（材料加工工程专业论文）环件轧制和过程测量研究.pdf

摘要 环件轧制是一种生产无缝环形件的特种加工工艺，它是通过局部连续轧制 方法，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形件，它具有 省力，节能、节材、生产率高、生产成本低、产品范围广等显著特点，在工业 领域有着广泛的应用。 本文基于环件轧制理论，运用相关的数学知识和理论力学知识，研究了冷轧 过程中矩形截面环件轧制成形的运动测量，并建立相关的几何模型和数学模型， 揭示了冷轧过程中环件的变化规律： 随着轧制过程的进行，环件的内外径随类似于双曲线的曲线逐渐增大，且环 件内径增大速度大于外径增大速度；在卧式轧环机和立式轧环机下，随着轧制 过程的进行，环件中心的位移、速度及加速度不断增大；随着轧制过程的进行， 环件绕其中心的转动惯量不断增大，导致环件的转速不断减小，这样有利于环 件的整圆和最终成形环件的精度。 对于立式轧环机，当导向辊固定导向时，其旋转速度与环件的尺寸和运动无 关，而与导向辊的尺寸、驱动辊的尺寸和运动有关；当导向辊随动导向时，导 向辊既有旋转运动，又有平动，且导向辊圆心的平动角速度随着轧制的进行越 来越大。 建立了驱动辊和芯辊的运动模型；在更精确的计算模型下，得到冷轧过程中 矩形截面环件的轧制时间，轧制生产率及轧制圈数；在开式轧制中，随轧制过 程的进行，轧制力逐渐减小，而轧制力矩逐渐增大，在闭式轧制中，随轧制过 程的进行，轧制力逐渐减小，轧制力矩也逐渐减小；建立了轧制过程中体积增 量及其分配的计算模型，为在线预测环件毛坯体积误差并进行合理分配提供了 理论依据； 研究了偏心环件的轧制成形，并基于轧制成形的条件，得到偏心环件轧制成 形的偏心距的范围。 本文在考虑冷轧过程中环件的内外轮廓线均为阿基米德螺线的情况下，对 矩形截面环件的轧制成形规律进行了研究，得到了较精确的几何模型和计算模 型，为环件轧制过程的模拟提供了理论依据和实验依据，同时理论分析的结果 与实际轧制生产过程中的结果有较好的吻合。 关键词：冷轧，环件轧制，运动规律，偏心环件，数学模型 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 st h e r i n gc r o s s - s e c t i o nd e c r e a s e sb yr o l l i n g i th a s m a n yc h a r a c t e r i s t i c s s u c ha s s a v i n gf o r m i n g f o r c ea n d p r o d u c t i o nc o s t ， i n c r e a s i n gu t i l i z a t i o nr a t i oo fe n e r g ya n dm a t e r i a l ，r i s i n gp r o d u c t i v i t ya n dw i d e n i n g p r o c e s s i n gr a n g eo fr i n gp r o d u c t se t c i t i s w i d e l ye m p l o y e di nm a n yi n d u s t r i a l d o m a i n s u t i l i z e dt h ec o r r e l a t i v ek n o w l e d g eo fm a t h e m a t i c sa n dt h e o r e t i c a lm e c h a n i c s ， t h em o v e m e n tm e a s u r eo ft h er o l l i n gf o r m i n go f r e c t a n g l er i n gh a v eb e e ns t u d i e dt h a t b a s e do nt h er i n g r o l l i n gt h e o r y a n dt h ec o r r e s p o n d i n gg e o m e t r i c a lm o d e l sa n d m a t h e m a t i c a lm o d e l sh a v eb e e ne s t a b l i s h e d i tw a sr e v e a l e dt h ev a r i a t i o nl a wo fr i n g i nt h ec o l d r o l l i n gp r o c e s s w i t ht h er o l l i n gp r o c e s s i n g , t h ei n s i d ea n do u t s i d ed i a m e t e r so fr i n gg r a d u a l l y i n c r e a s e dw i t ht h ec u r e ss i m i l a r l yh y p e r b o l i ca n dt h ea u g m e n ts