毕业预答辩综述课件

1、三辊斜轧空心减径过程工艺参数研究 硕 士 生：王召林导 师：秦建平专 业：机械设计及理论方 向：现代轧制设备设计理论及关键技术第1页，共60页。17三辊斜轧空心减径的成型原理及工艺特点 2 三辊斜轧空心减径过程的有限元模拟及结果分析3 结论与展望7本课题研究的背景及意义 1主要内容三辊斜轧空心减径过程中性能参数的计算5实验主要参考文献 65431 7第2页，共60页。2液压管小直径无缝钢管的用途：流体管，结构管，轴承管，油井管等 本课题研究的背景及意义第3页，共60页。3 本课题研究的背景及意义生产小直径无缝钢管的工艺方法冷拔工艺张力减径工艺三辊斜轧空心减径优点缺点优点缺点优点缺点耗能高，污染

2、严重精度很高减径量大，精度较高，壁厚均匀度高成本高，内六方现象，设备复杂成本低，单机减径量大，工序少，操作方便表面质量较差，生产效率较低第4页，共60页。4三辊轧管机主机结构图 本课题研究的背景及意义 主机部分主要由机架装配，压下平衡装置，轧辊装置，送进角调整装置，转鼓锁紧装置，机架锁紧装置，指针装置，机架开闭装置，压下传动装置，送进角传动装置，底座及测量装置组成。第5页，共60页。5 本课题研究的背景及意义坯料锯切加热穿孔轧管切锯矫直冷却张力定(减)径再加热成品传统的三辊斜轧工艺路线三辊斜轧空心减径工艺路线坯料切锯加热穿孔斜轧空心减径冷却矫直切锯成品第6页，共60页。6 本课题研究的背景及意

3、义研究意义为实际生产过程提供一定的指导意义详细的研究三辊斜轧空心减径过程以及各工艺参数对减径过程的影响规律对小批量上产，产品质量要求不高且资金不富裕的中小企业的首选第7页，共60页。7 本课题研究的背景及意义主要研究内容三辊斜轧空心减径过程的成形原理三辊斜轧空心减径过程的力能参数的计算方法三辊斜轧空心减径过程的辊型设计及三维模型的建立有限元模拟送进角，轧辊转速，辊型以及减径量对斜轧空心减径过程的影响规律，对模拟结果进行分析通过实验来对模拟的结果进行对比分析，进一步优化轧制工艺参数第8页，共60页。8 本课题研究的背景及意义研究方法对三辊斜轧空心减径过程进行理论研究辊型设计及三维模型的建立模拟方

4、案的制定有限元模拟及结论分析通过实验对比有限元模拟结果进行分析结论第9页，共60页。9 三辊斜轧空心减径的成形过程 在三辊斜轧机上,轧件通过轧机时的中心线称为轧制中心线。三辊斜轧机的轧辊在空间绕轧件中心线呈120分布，分别形成了送进角和辗轧角，这样有利于管坯的咬入。轧辊绕自身轴线转动，当管坯被送进由三个轧辊所组成的变形区后，由于送进角的存在，轧辊给轧件一个摩擦力，可分解成一个沿轴向即轧制线方向的一个摩擦力和沿轧件周向方向在摩擦力。前者使轧件在沿轧制中心线向前运动，后者使轧件沿着周向力的方向做旋转。最终轧件呈螺旋式前进。 轧件在咬入过程中受到来自轧辊的径向压缩，使得轧件金属只能延轴向延伸和径向扩

5、展从而形成圆三角。轧件被轧辊咬入后，轧件金属在轧辊的复杂作用下产生很复杂的应力应变状态，产生剧烈而复杂的变形过程。轧件上的金属除了因轧辊径向压缩使金属沿轴向剧烈的流动外还向径向和切向流动。因为轧辊径向压缩金属使轧件形成圆三角形。压下量随着轧制过程的进行减小，轧件逐步归圆，到精整段时，压下量几乎为零，辊型对轧件只有精整的作用。因此，轧件经过精整段后变成圆形轧出，在整个轧制过程中，金属将向径向、轴向及切向流动，轧件外形经历一个从圆到三角再到圆的过程并且得多所要的轧件规格。第10页，共60页。10 三辊斜轧空心减径的成形过程三辊轧管机的发展轧辊的空间布置图第11页，共60页。11 三辊斜轧空心减径的

