（材料加工工程专业论文）大型环件径轴向轧制成形工艺理论研究.pdf

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工作及 取得的研究成果 尽我所知 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 明并表示了谢意 签名 斗z 日期 趁 堕 兰z 学位论文使用授权书 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 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版 允许论文被查阅和借阅 本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索 可以采用影印 缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文 同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文 并向社会公众提供信息 服务 保密的论文在解密后应遵守此规定 研究生 签名 目产 导师 签名 日期 纱j f 嚆 2 7 中文摘要 大型环件径轴向c l n 是借助环件轧制设备使环件产生壁厚减小 高度减小 直径扩大 截面轮廓成形的先进塑性回转成形工艺 具有生产效率高 产品质 量好 能源消耗低等技术经济优点 主要用于大型无缝环件的生产 被广泛应 用于重型机械 火车 能源 航空航天等许多工业领域 大型环件径轴向轧制 是一个三维非线性 非对称 非稳态的复杂成形工艺 成形过程中涉及到多因 数耦合影响 目前对其的研究很少 使得实际生产缺乏理论指导 从而严重制 约了该工艺的进一步应用与发展 本文在环件径向轧制的基础上 对大型环件径轴向轧制过程中的力学与运 动学条件进行了研究 建立了大型环件径轴向轧制过程中径向孔型与轴向孔型 的力学条件以及力能参数计算公式 推导了芯辊和上轴向锥辊进给速度 轴向 锥辊跟随轧制速度以及驱动辊和轴向锥辊旋转速度的合理取值范围 研究结果 为实际生产过程中各轧制参数的选取提供了理论依据 通过热压缩实验 获得了4 2 c r m o 钢在不同变形温度和应变速率下的真实应 力 应变曲线 建立了4 2 c r m o 钢的高温流动应力模型 为有限元模拟提供了准 确的材料模型 根据大型环件径轴向轧制的实际工作原理 以a b a q u s 软件为 平台 通过解决材料模型 计算方法 网格处理 接触与边界条件等关键技术 建立了大型环件径轴向轧制三维热力耦合有限元模型 并对该模型的可靠性进 行了验证 基于可靠的有限元模型 通过仿真模拟 揭示了大型环件径轴向轧 制过程中应变 温度 宽展以及力能参数的的分布与演变规律 研究结果为进 一步了解和研究大型环件径轴向轧制的变形机制打下了基础 应用理论分析 对大型环件径轴向轧制的工艺参数进行了设计 建立了毛 坯尺寸 轧辊尺寸 轧辊运动的设计方法 基于可靠的有限元模型 通过大量 有限元模拟 系统研究了毛坯尺寸 轧辊尺寸 轧辊运动 以及其它轧制参数 对大型环件径轴向轧制变形的影响规律 研究结果为实际生产过程中制定最优 的轧制工艺提供了理论指导 关键词 径轴向轧制 大型环件 有限元建模 成形规律 轧制参数 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t r a d i a l a x i a ll a r g er i n gr o l l i n gi sa l la d v a n c e dp l a s t i cf o r m i n gt e c h n i q u ew h i c ht o r e d u c et h et h i c k n e s sa n dh e i g h t e n l a r g et h ed i a m e t e ra n df o r mt h ep r o f i l eo ft h er i n g b yr i n gr o l l i n gm a c h i n e i th a sb e e n u s e dt om a n u f a c t u r el a r g es e a m l e s sr i n g sa p p l i e d i nm a n yi n d u s t r yf i e l d s s u c ha sh e a v ym a c h i n e e n e r g ye q u i p m e n t a e r o n a u t i c sa n d a s t r o n a u t i c se t c d u et oi t st e c h n i c a ls u p e r i o r i t i e ss u c ha sh i g l le f h c i e n c y g o o d q u a l i t y e n e r g ya n dm a t e r i a ls a v i n g r a d i a l a x i a ll a r g er i n gr o l l i n ga l s oi sac o m p l i c a t e d f o r m i n gp r o c e s sw i t hm u l t i