（机械设计及理论专业论文）管坯三辊行星旋轧变形机理研究.pdf

t h er e s e a r c ho nd i s t o r t i o nm e c h a n i s mo f t h r e e - - r o l lr o t a r y r o l l i n gm i l lf o rp i p ef l a n s b yc h e ng u o q i n g s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rw a n gb i n g d e n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u n e2 0 0 8 扣厦1 ， 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 1 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过 的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢 = 匕 思。 学位论文作者签名：鸺、i 两认 日 期：乒一口8 孕o ) i a o ；n 、 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校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。本人同意东北大学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、交流。 、 t 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 半年口一年口一年半口两年日 学位论文作者签名：僻la 职 签字日期：钞p j 。7 闩。，) f 岔 导师签名：3 吹两z 忽导师签名： 也k 忏j 心 签字日期： j 参、。1 7 、d 了 i l 东北大学硕士毕业论文 摘要 管坯三辊行星旋轧变形机理研究 摘要 连铸管坯行星旋轧工艺是铜管短流程加工中一项关键技术，近年来逐步代替了挤压 工艺，生产效率因而极大提高，产品质量优良、稳定。然而，其模具及工艺设计主要建 立在有限的经验及试错的基础上，生产调试周期长、费用高，产品的性能和缺陷不能控 制。生产的稳定性和工艺参数的调整、选择都有待进一步探讨。 为了改善三辊行星轧机铜合金旋轧的性能和提高旋轧的效率。本文首先介绍三辊行 星轧机的结构、轧制原理及其运动情况。在此基础上，对三辊行星车l s t j 工艺进行了有限 元分析，建立一个行星轧制轧机的基本几何模型，使用三维的弹塑性有限元分析这种轧 制工艺的变形特点和管坯的应力和应变分布。通过有限元模拟，得出了轧制工艺参数对 旋轧成形的影响规律。随后，用塑性泥对铜合金旋轧过程进行物理模拟，采用正交试验 方法进行了三辊行星旋轧正交模拟试验，借助极差分析方法研究了旋轧的工艺参数( 轧 辊偏转危、轧辊转速、轧辊摩擦系数和塑性泥的初始温度) 对塑性泥旋轧后螺旋线螺距 的影响。试验结果表明：轧辊的偏转角在7 。的情况下加工效果明显改善；轧辊的转速 越高，加工效果越好，但效果改善不是很明显；轧辊的摩擦系数和塑性泥的初始温度对 旋轧效果影响程度大，因此轧辊不易磨损过多，坯料的初始温度尽可能高些。合理选择 工艺参数组合，可以有效地提高三辊行星铜合金旋轧效果。 关键词：三辊行星试验轧机；有限元；轧辊；正交试验；塑性泥 i i 东北大学硕士毕业论文 a b s t r a c t t h er e s e a r c ho nd i s t o r t i o nm e c h a n i s mo ft h r e e r o l lr o t a r yr o l l i n g m i l lf o rp i p ef l a n s a bs t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，p l a n e t a r yr o l l i n gp r o c e s s0 1 1c o n t i n o u sc a s t i n go fc o p p e rt u b eb i l l i e t ， w h i c hg r a d u a l l yr e p l a c e st h et r a d i o n a le x t r u s i o np r o c e s s ，i sa nc r i t i c a lt e c h n o l o g yo n s h o r t s t a g ep r o c e s so fc o p p e rt u b e ，t h