薄壁环件轧制机的设计

薄壁环件轧制机的设计
第一章绪论
随着社会的发展，薄壁环件越来越多的用于各种领域，如轴承环、齿轮环、燃汽轮机环、电机集电环及核反应堆容器环件等，正被广泛的用于火车、飞机、汽车和其它的一些电子产品中。

然而传统的加工方法如铸造、拉拔、冲压等通用的方法已经不能满足社会的需求，且随着科技的进步，新工艺和新方法也在被不断地探索，环件轧制正是在这种情况下发展起来的，然而现在研究的环件轧机大多都是主动轮做进给运动和转动，而从动轮只转动不做进给运动，从而使环件壁厚减小而直径扩大的轧制变形。

而像主动轮和从动轮都做进给和转动的轧机，国内在这方面的研究还很少，所以对这方面的轧机的研究有非常重要的意义和价值。

1.1课题研究的目的和意义
（1）设计出主动轮和从动轮都做进给和转动的轧机，弥补国内在这方面的不足。

从上世纪六十年代就有人开始从事轧制技术的研究与分析，虽然轧制技术得到的飞快的发展，但轧机原理的发展方向主要没有什么大的变化，这次课题的研究主要就是从理论和实践研究不同原理的轧机。

（2）研制出不同类型的轧机使薄壁环件加工更方便。

设计的轧机是主动轮和从动轮都做进给和转动的轧机，而国内像这样的轧机机型还很少，有待进一步的发展。

（3）设计出的轧机能加工各种材料的薄壁环件，且根据联轴器的不同，环件加工的范围也不同，加工范围通常比较大，正是因为该种轧机有这样的优点所以值得去研究。

（4）该课题研究的目的是为了设计出新型轧机并不断完善该轧机各种零件的选用，还对这种新型轧机的性能进行测试。

1.2课题研究背景
1.2.1 国内外的研究现状
（1）理论研究
上世纪六十年代开始了环件轧制的理论研究工作，由于受到客观条件的限制，大量的研究工作被限制在近似或经典塑性成形理论的研究领域。

滑移线基本理论是上世纪七十年代建立的，该方法主要用于求解理想塑性材料的平面应变问题。

环件轧制中金属变形复杂。

因此，对金属变形规律的进一步研究多采用上限法或能量法。

这几个理论分析方法均采用不同假设对问题做了较大程度的简化，因此无法提供环件内部精确全面的应力应变信息。

随着计算机技术和塑性理论的发展，用有限元方法模拟塑性成形过程弥补了各种解析或半解析方法的不足，被用来解决了许多实际问题。

近年来国内外的众多学者尝试将有限元法应用于环件轧制的过程中，这些工作为开发出集变形分析与工艺计算和过程控制于一体的环件轧制计算机辅助分析系统打下了基础。

有学者根据环件轧制过程的有限元模拟结果制订控制策略，将模拟的最佳轧制力曲线转换为压力辊运动的等效速度曲线，控制压力辊使其按预定的速度曲线运动。

近年来，在德国钢铁工程师协会环件轧制委员会以及生产厂家的大力支持下，各研究机构在环件轧制在线控制方面进行了大量的研究，从而使环件轧制技术又上了一个新台阶。

然而现在武汉理工大学有一些学者从理论上对薄壁环件轧制进行了改进，改进后的轧制机构与传统的轧制机构最大的不同就是从动轮和主动轮一起做进给运动，而传统的轧制机构只有主动轮做进给运动，而从动轮只转动，这也正是薄壁环件加工待发展的方向。

