出 辊处速度均匀轧制过程是靠旋转的轧辊与轧件之间形成的摩擦力将轧件拖进辊缝之 间，并使之受到压缩产生塑性变形的过程，从表面上看，这是轧辊对被轧件的滚压过程。 轧制过程除使轧件获得一定形状和尺寸之外，还使组织和性能得到一定的改善。晶粒平 均尺寸的减小是轧制过程对组织改善的明显特征，现代轧机可以对被轧件实现较高速度 的轧制。 自行研制的实验室用表面滚压设备希望对被滚压材料实现多道次的滚压，目的是使 被滚压材料表面反复产生强烈的塑性变形，进而达到细化表面晶粒的目的。因此。轧机 的某些设计思想可以被运用到金属材料表面滚压设备的研发设计当中。 ，西大掌硕士掌位论文金属材料表层蔫睚设备的司h 融 2 3 2 自行设计表面滚压设备的工作原理 依据设备的性能指标要求，针对本文所设计的金属表层滚压设备( 以下简称设备) ， 在对试样进行滚压过程中，需能够实现以下功能： ( 1 ) 对试样施加滚压力恒定，且大小连续可调： ( 2 ) 对试样滚压速度恒定，且大小连续可调； ( 3 ) 实现对试样的多道次、高速、连续滚压。 对比以上轧钢机械和自行设计设备的工作原理可以看出，轧钢机械生产当中一项重 要的指标是轧件变形量的大小，生产中通过指定轧件变形量的大小来进行生产，在单道 次的轧制过程当中，轧制力的大小是不恒定的。我们借鉴轧钢机械中轧辊对轧件的轧压 方法以及使轧件产生塑性变形的工作原理，来制定滚压设备的设计方案。 2 3 3 功能模块卜一设备施力系统 本设备最基本的功能就是对金属材料表面进行滚压。这一功能可以通过设备的旌力 系统模块来实现。 设备施力系统模块中包括滚压力的来源方式和滚压力对试样的施加方式两个部分。 在滚压力来源方式的设计中，选择液压传动系统作为该设备施力系统的核心部件 嘲。液压传动方式与其他传动控制方式相比，其传动能力及控制能力强，结构简单、紧 凑，动态响应快，便于大范围无级调速，易于自动控制及机电一体化，易于实现过载保 护，具有标准化、系列化、通用化程度高等技术优势。液压传动已成为现代机械装备中 传动与控制的重要技术手段及关键技术之一m 。 液压控制阀按功能分为压力控制阀、流量控制阀和方向控制阀。显然，根据设备的 功能需要，设计中应选用压力控制阀。 压力控制阀的功用是控制液压系统中的油液压力，以满足执行器对输出力、输出转 矩及运动状态的不同需求压力阀按功能和用途可分为溢流阀、减压阀、顺序阀、平衡 阀等。它们的共同特点是利用液压力和弹簧力的平衡原理进行工作，调节弹簧的预压缩 量( 预调力) 即可获得不同的控制压力 压力控制阀中溢流阀的主要用途是通过阀口的溢流，使被控系统或回路的压力维持 恒定，实现调压、稳压或限压( 防止过载) 功能。溢流阀最主要功能是定压溢流。在定量 液压泵与流量阀( 节流阀或调速阀) 组成的串联( 进油或回油) 节流调速液压系统中，将溢 流阀并联在泵的出口处，作为主油路的旁路，与泵一起组成恒压液压源。溢流阀按其工 广西大掌司睦掣啦论文 金属材稗裹层滚压设备的研制 作原理的不同，分为直动式和先导式两类，统称为普通溢流阀。 使用溢流阀的主要目的是期望将系统压力保持在所调定的压力值，但由于通过溢流 阀的流量的变化将引起阀的开度、调压弹簧的压缩量的变化，故液动力及弹簧力都会发 生变化，阀在稳态时的被控压力也将有所变动。溢流阀的定压精度常用流量一压力特性 的品质进行评价。溢流阀的流量一压力特性又称为启闭特性，即开启特性与闭合特性的 统称，它是溢流阀最主要的静态特性在相同的调定压力和流量变化下，先导式溢流阀 的启闭特性比直动式溢流阀的启闭特性好，即定压精度远优于直动式溢流阀闱。 