p e e do ft h ei n s i d e d i a m e t e rw a s o b v i o u s l yl a r g e rt h a nt h ea u g m e n ts p e e d o ft h eo u t s i d ed i a m e t e r w i t h t h er o l l i n gp r o c e s s i n g ，t h ed i s p l a c e m e n t ，s p e e da n da c c e l e r a t i o no ft h er i n gc e n t r e g r a d u a l l yi n c r e a s e di nt h ef e e d i n gd i r e c t i o ni nt h eh o r i z o n t a la n d v e r t i c a lr i n gr o l l i n g m i l l w i t ht h er o l l i n gp r o c e s s i n g ，t h em o m e n to fi n e r t i aw h i c hr i n gr e e l e di t sc e n t r e a n dt h ew h i r l i g i go fr i n gg r a d u a l l yi n c r e a s e d i tc a u s e dt h er o t a r ys p e e dg r a d u a l l y d e c r e a s e d a n di tw a sb e n e f i tt od e c r e a s et h ec i r c l et o l e r a n c ea n di m p r o v et h e p r e c i s i o no f f i n a lm o l d i n g t h er o t a t es p e e do ft h eg u i d er o l lh a sn or e l a t i o n st ot h er i n gd i m e n s i o na n d m o v e m e n ta n dh a sr e l a t i o n st og u i d er o l ld i m e n s i o n ，d r i v e nr o l ld i m e n s i o na n d m o v e m e n tw h e nt h eg u i d e r o l l i n gi sf i x e d t h eg u i d e r o l lm o v e m e n ti n c l u d e sr o t a t i o n a n dt r a n s l a t i o nw h e nt h eg u i d er o l l i n gi su n f i x e d a n dt h ea n g u l a rv e l o c i t yo fg u i d e r o l lc e n t r eg r a d u a l l yi n c r e a s e di nt h er o l l i n gp r o c e s s i n g t h em o v e m e n tm o d e l so fd r i v e nr o l la n dc o r er o l lh a v eb e e ne s t a b l i s h e d t h e p r o d u c t i v i t y o f r i n gr o l l i n gh a s b e e na n a l y z e da n dt h er o l l i n gt i m e ，t h ep r o d u c t i v i t yo f r o l l i n ga n d t h er o l l i n g c y l i n d e r n u m b e r sh a v eb e e ng a i n e di nt h ec o l dr o l l i n gb a s e do n t h em o r ep r e c i s ec a l c u l a t i o nm o d e l s w i t ht h er o l l i n gp r o c e s sp r o c e s s i n g ，t h er o l l i n g f o r c e g r a d u a l l y d e c r e a s e dw h e r e a st h er o l l i n gt o r q u eg r a d u a l l yi n c r e a s e d i nt h e o p e n i n gr o l l i n gp r o c e s s a n dt h er o l l i n gf o r c ea n dt o r q u ea 1 1g r a d u a l l yd e c r e