（2）实验研究
二十世纪六十年代，英国一些学者首先开展了环件轧制实验研究。

他们在立式二辊轧机上进行了基本参数的实验研究，发现环件轧制时径向变形区的径向对称点存在塑性铰。

随后，另一些学者进一步实验指出，环件轧制生产的金属硬度变化沿轴向、径向及周向差别不大，平均硬化程度比轴向压缩实验引起的硬化小。

轧辊表面单位压力分布能从一个侧面反映变形区内应力状态及变形情况，验证有限元分析结果。

还有学者用测压针方法研究了不同材料在不同孔型中轧制时的单位压力分布。

得到在变形区入口附近单位压力迅速升高并达到峰值，
随后缓慢降低，在轧辊连心线附近单位压力曲线出现拐点的规律。

当压下速度较大时，单位压力可出现两个峰值。

这些现象说明平板轧制理论和摩擦理论不适用于环件轧制过程。

对于环件轧制过程的分析，必须根据环件轧制特点重新建立环件轧制
理论。

九十年代有学者考察了压下速度、摩擦条件、环件形状及孔型尺寸等因素对孔型中金属流动及环件截面形状的影响。

初步探讨了轧制异形截面环如何保证环件外径达到规定尺寸时，环件材料恰好充满孔型，形成理想的截面形状的问题。

2.2环件轧制技术的发展趋势
环件轧制技术已经成为环形零件生产的主要加工方法，并朝以下几个方向迅速的发展
（1）薄壁环件的直径不变而内壁在轧制的过程中发生变形，环件总体积可以看做是不变的。

（2）高速薄壁环件轧制技术。

随着环件轧制设备及上下料辅助设备的机械化自动化程度的提高，薄壁环件轧制速度和生产率迅速提高。

（3）复杂薄壁环件轧制技术。

对于复杂截面的薄壁环件通常简化成近矩形截面的环件，然后再机加工。

通过轧制用毛坯的优化和轧制孔型的合理设计许多复杂截面的环件逐渐实现了直接成形。

（4）薄壁环件轧制生产设备的发展趋势。

对中小型薄壁轧机主要是运用闭式轧制提高精度，提高效率，实现少无切削加工。

（5）薄壁环件的壁厚在轧制过程中慢慢的变薄，而直径慢慢的变大，环件的体积不发生变化。

而在主动轮和从动轮都做进给和转动的轧机研究还是刚刚起步，在这方面需要大量的理论研究和实践研究。

第二章薄壁环件轧制机设计方案
2.1基本理论和设计方案
传统轧机轧制环件的原理是电动机带到大齿轮转动，然后大齿轮带到小齿轮转动，小齿轮固定在轴上带动轴一起转动，该轴的顶端安装了主动轮，而从动轮被安装在滑块上，滑块可以滑动，在进给机构的作用下向前移动，从而薄壁环件被挤压在从动轮和主动轮之间，从
动轮在摩擦力的作用下也开始转动，开始对环件进行轧制。

而现在设计的轧制机构是要使从动轮和主动轮在轧制的过程中
一起做进给运动，该轧制机构最需要解决的问题就是主动轮和从动轮在轧制环件时如何一起做进给运动。

刚开始想出了两种方案：第一种方案是用斜齿轮代替传统机构中的大齿轮，并且使斜齿轮在电动机的作用下转动而且能向下运动，这样小齿轮就能在斜齿轮的作用下转动和向两侧移动，从而使主动轮向两侧移动，但在计算轧制力的时候，发现斜齿轮在向下运动的时候不能和小齿轮完全啮合，从而不能很好的带动小齿轮转动，所以该方案被取消。

第二种方案是用联轴器代替了被小齿轮固定的那根轴，小齿轮固定在联轴器下端的轴上，而主动辊被安装在联轴器上端的轴上，这样主动轮就可以移动了，当然该联轴器的选择也是有要求的，它不仅要提供转矩而且还要能伸长和缩短，经过查阅资料找到了该类型的联轴器，且符合该类型的联轴器有很多不同的型号，因此该方案符合要求。

2.2轧制实际零件
m
15B mm 144d 150===，，mm D
2.3有限元可行性验证
图2-1轧制实际零件
第三章薄壁环件轧制力学计算
3.1环件尺寸计算
毛坯尺寸为：直径150mm ，厚度3mm ，高度15mm 。