u sp r o d u c t i o ne f f i c i e n c ym a x i m ab u m p ，p r o d u c tq u a l i t y f i t n e s s ，s t a b i l i z e d h o w e v e r , i t sd y i n ga n dp r o c e s s i n gm o s t l yr e s tu po nl i m i t e de x p e r i e n c ea n d h e u r i s t i cf o u n d a t i o n d e b u g g i n gc y c l el e n g t h ，o u t l a y , t h ep r o d u c tp e r f o r m a n c ea n dv i c eh a d n oc o n t r o l ，y i e l d i n gs t a b i l i t ya n dr a t eo ff i n i s h e dp r o d u c t si na d d i t i o nt r e a tr a m po u t i no r d e rt oi m p r o v et h ec o p p e ra l l o yr o t a t i n gp e r f o r m a n c eo ft h r e e r o l lr o t a r yr o l l i n gm i l la n dt h e e f f i c i e n c yo fr o t a t i n gm i l l i nt h i sp a p e r , f i r s t ，t h es t r u c t u r ep r i n c i p l ef o rt h et h r e e r o l l e rp l a n e t a r y m i l l ，t h er o l l i n gm e c h a n i s ma n dt h em o v e m e n ta r ei n t r o d u c e d m o r e o v e r , r e l a t i o nb e t w e e nt h e o f f s e ta n g l e 、t h ei n c l i n e da n g l ea n dr o l l i n gp r o c e s sa n dd i s t o r tc h a r a c t e r i s t i co fw o r k p i e c e w e r ed e t a i l e d l yd i s c u s s e d w h e r e a f t e r , t h i sp a p e ra l s oi sf o c u s e do nu s i n gt h ef i n i t ee l e m e n t m e t h o dt os i m u l a t ea n da n a l y z et h ep l a n e t a r yr o l l i n gp r o c e s s ab a s i cg e o m e t r i cm o d e lo ft h e p l a n e t a r yr o l l i n gm i l l t h a tc o n s i d e r sr o l lp r o f i l e sa n do f f s e ta n g l eo f t h er o l l sw a sc o n s t r u c t e d s u b s e q u e n t l y , p l a s t i cp u gi s u s e dt os i m u l a t et h ep r o c e s so fc o p p e ra l l o yr o t a r y , a l s oa no r t h o t r o p i c s i m u l a t i n ge x p e r i m e n to ft h r e e - r o l lp l a n e t a r ym i l li sp r o c e s s e db yo r t h o t r o p i ce x p e r i m e n t a lm e t h o d a r e s e a r c ha b o u tt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e np a r a m e t e r s ( d e f l e c t i n ga n g l eo f t h er o l l e r 、t h er