a s e di n t h ec l o s e r o l l i n gp r o c e s s t h e c a l c u l a t i o n sm o d e l so fv o l u m ei n c r e m e n ta n d d i s t r i b u t i n g h a v e b e e ne s t a b l i s h e di nt h er o l l i n gp r o c e s s i tc a nb eu s e d a sa t h e o r e t i c a lf o u n d a t i o nf o ro n l i n ef o r e c a s t i n ga n d d i s t r i b u t i n go f r i n gv o l u m e t h e r o l l i n gf o r m i n g o fe c c e n t r i c i t yr i n gh a sb e e ns t u d i e da n dt h er a n g eo f l i n e a r e c c e n t r i c i t ya b o u tt h ee c c e n t r i c i t yr i n gr o l l i n gh a sb e e ng a i n e dt h a tb a s e do nt h er i n g r o l l i n g c o n d i t i o n s c o n s i d e r e dt h ei n s i d ea n do u t s i d ec o n t o u rl i n ew a sa r c h i m e d e s s p i r a li nt h ec o l d r o l l i n g ，t h ef o r m i n g l a wo fr e c t a n g u l a rc r o s ss e c t i o n a lr i n g sh a sb e e ns t u d i e d a n dt h e m o r ep r e c i s e g e o m e t r i c a lm o d e l sa n dc a l c u l a t i o nm o d e l sh a v eb e e ng a i n e d t h e r e s e a r c h e sc a nb eu s e da sat h e o r e t i c a la n d e x p e r i m e n t a lf o u n d a t i o nf o rt h es i m u l a t i o n o fr i n gr o l l i n gp r o c e s s a tt h es a m et i m e ，t h er e s u l t so ft h e o r e t i c a la n a l y s i sh a v ea g o o da g r e e m e n t w i t ht h er e s u l t so f p r a c t i c a lr o l l i n gp r o d u c t i o n k e y w o r d s ：c o l d r o l l i n g ，r i n gr o l l i n g , t h el a w o fm o v e m e n t ，e c c e n t r i c r i n g , m a t h e m a t i c sm o d e l l l i 武汉理工大学硕十学位论文 1 1 环件轧制概况 第一章绪论 在塑性加工中，锻造、冲压，拉拔、轧制等是通用的最基本的方法。但是， 随着工业技术的发展，各种机械装备需要形状更复杂的零部件，生产批量也急 剧增加，上述几种塑性加工方法已不能满足生产需要。特别是随着世界性的能 源紧张，原材料匮乏，促使各工业发达国家纷纷投入大量入力、物力开发研究， 寻求能够节能、节材的塑性成形新工艺、新方法。 根据工具与工件的运动形式，塑性加工可归纳为回转塑性成型和非回转塑 性成型。其中，工件和成形工具( 模具) 中任一个旋转或两者旋转的形式，统 称为回转塑性成形。环件轧制就是种回转塑性成型。环件轧制( 又称环件辗 扩或扩孔、辗环) 是一种生产轴承环、齿轮环、法兰环、火车车轮及轮彀、燃 汽轮机环等各种无缝环件的先进加工技术，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的薄截面的环件。用轧制方 法生产环件在工业上具有相当长的历史，自1 8 4 2 年第一台轧环机在英国问世以 来，环轧工艺和设备不断地发展，目前，环轧工艺已成为环件加工的主要方法， 在航天航空、石油化工、能源交通、造船、原子能工业、矿山机械、建筑机械 等工业领域得到了愈来愈广泛的应用。 环件s l s j j 可以分为径向轧制和径一轴向轧制“1 1 。图卜l 是径向轧制的基本 原理图。