6、工艺特点三辊斜轧空心减径过程的咬入条件旋转条件前进条件轧件受到来自轧辊的摩 擦力的轴向分力； 轧件受到来自轧辊正 压力的轴向分力； 外加的顶推力。使轧件旋转的总力矩； 由正压力产生的阻止轧件旋转的力矩，即正压力力矩 由于推钢机推力而在轧件后端产生的阻力矩轧件旋转的惯性矩。在实现咬入过程中有旋转才能前进，但旋转不一定前进，因此前进条件才是主要的。第12页，共60页。12 三辊斜轧空心减径的工艺特点三辊空心减径变形示意图 在轧件未变型部位刚接触到孔型的凸棱时，轧件仅在径向受到压缩，此时接近该部位轧件的外侧面出现金属堆积，继续压缩金属时，轧件直径减小并且向径向和轴向变形第13页，共60页。13 三辊

7、斜轧空心减径的工艺特点 在三辊斜轧空心减径过程中，轧件所受到的应力应变情况与三辊斜轧管机相似，轧件受到来自轧辊的三向应力产生径向应变，纵向应变及周向应变，并且在轧件的内部由于附加应力产生多余应变。三辊轧制过程中容易出现三角形效应，这是由轧制时轧件所受的力学条件决定，尾三角相对比较好控制。三辊斜轧空心减径与普通三辊斜轧管机的不同之处在于无芯棒，所以轧件内部不受来自外力的作用，轧件只受到三个轧辊对它的施加的外力而产生的应变以及由于自身内部的产生的复杂多余应变。变形特点轧件所受作用力示意图 第14页，共60页。14 三辊斜轧空心减径的工艺特点辊型设计 三辊空心轧制工艺与三辊带芯棒轧制工艺在设计辊型时

8、，主要考虑的差别是空心斜轧减径工艺在计算孔型时不考虑芯棒的因素，另外由于不会进行减壁，所以不要减壁段，最后本课题在设计辊型时不考虑辗轧角，辊型如下图所示辊型二维与三维示意图第15页，共60页。15三辊斜轧空心减径过程中技术性能参数的计算 轧制力的计算 式中 轧件与轧辊的有效接触面积；平均单位压力。轧辊与轧件之间接触弧的长度（mm）轧辊与轧件之间接触面的宽度（mm）f表示摩擦系数为轧件与轧辊接触弧长的水平投影；h为轧件的平均壁厚。 变形抗力。与变形温度，材料，变形程度及变形速度有关，根据资料查得变形抗力为83Mpa。 采用采利科夫公式第16页，共60页。16三辊斜轧空心减径设备的主要技术参数技术

9、参数单位数值轧制力kN150电机功率kW70送进角 010轧辊直径mm135轧辊长度mm267轧制速度m/min9产品规格mm2542三辊斜轧空心减径过程中技术性能参数的计算 第17页，共60页。17轧制温度毛管材料（设为弹塑性体）轧辊表面温度（轧辊设为刚体）接触热传导系数静/动摩察系数11502015020KW(K)0.35/0.25泊松比坯料尺寸DSL轧辊材质密度/kg/m3弹性模量/ GPa轧件 0.32轧辊 0.254424150（mm） 40CrMnMo轧件 7833轧辊 7200轧件 220轧辊 207有限元模拟初始条件和边界条件的确定有限元模拟与结果分析第18页，共60页。18方

10、案一送进角468方案二轧辊转速60r/min120r/min180r/min方案三入口锥角2.53.5方案四减径量101416模拟方案有限元模拟与结果分析第19页，共60页。19有限元模拟与结果分析送进角为4时的轧制力随时间的变化曲线模拟方案一：送进角对成形过程的影响第20页，共60页。20有限元模拟与结果分析送进角为6时的轧制力随时间的变化曲线模拟方案一：送进角对成形过程的影响第21页，共60页。21有限元模拟与结果分析送进角为8时的轧制力随时间的变化曲线模拟方案一：送进角对成形过程的影响第22页，共60页。22 (a) 3.633s时刻的等效应力分布 (b)3.9663s时刻的等效应力分布

11、 (c) 6.0994s时刻的等效应力分布 (d)最大应力对应变形区位置 有限元模拟与结果分析模拟方案一：送进角对成形过程的影响第23页，共60页。23有限元模拟与结果分析送进角为468时的轧件前端面圆周内壁厚的变化 模拟方案一：送进角对成形过程的影响第24页，共60页。24有限元模拟与结果分析不同送进角的模拟结论以及结论分析根据逐步对不同送进角进行的模拟，结果表明三辊斜轧空心减径工艺是可行的 最大等效应力出现在轧件与轧辊直接接触的区域 从轧件内部到外部等效应力逐渐减小，因为外部直接接触最大等效应力在轧件与轧辊接触面上随轧辊的直径的增大而增大 整个空心减径过程轧件端部呈现从圆到三角再到圆的过程