o t a t i n gs p e e do f t h e r o l l e r 、t h ef r i c t i o nc o e f f i c i e n to ft h er o l l e r 、t h ei n i t i a lt e m p e r a t u r eo fp l a s t i cp u g ) o f r o t a t i n gp r o c e s sa n d t h e s c r e w - p i t c ho fp l a s t i cp u g t h er e s u l t so f t h ee x p e r i m e n ta r e 鹤f o l l o w s ：t h ee f f e c to fp r o d u c ti m p r o v e s g r e a t l yw h e nt h er o l l e rh a sa7 。d e f l e c t i n ga n g l e ；t h eh i g h e rt h er o t a t i n gs p e e do fr o l l e r , t h eb e t t e rt h e p r o c e s s i n ge f f e c t t h ef r i c t i o nc o e f f i c i e n to f t h em i l e ra n dt h ei n i t i a lt e m p e r a t u r eo fp l a s t i cp u gh a v eag r e a t e f f e c to nt h er o t a t i n gp r o c e s s ，s ol o w e rf r i c t i o nc o e f f i c i e n ta n dh i g h e ri n i t i a lt e m p e r a t u r ea r ed e m a n d e d k e y w o r d s ：t h r e e - r o l lp l a n e t a r ye x p e r i m e n t a lr o l l i n gm i l l ；f i n i t ee l e m e n t ；m i l e r ；o r t h o t r o p i ce x p e r i m e n t h i 东北大学硕士毕业论文目录 目录 独创性声明i 摘要。i i a b s t r a c t i i i 目录一 第1 章绪论1 1 1 引言1 1 2 三辊行星轧机基本原理与发展概况2 1 2 1 三辊行星轧机的结构和传动原理2 1 2 2 三辊行星轧机发展概况4 1 2 3 三辊行星轧机的优点5 1 3 三辊行星轧制国内外研究情况6 1 3 1 三辊行星轧机国内研究情况6 1 3 2 三辊行星轧机国外研究情况。6 1 4 课题来源、意义和主要研究内容。7 1 4 1 课题的来源和意义7 1 4 2 课题主要研究内容8 第2 章三辊行星轧机的结构特点及轧制原理9 2 1 三辊行星轧机的结构特点9 2 1 1 三辊行星轧机的结构9 2 1 2 三辊行星旋轧机的特点1 0 2 2 三辊行星轧机的轧制原理1 2 2 2 1 三辊行星轧机的基本原理1 2 2 2 2 三辊行星轧机的运动分析1 2 2 3 轧件不旋转的条件1 4 2 4 三辊行星轧机坯料变形特点及轧辊的特点1 5 2 4 1 坯料的纵向运动15 i v 东北大学硕士毕业论文 目录 2 4 2 三辊行星轧机坯料变形特点1 6 2 4 3 轧辊的特点。1 6 第3 章三辊行星旋轧有限元模型的建立与分析1 8 3 1 三辊行星旋轧空间结构1 8 3 2 建模软件简介1 9 3 2 1 有限元软件m s c m a r c 简介1 9 3 2 2 三辊行星旋轧机械运动的确定2 0 3 2 3 坯料和管材运动速度的确定。2 0 3 3 模拟参数的选择2 1 3 3 1 旋轧工艺参数及材料参数的确定2 1 3 4 有限元建模的关键问题2 3 3 4 1 坯料外形设计方法2 3 3 4 2 坯料单元划分方法2 3 3 4 3 轧辊模型的建立2 3 3 4 4 旋轧有限元模型建立。2 4 3 5 旋轧成形有限元模拟关键问题的处理2 5 3 5 1 摩擦边界条件的处理2 5 3 5 2 接触边界条件的处理。2 6 3 5 3 运动边界条件的处理2 7 3 5 4 热边界条件的处理2 8 3 6 影响旋轧成型的客观因素2 8 3 6 1 轧辊偏转角对铜合金旋轧成形的影响。2 8 3 6 2 轧辊转速对铜合会旋轧成形的影响。