f a c t o r sc o u p l i n gi n t e r a c t i v ee f f e c t s a tp r e s e n t t h e r e l a t i v er e s e a r c h e so fr a d i a l a x i a ll a r g er i n gr o l l i n ga r ef e w w h i c hr e s u l t si nt h a tt h e r e a r el a c ko ft h e o r e t i cg u i d e l i n e si nt h ea c t u a lr a d i a l a x i a ll a r g er i n gr o l l i n gp r o d u c t i o n a n ds e r i o u s l yr e s t r i c t st h ef u r t h e rd e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o no ft h i st e c h n i q u e b a s e do nt h e t h e o r yo fr a d i a lr i n gr o l l i n g t h e m e c h a n i c a la n dk i n e m a t i c c o n d i t i o n so fr a d i a l a x i a ll a r g er i n gr o l l i n gw e r er e s e a r c h e di nt h i sp a p e r t h es t a b l e m e c h a n i c a lc o n d i t i o n sa n dc a l c u l a t i o nm e t h o d so ff o r c ea n dp o w e rp a r a m e t e r sf o r r a d i a l a x i a ll a r g er i n gr o l l i n gw e r ep r o p o s e d a n dt h er e a s o n a b l er a n g e so ff e e d s p e e d so fm a n d r e la n du p p e ra x i a lr o l l f o l l o wr o l l i n gs p e e d so fa x i a lr o l l s a n d r o t a t i o n a ls p e e d so fm a i nr o l la n da x i a lr o l l sw e r ed e t e r m i n e d t h er e s e a r c hr e s u l t s p r o v i d e dv a l u a b l eg u i d e l i n e sf o rs e l e c t i o no ft h er o l l i n gp a r a m e t e r si nt h ea c t u a l r a d i a l a x i a ll a r g er i n gr o l l i n gp r o d u c t i o n t h r o u g ht h ee x p e r i m e n to fh o tc o m p r e s s i o n t h et r u es t r e s s s t r a i nc u r v e so f 4 2 c r m os t e e la td i f f e r e n tt e m p e r a t u r e sa n ds t r a i nr a t e sw e r eo b t a i n e d a n dt h e c o n s t i t u t i v em o d e lf o re l e v a t e dt e m p e r a t u r ef l o wb e h a v i o ro f4 2 c r m os t e e lw a s e s t a b l i s h e d t h e na3 dc o u p l e dt h e r m o m e c h a n i c a lf em o d e lo fr a d i a l a x i a ll a r g e r i n gr o l l i n gw a se x p l o r e du s i n gt h ed y n a m i ce x p l i c i tc o d ea b a q u s e x p l i c i t a n di t s r e l i a b i l i t yw a sv e r i f i e d u s i n gf es i m u l a t i o nm a da n a l y s i s t h ed i s t r i b u t i o na n d e v o l u t i o nl a w so ft h es t r a i n t e m p e r a t u r e s p r e a da n df o r c ea n dp