图卜1 ( a ) 所示为在单导向辊立式轧环机上进行的径向$ l n 原理图，其 中驱动辊为主动辊，同时作旋转轧制和直线进给运动；芯辊为被动辊，作从动 旋转轧制运动；导向辊和信号辊都为可自由转动的辊。在驱动辊作用下，环件 通过驱动辊与芯辊构成的轧制孔型产生连续的局部塑性变形。当环件经过多转 轧制变形且直径扩大到预定尺寸时，环件外圆表面与信号辊接触，驱动辊停止 直线进给运动并返回，环件, l $ t j 过程结束。驱动辊旋转轧制运动由电动机提供 动力，直线进给运动由液压或气动装置提供动力，其它轧辊在与环件的摩擦作 用下运动。图1 1 ( b ) 为双导向辊卧式轧环机上进行径向轧制的原理图，驱动辊 在电动机的驱动下作恒速的旋转运动，无迸给运动；通常压力辊( 在卧式轧环机 中芯辊又称为压力辊) 的直径小于驱动辊直径，压力辊在径向滑动的带动下向驱 动辊移动，完成径向迸给运动；为了使环件在轧制过程中定心和防止振动，轧 环机上还设置一对抱辊( 在卧式轧环机中导向辊又称为抱辊) ，抱辊从环件的两 侧以一定的抱辊力抱住环件，随环件径向的增大，两个抱辊臂逐渐张开。抱辊 武汉理工大学硕士学位论文 的作用是对环件施加一定的抱辊力，保证轧制过程稳定进行，在轧制的最后阶 段，抱辊起着归圆的作用。中小型轧环机多采用此种结构，这种轧环机结构简 单，价格低，工艺控制容易。适用广泛，一般用于矩形截面、沟槽形截面环件 a 1 2 3 4 b ， 卜驱动辊2 一环件3 一导向辊4 - 芯辊5 一信号辊 图卜l 径向轧制的基本原理 卜驱动辊2 - 环件3 - 导向辊4 - 芯辊5 一端面轧辊 图卜2 径一轴向轧制的基本原理 5 生产。图卜2 是径一轴向轧制的基本原理图。为了改善轧制环件的端面质量、轧 制成形复杂截面轮廓的环件，在径向环件轧制设备的基础上，增加了一对轴向 端面轧辊，对环件的径向和轴向同时进行轧制，这样使得径向轧制产生的环件 端面凹陷在经过轴向端面轧制而得以修复平整，且轴向端面轧制还可以使环件 获得复杂的截面轮廓形状。在径一轴向轧制过程中，驱动辊作旋转轧制运动，芯 2 武汉理工大学硕士学位论文 辊作径向直线进给运动，端面轧辊作旋转端面s l $ l j 运动和轴向进给运动。环件 产生径向壁厚减小、轴向高度减小、内外直径扩大、截面轮廓成形的连续局部 塑性变形，当环件经反复多转s l s w j 使直径达到预定值时，芯辊的径向进给运动 和端面辊的轴向进给运动停止，环件径一轴向轧制变形结束。目前，只有较先进 的大中型轧环机采用径一轴向联合轧制工艺，径一轴向轧环机适用于壁厚大、轧 制比大或截面复杂的环件加工，生产效率高。 环件轧制工艺通常是以锻锤一轧环机、平锻机一轧环机、锻锤一压力机 轧环机等设备配置在一起组织生产，与传统的环件自由锻造工艺、环件模锻工 艺、环件火焰切割工艺相比，具有较好的技术经济效果，具体表现在以下几个 方面”“： ( 1 ) 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。 ( z ) 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。 ( 3 ) 设备吨位小，加工范围大：环件轧制变形是通过局部变形的积累而实现的， 变形过程中，工件与工具的接触面积小，因此，变形工艺力小，所需设备 吨位小，小吨位设备可加工大的无接缝环件，扩大了环件的加工范围。 ( 4 ) 劳动条件好，生产效率高：环件轧制类似于静压轧制，无冲击、振动，噪 声低，改善了劳动环境。环件轧制又易于机械化和实现自动化，生产效率 高，劳动强度低。环件s l $ i j 设备的s l $ l j 速度通常为l 2 m s ，轧制周期一般 为1 0 s 左右，最小周期已达3 6 s ，最大生产率已达1 0 0 0 件h ，大大高于环 件的自由锻造和火焰切割，也高于模锻生产率。 ( 5 ) 生产成本低：据有关资料统计，环件轧制与自由锻相比，材料消耗降低4 0 5 0 ，生产成本降低7 5 。用环件s l n 生产e q l 4 0 汽车后桥从动锥齿轮锻件 时，比模锻单件材料消耗降低5 k g ，成本降低2 0 。和一般锻造相比，环件 轧制生产的模具费用可减少7 0 以上。 以上几方面的优点使得环件s l $ l j 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 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，最有效的 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 3 武汉理工大学硕士学位论文 究，并且已经在实际应用中取得了良好的经济效益。 1 2 环件轧制在线测量的研究现状 1 2 1 环件轧制过程测量的运动学理论 环件轧制是一个很复杂的变形过程，即有刚体的平面运动，又有塑性体的 变形运动，要实现环件轧制的过程测量，必须对环件轧制的变形过程和轧制中 各部分的运动规律进行研究，找出其变形规律和运动规律，从而为实施过程测 量提供理论依据。关于环件轧制的变形规律，在文献 1 已做了很具体和详细的 研究，至于环件轧制中各部分的运动规律，目前还没有很具体和详细的研究。 