2 9 3 6 3 摩擦系数对铜合金旋轧成形的影响3 0 3 6 4 坯料预热对旋轧成形的影响3 1 3 7 三辊行星轧制变形规律模拟分析3 2 3 7 1 旋轧成形模拟坯料参数3 2 3 7 2 旋轧坯料三角形效应分析3 3 3 7 3 旋轧坯料受力分析。3 4 3 7 4 旋轧成形过程坯料运动轨迹3 6 第4 章三辊行星轧机轧制原理正交试验与分析。3 7 4 1 物理模拟试验准备工作。3 7 4 1 1 塑性泥的基本概况3 7 4 1 2 物理模拟。3 8 v 东北大学硕士毕业论文 目录 4 1 3 问题的提出3 8 4 1 4 用正交表来安排正交试验3 9 4 2 三辊行星轧机工艺参数的正交试验设计4 0 4 2 1 确定试验因素和水平。4 0 4 2 2 正交表的选择。4l 4 3 管坯三辊行星轧机塑性加工物理模拟试验4 2 4 3 1 试验目的4 2 4 3 2 试验中所需要得到的工艺参数的调整方法4 2 4 3 3 塑性泥加工过程和试验结果的记录。4 6 4 3 4 塑性泥变形过程的观察4 7 4 4 物理模拟正交试验结果的处理4 8 4 4 1 正交设计的初步分析极差分析4 8 4 4 2 塑性泥模拟结果与m a r c 软件对铜合金加工模拟结果的比较5 l 第5 章结论5 3 参考文献5 4 一 致谢5 7 v i 东北大学硕士毕业论文第1 章绪论 1 1 引言 第1 章绪论 $ l n 方法是金属材料成型的主要方法，轧制成形的金属是数量最大的金属材料制 品。冶炼钢的9 0 以上要经过s l * i j 工艺才能称为可用的钢材。上一世纪的后半叶，特别 是最后的2 0 多年，在相关学科和技术发展的基础上，轧制技术发展迅速，面貌日新月 异，逐渐形成了现代轧制工艺【l 】o 通过一定的生产流程，得到可以作为工业或工程中使用的金属材料，这个过程被称 作金属材料加工。材料加工是极其复杂的高温、动态和瞬时过程，生产中难以直接观察， 间接测试非常困难，对其工艺优化更加困难，因此需要进行材料加工工艺的物理模拟， 并对其结果加工处理，总结规律，把规律应用于实践。 随着生产、经济、技术的发展，在实际工作中，人们常常会遇到下面这样一些问题。 在安排生产计划方面，如何在现有的人力、物力等条件下，合理安排生产，使 总产值或总利润最高。 在生产工艺确定方面，如何在保证产品质量的前提下，选择合理的操作方式， 使操作费用最低。 在产品设计方面，如何选择参数使设计既满足要求成本又最低。 在配料方面，如何合理配料，在保证质量要求的前提下使成本最低。 诸如此类问题，都是工程应用中的最优化问题，它们的共同点都是从多个可能的方 案中选出最合理的、能实现预定最优目标的方案。长期以来，人们为了得到最优方案进 行了不断的研究和探索，以期望找到科学、合理的求解方法。 铜及其合金加工材在现代工业和科技发展中依然占据着重要地位，特别是铜管材的 应用范围越来越广。目前扩大产品品种，提高产品质量，已成为我国铜加工工业发展的 关键。但传统的铜管加工技术主要是实心铜坯铸造一管坯挤压开坯一轧制一拉伸，特点 是非连续作业，需二次加热，工艺流程长、生产效率低、产品质量不稳定口，3 1 。因而水 平连铸行星轧制方法成为铜管材加工的先进技术。三辊行星轧机又称p s w ( p l a n e t s c h r l i g ew a l z w e r k ) 轧机【4 】，p s w 按德文原意是“行星斜轧机 ，该轧机目前已成为铸轧 法( 水平连铸一行星轧制法) 加工铜管材的核心设备，也是最具代表性的铜管短流程加 工关键设备。 】 东北大学硕士毕业论文第l 章绪论 然而铜管轧制与材料变形行为之间的内在关系尚未得到揭示，目前还没 有将材料变形机理、温度变化和组织演变与旋轧工艺相结合的研究成果。原因是行星旋 轧工艺非常复杂、影响因素较多，对其坯料流动过程的研究难度很大。对坯料的变形规 律还没有清楚掌握，管坯在稳态时的变形热、温度场分布、应变分布、组织性能变化规 律以及旋轧过程中金属的流动特点还没有得到明确揭示。 行星旋轧变形复杂，依靠物理模拟和解析计算的方法可以了解旋轧变形规律。 本章重点综述三辊行星轧机旋轧成形技术的基本原理和研究概况、然后阐述本文的 课题来源、研究目的和意义，最后确定课题的研究内容和方法。 1 2 三辊行星轧机基本原理与发展概况 1 2 1 三辊行星轧机的结构和传动原理 三辊行星轧制一道次加工变形量高达9 0 以上，相当于8 道次普通轧制变形量，其 生产效率非常高，而且该工艺为冷轧成形，不需要加热。铜管轧制过程中，由于极大的 变形量和高摩擦功转变成大量的热量，使管坯温度升高到7 0 0 左右，管料发生了完全 动态再结晶，晶粒得到细化，轧制后的管料可以直接进行拉伸成形，不需要中间退火， 显著地简化了加工工艺。铸轧工艺连续性很强，与挤压工艺相比，更适合自动化连续生 产。 三辊行星轧机组成结构和传动原理复杂，主要包括大转盘、三个渐锥形的轧辊、芯 轴以及送料小车。如图1 1 所示【5 】。