o w e rp a r a m e t e ro f r a d i a l a x i a ll a r g er i n gr o l l i n gw e r ei n v e s t i g a t e di np a r t i c u l a r t h es t u d yp r o v i d e da b a s ef o rf u r t h e ru n d e r s t a n d i n ga n di n v e s t i g a t i o no nt h ed e f o r m a t i o nm e c h a n i s mo f r a d i a l a x i a ll a r g er i n gr o l l i n g u s i n gt h e o r e t i c a la n a l y s i s t h ed e s i g nm e t h o d so fb l a n ks i z e r o l l ss i z e s a n dr o l l s p a r a m e t e r so nr a d i a l a x i a ll a r g er i n gr o l l i n gw e r es y s t e m a t i c a l l ys t u d i e d t h es t u d y r e s u l t sp r o v i d e du s e f u lg u i d e l i n e sf o rt h ed e s i g na n do p t i m i z a t i o no ft h er o l l i n g p a r a m e t e r si n t h ea c t u a lr a d i a l a x i a ll a r g er i n gr o l l i n gp r o d u c t i o n k e y w o r d s r a d i a l a x i a lr i n gr o l l i n g l a r g er i n g s f em o d e l i n g d e f o r m a t i o nl a w s r o l l i n gp a r a m e t e r s i r 武汉理工大学硕士学位论文 目录 第l 章绪论 1 1 1 大型环件径轴向轧制过程 1 1 1 1 环件轧制分类 1 1 1 2 大型环件径轴向轧制原理 2 1 1 3 大型环件径轴向轧制优点 3 1 2 大型环件径轴向轧制研究现状 3 1 3 课题来源 目的及意义 6 1 3 1 课题来源 6 1 3 2 课题目的及意义 6 1 4 本文主要研究内容 7 1 4 1 大型环件径轴向轧制的力学与运动学条件 7 1 4 2 环件材料高温流动应力模型的建立 7 1 4 3 大型环件径轴向轧制热力耦合有限元模型的建立 7 1 4 4 大型环件径轴向轧制变形规律的模拟分析 8 1 4 5 大型环件径轴向轧制的工艺参数设计 8 第2 章大型环件径轴向轧制力学与运动学条件 9 2 1 大型环件径轴向轧制力学条件 9 2 1 1 径向孔型力学条件 9 2 1 2 轴向孔型力学条件 1 1 2 2 大型环件径轴向轧制力能计算 1 4 2 2 1 径向孔型力能计算 1 4 2 2 2 轴向孔型力能计算 15 2 3 大型环件径轴向轧制运动学条件 18 2 3 1 轧辊进给速度的合理取值范围 1 8 2 3 2 轴向锥辊跟随轧制速度的合理取值范围 2 0 2 3 3 轧辊转速的合理取值范围 2 0 2 4 本章小结 2 1 i t 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章大型环件径轴向 l i 扫j 热力耦合建模与模拟 2 2 3 1 大型环件径轴向 l n 热力耦合建模 2 2 3 1 14 2 c r m o 钢高温流动应力模型的建立 2 2 3 1 2 热力耦合建模关键技术 2 9 3 1 3 热力耦合模型可靠性验证 3 1 3 2 大型环件径轴向轧制热力耦合模拟 3 5 3 2 1 模拟条件 3 5 3 2 2 结果与分析 3 6 3 3 本章小结 4 2 第4 章大型环件径轴向轧制工艺参数设计 4 3 4 1 大型环件径轴向轧制工艺参数设计 4 3 4 1 1 毛坯尺寸设计 4 3 4 1 2 轧辊尺寸设计 4 4 4 1 3 轧辊运动设计 4 5 4 2 工艺参数对大型环件径轴向轧制变形的影响 4 6 4 2 1 评定指标 4 6 4 2 2 毛坯尺寸对大型环件径轴向轧制变形的影响 4 7 4 2 3 轧辊尺寸对大型环件径轴向 l a j 变形的影响 5 6 4 2 4 轧辊运动对大型环件径轴向 l t j 变形的影响 6 9 4 2 5 其它参数对大型环件径轴向轧制变形的影响 8 4 4 3 本章小结 9 0 第5 章总结与展望 9 2 5 1 研究总结 9 2 5 2 前景展望 9 3 参考文献 9 4 至炙谢 9 8 攻读硕士期间科研成果 9 9 v 大型环件被广泛应用于各工业领域 如 火车的车轮及轮箍 风电设备的 轴承套圈及齿轮环坯 运载火箭的仓体 压力容器及核反应堆的加强圈等 近 些年来 随着工业的发展 各行业对大型环件的需求量越来越大 性能要求也 越来越高 