将厚度轧制到2.5mm 时，环件的尺寸计算过程：
假设环件轧制前后的高度不变，根据体积不变原理：
2010022Lh R Lh R ππ=..................................（3-1）即2
1
000h h R R =
式中：R00—轧制前半径 R0—轧制后半径 h1—轧制前厚度 h2—轧制后厚度 L —环件高度
将毛坯尺寸带入式（3-2），得：mm R 900=
3.2环件轧制每转进给量的范围
根据文献（7）得：
环件轧制每转最小进给量
m r
R
R R R R R r R R R h 612121211310965.1)1()(1055.61--?=+++-?=?
..........................................（3-3）式中：R1—主动轮半径R2—从动轮半径 R —环件外圆半径 r —环件内圆半径环件轧制每转最大进给量
m r
R
R R R R R R R h 6112121105.37)1)(11(2-?=++++
=?β ..................................
....................（3-4）
式中：β取0.5
因此环件进给量的范围为max min h h h ?≤?≤?
即h m 6
6
105.3710965.1--?≤?≤?
3.3接触弧长投影
根据文献（7）得接触弧长投影长度
r R R R h
L 1121112-++?=
............................... ....(3-5)
式中：m h 6
1030-?=?
3.4计算公式
根据文献（7）得如下计算公式（1）环件单位面积轧制力:
)2.02.12.1(2-+=ha
L In L ha In k p （2）环件开式轧制总变形力: pbL P = （3）总轧制力: P P 66=
(4)主动轮轧制力矩:
)1()(21221h
h
hpIn r R R R M ?+-?=
(5)总轧: M M 66= (6)大动机功率:
e
r
n M Ne ηλπ62=
式中：η—环件轧机效率取90%
e λ—电机许用过载系数
r n —旋转轧制运动转速，且)2(L L r R V n π=,L V 取1-3m/s
3.5取材料代数值计算
(1)当环件取45钢时,屈服强度为350Mpa 则环件单位面积轧制力:
2961025.1)2.075
.2672
.02.1672.075.22.1(103502mm N In In
p ?=-+= 环件开式轧制总变形力:
N P 43391026.110672.010151025.1?==-- 总轧制力:
N P P 4
461056.71026.166?=??==
主动轮轧制力矩:
2
932293.42)35.01(1025.1103)0147.015.0(15.0025.021mm N In M =+-?=-
总轧
:
m N M M 58.26396.42666=?== 大电动机功率：
Kw Ne 54.9015
.0222.158.2639.02==ππ
(2)当环件取Q235材料时则环件单位面积轧制力:
2961084.0)2.075
.2672
.02.1672.075.22.1(102352mm N In In
p ?=-+= 环件开式轧制总变形力:
N P 43391085.010672.010151084.0?==-- 总轧制力:
N P P 4
46101.51085.066?=??==
主动轮轧制力矩:
2
932282.28)35.01(1085.0103)0147.015.0(15.0025.021mm N In M =+-?=-
总轧:
m N M M 1.17382.28666=?== 大电动机功率
Kw Ne 27.6015
.0222.11.1739.02==
ππ
(3)当环件取08F 材料时,屈服强度为175Mpa 则环件单位面积轧制力:
29610625.0)2.075
.2672
.02.1672.075.22.1(101752mm N In In