三个轧辊的轴线与管坯的轴线调整形成一个偏转角q 和倾斜角1 3 ，围绕管坯的轴线按1 2 0 0 平均分布，这样有利于管坯的旋转咬入。倾斜角为 轧件提供了径向的压力，使轧件发生径向的压缩变形。偏转角为轧件提供轴向向前的作 用力，使轧件向前运动。轧辊通过大转盘来定位，并且安装在大转盘上，大转盘与轧辊 旋转方向相同。大转盘的作用除了固定轧辊以外，主要是抵消工件在轧制过程中的扭转 变形，并防止轧出管的扭转，防止表面的划伤，保证轧管的质量，使三辊行星轧制可以 做连续轧制成形。三辊行星轧机的运动主要包括轧辊的自转、三个轧辊在大转盘转动的 带动下的公转、喂料小车推动管坯的轴向运动。管坯的运动特点是由入口时的旋转咬入 前进至出口时由于大转盘的平衡作用，而实现出口处轧管不发生转动。 2 东北大学硕士毕业论文第1 章绪论 副 轧辊 芯棒 坯料 图1 1 三辊行星轧机传动结构图 f i g 1 1c o n f i g u r a t i o no f t h r e e - r o l lp l a n e t a r yr o l l i n gm i l l 三辊行星轧制生产铜管材的工艺为：将电解铜板、返回废料和铜磷合金等原料经熔 炼、保温后，由水平连铸机组按照设定的铸造速度在引锭机的牵引下同时连续拉铸3 根 0 8 0 1 0 0 m m 的管坯，并锯切成1 3 m 定长。铣面后的连铸管坯在三辊行星轧管机上轧制 成0 4 6 5 0 2 - 3 m m 的管材，管坯变形率在9 0 以上。由于轧件变形迅速、变形率大，轧 制中产生的变形热使轧件在变形区内的温度迅速升高至7 0 0 c 左右，达到铜的再结晶温 度以上，管坯由铸状组织经轧辊碾压后破碎、动态再结晶后成为完全再结晶组织。在轧 制过程中对管坯内外表面进行氮气保护，在轧出端设置水冷装置，使轧出管坯晶粒细 小均匀、内外表面光亮无氧化，为后道拉伸工序提供高质量的管坯。三辊行星轧机轧辊 具有一定的偏转角和倾斜角，其中倾斜角和偏转角的作用如下： ( 1 ) 倾斜角p 的作用 倾斜角p 即轧辊与坯料间的夹角，一般选择倾斜角1 3 为5 0 0 - 5 5 0 ，可大幅度提高轧制 的断面减缩量，进行大变形轧制和轧薄壁管； 倾斜角b 增大，断面缩减量增大，坯料出口速度下降，轧制力下降。 ( 2 ) 偏转角0 【的作用 当铲0 时，轧件轴向速度为0 ，即v 。= 0 ，轧件无送进运动，原地旋转； 3 东北大学硕士毕业论文第1 章绪论 当幻时，轧件向前分力正比于s i n a 。 偏转角a 增加，轧辊与轧件接触面积增加，摩擦力增大，轧制成形力提高，轧机吨 位增大； 偏转角a 减小，则轧件向前分力减小，轧辊每旋转一圈，轧件的向前距离减小，同 时可以观察到轧件表面的轴向间距也减小，使轧件出口速度降低。因此在三辊行星轧制 过程中偏转角a 的合理选择和调整十分重要。 1 2 2 三辊行星轧机发展概况 ( 1 ) p s w 车l 机的发展过程 1 9 7 4 年，德国s c m o m e n - s i e m a g 公司进行样机实验【6 】。1 9 7 5 年，第一台p s w 轧机在原 联邦德国的h o e s c h 冶金厂投入运行。当时是将p s w 作为棒材机组的粗轧机使用的。1 9 7 7 年，瑞典h e l l e f o r s 的s k f 公司的一台p s w 投产。它被用作棒材和线材机组的粗轧设备， 主要用来轧制轴承钢。1 9 7 7 年至1 9 8 0 年，进行了将p s w 用于无缝钢管生产的一系列试验。 1 9 8 2 年，日本三洋特钢公司将一台p s w 用作半成品轧机，用来生产直径0 1 0 0 1 6 0m m 的 特殊钢圆棒。1 9 8 3 年，德国e s c h w e i l e r 钢管厂安装了一台轧制荒管的p s w 样机。不久采 用全连续p s w 生产管材的机组在美国投入运行。 在8 0 年代芬兰奥特昆普( o u t o k u m p u ) 公司研制开发了一种新型紫铜盘管开坯工艺： 水平连铸一行星轧管法( c o n t i n u o u sc a s t i n g & p l a n e t a r yr o l l i n g 法，即连铸空心坯料和行 星轧管，简称c & r 法) 。在此生产线上，铜管坯的减径减壁就是采用德国施罗曼一西马 克( s m s ) 公司研制的三辊行星轧机来实现的。p s w 轧机已经成为铜管铸轧生产线的核 心部分。1 9 9 2 年韩国l u c k y 金属公司首次在国际上采用c & r 技术进行铜管工业化生产， 行星旋轧开始真正应用到铜管材的加工生产之中。1 9 9 4 年新乡无氧铜材总厂( 后改制为 金龙精密集团铜管股份有限公司) 将该技术引入我国，极大地提高了铜管的加工效率， 使p s w 轧机在有色金属加工中应用更加深入。