这使得大型环件的制造工艺显得尤为重要 大型环件径轴向轧制作 为大型环件的先进制造工艺 由于具有材料与能源消耗低 生产效率高 产品 质量好等技术经济优点 已被广泛应用于大型环件的生产 1 1 大型环件径轴向轧制过程 1 1 1 环件轧制分类 环件轧制是借助环件轧制设备一轧环机使环件产生直径扩大 截面轮廓成 形的塑性回转成形工艺 1 1 按照成形过程中金属变形方式的不同 环件轧制可以 分为径向环件轧制与径轴向环件轧制 如图1 1 所示 驱动辊右导向辊环件 a 径向环件轧制 驱动辊右导向辊环件下轴向锥辊 b 径轴向环件轧制 图1 1 环件轧制基本原理图 图1 1 a 所示为径向环件轧制的基本原理图 轧制过程中 驱动辊作主动旋 转运动 芯辊沿着驱动辊方向作径向进给运动 环件在摩擦力的带动作用下 连续不断的通过驱动辊与芯辊构成的径向孔型 产生壁厚减小 直径扩大 截 面轮廓成形的塑性变形 由径向环件轧制的原理可以看出 轧制过程中环件在 武汉理工大学硕士学位论文 轴向方向上不受限制 经过径向孔型时会产生轴向宽展缺陷 从而导致材料的 浪费 因此 径向环件轧制主要适合于中小型环形零件的生产 图1 1 b 所示为 径轴向环件轧制的基本原理图 从图中可以看出 与径向环件轧制相比 径轴 向环件轧制过程中增加了一对轴向锥辊来控制环件的轴向变形 这使得环件在 径向孔型中产生的轴向宽展缺陷在经过轴向孔型时得以消除 从而减少了材料 的浪费 并且能获得更均匀的变形和更复杂的截面形状 2 5 1 因此 径轴向环件 轧制主要应用于大型环形零件的生产 1 1 2 大型环件径轴向轧制原理 大型环件径轴向轧制的基本生产流程为 原材料一检验一下料一加热一制 坯一径轴向轧制一热处理一检验 其中径轴向轧制工序在整个生产流程中占主 导地位 为此本文主要研究径轴向轧制这一工序 大型环件径轴向轧制的实际工作原理如图1 2 所示 s l n 过程中 驱动辊在 电机驱动下作主动旋转运动 芯辊在液压装置作用下作径向进给运动和从动旋 转运动 轴向锥辊在电机驱动下作主动旋转运动 在液压装置作用下作跟随轧 制运动 同时上轴向锥辊还在液压装置作用下作轴向进给运动 导向辊在液压 装置作用下从环件的两侧以一定的力抱住环件 以保证轧制过程的稳定和成形 环件的圆度 环件在各轧辊的作用下连续不断的通过由驱动辊与芯辊构成的径 向孔型和由轴向锥辊构成的轴向孔型 产生壁厚减小 高度减小 直径扩大 截面轮廓成形的塑性变形 当环件的直径和高度达到预定尺寸时 芯辊和上轴 向锥辊停止进给运动 经过适当整圆后整个轧制过程结束 图1 2 大型环件径轴向轧制实际工作原理图 2 武汉理工大学硕士学位论文 从大型环件径轴向轧制的工作原理可以看出 大型环件径轴向轧制是一个 三维非线性 非对称 非稳态 非均匀的连续局部塑性回转成形工艺 成形过 程中存在变形 传热 微观组织等的相互耦合影响 1 1 3 大型环件径轴向轧制优点 大型环件径轴向轧制是一种先进的连续局部塑性回转成形工艺 与模锻工 艺 马架扩孔工艺 火焰切割工艺等传统环件加工工艺相比 具有显著的技术 经济优点 具体表现在以下几个方面 1 材料利用率高 大型环件径轴向轧制成形环件宽展缺陷小 实现了大 型环件的近净成形 大幅度降低了后续机加工余量 提高了材料的利用率 2 能源消耗少 大型环件径轴向轧制是一种连续局部塑性成形工艺 通 过局部变形的积累来实现环件的成形 因而与整体模锻相比 能大幅度降低变 形力 减少了能源的消耗 3 生产效率高 大型环件径轴向轧制的轧制速度一般为o 4 1 6 r n l s 且 整个轧制过程为自动化生产 大大提高了生产效率 4 产品质量好 大型环件径轴向轧制成形环件尺寸精度高 后续机加工 余量少 从而避免了切削加工对环件金属纤维连续性的破坏 且轧制成形的环 件内部组织致密 晶粒细小 纤维沿圆周方向排列 提高了产品的机械强度 耐磨性与疲劳寿命 正是由于具有以上技术经济优点 大型环件径轴向轧制被广泛应用于各种 材料 碳钢 铜合金 钛合金 镍基合金等 各种截面形状 矩形截面 台阶 截面 沟槽截面等 大型无缝环形零件或毛坯的生产 如火车的车轮及轮箍 风电设备的轴承套圈及齿轮环坯 运载火箭的仓体 压力容器及核反应堆的加 强圈等 1 2 大型环件径轴向轧制研究现状 大型环件径轴向轧制技术是伴随着铁路运输业的发展产生的 1 9 世纪中期 铁路运输业的迅速发展使得火车的行驶速度和载重量大幅度提高 而铸铁车轮 无法满足火车高速重载的使用要求 为了满足急速发展的铁路运输业对高性能 环件需求量的增加 1 8 5 0 年英国制造出了世界第一台径轴向轧环机用于生产火 武汉理工大学硕士学位论文 车车轮和轮箍 解决了急速发展的铁路运输业对火车车轮和轮箍的需求 l 由于 大型环件径轴向轧制技术具有节能 节材 高效 优质等技术经济优点 大幅 度降低了高性能大型环件的生产成本 受到各行业的广泛关注 国内外学者开 始从各方面对其进行研究 在大型环件径轴向轧制设备研发方面 德国瓦格纳公司 w a g n e r 从1 9 2 0 年开始研究制造适用于轧制各种矩形截面和异型截面不同结构的机械式和液压 式轧环设备 随后在提高单机自动化生产水平和降低更换轧辊所占用的时间等 方面做了大量研究 并开发了c n c 环件轧机 该设备具有o c s o p e r a t o r c o m m u n i c a t i o i ls y s t e m 和c a r c o m p u t e ra i d