轧制过程中的运动参数包括很多，例如，环件的直径扩大运动、轧制过程中环 件中心的运动，环件的运动，导向辊的导向运动，压力辊( 单辊固定导向中压 力棍为驱动辊，在双棍随动导向中压力辊为芯辊) 的迸给运动等，文献 1 2 中对环件的直径扩大运动、芯辊和驱动辊的运动作了简单的分析，但对于目前 的精密环件冷轧还远远不够；文献 9 1 3 对热轧条件下环件的过程测量进行了 研究，但对于精密环件冷轧，其测量精度还得不到保证；文献 1 4 1 7 对卧式 随动双导向辊的运动进行过一些试验研究，解析研究和模拟研究；文献 1 8 对 立式固定单导向辊的位置进行了模拟研究，而对于立式水平进给冷轧环机单导 向辊随动导向运动的解析研究还未见到相关文献报告。基于上述问题，本文结 合运动学知识、理论力学知识及相关的数学知识，全面地对环件运动、导向运 动及进给运动进行研究，建立相关的数学模型，为实施环俘的过程测量提供更 为精确的理论模型。 1 2 2 环件轧制过程测量方法 测量是以控制为目的，控制以测量为前提，要实现对过程的控制，必须对 过程中的参数进行测量，因此，要实现对环件轧制过程进行实时监控和预警， 必须对环件轧制过程参数进行实时测量。迄今控制轧制工件尺寸的方法有两种 “”3 ：一是通过控制径向壁厚尺寸( 通常为精整挡块) 达到控制最终外径尺寸 和圆度的目的。该方法要求下料重量准确且必须严格控制预制坯工序。二是按 给定的速度进给规范变速迸给，在轧制成形后期，使进给速度降低，信号辊在 工件尺寸缓慢变化的状态下测出瞬时外径值，以决定是否停止轧制。该方法在 人工控制时实践操作有一定的困难，用计算机控制时则以提高设备复杂程度为 代价，而且工件不同，进给规范各异，当产品换型时用户需通过实验重新摸索 4 武汉理工大学硕士学位论文 进给规范。然而无论哪种控制方法，其前提条件是要对轧制过程参数进行测量， 目前，对参数的测量主要是关于工件直径的测量，其测量方法有以下两种。 ( 1 ) 采用同步感应器进行测量 环件轧制过程中常用的测量方法是采用感应器“1 。例如武汉理工大学研制的 中5 0 0 舢型轧环机中配有两套同步感应器，一套用来测量环件的壁厚，另一套用 来测量环件的外径，如图卜3 0 1 ”。 卜驱动辊2 一导向辊3 一芯辊4 一环件 5 一外径测量传感器6 一壁厚测量传感器 图卜3 环件轧制过程中在线测量模型 其测量原理为：由轧环机动作原理、成形过程及环件变形特点可知，如能 测出主滑块相对于主驱动辊的直线运动距离，就能测出环件的壁厚。同理，若 能测出测量头相对于主驱动辊的直线距离，就能测出环件的外径。其方法是将 一套同步感应器的测量尺直接安装在床身上，其滑尺安装在测量缸驱动的滑块 上，这样就可测出测量头相对于主驱动辊的直线运动距离。同理，将另一套同 步感应器的测量尺直接安装在床身上，其滑尺联接在主滑块上，这样就可测出 主滑块相对于主驱动辊的直线运动距离。经过校正后，即可在数显表上读到主 滑块上芯辊外缘与主驱动辊型腔内线的绝对距离( 即环件壁厚) 和测量头外缘与 主驱动辊型腔内线的绝对距离( 即环件外径) 。 上述测量方法是基于热轧的数学模型而建立的，经过实验验证，取得了令 人满意的测量效果，对于冷轧过程，可以采用类似的测量模型，但是目前还没 有建立关于冷轧轧制过程中测量参数变化的数学模型，因此为了实现冷轧过程 在线监控和预警，很有必要对此进行研究。 ( 2 ) 采用光栅传感器进行测量 光栅传感器以测量精度高，频率响应快，性能稳定和互换性好等显著优点， 武汉理工大学硕士学位论文 在机械行业的自动控制系统中得到了广泛地应用。近几年来从国外进口的轴承 套圈精密冷轧机除俄罗斯外，日本、德国都无一例外地采用了光栅线位移传感 器( 又称光栅尺) 作为测量元件，配合相应的电气线路实现轧制套圈的尺寸控 制。轴承套圈的精密冷轧作为正在发展中的先进技术，在行业的应用同益扩大。 光栅测量技术作为冷轧机的一种必要的测控手段愈来愈受到国内外厂商的高度 重视。 目前大多数国家生产的轴承精密冷轧机虽然都采用了光栅位移传感器作为 测量元件，但测量方式及原理却不尽相同。采用不同规格、数量的光栅尺和不同 的安装方式，可以得到不同的测量参数。这些参数主要有外径、内径和壁厚等尺 寸。计算机根据内置的参数化工艺分析软件，对各路光栅信号进行综合处理，将 得到的轴承套圈尺寸、形状及其精度信息，转化为对机床进给速度的控制信号。 使机床处于合理的工作状态。通常的控制方式主要有如下两种。 第一种方法是断续控制方式 采用这种方式的关键是合理地确定进给关键点以及每一个关键点所对应的 进给速度。基本的控制原理和控制方式与轴承行业磨加工通用的主动测量类似。 所不同的是它比磨加工主动测量仪的测量范围宽，进给速度变化大，测量环境 差。通常是在工件冷轧的过程中控制器根据光栅传感器的测量值，在不同的进给 位置发出三种信号对应机床设定的四种进给速度。这种控制方式的主要优点是： 控制简单，调整维修方便，配置灵活，控制器可与主机溶为一体，也可以自成体 系。但是由于它发出的速度控锩4 信号是离散的，因而难以使控制参数处于最佳状 态，从而使轴承轧制的尺寸和形状精度的提高受到一定的限制。其主要表现在由 于控制速度的阶跃变化，导致机床瞬时的压下量发生突变，反映到冷轧后的套圈 上有可能造成圆度指标下降，从而间接地影响了套圈的尺寸精度。