目前，中国已建立三十余条a c r 铜管生产 线。 在国内，p s w 轧机的理论研究和工业性生产也取得了很大的发展。1 9 7 8 年底，上 海冶金设计研究院研制成功三辊行星轧机的试验样机，证实了国外报道该轧机具有的特 点。1 9 8 0 年沈阳有色金属加工厂也研制出一台三辊行星实验轧机。随后上海第一铜棒厂 与上海冶金设计院研制的q ) 9 0 m m 的p s w 轧机用于黄铜的行星轧制开坯。在黑色金属加 工方面，主要有北京科技大学设计的s x 6 0 三辊行星轧机在郑州金属制品研究所获得实 4 东北大学硕士毕业论文第1 章绪论 验成功，充分证实了该类轧机的优点和可行性，也证实了我国设计制造p s w 车l 机的能力。 目前我国三辊行星轧机主要应用在有色金属加工生产之中。 ( 2 ) p s w 车l 机简介 三辊行星轧机是一种大压下量的管、棒材轧机。三辊行星轧机最早用于* l n 钢管和 钢棒材，由于其压缩率高达9 0 以上，操作简便，很快被利用到有色金属如铜材的加工 中来。三辊行星轧制的特点是轧件在前进过程中只作匀速直线运动，出口坯料不发生旋 转。由于铜有很好的延展性，这使p s w 轧机得以充分的发挥。p s w 轧机实现了一道次 可以完成传统二辊轧机6 8 道次的变形量，而且冷轧铜管后温度能升到7 0 0 左右，轧 后管坯发生完全再结晶，无需退火处理而直接拉拔。这大大提高了管坯加工速度，减少 设备的占地空间，从而节省资金和生产周期。p s w 轧机已经成为铜管铸轧生产线的核 心部分。在铜管坯行星轧制工序中，轧制开坯一次完成，但却能轧制出具有 再结晶等轴小晶粒、可直接供拉制用的管坯。这使铜管加工效率得到极大提 高，工艺流程更短。连铸连轧工艺是有色金属管类零件成形的最佳工艺之一，也是 第一种真正能够连续轧制的无缝管轧制工艺，具有变形量大、工艺流程短、制品质量和 性能稳定等诸多优点。研究结果证明，旋轧铜管与挤压铜管的最终铜管产品组织性能相 比，其质量不低于后者，旋轧铜管的质量比挤压铜管更稳定，更适合空调铜管的后续变 形和焊接加工，使用寿命也获得较大提高【_ 丌。 1 2 3 三辊行星轧机的优点 ( 1 ) 压下量大，高延伸率，这是三辊行星轧机的主要特点。变形程度高，断面加工 率可达9 0 以上； ( 2 ) 能自动咬入、不需要导向装置、设备负荷平稳、无冲击载荷；能改善产品质量。由 于大压下量使坯料原有的内部气孔，裂纹、疏松等缺陷压合，成品内部组织致密度显著 提高，纵横向晶粒明显细化： ( 3 ) 轧件不旋转或微转，轧机具有良好的连轧性能； ( 4 ) 三辊行星轧制工艺不需中间加热，因而能耗较低，与其它轧管工艺相比，三辊 行星轧机的投资费用和运行费用都较少，生产成本低； ( 5 ) 由于变形迅速、加工率大、表面摩擦强烈、内部塑性变形热累积量大，使变形 区的轧件温度升高，达到铜的再结晶温度以上。冷加工变成了热加工，改善了管坯的晶 粒度，轧后管坯的晶粒均匀细致，晶粒度为2 0 4 5 p j n ，轧件尺寸精度较高。 5 东北大学硕士毕业论文第1 章绪论 1 3 三辊行星轧制国内外研究情况 1 3 1 三辊行星轧机国内研究情况 p s w 轧机的工业应用引起了学者们的广泛关注。轧辊辊型是实现轧制过程，保证轧 件质量的重要工艺参数。目前，关于三辊行星轧机的轧辊辊型，对于轧制棒材时采用两 段式辊型变形段和精整段：轧制钢管材时采用三段式辊型一变形段、精整段和归圆段。 9 0 年代初期三辊行星轧制的理论研究集中于三辊行星轧管机( p s w ) 的结构和运 动特点的分析，建, 立y s l n 过程中轧辊的速度方程【8 】；通过平面断面假设对三辊行星轧 制力能参数进行理论推导计算【9 j 等。文献【1 0 j 论述了斜轧延伸轧管工艺的发展趋势。文 献【l l 】对三辊行星轧机的基本结构和工作原理及轧机的运动和结构参数进行了概况介绍。 在三辊行星轧机轧辊辊形设计方面，定义沿变形区纵向轧辊表面n s l 匍j 中心线的最短距 离的点的集合称为斜轧特征线，其距离值为斜轧特征值【1 2 1 ，它们的形态和几何工艺参数 密切相关，控制着每一个螺旋轧制周期的压下量，所以通过斜轧特征线的综合反映，可以 研究几何参数对压下量分布形态的影响。利用共轭曲面法可以建立p s w 轧机轧辊的不 干涉条件【1 3 1 ，该方法设计的轧辊可比一般不干涉条件下设计的轧辊直径增大1 5 2 0 ， 从而可以改善轧制工艺条件，对p s w 轧机本身的设计也有一定的意义。对于三辊行星 斜轧机力能参数也有学者进行计算和实验研列1 4 以6 】。对于三辊行星轧制过程中轧件的塑 性变形行为，可以通过流函数法进行计算【1 7 1 。利用塑性泥作为轧制实验原料对三辊行星 轧制棒材进行实验模拟，可以对比分析轧件变形尺寸、螺旋纹间距和偏转角度等对旋轧 棒材坯料的影响。铜管材三辊行星轧机芯棒运动的控制及管坯宏观组织有文献进行观测 分析【1 8 】。