p ?=-+= 环件开式轧制总变形力:
N P 43391063.010672.010*******.0?==-- 总轧制力:
N P P 4
461078.31063.066?=??==
主动轮轧制力矩:
2
932222)35.01(1063.0103)0147.015.0(15.0025.021mm N In M =+-?=-
总轧
:
m N M M 82.13197.21666=?== 大电动机功率
Kw Ne 77.4015
.0222.179.1319.02==ππ
第四章薄壁环件轧制运动学
4.1轧制机构(主动轮)电机转速与环件转速的关系
设大电机经过减速器后的转速为s r 5=
大N ，则1s 转N 转即5转
设大小齿轮之间的转动比为i ，则大小n n i = 式中：小n —小齿轮的齿数大n —大齿轮的齿数
取i=1/4,则每秒小齿轮转iz N 转，取5×4=20转
在轧制过程中，假设环件轧制前后的高度不变，根据体积不变原理
)(4
)(4
222
020d D d D -=
-π
π
…………………………(4-1)
式中：D 0—轧制中外径 d 0—轧制中内径 D —轧制前外径
d —轧制前内径12h D d -= L —环件高度由式(4-1)得
i i
h h h d D D +?+=
1
02 ……………………………….(4-2) 式中：1h —轧制前壁厚且2)(1d
D h -= hi —轧制中壁厚且2)(0
0d D h i -= 又主动轮与环件在接触点上线速度相等，
且n
R V i π21=………………………………………………… (4-3) 式中：1V —接触点上的线速度
i R —轧制中环件的半径
图4-1环件转速与壁厚的关系
n
—环件的转速即n R i N R i ππ221=…………………………………...….(4-4) 式中：i R —环件轧制中半径将i R D 20=代入（4-4）得 i
i
i i h h h h h d D i NR iD NR n 4001782.015
.0)2(22110
1+=+?+==
4.2环件直径增长速度与芯辊进给速度的关系
由塑性变形体积不变
)(4
)(4222
020d D d D -=-ππ................................(4-5)
i i
h h h d D D +?+=1
02...................................(4-6)
i h D d 200-=.......................................(4-7) 其中
)..........(321i
i h h h h h ?+?+?-= s —芯辊运动而未轧制的那段路程
公式（4-6）和（4-7）对时间求导得环件直径增大速度为
V H V h h d D V i D )10004455.0()12(2
1-=-?+=..................(4-8
)
V V V D d 2+=.........................................(4-9)
式中
t d V /dh i -=为环件厚度减小速度，
； D V —环件轧制中外径扩大速度
d V —环件轧制中内径扩大速度
由上式可知环件轧制中内径扩大速度d V 为外径扩大速度D V 与二
倍直线进给速度之和，即内径（环件）增大速度始终大于外径扩大速度
将数字代人公式(4-8)和（4-9）中得
即V h V h V i
i D )10004455
.0()1003.02147.015.0(2
2-=-?+=
即V V h Vd i
2)10004455
.0(--=
假设环件壁厚减小速度为定值,取s
mm V /10303
-?=
4.3 每转进给量
设环件经过N N 转轧制完成变形，环件在这N N 转轧制中出口厚度分别为h 1，h 2，...h N ,从h 1到H N 环件壁厚是逐渐减小的，记每转轧制完成时刻分别为t 1...t N ，则环件壁厚随时间变化规律如图(4-3)。