合理地调整控 制信号切换点，可使这一问题得到相应的优化，对改善轧制套圈的尺寸公差和彤 位公差起到一定的作用。但是如果要进一步提高冷轧套圈的精度，单纯的断续控 制方式将难以胜任，还需采用其他补偿措施或控制方式。 第二种方法是连续控制方式 这种控制方式的实现是以计算机系统的应用为前提，以大量工艺实验获得 的有效数据为基础的。在这种控制方式下输出的速度控制信号是个连续函数。 其主要过程是：经光栅传感器得到的位移信号输入计算机后，计算机根据经过严 格的理论计算和工艺试验验证的数学表达式为 v - ，0 ) 式中：x 从光栅传感器得到的轧制位移量 y 经d a 转换后用以控制机床进给的电压模拟量 6 武汉理工大学硕十学位论文 适时地将其转化为对机床进给速度的控制信号。 由于精密冷轧过程是用局部的连续变形的积累来达到整体成形的一种工艺 它的成形过程有其自身的规律，因而对于不同尺寸和型号的轴承套圈所要求的 轧制进给速度曲线也不完全相同。内置的进给方式数据库，可将进给方式与轴承 型号一对应，从而使机床冷轧过程的控制始终处于相对合理的状态，即把原来 凭经验进行操作的大量调整工作变为直接调出程序的方法实现。 例如洛阳国投精密机械有限公司研制的d 5 6 g 9 0 型数控精密冷轧环机，其测 量环件外径和壁厚采用光栅测量的方法，而内径的测量采用间接的方法测得。 它的测量部件主要由用于测量工件的外径和壁厚两把光栅尺、测头、油缸和直 线轨组成。 测量原理如图1 4 所示： 图卜4 环件轧制光栅法在线测量模型 测头通过联接杆固定在动板上，动板的上部固定外径光栅尺的动尺，下部 固定在直线导轨的动滑块上，右端与油缸活塞杆连结，油缸体固定在机架右立 扳上。定板上部固定外径光栅尺的定尺，下部固定直线导轨的滑座。壁厚光栅 的动尺则固定在主滑块上。油缸的油路控制换向阀为p 型三位四通阀。工作时， 在机械手上料，芯辊穿料，机械手回程后，油缸在p 型换向阀侧位控制下，带动 测头压向坯料并使其正确就位，支承轮压向芯辊，于是芯辊向驱动辊方向进给， 工件壁厚逐渐减薄，壁厚光栅随主滑块带动动尺移动，在不同位置发出瞬时壁 厚数值x ，随着壁厚的减薄，工件的外径逐渐增大。工件外径推动测头向右移动， 进而通过动板带动外径光栅尺动尺同时向右移动，光栅发出瞬时外径值y 。在这 之前p 型换向阀已由侧位变到中位，因此，动板带动活塞向右移动时，油缸是处 7 武汉理工大学硕士学位论文 于差动状态，测头承压较小。当“设定尺寸”到时，轧制结束。为了方便下料， 测头还需继续向右快速主动退出，因此在轧制结束时，p 型换向阀变为另一侧位 状态，油缸由差动被动退改为全动主动退，不需要主滑块大行程退出。 上述的测量方法中最终尺寸设定的依据主要是从工作实际中得来的，即将 凭经验进行操作的大量调整工作变为直接调出程序的方法来实现在线测量，至 于在线测最的理论数学模型并不知道，这给在线测量的精度及误差分析带了 定的困难，因此很有必要对环件轧制过程参数测量的理论数学模型进行研究。 1 3 课题的来源、意义和目的 环件轧制工艺以其生产率高、成本低、材料利用率高、尺寸精度高、金属 流线完整和组织性能优良等特点，越来越受到人们的注意。特别是现代化的航 空发动机随着推力和推重比的加大，零件所使用的材料逐渐向热强合金的方向 发展，高温合金日渐增多，机匣构造出现了从组合式向整体式机匣方向发展， 环形轧制件更加显示它的优越性。气轮机、燃气轮机的机匣、安装边、隔圈、 化工产品的高温容器、法兰等重要承力件也广泛地使用环形轧制件。 目前，由于我国现有轧制环形件的设备控制精度低、轧制力小、功能少， 而轧制工艺的方法又有限，因此所生产的环形件多数是矩形截面和简单的异形 截面。对于航空发动机、燃气轮机的带内凸和外凸圆锥形的机匣和化工产品的 高颈法兰、大型轴承环等，制造出基本沿零件外形的锥形和特形截面环轧件在 国内还是空白。这不仅机加工时多，而且材料利用率低( 约5 - 1 0 ) ，对众多使 用价格昂贵的镍、钴基高温合金和钛合金的航空发动机而言，成本过高。从我 国目前的合金材料及环件毛坯供应现状出发，急待研究并采用先进的轧制工艺 技术，制造出高精度、小余量的各种截面环形件，因而发展环件轧制工艺势在 必行，而轧环件的尺寸控制是环件轧制生产中的一个关键问题。 要实现环件轧制过程中的尺寸控制，必须实现轧制过程的在线测量，上面 所谈到的在线测量方法的依据，只是建立在经验的积累上，并没有一个理论的 数学模型作为基础，基于上述问题，本文考虑冷轧过程中矩形截面环形件内外 轮廓为阿基米德螺线的情况下对轧制过程中的成形及运动规律进行研究，为环 件轧制过程中的尺寸测量提供理论依据。本课题来源于国家自然科学基金( 节能 环保专项基金) 重点资助项目“金属环件冷辗扩塑性成型机理及工艺设备研究” ( 项目编号5 0 3 3 5 0 6 0 ) 。 8 武汉理工大学硕士学位论文 1 4 本文主要研究内容 本文的主要研究内容是在冷轧过程中矩形截面环形件内外轮廓为阿基米德 螺线的情况下环件的成形规律及轧制过程测量中相关的运动学规律，具体来说， 研究内容包括以下几个方面： ( 1 ) 简单阐述环件轧制过程中的测量参数。 ( 2 ) 在更精度的几何模型下，对环件运动规律进行研究，主要包括：环件轧制 过程中环件直径的变化规律，不同导向辊导向条件下环件中心的运动规律 和单辊固定导向时环件的运动规律。 ( 3 ) 对轧制过程中的导向运动进行研究，主要内容包括：导向辊固定时的导向 运动及导向辊随动时的导向运动。 ( 4 ) 对轧制过程中的进给运动和其他的测量参数进行研究，包括：驱动辊的运 动、芯辊的运动、轧制时间及轧制圈数、轧制力及力矩、轧制过程中在线 体积误差测量。 ( 5 ) 简单地对偏心环的轧割过程进行分析。 1 5 本章小结 本章简单介绍了环件轧制，概述了目前环件轧制在线测量的研究现状，阐 述了环件轧制过程测量的运动学理论和在线测量方法及存在的问题。说明了本 文研究课题的来源、研究目的和意义，以及论文的主要研究内容和目标。 9 武汉理工大学硕士学位论文 第二章环件车l $ 1 j 过程中的测量参数 本章说明环件轧制的基本特征、成形的基本条件及轧制过程中的测量参数， 论述反映环件轧制变形特征的基本参数及反映过程测量的基本参数的定义。 2 1 环件轧制的基本特征 环件轧制与一般的普通轧制工艺相比，相同之处是环件在轧辊孔型中发生 连续塑性变形，壁厚减薄( 或高度变低) ，横截面面积逐渐减小：不同之处是单 辊传动，异径轧制，具有非线性、时变、非稳态等特性。归纳起来，环件轧制 具有如下特征： ( 1 ) 三维塑性变形。厚度比板材轧制的厚度大得多，既有径向压缩变形、周向 延伸，又有高度方向的宽展，若轴向朱加约束，宽展量将非常大； ( 2 ) 连续非稳态变形。轧制过程中压力辊不断进给，轧辊孔型连续发生变化， 直至轧制过程结束； ( 3 ) 非对称轧制。驱动辊与芯辊直径不同，并且是数倍或数十倍的关系，只有 主辊主动传动，芯辊被动转动，变形区是非对称的； ( 4 ) 非线性。环件轧制过程将产生大塑性变形和大位移，既存在材料非线性， 又存在几何非线性，变形机理较为复杂。 2 环件轧制过程的基本条件 2 2 1 环件咬入孔型条件 环件连续咬入孑l 型是环件转动并实现稳定轧制的必要条件。忽略导向辊对 环件的作用力，得到环件咬入孔型条件与进给量关系，亦即用每转进给量表示 的咬入条件“ 2 1 为： 助s 舳。一意斋o + 惫+ 鲁一争 m 。 式中：曲为每转轧制进给量，幽一为能咬入孔型的最大每转进给量芦为 环件与驱动辊之间的摩擦角，r 为驱动辊的半径，尺：为芯辊的半径，尺为轧制 过程中某一时刻的环件外半径，为轧制过程中某一时刻的环件内半径。 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 2 环件塑性锻透条件 环件连续咬入孔型只是使环件产生轧制运动，并不定能保证环件产生轧 制变形，所以环件皎入孑l 型仅是环件轧制变形的必要条件。要使环件既皎入孔 型又产生轧制变形，除了满足咬入条件外，还应满足塑性锻透条件“1 ，： 幽苫曲一。i 6 s s t 旷3 僻一r ) 2 c 去+ 击+ 去一詈， c z z ， 式中： 。为环件能锻透的最小每转进给量。 2 2 3 环件塑性弯曲的刚度条件 环件轧制中的塑性弯曲失稳现象是指环件在导向辊的压力作用下压扁而成 为废品。要使环件在轧制过程中不发生塑性失稳，则必须满足轧制过程中的刚 度条件n “： 日巩。i o 1 唧+ 惫) r , ! x o h o ( 2 - 3 ) 其中。为环件内外半径初始时的平均值，。一( 风+ ，0 ) 2 ，l t o 、t 、 乙；。分别 为环件轧制前的壁厚、轧制中的壁厚和轧制结束时所允许达到的最小壁厚。 实际生产中在已知轧辊尺寸时，可应用式( 2 - 3 ) 来校核环件的刚度，或在 未知轧辊尺寸时，可应用环件刚度条件来设计轧辊。 3 环件轧制过程的测量参数 环件轧制是一个很复杂的过程，因此影响轧制的因素很多，要实现环件轧 镥4 过程实时监控和预警，嚣要的测量的参数也很多，主要包括轧制过程中的几 何参数、运动参数和力学参数，其中几何参数包括：环件轧制过程中环件内外 直径、环件的壁厚、环件的体积误差等；运动参数包括：环件的轧制时间，轧 制过程中环传中心的位移、速度及加速度，环件的转速及转动加速度，导向辊 的转速及转动加速度，芯辊的转速及转动加速度，驱动辊的进给速度、转速及 转动加速度，环件的转动惯量等；力学参数包括轧制力及力矩等。下面对一些 参数进行简单的介绍。 2 3 1 环件轧制过程中的体积误差 体积误差出现在从环坯制造开始直至轧制过程的结束。在下料、冲孔、加 热、轧环次数等各阶段都会有体积波动。冷却收缩以及热处理时组织转变引起 1 1 武汉理工大学硕士学位论文 的体积变化必须特别予以考虑，因为这时没有重量变化而只有尺寸变化。环坯 重量不同首先是由于原材料的直径偏差和下料尺寸不均匀引起的，提供给制坯 压机的坯料应具有重量公差或体积公差，它由直径公差和长度公差构成“3 ： 铲2 等+ 竽 ( 2 - 4 ) f 对于轧制的钢坯允许有大约2 的直径公差，下料公差肚z 同样可达2 ，因此投 料总体积公差可达6 。但是在批量生产中这个总体积公差大多保持在较小值上， 一般为1 2 的偏差。 按照加热方式氧化皮损失一般为下料重量的0 5 6 。 