但对于三辊行星s l a i j 的研究主要集中在钢材，对于铜管坯三辊行星大变形轧制 过程仍需在理论和工艺上进行更深入的分析。 1 3 2 三辊行星轧机国外研究情况 在国外方面，在理论分析三辊行星轧制力和轧制功率的基础上，g a r m e r t l 9 1 进行了轧 制实验研究轧出预期管材。s i e b k e 等【2 0 】使用传统塑性理论分析了三辊行星s l n 的$ l n 力 和轧制功率，并做了轧制钢管的试验研究。a o y a g i 等【2 l 】观察了材料的流动、轧辊所受 的载荷、s l n 过程中在不同端面压缩率下轧辊的压力分布，以及研究了偏转角对轧件出 1 ：3 速度的影响。n i s h i o 等瞄】讨论了在不同偏转角和轧辊外形的轧制产品的质量特性。 6 东北大学硕士毕业论文第1 章绪论 a m m e r l i n g 2 3 ，2 4 】分析了三辊轧制技术在轧制特殊棒材产品上的应用。r e c a l c a t i 【2 5 】介绍了一种h r m 高减径行星轧机的设备。在h r m ( h i g hr e d u c t i o nm a c h i n eo f t h r e e r o l lp l a n e t a r y ：行星式三辊高断面缩减轧机) 方面，日本川崎重工以塑性泥完成了 刚塑性有限元模拟。a o y a g i 等t 2 6 j 贝t j 建立一个简化的h r m 轧机，并用特殊的石膏作为压 延材料，以实验方式探讨了三辊行星轧机材料变形、轧辊负荷和力矩，观测了不同断面 缩减率下材料流动、轧制力、轧制扭距和轧制过程中的压力分布。l a p o v o k 等【2 7 】使用半 对称实验原理，建立近似对称模型分析，研究稳态刚塑性流动规律，此方法可应用于螺 旋状三辊高压延轧机上。文献【2 8 】对于棒线材轧制用的三辊行星轧机轧制压力分布进行了 论述分析。国外对于三辊行星轧制的研究主要集中在钢材，时间上主要集中在二十世纪 9 0 年代，而对于铜管坯三辊行星大变形轧制过程相应研究文献很少，因此研究铜管坯三 辊行星轧制成形技术具有理论研究意义。 1 4 课题来源、意义和主要研究内容 1 4 i 课题的来源和意义 本课题隶属于2 0 0 6 年度河南省杰出青年基金项目( 项目编号：0 6 1 2 0 0 3 2 0 0 ) 和国 家自然基金资助项目( 项目编号：5 0 4 7 4 0 5 9 ) ：连铸铜管坯行星旋轧过程中的变形流线与 组织演变及参数调优技术。 铜及其合金加工材在现代工业和科技发展中依然占据着重要地位，特别是铜管材的 应用范围越来越广。目前扩大产品品种，提高产品质量，已成为我国铜加工工业发展的 关键口引。但传统的铜管加工技术主要是实心铜坯铸造一管坯挤压开坯一轧制拉伸，缺 点是非连续作业，需二次加热，工艺流程长、生产效率低、产品质量不稳定【2 9 3 们。现在， 水平连铸行星轧制方法是铜管材加工的先进技术，三辊行星轧机又是铸轧法加工铜管材 的核心设备，也是最具有代表性的铜管短流程加工关键设备。但是，三辊行星轧制主要 的工艺参数偏转角a 、自转速度和摩擦系数“与轧制力之间的映射关系并不是简单的 线性关系，实际生产中很难控制。为了减小轧制力，增大铜管的出口速度，对这三个工 艺参数进行优化是非常必要的，也具有重大的实际意义。 从铜管的实际生产上来讲，三辊行星轧制工艺参数物理模拟的应用价值主要体现 在： ( 1 ) 铜管在整个铜材的生产和消费中占有很大的比重，对其进行研究具有巨大的 7 ， 东北大学硕士毕业论文第1 章绪论 经济价值； ( 2 ) 空调及制冷行业的激烈竞争，要求空调和制冷设备的性能进一步提高，进而 对铜管产品的性能提出了更高的要求，迫使铜管生产厂家在轧制工艺上做出大的技术改 进； ( 3 ) 从工厂的生产实际来讲，铜管轧制工艺中还存在大量的技术问题急待解决， 如三辊行星轧制在模具和工艺设计等方面主要基于有限的经验和试错基础上，产品的组 织性能和工艺缺陷不能有效控制。要解决这些问题必须对现有轧制工艺做迸一步的研 究，优化和改进铜管轧制工艺，提高铜管产品的质量； ( 4 ) 在我国，对轧制工艺的改进大多凭经验，很大一部分的工艺参数是通过工业 实验得到的，即浪费大量的人力和物力，同时技术含量也不高。因此，对铜管进行深入 研究有很重要的实际意义。 1 4 2 课题主要研究内容 三辊行星轧制机构运转复杂，变形剧烈，是具有局部循环加载的复杂体积变形过程。 利用有限元模拟的方法对工艺参数进行模拟仿真可以大大减少生产实际过程中的反复 试验。本文以三辊行星轧制工艺为研究对象，通过有限元模拟来说明三辊行星旋轧工艺 参数( 轧辊偏转角、轧辊转速、轧辊摩擦系数和坯料的初始温度) 对旋轧的影响规律， 以及通过模拟分析坯料的变形规律和受力特点。