除溢流阀具备定压功能外，电液伺服控制阀也可以实现对液压系统执行器位移( 或 转速) 、速度( 或角速度) 、加速度( 或角加速度) 和力( 或转矩) 的控制。它是一种自动控制 阀。电液伺服阀由于其高精度和快速控制能力也广泛应用于工业设备中，尤其是系统要 求较高的动态响应等场合。这种阀反应迅速，对压力的控制波动非常小。 此外还有电液比例控制阀( 简称比例阀) ，它是介于普通液压阀和电液伺服阀之间的 一种液压控制阀。与电液伺服阀的功能类似。它也可以实现对液压系统执行器位移( 或 转速) 、速度( 或角速度) 、加速度( 或角加速度) 和力( 或转矩) 的控制其中的先导式电液 比例溢流阀，除具备与普通先导式溢流阀的功用基本相同之外，压力稳定性更优于普通 溢流阀。 电液伺服控制阀及电液比例控制阀可以在恒压稳定性方面更优于溢流阀，但是从产 品成本角度出发，一般先导式溢流阀的价格约为4 0 0 8 0 0 元，比例阀价格约为普通阀 的3 6 倍，伺服阀的价格约为普通阀的l o 倍以上。从设备用于实验室测试的角度出发， 先导式溢流阀的稳压波动范围已经可以满足于后期实验室测试，所以设备施力系统最终 选用先导式溢流阀。 该施力系统模块当中包括有如下的几项元件：先导式溢流阀、电磁换向阀、液压油 泵及油缸。 本文设备预采用的液压系统工作原理见图2 1 。 ，1 f 大掣嘎叵士掌位论文 蕾 疆材辑表屡蔫l 匪设4 t - 的司f 制 两 图2 - 1 液压系统工作原理图 f i g 2 1p r i n c i p l eo f h y d r a u l i cs y s t e m 设备滚压力对试样的施加方式，采用上、下辊对滚试样的滚压方式来完成对试样的 滚压根据参考文献【l o 】中不对称轧制方面的研究成果，拟将设备中对试样旖加力的两 个工作辊c 上、下辊) 设计为不对称异径辊 2 3 4 功能模块2 一一速度传动系统 为实现设备能够在不同速度条件下对试样进行滚压，要求该设备对试样的滚压速度 稳定且大小连续可调。y c t 系列电动机( 即异步电磁调速电动机) 由y 系列电动机、电磁 转差离合器、测速发电机和电气控制装置组成的调速驱动系统，能在较大的速度范围内 进行平滑无极调速，广泛应用于恒转矩无极调速的各种机械设备上。 y c t 系列电动机1 4 8 j 是y 系列电动杌的派生产品，是取代j z t 系列电磁调速电动机 的更新换代产品。是一种恒转矩无极调速电动机，具有结构简单、控制功率小、调速范 围广等特点。调速比为i ：2 l ：1 0 ；转速变化精度可达到 3 ，与j z t 系列电动机 相比，1 5 k w 及以下规格的效率提高了3 4 ，1 7 k w 以上规格的效率提高了7 8 。 拖动异步电动机凭借端盖上的凸缘装于离合器的机座上而联成一体，测速发电机与调速 1 4 r 。薯虫焉瞄i t 士鸯q t 旗：戈 童属材料表屡鼻l 匪设鲁的研制 电动机输出轴共轴。 y c t 系列电磁调速三相异步电动机可以满足设备的调速功能，故设计当中选用该系 歹盯电机。 2 3 5 功能模块3 一一试样夹持系统 如选用板材状试样，在高速滚压的情况下，设备实现对其反复的连续滚压存在一定 的复杂性。在试样进入设备滚压辊之前及离开滚压辊之后，都应该有相应配套的喂料装 置及导料装置，如应用于可逆式或不可逆式冷轧钢板生产线当中的卷板机【4 9 】显然，这 些辅助设旌对于设备的各种性能指标的实现至关重要，需综合考虑，多种因素兼顾。 