e dr o l l i n g 系统 其结果使整个 大型环件生产过程实现了计算机自动控制 大幅度提高了生产效率和产品质量 降低了生产成本 6 我国学者蒋日东等人 7 8 结合径轴向轧环机控制系统 详细 介绍了该系统的硬件组成 软件结构 并提出分布式多机递阶控制结构 该结 构反映了集中与分散相结合的原理和复杂大系统逐层分解 求解的思想 使主 计算机与各从机功能明确 任务分担 提高了系统的实时处理能力与运行可靠 性 本世纪初 随着航天工业的快速发展 对大直径 高强度 精密环形零件 的需求量越来越大 为了填补了我国航天工业所需的高强度 高精度大型环件 轧制设备的空白 西安重型机械研究所于2 0 0 6 年9 月为西南铝业公司研制了国 内首台轧制大型环件的0 5 0 0 0 m m 径轴向数控轧环机 该设备具有大力矩 高精 度 高效率 大直径和新工艺等特点 9 1 在大型环件径轴向轧制工艺设计方面 1 9 8 9 年 韩国学者c h o ihd 等人 1 0 1 1 对大型环件径轴向轧制的工艺过程进行了描述 并采用自适应的控制方法对径 轴向轧制过程中几何参量的控制进行了研究 为环件轧制过程中参量的设置提 供了自适应优化方法 1 9 9 4 年 我国学者管海燕等人 1 2 1 3 结合我国从德国瓦格 纳公司引进的九十年代世界先进水平的径轴向轧环设备 详细介绍了制订大型 环件径轴向轧制工艺的基础条件 工艺原则 工艺路线及毛坯的优化设计方法 并对环件在轧制过程中产生缺陷的原因进行了分析 提出了相应的解决对策 蒋日东等人 1 4 1 5 也根据径向环件轧制的规律对径轴向环件轧制工艺进行了一些 分析和研究 提出了综合可轧区的概念 并对综合可轧区进行求解 最后将各 种非线性约束用几条曲线统一起来 该方法可方便地确定径向和轴向压下量的 范围 不仅可以保证轧制过程的顺利进行 还可以避免鱼尾等缺陷的产生 本 世纪初 华林等人 l 结合国内大型环件径轴向轧制的生产情况 介绍了大型环件 径轴向轧制原理 发展历程 以及现阶段的一些应用现状 分析了轧制过程中 4 武汉理工大学硕士学位论文 环件尺寸的变化关系以及设备控制的原理和特点 并结合一具体零件的实际生 产过程 详细描述了大型环件径轴向轧制的整个生产流程 随后 张淑莲等人 l 扣冽 结合我国研制的 5 0 0 0 r a m 径轴向数控轧环机 对i l l 5 0 0 0 m m 大型铝合金环件轧 制工艺过程进行了叙述 并对大型铝合金环件在轧制中容易出现的爬辊 扭曲 等问题进行了研究 提出了相应的解决方案 y e o mjt 等人 1 9 针对大型钛合金 环件在轧制中易出现的表面裂纹 混晶等问题 对其轧制温度和进给速度进行 了优化 潘立波 2 0 在径向环件轧制理论的基础上 从静力学和塑性成形的角度 通过建立物理模型和力学模型 对大型环件径轴向轧制工艺中的轧制条件进行 了相关研究 主要包括轴向孔型的咬入与锻透条件 环件的刚度条件 并基于 塑性变形理论 分析了大型环件径轴向轧制中径向宽展与轴向宽展的产生原因 影响因素以及变化规律 并对两个孔型中的轧制条件进行了修正 刘东等人1 2 l 2 2 为了提高大型环件径轴向轧制过程中运动学方程的精度与计算效率 根据轧制 曲线建立了矩形截面环件径轴向轧制过程中径向与轴向进给量之间的关系 并 应用体积不可压缩原理 建立了大型环件径轴向轧制过程的运动学方程 由于大型环件径轴向轧制是一个三维非线性 非对称 非稳态 非均匀的 成形过程 且环件尺寸较大 多为贵金属材料 轧制设备一般为大型设备 如 单纯采用实验法或解析法对其进行研究 势必造成大量材料和能源的浪费 随 着计算机技术和塑性理论的发展 有限元法作为一种准确 高效的分析方法 开始应用于大型环件径轴向轧制的研究 2 0 0 0 年 d a v e yk 等人 3 3 j 通过a l e a r b i t r a r yl a g r a n g e e u l e r 流动方程对大型环件径轴向轧制进行了模拟 提出了 基于a l e 流动方程的环件 l f j 有限元模型 该方法相对于传统的l a g r a n g e 方法 而言计算效率更高 2 0 0 6 年 王泽武等人 2 4 3 l 建立了r a w 2 0 0 1 6 0 5 径轴向轧 环机虚拟轧制的几何模型 运动模型和有限元模型 并基于通用显式动力有限 元软件a n s y s l s d y n a 对斜l 型截面环件进行了虚拟轧制仿真 实时观测了 环件在轧制过程中成形和缺陷生成的动态过程 绘制了不同时刻环件节点的位 移 应力 应变 速度云图 同年 潘立波等人 3 2 3 5 j 基于a b a q u s e x p l i c i t 程 序建立了大型环件径轴向轧制的有限元模型 并结合一具体的大型环件 研究 了不同毛坯和工艺参数对轧制过程的影响规律 建立了毛坯和工艺参数的设计 方法 k i mkh 等人 3 6 在商用有限元软件m s c s u p e r f o r m 中建立了大型外沟球 截面环件的径轴向轧制模型 并通过实验验证了该模型的正确性 随后 郭良 刚等人 3 7 3 8 在a b a q u s 环境下 建立了大型环件径轴向轧制的热力耦合有限元 模型 并对三维瞬态传热问题的基本方程 导向辊的柔性控制和稳定轧制条件 武汉理工大学硕士学位论文 进行了相关研究 综合分析国内外有关大型环件径轴向轧制的研究现状可知 以往对于大型 环件径轴向轧制的研究 