现在考虑第i 转轧
从i-1转轧制完成时间t i-1始至时间t i 止，该转进给量为
)()())((1111dt dh t t t t t h h h h h i
i i i i i i i i i ??-=---=-=?---- ................................................. (4-10) 式中
i t ?—环件第i 转轧制所用时间
4-2
环件直径增长速度与壁厚的关系
dt dh -—环件第i 转轧制壁厚减小速度，其值与第i 转轧制进给速度相等。

第i 转轧制所用的时间为
)()(11nD D nR R t i i i ==?.............................(4-11) 其中
i R —环件第i 转轧制时外圆半径 i D —环件第i 转轧制时外圆直径。

1D —从动轮直径
环件第i 转轧制时的直径为
i i i h h h d D D +?+=)(]2)([1..........................(4-12)
则每转进给量为
)(})(]2)({[)()(])(]2)([1
111nD h h h d D V dt dh nD h h h d D h i i i i i i i +?+=?+?+=? ...........................(4-13)
式中
i i dt dh V -=—环件第i 转轧制时的直线进给速度
设进给速度为常数时的每转进给量i h ?并不为常数，它随环件壁厚减小而增大
4.4进给机构小电机旋转速度与芯辊进给量的关系
设小电机的经过减速器后转速为n 小取3r/s ，则1s 钟转n 小转即3转
图4-3环件壁厚与轧机时间的关系
设螺距为h 螺，查表取3mm ，公称直径为40mm 的梯形螺纹来传递运动和动力
设进给机构的倾角α=600，则芯s 每秒中前进的位移为
mm s 2.5732.19tan h n ===α螺
小芯则从动轮的进给速度
s mm 2.5t ==芯芯s V
设环件开始轧制时，滑块已向周围移动了10mm ，弹簧才提供轧制时的被压力，环件的半径要扩大15mm ，则滑块向周围一共移动25mm ，则所有总时间为
s 8.42.5152.510t t t 2
1=+=+=总……………………………(4-14) 式中
1t —未轧制时滑动的运动时间
2t —轧制时滑块运动的时间
第五章主要零部件的计算与选择
5.1联轴器的选择
以环件为45钢材料为例，根据公式（3-8）计算的轧制力矩,选择CFL-12型的联轴器，它的公称扭矩为m 44.1N M ?=,最小长度图4-4
滑块进给量与小电动机转速的关系
mm 206L min =，可伸长是mm s 35=，联轴器的主体部分为122mm L s =，则滑块可移动98.8m
42.93N M ?=2大于25mm ，所以符号要求 5.2电机的选择与校核
以环件为45钢材料为例，选择电机，并校核电机
5.2.1大电机功率的计算与校核
根据公式（3-11）计算大电机功率，选择异步电动机Y200L(IP44),该电机的同步转速为750r/min,额定功率为22W ，则电机的额定转矩
m N ?=?==13.280750220009.55n P 9.55T N N N (5)
1) 式中
N p —大电机的额定功率 N n —大电机的额定转速
电机的额定转速m N ?13.280大于主动轮的总轧制力矩m
N ?58.263,该电动机可选，下面校核电动机的过载能力异步电动机过载能力校核公式为
N t V Lm T K KK T ≤…………………………………………………(5-2) 式中
Lm T —电动机短时最大负载阻转矩m N ?
K —余量系数，交流电动机取0.9，直流电动机取0.9-0.85
V K —电压波动系数取0.8-0.85
t K —电动机短时充许转矩过载倍数，可查表N T —电动机额定转矩m N ?
将数值代入公式（5-2）则
6.33213.28065.18.09.058.263=≤ 所以该电动机可以满足条件的要求，可以选用
5.2.2进给电机的选择与校核
进给机构的压力
60sin P F N =
取1.0=u
则0
60sin P u uF f N
==
又0
60sin r 进
进uP fr T == 所以m 3786.003.0126001.06?==N T 起
m 7566.006.0126001.06?==N T 末
进给电机所需功率为
)9550(n η?≥末
T P ……………………………………………(5-3)
将数值代入（5-3）则
w 5.1)8.09550(15756)9550(n K T P =??=?≥η
末
查表选Y112M-6(IP44)型电机，该电机的额定功率为2.2Kw,转速为940r/min ，效率为0.8
5.3轴承的选择
选深沟球轴承，其特征为额定动负荷比为1，能承受一定的双向轴向负荷，轴向位移限制在轴向游隙范围极限转速高
以45钢材料为例，根据环件轧制总变形力P=12.6KN 和轴的直径d 轴=20mm ，选择轴承型号为404（重4窄系列），其额定动负荷为23.81KN ，极限转速为13000r/min
5.4弹簧的选择
以45钢材料为例，根据环件轧制总变形力P=12.6KN,选择圆柱螺旋压缩弹簧，弹簧材料直径为d=25mm ，弹簧中经D=170mm ，工件极限载荷P j =21893N ，工件极限载荷下的单圆变形量F j =28.24mm
图5-1
原始
条
件
最小工作载荷KN
P6
.
12
1
=, 最大工作KN
P17
n
=
工作行程mm
25
h=，弹簧类别6
310
10-
=
N次端部并紧，磨平，支撑圈为1圈。