12、符合三辊斜扎规律 最大轧制力随送进角的增大呈现先增大后减小 最大轧制力出现在轧件与轧辊接触面积最大最充分的时候 减径后轧件的平均壁厚随送进角的增大而增大，但幅度变小，这是因为随送进角的增大轧件内部金属轴向流动的阻力增大的原因 第25页，共60页。25有限元模拟与结果分析轧辊转速为60r/min时的轧制力随时间的分布模拟方案二：轧辊转速对成形过程的影响第26页，共60页。26轧辊转速为120r/min时的轧制力随时间的分布有限元模拟与结果分析模拟方案二：轧辊转速对成形过程的影响第27页，共60页。27轧辊转速为180r/min时的轧制力随时间的分布有限元模拟与结果分析模拟方案二：轧辊转速对成形过

13、程的影响第28页，共60页。28(a) 轧辊转速为60r/min时的应力分布(b) 轧辊转速为120r/min时的应力分布(c) 轧辊转速为180r/min时的应力分布有限元模拟与结果分析模拟方案二：轧辊转速对成形过程的影响第29页，共60页。29不同转速对应的毛管壁厚在前端面圆周上的分布 有限元模拟与结果分析模拟方案二：轧辊转速对成形过程的影响第30页，共60页。30不同轧辊转速模拟结论以及结论分析最大轧制力随轧辊转速的增加而增大，但幅度较小 ，这是因为轧辊转速越大变形抗力越大不同轧辊转速时对应的轧制力随时间的变化规律以及最大等效应力的分布情况基本一致 轧辊转速越大斜轧空心减径后轧件的平均壁

14、厚越小，这是因为轧辊转速越大，轧件内部金属轴向流动的速度越大轧辊转速越大轧件所受到的最大等效应力也越大 轧辊转速的增加对轧件变形的影响较小 有限元模拟与结果分析第31页，共60页。31有限元模拟与结果分析送进角为8时的轧制力随时间的变化曲线模拟方案三：辊型对成形过程的影响第32页，共60页。32有限元模拟与结果分析入口锥角为3.5时的轧制力分布 模拟方案三：辊型对成形过程的影响第33页，共60页。33有限元模拟与结果分析模拟方案三：辊型对成形过程的影响 (a) (b)第34页，共60页。34有限元模拟与结果分析(c)(d)模拟方案三：辊型对成形过程的影响第35页，共60页。35有限元模拟与结果

15、分析不同轧辊辊型模拟结论以及结论分析随轧辊的入口锥角为3.5时的最大轧制力大于入口锥角为2.5时的最大轧制力轧制过程中产生的四边形主要是在轧件进入精整段前的轧制带上产生的辊型对三辊斜轧空心减径过程有很大的影响 ，不同的入口锥角对轧制过程有较大的影响轧制过程中出现的多四边形现象主要是因为改变入口锥角时引起轧制带的减小导致的 第36页，共60页。36有限元模拟与结果分析方案序号外径/壁厚(mm)送进角()轧辊转速(r/min)减径量(mm)入口锥角()142/4860 142.5242/4860 143.5342/48120 143.5442/4860 163.5研究最大减径量的模拟方案模拟方案四

16、：减径量对成形过程的影响第37页，共60页。37有限元模拟与结果分析方案1时的模拟结果 模拟方案四：减径量对成形过程的影响第38页，共60页。38有限元模拟与结果分析方案2时的等效应力分布 模拟方案四：减径量对成形过程的影响第39页，共60页。39有限元模拟与结果分析采用方案3时的等效应力分布 模拟方案四：减径量对成形过程的影响第40页，共60页。40有限元模拟与结果分析采用方案3时的轧制力变化曲线 模拟方案四：减径量对成形过程的影响第41页，共60页。41采用方案4时的等效应力分布 有限元模拟与结果分析模拟方案四：减径量对成形过程的影响第42页，共60页。42不同减径量的模拟结论以及结论分析