随后，采用塑性泥为加工材料对铜合金 加工过程进行物理模拟正交试验，并且进行了塑性泥物理模拟试验结果与有限元模拟结 果的比较分析。 8 东北大学硕士学位论文第2 章三辊行星轧机的结构特点及轧制原理 第2 章三辊行星轧机的结构特点及轧制原理 2 1 三辊行星轧机的结构特点 2 1 1 三辊行星轧机的结构 如图2 1 所示三辊行星旋轧机主要由固定机架、太阳轮、运动回转大盘和三个以1 2 0 。 均布的轧辊、齿轮传动机构、中心润滑系统、送料机构( 未在图中示出) 等组成。其中 三个轧辊分别固定在三个斜轴上，行星轮系固定在三个传动轴上，斜轴和和传动轴通过 伞齿轮啮合分别装于三个轧辊架并周向以1 2 0 。固定在大盘上，三个行星轮和太阳轮在大 盘中啮合，坯料由中空的中心轴送入坯料中心置有芯棒，系统由主、副电机同时驱动。 副驱动主驱动 图2 1 轧机不葸图 f i g 2 1s c h e m a t i cd i a g r a mo f t h er o l l i n gm i l l 如图2 3 所示轧辊轴线与轧件轴线产生一个偏转角0 【，由于偏转角的存在，轧辊的斜面 在转动过程中产生种推力。a = o 无轧制能力，轧件原地打转，a o s l 件向前分力正比于 s i n g ，a 值大，轧制力大，电机需更大的功率，a 值小轧件向前分力小，轧辊每转一周向 9 东北大学硕士学位论文 第2 章三辊行星轧机的结构特点及轧制原理 前移动距离小。a 值在0 1 5 。之间。 如图2 2 所示轧辊轴线与水平面成一倾斜角d ，p 值大，轧辊受力大，压下量大，轧制 速度快；p 值小轧辊受力小，压下量小，轧制速度慢。现场轧机1 3 - - 5 3 。倾斜角和偏转角 是轧机的关键参数，对生产率，和轧制质量影响非常大。 图2 2 倾斜角1 3 f i g 2 2 i n c l i n e da n g l ep 2 1 2 三辊行星旋轧机的特点 图2 3 偏转角 o a r 2 3y r o a ( y l x r l o h o h i t r ( 1 ) 三辊行星旋轧机的优点【3 1 】 a 压下量大。一道次的延伸率可达1 5 ，相当于常规普通轧机7 8 道次，在轧制某 些塑性较好的有色金属时，其延伸率更大。 b 厶皂自动咬入，不需要导向装置，设备负荷平稳，无冲击载荷，轧制力小，噪音较 低。 c 能改善产品质量。由于大压下量使坯料原有的内部气孔裂纹、疏松等缺陷压合， 成品内部组织致密度显著提高，纵横向晶粒明显细化。 d 节省能源。由于大压下量变形，使轧件产生热量，轧制过程温降小，有时略有增 加，因而可降低坯料开轧温度，也有利于轧制可轧温度范围窄的特殊钢材。 e 车l 件在出口处不转，容易实现连续轧制。在实际轧制过程中，未出现人们担心的 未进入变形区轧件有较大的转动( 但轧件后部有时偶尔出现微弱的摆动) ，因而可采用 坯料头尾焊接，轧机中心导管内安装感应加热炉，实现无头轧制，提高盘重，增加经济 效益。 建设投资少，生产成本低。轧机结构紧凑，占地面积小，调整产品规格快、灵活 1o 东北大学硕士学位论文第2 章三辊行星轧机的结构特点及轧制原理 性强。很适合我国小型钢铁企业的技术改造，也适合于钢铁研究部门的试验轧钢厂，轧 制各种小批量用于测试材料性能的新型钢种。 还有其它一些优点例如噪音低、操作简单、设备及运行费用低、在能耗、水耗及噪 音级别等方面p s w 轧机均能满足环境保护的要求。 p s w 轧机可轧的金属材料品种很多几乎普通轧机能轧的材料，它均能轧制。 ( 2 ) 三辊行星旋轧机的缺点 三辊行星轧机同样存在许多不足之处。 a 效率低，即轧制速度低。理论上轧制速度可达i m l s ，但考虑到后面精整，一般实 际轧制速度在0 5 r n s 左右。这一点因轧制压下量大，道次减少而得到部分补偿。 b 对于大型p s w 轧机，由于其回转大盘较大，旋转时要消耗一部分能量，而且远 离轧制中心线的回转部分其线速度是相当高的，因而在设计中对回转部分润滑系统要求 严格。同时要加强机构的可靠度，避免在生产时发生灾难性事故。 c 在轧制难变形材料时，由于轧辊呈锥形，精整段很“薄，轧辊磨损严重。 d 在实际生产中，当轧制某些难变形、可轧温度范围窄的特殊钢时，会发生轧件按 前面精整拉断，尾三角留在轧辊内，造成轧机卡死现象。但采用无头轧制可以避免这种 现象，也可对这类难变形材料，尾部加工成一倒钳，避免形成有凹腔的尾三角，增大轧 辊与轧件间的摩擦力。 e 车l 件表面易产生螺旋纹，影响表面质量。p s w 轧机在一般情况下，当后面配有精 整机组时，轧件表面质量是不成问题的。对于p s w 车l 管机如果压下量过大，轧件表面螺 旋纹在定径机上也是不易消除的。影响麦面螺旋纹的因素很多，如轧件质量、轧制温度、 轧辊磨损、摩擦力大小及压下量等，对螺纹深度均有影响。如果对轧件质量不加以控制， 会造成不可挽