弹簧材料：碳素弹簧丝C 级
参数
计
算
被算弹簧刚度
mm
N
h
p
P
P
n
293
15
10
)
6
.
12
17
(
)
(3
1
=
-
=
-
工作极限载荷
KN
KN
P
P
n
j
5
.
22
18
25
.
1
25
.
1=
=
≥
弹簧材料直径d及弹簧中径D与有关参数根据P
j
与D条件从表得
d D P
j
f
1
P
，
25 170 21893 28.24 775 有效圈数65
.
2
293
775
'
'=
=
=p
P
n
d
查表取标准值75
.2
=
n
总圈数75
.
4
75
.
2
2
2
1
=
+
+
=
n
n
弹簧刚度
mm
N
n
P
P
d
16
.
163
75
.
4
775
'
'=
=
=
工作极限载荷下的变形量mm
nf
F
j
j
75
.
28
65
.
2=
=
=
节距mm d
n
Fj
t27
.
52
25
75
.
2
75=
+
=
+
=
自由高度24
.
181
5
37
7425
.
143
5
.
1
=
+
=
+
=d
nt
H
取标准mm H190
=
弹簧外径
弹簧内径mm d
D
D145
25
170
1
=
-
=
-
=
螺旋角0
5.5
79
arctan0.09
artant/170=
=
=π
α
5.5进给机构的设计
以45钢材料为例，轧制总时间s 8.4
=总t ，则小电机在这段所转的圈数为转总
小总4.148.43t n =?==n ，则进给机构下降的距离则设计的进给机构如图5-2
展开长度
2
0.9954
2536.761354.75/cos5.170L 0
==?=π
验算
最小载荷时的高度
mm P P H H 78.11216.16312600190'1
01=-=-=最大载荷时的高度
mm P P H H n
n 81.8516.16317000190'0=-=-= 极限载荷使得高度
mm P P H H n
j 82.5516.16321893190'0=-=-= 实际工作行程
m H H h n
97.2681.8578.1121=-=-= 工作区范围
575.021*********==j F F
777.021********==
j n F F 高径比6.2118.11701900
<===D H b 6.2
图5-2
5.6驱动机构设计
在环件轧制过程中，主动轮需要由联轴器带动做旋转运动，而联轴器则与小齿轮连接，由于主动轮沿环件外侧均匀分布，所以小齿轮也要沿环件外侧均匀分布，小齿轮则由中间的大齿轮提供动力。

5.6.1.齿轮的选择
由传动方案选择直齿圆柱齿轮，该机器运转速度不高，故选用7级精度（GB 10095-88）
选择小齿轮材料为40Cr ，硬度为300HBS ，大齿轮材料为45钢，硬度为250HBS 。

选择小齿轮齿数，231=z 大齿轮齿数922=z ，模数5
.2=m 。

5.6.2.按齿面接触强度校核由设计计算公式进行计算，即：
[]()σ
H E u
u k Z T d d t 211)1()(32.2??+?≥Φ.........(5-4)
且S lin
HN H
K σσ=][
......................(5-5) 其中
K —载荷系数取1.3。

Φd —齿宽系数取1.2。

Z E
—材料的弹性影响系数取MPa Z E
2
1
8.189
=。

σ
min
—接触疲劳强度极限，按齿面硬度查得小齿轮的接触疲劳强
度极限
MPa 6501
min =σ
，大齿轮的接触疲劳强度极限
MPa 6002
min =σ。

K
HN
—接触疲劳寿命系数取95.090.02
1==K K HN HN ；。

s —安全系数取1，将数值代入公式（5-5）
MPa MPa S lin HN H K 5676309.0][112=?==σσ
MPa MPa S lin HN H K 54057095.0][2
22=?==σ
σ
计算小齿轮分度圆直径d t 1，代入[]σH
中较小的值。

[]()mm H
E u u k k Z T T d t
6.46)1()(32.23
2
1
1
1=+?≥σ
所以齿轮满足齿面接触强度要求。

5.6.3.按齿根弯曲强度校核由设计计算公式进行计算，即
[]
()32
11)2(σ
F
Sa Fa d Y Y z T K m Φ≥…………………………(5-6)
且载荷系数
K K K K H H V A K βα=……………………………………(5-7) 其中
V K —动载系数取1.12, 直齿轮1==Fa
Ha K K K
A
—材料使用系数取1
用插值法查得423.1=K H β，35.1=K F β 将数值代入公式（5-7）则
载荷系数59.1423.1112.11===K K K K H H V A K βα 查表得小齿轮的弯曲疲劳强度极限MPa FE 5001
=σ
，大齿轮的弯
曲疲劳强度极限
MPa FE 3802
=σ
取弯曲疲劳寿命系数85.01=K FN ，88.02
=K FN 弯曲疲劳安全系数S=1.4，将数值代入公式（5-5）得
MPa S FN FN F K 57.3034.150085.0][1
11=?==σ
σ
MPa S FN FN F K 86.2384.138088.0][2
22=?==σ
σ
查表取齿形系数
65.2
1
=K Fa ，226.22
=K Fa ；应力校正系数58.11
=Y
Sa ，764.12
=Y Sa。