2 3 2 环件轧制时间 轧制时间是指环件开始轧制至轧制变形结束所经历的时间，它是表征环件 轧制工艺生产率的参数，也是用于进行环件制坯和轧制匹配设计以及估算环件 轧制中温度降低幅度的重要依据。若轧制中的进给速度为常数，则轧制时间“ 2 1 为 t 一( 日o - h ，) i v 式中，t 为轧制时问；v 为常数进给速度；，0 为环件毛坯的壁厚；h ，为环件锻 件的壁厚。 若环件轧制中进给速度不是常数，而按其他规律变化，则轧制时间可按轧 制运动学有关公式计算。在环件轧制工艺设计中，可以按照设备所能提供的进 给速度v ，来计算轧制时间“1 1 耳 0 一( h o h ，) ， 上式计算出的l 大约是轧制设备完成轧制变形的最短时间，也就是轧制设 备生产中所能达到的最快节奏。 目前，轧环机及其控制系统还没有实现最短轧制时间的环件轧制，但这一 直成为环件轧制领域追求的目标。对于高速环件轧制以及对温度比较敏感的热 态环件轧制，缩短轧制时间对于环件轧制生产具有重要的意义。从生产率的角 度来看，除了轧制时间对其有重要影响外，环件上、下料时间也有重要影响。 所不同的是，轧制时间长短不仅影响轧制生产率，而且还影响轧制过程的顺利 进行和轧制产品质量的好坏。 2 3 3 环件轧制中的进给速度 进给速度与驱动辊转速、驱动辊半径、环件轧制中的瞬时外半径、瞬时每 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 转进给量等有关。由于驱动辊半径和转速是固定的，所以进给速度随着瞬时环 件外半径和瞬时每转进给量变化而变化。为了满足轧制条件，每转进给量应处 于极限范围 拙。，触。 内，因此进给速度也应处于极限范围内，其最小进给 速度和最大进给速度“1 1 分别按式 矗s s x ，o 。 譬噜一素) 2 ( 1 + 妻+ 簧一争 c z 嘞 v i 塑r ( i + 避( 1 + 乏+ 鲁一争 悟e ， n d r - - - 2 - ) 2 计算。除了轧制条件外，进给速度还受到了轧制设备的力能条件限制，即进给 速度不得超出轧制设备所能提供的数值。虽然，一般轧制设备并不给出进给速 度的额定值，但这个额定值是客观存在的，它通过轧制机进给系统的供油( 或 供气) 速度和s l s t j 压力间接反映出来。 2 3 4 环件轧制匾力 环件的轧制压力、轧制力矩、轧制功率都应在轧制设备的额定力能参数范 围内，它们的设计计算可参考轧制力能计算方法。环件轧制工艺设计中，一般 情况是计算轧制压力，大型环件轧制、高合金钢和有色合金环件轧制还应计算 轧制力矩和轧制功率。若环件轧制压力、轧制力矩、轧制功率超出了轧环机的 额定值，则可通过减小每转进给量、提高轧制温度来予以调整。 2 4 本章小结 与普通轧制相比，环件轧制是三维、异径、非对称轧制过程，具有典型的 非线性、时变、非稳态特性，影响环轧过程铡量的因素有很多，主要有毛坯形 状尺寸、芯辊和驱动辊尺寸、驱动辊迸给速度和转速、轧制力及力矩等，若要 实现环件轧制的在线测量，必须对轧制过程中的基本参数进行研究，本章简单 地对这些参数进行了分析，为后面的研究做个铺垫。 武汉理t 大学硕十学位论文 第三章环件运动测量研究 环件轧制是生产无接缝环件的先进技术之一，但我国的环件轧制技术还处 于比较落后的状态，特别是环件轧制产品的尺寸控制方法很落后。目前，环件 轧制产品的尺寸控制方式主要采用开关控制，即先取标准件，对基准，记下标 准工件的外径、内径及壁厚值，在仪器上设定这些参数，以这些设定值为基准， 当测量的参数值达到设定值时就停止轧制，这种控制方法不能及时发现不良品 “。”1 。如果能在轧制过程中对环件的尺寸进行在线测量，这样就能及时发现不 良品，实现对轧制过程的实时监控和预警，而实施此过程的前提必须知道轧制 过程中环件尺寸的变化规律。文献 9 1 3 中在假设环件外轮廓线为圆的条件 下，建立了径向环件轧制变形过程中外径测量的数学模型，并开发出在线预测 智能型控制方法，使控制系统简化，这种方法应用于热轧能满足轧制要求。但 对于冷轧，由于冷轧要求锻件尺寸精度高，表面质量好，而上述方法得到的直 径尺寸精度不高，因此它对于冷轧不适用。要实现对冷轧过程的实时监控，必 须要有更精确的在线测量模型。要建立更为精确的测量模型，必须对环件的运 动规律进行研究，本章主要考虑内外轮廓线均为阿基米德螺线的前提下，对轧 制过程中环件的运动进行研究。 3 。1 环件冷轧中的几何模型 3 1 1 环件的轧制过程 环件轧制过程大致可分为三个阶段：第一阶段，环件从静止状态过渡到连 续咬入孑l 型的转动状态，且每转进给量达到设计计算。第二阶段，环件轧制过 程以近似恒定的进给速度进行，直至环件的径向尺寸接近锻件尺寸。第三阶段， 轧制进给速度逐渐减小直至轧制变形结束，进给运动停止。此阶段通过减小进 给速度亦即减小每转进给量，对环件进行整形轧制，使环件壁厚均匀、形状圆 整。若以轧制进给速度为纵坐标，以轧制时间为横坐标，则环件轧制过程可用 图3 - 1 表示。 在第一阶段的轧制状态建立时，若轧制时间太短，亦即进给速度太快，则 有可能使环件产生压扁而不能咬入孔型。若此阶段的轧制时间太长，亦即进给 速度太慢( 每转进给量太小) ，则有可能使环件不能锻透而无法产生