存在如下特点和不足 1 大型环件径轴向轧制过程 较复杂 目前对其的研究大部分集中在对其工作原理和工艺流程的介绍上 真 正有实际价值的文献很少 2 在大型环件径轴向轧制的理论研究方面 都对 轧制过程进行了相关假设与简化 而大型环件径轴向轧制是一个多因数耦合问 题 理论研究难以系统深入的研究大型环件径轴向轧制的成形过程和机理 3 在大型环件径轴向轧制的有限元模拟研究方面 大多都忽略了热力耦合效应的 影响 而在实际大型环件径轴向轧制过程中 环件的温度变化很大 成形过程 中存在变形 传热 微观组织等的相互耦合影响 目前虽有文献建立了大型环 件径轴向轧制的热力耦合有限元模型 但并没有对其变形规律进行深入系统研 究 1 3 课题来源 目的及意义 1 3 1 课题来源 本课题来源于国家高技术研究发展计划资助项目 8 6 3 计划 大型环件成 形制造过程数字化建模仿真与工艺优化 项目编号 2 0 0 9 a a 0 4 2 11 2 和国 家科技重大专项资助项目 精密锻轧成套新技术 项目编号 2 0 0 9 z x 0 4 0 1 4 0 7 4 1 3 2 课题目的及意义 目前国内外虽有一些文献对大型环件径轴向轧制进行了研究 但大多集中 在对其工作原理以及工艺流程的介绍上 真正有实际价值的文献很少 这使得 大型环件径轴向轧制的实际生产过程缺乏系统的理论指导 只能凭经验反复试 轧生产 浪费了大量材料与能源 且成形环件易出现夹皮 凹陷 椭圆等宏观 缺陷和带状组织 混晶 粗晶等微观缺陷 严重限制了该工艺的进一步应用与 发展 因此 对大型环件径轴向轧制工艺进行研究 揭示其变形规律与机制 对指导实际生产和该技术的进一步应用与发展有着重要的意义 本课题目的在于 建立大型环件径轴向轧制的稳定轧制条件和三维热力耦 6 武汉理工大学硕士学位论文 合有限元模型 揭示大型环件径轴向轧制的变形规律和各种轧制参数 毛坯尺 寸参数 轧辊尺寸参数 轧辊运动参数 其它轧制参数 对大型环件径轴向轧 制变形的影响规律 研究结果对指导大型环件径轴向轧制的实际生产 促进我 国大型环件径轴向轧制技术的进一步应用和发展具有重要意义 1 4 本文主要研究内容 1 4 1 大型环件径轴向轧制的力学与运动学条件 大型环件径轴向轧制过程中 为保证轧制的顺利进行 轧制过程必须满足 一定的轧制条件 通过对大型环件径轴向轧制进行静力学与运动学分析 建立 大型环件径轴向轧制过程中径向孔型与轴向孔型分别应满足的力学条件以及力 能参数计算公式 给出芯辊和上轴向锥辊进给速度 轴向锥辊跟随轧制速度以 及驱动辊和轴向锥辊旋转速度的合理取值范围 可以为大型环件径轴向轧制过 程中各轧制参数的选取提供依据 1 4 2 环件材料高温流动应力模型的建立 大型环件径轴向轧制是一种具有变形区几何边界不稳定 高的三维非线性 变形过程中热力条件动态变化 零件尺寸大等特点的复杂变形问题 单纯采用 解析法 实验法很难准确研究实际问题 有限元法作为一种准确 高效的研究 方法 目前已被广泛应用于塑性成形研究领域 而材料的本构模型作为有限元 模型的一个重要输入参数 其正确性直接决定了模拟结果的准确性 通过热压 缩实验 得到4 2 c r m o 钢在不同变形温度和应变速率下的真实应力 应变曲线 建立4 2 c r m o 钢的高温流动应力模型 可以为大型环件径轴向轧制有限元模型提 供准确的材料模型 1 4 3 大型环件径轴向轧制热力耦合有限元模型的建立 根据大型环件径轴向轧制的实际工作原理 以a b a q u 软件为平台 通过 解决材料模型 计算方法 网格处理 接触与边界条件等关键技术 建立可靠 的大型环件径轴向轧制三维热力耦合有限元模型 可以为后续研究提供平台 7 武汉理工大学硕士学位论文 1 4 4 大型环件径轴向轧制变形规律的模拟分析 基于可靠的有限元模型 通过仿真模拟 揭示大型环件径轴向轧制过程中 应变 温度 宽展的分布与演变规律以及力能参数的演变规律 可以为进一步 了解和研究大型环件径轴向轧制的变形机制打下基础 1 4 5 大型环件径轴向轧制的工艺参数设计 通过理论推导 建立大型环件径轴l a j s l 匍j 的毛坯尺寸 轧辊尺寸 轧辊运 动的设计方法 并基于可靠的有限元模型 通过大量有限元模拟 系统研究毛 坯尺寸 轧辊尺寸 轧辊运动 以及其它轧制参数对大型环件径轴向轧制变形 的影响规律 可以为大型环件径轴向轧制实际生产过程中制定最优的轧制工艺 提供理论指导 8 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章大型环件径轴向轧制力学与运动学条件 大型环件径轴向轧制过程中 环件在各轧辊的作用下 连续不断的通过径 向孔型与轴向孔型 在径向与轴向方向上同时发生连续局部塑性变形 由上可 以看出 大型环件径轴向轧制过程中存在双变形区 为保证轧制的顺利进行 须同时在径向与轴向孔型中满足稳定轧制条件 华林等人 l 根据静力学原理 对 径向环件轧制过程中的咬入条件 锻透条件和刚度条件进行了研究分析 并建 立了相应的稳定轧制条件 本章在此基础上 对大型环件径轴向轧制过程中的 力学与运动学条件进行了研究 以期为大型环件径轴向轧制过程中各轧制条件 的选取提供理论依据 2 1 大型环件径轴向轧制力学条件 2 1 1 径向孔型力学条件 大型环件径轴向轧制过程中 环件在径向孔型中的受力模型如图2 i 所示 从图中可以看出 轧制过程中径向孔型的变形模式与径向环件轧制相同 因此 