17、轧辊入口锥角为2.5适合小减径，轧辊入口锥角为3.5适合大减径减径量越大，则斜轧空心减径过程所需要的最大轧制力也越大在本文所设计的辊型以及初始条件下最大减径量不能超过40%当进行大减径时适当提高轧辊转速可以改善成形结果，这是因为当进行大减径时金属的变形量较大，适当提高轧辊转速可以加快金属的轴向流动从而减少周向流动和径向流动有限元模拟与结果分析第43页，共60页。43改善壁厚精度的模拟研究有限元模拟与结果分析模拟方案轧件壁厚辊型送进角压下量轧辊转速13.6mm2.5810mm60（r/min）轧制力随时间增量的变化曲线 第44页，共60页。44等效应力分布 改善壁厚精度的模拟研究有限元模拟与结果

18、分析第45页，共60页。45改善壁厚精度的模拟研究毛管前端面圆周上的壁厚分布 有限元模拟与结果分析第46页，共60页。46减小壁厚模拟结论以及结论分析适当减小壁厚对三辊斜轧空心减径成形过程影响不大，可以改善减径后毛管的壁厚精度壁厚减少10%时，最大轧制力减少约20% ，壁厚对最大轧制力的影响较大三辊斜轧空心减径工艺在本课题所设置的初始条件下的增壁量大约为10%，左右，可以通过优化工艺参数来改善壁厚精度有限元模拟与结果分析改善壁厚精度的模拟研究第47页，共60页。47实验设备技术参数单位数值电机功率kW18.5电机转速r/min60180空载电流A20送进角调整范围010轧辊直径mm135轧辊长

19、度mm267总减速比/22轧制规格mm调试设备的主要技术参数第48页，共60页。48实验无缝钢管三辊斜轧空心减径设备 实验所用轧辊 成品 第49页，共60页。49实验试验方案一：辊型曲线对轧制结果的影响试验方案咬入段锥度送进角减径量12.581023.5810试验方案咬入段锥度送进角减径量12.5410mm22.5610mm32.5810mm试验方案二：送进角对轧制结果的影响试验方案咬入段锥度送进角减径量12.5810mm23.5814mm33.5816mm试验方案三：减径量对轧制结果的影响第50页，共60页。50实验入口锥角为2.5入口锥角为3.5 入口锥角为3.5时的模拟结果 方案一实验结

20、果第51页，共60页。51实验方案一的实验结论以及结论分析实验结果与模拟结果相符，在方案一的情况下，轧辊的入口锥角为3.5时轧出来的毛管为四边形两种辊型在咬入段刚开始都变形正常，只是在接近最大轧制力及最大辊径时入口锥角为3.5的毛管不能够归圆而转变为四边形轧制最后出现四边形现象主要与精整前的轧制带的长度有关，轧制带较长时不易出现多边形，当小到一定程度时出现多边形现象第52页，共60页。52实验送进角对轧制结果的影响 （从左到右依次为送进角为4， 6 ，,8轧后的图片 ）方案二实验结果第53页，共60页。53实验方案二的实验结论以及结论分析实验结果与模拟结果相符，在方案二的情况下，送进角为8时调

21、试出来的结果要好于其余两种情况当辊型的入口锥角为4时出现轧卡现象，主要原因为轧制速度太小导致轧件在轧制的时候温度较低，从而导致变形抗力增大不同的转速对成形结果影响较大，太小容易产生轧卡现象，太大时容易形成比较严重的椭圆度现象第54页，共60页。54实验（a）减径量10mm （b）减径量14mm （c）减径量16mm （e）减径量14mm模拟结果 （f）减径量16mm模拟结果 方案三实验结果第55页，共60页。55方案三的实验结论以及结论分析实验结果与模拟结果相符，当减径量大于16时轧制出来的结果壁厚增加较多而且内外表面质量较差随着减径量的增加轧件内外表面的螺纹越来越明显，即成品质量随减径量的增大降低轧制过程中出现的螺纹现象主要是因为随着减径量的增大，轧制时的变形抗力增大，轧件的变形不均匀度增大，轧件内部金属的流动不均匀。实验第56页，共60页。56结论与展望结论使用三辊斜轧空心减径工艺来一次性对毛管进行较大的减径可行送进角对斜轧减径过程有较大影响，适当增大送进角有利于轧制过程中轧件的成形辊型对三辊斜轧空心减径工艺过程起着较为重要的影响，根据不同的减径量来选定不同的辊型，小的入口锥角适合小的减径量，大的入口锥角适合打的减径量轧辊转速本身对轧制成形的影响较小，适当提高轧辊转速有利于轧件的纵向变形且提高轧制效