卷板机在卷板过程中，板带卷直径在不断变化，这就引起卷取速度的不断变化。为 了使卷取速度与滚压速度相适应，同时需保持板材滚压速度恒定，此时则要求卷取机的 转速可调，且调速范围应适合滚压速度和带卷直径变化，为此，需配置如调速电机等自 动控制装置，以保证卷取机与工作辊的滚压速度同步，否则出现任何的异步现象对于被 滚压试样的光滑表面都会造成破坏性的影响。 除此之外，为使设备实现对试样的连续滚压功能，这就要求设备的工作辊处于反复 的正反转工作状态。在较高速滚压情况之下( 速度可以达到l o k m h ，即2 7 8 m s ，甚至更 高) ，进行正反转的动作交替，这将极大的影响电机、减速器等部件的使用寿命，甚至 使这些部件损毁。 除此之外，如果希望通过增加试样长度来延长电机正反转的循环周期，那么在循环 周期有所延长的同时，也会大幅度的提高试样的材料成本 如果设备能够做到在上述高速滚压状态下对板状试样进行正反程连续滚压，还应该 注意到在整个的滚压过程当中，电机速度不断在零一启车一加速达到预定速度一减速一 回到零速一反转启车一反转加速到预定速度一减速一回到零速这个过程当中反复，这就 难以保证在整个试样表面的每一点处都受到相同速度的滚压，对于这样滚压出来的试 样，后期是难以用于实验室测试的。所以针对滚压板状试样，在设备的夹持系统设计中 必须妥善处理上述的问题 将板状试样首尾连接，变成环状，就可以在双辊滚压系统当中较为容易的实现连续、 高速的多道次滚压。 基于以上考虑，选择圆柱状试样无疑是一个经济、可行的方案，因此，我们将围绕 圆柱状试样展开设备试样夹持系统的设计。 广曹大掣嘎肾士掌位论文 童属材抖表层彝【匿设备的研制 2 4 设备结构方案的确定 分别将之前建立的各功能模块进行合理组合，同时兼顾设备的性能要求，依次产生 了如下几种结构方案，再分别从这些方案中选择最合理的方案作为本文设备的最终结构 方案，并在满足要求的基础上尽量做到使设备精度高、性能稳定、结构简单、成本低廉。 2 4 - l 设备结构方案一单辊碾盘式滚压机 方案一的基本结构如下图2 - 2 所示 图2 - 2 方案一：单辊碾盘式滚压机 v i g 2 - 2 p r o j e c t n o 1 ：l - r o l l e r m o d e lr o l l i n g e q u i p m e n t 设计思路来源于碾辊碾磨谷物这个生活用品原型参照图2 - 2 ，碾辊绕图中立轴旋 转的同时，也在绕自身轴自转。从理论上分析，在每一瞬时，碾辊与碾盘的各个接触点 上，如果有任何一处出现对应点的线速度不一致，都会在两者之间出现异步现象，即出 现了碾辊在碾盘表面的搓滑。如果这种搓滑现象发生在对试样的滚压当中，则将使试样 表面产生滑痕，甚至会产生碎屑等杂质覆盖于被滚压表面，在此情况之下，试样表面被 刮伤，破坏了试样表面的光洁度，从而无法得到我们所预期的试样。 针对于本文设备的设计，必须要求碾辊与碾盘( 被滚压试样) 之间的相互运动为纯滚 动。要解决上述问题，具体方法可以借鉴圆锥齿轮之间的啮合原理。如果一对圆锥齿轮 1 6 j 西大掌硕士掌位能汶 金属材料寰层翻u e 设鲁的习h 鲫 实现了平稳啮合，这就相当于实现了两锥齿轮之间的纯滚动。因此应该按照以上思路来 设计设备碾辊。而不能够盲目的将碾辊设计成圆柱体或者任意的锥形体。在图2 - 2 中的 设计方案当中，其碾辊的设计形状应该遵循以下具体要求，从定量的角度来说，当 譬：当时，即可实现碾辊在碾盘状试样表面作纯