径向环件轧制的力学条件可以适用于大型环件径轴向轧制的径向孔型 华林等 人 3 明根据滑移线理论 推导出了较为准确的径向环件轧制力学条件 借鉴该方 法与推导过程 可以得到大型环件径轴向轧制过程中径向孔型的力学条件为 7 l m i n 触 7 2 k 2 1 龋咖 s 5 灯 一3 r r t 八去 击 去一 q 国 hm x r 为 百1 去 百11 2 一 2 3 一 一一f 1 r lr 2 7 式中 彳啊 径向每转进给量 彳 玩 径向每转进给量的最小值 彳 饿 径向每转进给量的最大值 9 武汉理工大学硕士学位论文 r j 驱动辊的工作半径 犬r 芯辊的工作半径 防 径向孔型的摩擦角 欠一环件在轧制过程中的瞬时外半径 即埘件在轧制过程中的瞬时内半径 图2 1 大型环件径轴向轧制过程中径向孔型的受力模型 假设轧制过程中环件的轮廓始终保持圆形 并忽略环件的宽展以及环件与 驱动辊之间的相对滑动 根据塑性变形体积不变条件可得刚 觇 等 2 4 墨 面b o 丽g t o 妞2 2 5 2 6 0 一吃 一哆 p 叫 杀鹅一纽2 2 6 0 一屹 一咋毛 pw 式中 疗 一驱动辊的转速 碍 一芯辊的进给速度 上轴向锥辊的进给速度 f j 轧制时间 6 俨 毛坯的轴向高度 办旷 毛坯的径向壁厚 尺俨 坯的外半径 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 对于大型环件径轴向轧制 去一号相对于击 击来说是一个非常小的值 可以忽略 4 0 因此 式 2 2 和式 2 3 可以表示为 觇地 s s 川 3 r r t 2 击 寺 2 7 吨埘 为 玄 玄 结合式 2 5 式 2 6 和式 2 7 可以看出 么 饥 在轧制过程中是一 个瞬时可变的值 这使得4 风的范围计算起来比较困难 因此 为寻求计算方便 式 2 1 式 2 7 和式 2 8 可以简化为 触咄 i n i x 他 触懈 m i t t 2 9 a h m i n r k 6 5 5 x 1 0 3 r 0 r 0 2 击 寺 幽一 m 扩哥2 f i r 2 2 1 1 式中 a h 所玩 7 时 向每转进给量最小值中的最大值 2 1 2 轴向孔型力学条件 大型环件径轴向轧制过程中 为保证轧制的顺利进行 轴向孔型也应满足 稳定轧制力学条件 图2 2 显示了环件在轴向孔型中的受力模型 从图中可以看 出 为使环件能连续不断的咬入轴向孔型 环件在轴向孔型中所受的拽入力必 须大于或等于它所受到的推出力 即 2 乙c o s 冬一2 只s m 冬 o 2 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 式中 鼢 环件与轴向孔型之间的接触角 匕 轴向锥辊对环件的正压力 乃一轴向锥辊对环件的摩擦力 r 品俐 r 纠 上轴向锥辊 环件下轴向锥辊 图2 2 大型环件径轴向轧制过程中轴向孔型的受力模型 假设环件与轴向锥辊之间的摩擦符合库仑摩擦定律 则有 z 心只 t a n 尾 2 1 3 式中 f 厂卅向孔型的摩擦系数 风 轴向孔型的摩擦角 将式 2 1 3 代入式 2 1 2 可以得到 尾 丝2 由于在轴向孔型中 环件与轴向孔型之间的接触角很小 件与轴向孔型的接触弧长和接触弧长的投影相等 于是有 老 式中 k 环件与轴向孔型接触弧长的投影 如 轴向锥辊的等效轧制半径 2 1 4 可以近似认为环 2 1 5 根据图2 2 中轴向轧辊与环件之间的几何关系 l o 和如可以表示如下 2 0 厶 4 s o l ot a n 2 2 1 6 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 兄 s i n r 2 2 1 7 式中 a h 厂 轴向每转进给量 卜一轴向锥辊的锥角 卜轴向锥辊顶点到环件与轴向锥辊接触线的距离 如图2 2 所示 忽略环件与轴向锥辊之间的相对滑动 4 玩可以由下式确定 a h 2 n 了 r v o 2 1 8 将式 2 1 5 式 2 1 6 和式 2 1 7 代入式 2 1 4 可以得到大型环件 径轴向轧制过程中轴向孔型所应满足的咬入条件 如下式所示 地 幽 懈4 2 尾2 疋s i n r 2 1 9 式中 彳办一厂 轴向每转进给量的最大值 大型环件径轴向轧制过程中 为保证环件顺利产生高度降低 直径扩大的 塑性变形 环件在经过轴向孔型时应满足锻透条件 根据滑移线理论 要使环 件在经过轴向孔型时被锻透 则必须满足如下条件 南 南7 4 2 2 0 6 0 一屹f l 8 r 一7 将式 2 1 6 代入式 2 2 0 可以得到 觇 口 帮 删 式中 4 饥一轴向每转进给量的最小值 从式 2 1 9 与式 2 2 1 可以知道 4 办埘玩口和彳 吼口在轧制过程中是瞬时可 变的值 且在轴向孔型的不同部位 彳k 巩口和彳 峨4 的值也不同 这使得4 的范 围确定起来比较困难 因此 为简化计算 式 2 1 9 与式 2 2 1 可以简化为 触 n i n 口 一 眈 7 l 吣口 i n m 2 2 2 口 一 莉o 0 1 3 1 b 0 2 2 2 3 触嗽口k 2 尾2 s o f s i n r 2 2 4 式中 广 轴向锥辊顶点到环件内径与轴向锥辊接触线处的初始距离 武汉理工大学硕士学位论文 幽矗嗍q 7 历z 广 轴向每转进给量最大值中的最小值 囱 也旷 姑向每转进给量最大值中的最小值 2 2 大型环件径轴向轧制力能计算 2 2 i 径向孔型力能计算 大型环件径轴向轧制过程中 环件在径向孔型中的受力情况 如图2 i 所示 与环件在径向轧制中的受力情况相同 借鉴文献 1 中的方法 可以推导出大型 环件径轴向轧制中径向轧制力 轧制力矩以及电机功率的计算公式 如下所示 e 2 k b l 1 2 1 1 1 堕 1 2 争一 2 2 25 t 0 惕 鸠 鼍 弘栩蚺争 2 2 6 器 协2 7 式中 只 轻向轧制力 轻向轧制力矩 m 径向孔型电机功率 6 一环件的瞬时高度 办广一环件的瞬时厚度 沪q 向孔型电机到驱动辊的传动比 叩广一径向孔型电机到驱动辊的传动效率5 五 径向孔型电机的过载系数 缸 环件材料在轧制条件下的剪切屈服强度 己 一环件与径向孔型接触弧长的投影 对于大型环件轧制 厶可以表示如下h o 1 4 2 2 8 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 2 轴向孔型力能计算 2 2 2 1 轴向轧制力计算 大型环件径轴向轧制中 环件在轴向孔型中的受力情况如图2 2 所示 借鉴 文献 1 中轧制力的推导方法 将其简化为平冲头压入有限高板条模型 如图2 3 a 所示 其四分之一滑移线场如图2 3 b 所示 根据滑移线理论和边界条 件 可以求出b 点 c 点和d 点的平均应力和方向角分别为 一见 后 乞 一手 2 2 9 r c r c 一见 k 1 2 9 艮 一兰a 一矽 2 3 0 1 o o 一见 后 1 4 矽 一寻 2 3 1 式中 仃日一日点的平均应力 b 点的方向角 c 点的平均应力 砟 c 点的方向角 仃d d 点的平均应力 一d 点的方向角 缈 滑移线相对应扇形场的中心角 驴 0 6 l n y 0 5 l o 阳一单位面积轴 l i n 力 i 乒 疋 酗 j r r d d 0 弋 a 力学模型 b 滑移线场 图5 3 轴向孔型物理力学模型 武汉理工大学硕士学位论文 因为o b 段为均匀应力场 因此在o b 段和b e 段每一点沿横坐标方向的应 力值可以表示为 吒i 一k s i n 2 0 b 一见 2 k 2 3 2 c r 2 o x o 一k s i n 2 0 0 一见 2 k 1 2 0 2 3 3 式中 吒l 卅口段每一点沿横坐标方向的应力值 仃 8 e 段每一点沿横坐标方向的应力值 由于环件在横坐标方向是受力平衡的 因此 r 5 岛c rd y r 5 厶巳 咖 广5 5 l 岛 吒 咖 o 2 3 4 将式 2 3 2 2 3 3 代入式 2 3 4 可以求出 p 口 2 k m 2 m 争2 和2 协3 5 从式 2 1 6 与式 2 3 5 可以知道 肋在轴向孔型的不同部位具有不同的 值 为方便计算 可以将其简化到环件中径处 2 妖1 2 h 专 2 等 0 2 2 3 6 凇 式中 p 耐 环件中径处单位面积轴向轧制力 三耐 环件中径处与轴向孔型接触弧长的投影 根据式 2 1 6 k 可以表示如下 k 瓯地t a n r 2 2 3 7 式中 轴向锥辊顶点到环件中径与轴向锥辊接触线的距离 因此 大型环件径轴l 向 l s t j 轴向孔型中的 l n 力为 乞 2 砘k 1 2 l l l 乏 2 等 o 2 2 3 8 式中 匕 轴向轧制力 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 2 2 轴向轧制力矩计算 轧制力矩是使环件发生所需塑性变形的有用力矩 对于大型环件径轴向轧 制过程中的轴向孔型 主要使环件产生高度降低的塑性变形 根据轧制理论 轧制一转过程中使环件高度减小所需的理论变形功为 以 见v 1 n 1 华 2 3 9 q 式中 么广轧制一转使环件高度减小所需的理论变形功 阻环件体积 环件轧制一转 各个轴向锥辊转动做功为 4 口 心纯 2 4 0 式中 彳妇 各个轴向锥辊转动做功 m 卜轴向轧制力矩 纯 环件轧制一转轴向锥辊所转过的角度 若不计环件与轴向锥辊之间的相对滑动 环件轧制一转轴向锥辊所转过的 角度为 2 万r l j 驴哥 2 4 1 式中 尺 轴向锥辊与环件外径接触线处的轧制半径 根据图2 2 中的几何关系 轴向锥辊与环件外径接触线处的轧制半径可以表 示为 如 s i n r 2 2 4 2 式中 轴向锥辊顶点到环件外径与轴向锥辊接触线处的距离 使环件高度减小的外力做功主要是上 下轴向锥辊的旋转做功 因此 环 件高度减小所需的理论变形功等于上 下轴向锥辊转动做功总和 于是有 4 2 4 口 2 4 3 将式 2 3 9 2 4 2 代入式 2 4 3 可以得出 心 p o s o b r r s i n r 2 l n o 刍 2 4 4 4 4 包7 1 7 2 2 2 3 轴向电机功率计算 轴向孔型中 上 下轴向锥辊都作主动旋转运动 因此需要两台电机分别 为上 下轴向锥辊提供转矩 电机经减速器和联轴器将转矩传递给轴向锥辊 根据传动比 轴向孔型各个电机所提供的转矩与轴向轧制力矩之间存在如下关 系 艺 兰 2 4 5 l 口仇 式中 乃一轴向孔型电机的转矩 o 一轴向孔型电机到轴向锥辊的传动比 7 厂 轴向孔型电机到轴向锥辊的传动效率 因此 轴向轧制各个电机的功率为 虬 哿 器 协4 6 式中 轴向孔型电机的功率 珩一轴向锥辊的转速 月厂 轴向孔型电机的过载系数 2 3 大型环件径轴向轧制运动