锻压设备——辗环机作业

基于本实验室的情况，以辗环机（也称轧环机）为例简要分析。

1.辗环机的研究现状和发展趋势
辗环机是属于锻压设备中旋转成形机械的一种，采用电机驱动和机械传动，在工作过程中，设备的工作部分和所加工的零件，二者同时或其中之一做旋转运动。

零件局部变形，故加工时需要的力能较小，也可以加工尺寸较大的工件；由于加工过程中工件或设备工作部分做旋转运动，所以更适合加工轴类、盘类、环类等轴对称零件。

按变形特点可以分为径向辗环机、径-轴向辗环机和多工位辗环机。

国内研究状况：
我国于20世纪50年代开始应用环件轧制技术生产轴承环，1959年在上海建立了锤一压力机一扩孔机的轴承环轧制生产线。

至此，环件轧制技术已经成为机械零件生产的高效、先进和主要的工艺方法之一，受到越来越广泛的认识。

20世纪90年代，我国自制的热成形辗环机辗压力为20000kN,辗压件直径达3500mm，轴向高度500mm。

济南铸锻所研制的轴向一径向辗环机和武汉理工大学(原武汉工学院)研制的4 500mm型齿轮毛坯辗扩机都采用微机控制辗压成形的汽车后桥从动锥齿轮坯尺寸形状精度已达世界水平。

国内轧环设备主轧辊转速是恒定的，其优点是控制系统简单，不足之处是不能适用轧制不同材质的环件需要，设备能力不能充分发挥。

提高轧制线速度可以充分发挥设各潜能，满足轧制不同尺寸环件对速度的要求。

由西安重型机械研究所自主开发研制的的5m径一轴向数控辗环机于2006年9月在西南铝业公司通过验收，设备运行良好，成功地轧制出满足我国航天工业急需的大型铝合金环件。

这不仅证明了我国辗环机的设计和制造技术的进步，而且标志着我国轧制大型环件的工艺和控制技术的进步。

国外研究状况：
环件轧制技术是伴随着铁路运输业而发展的。

英国在1842年建造了轮箍轧机，俄国奥斯特洛维茨铸造厂在1886年设立了火车轮箍生产车间。

之后，环件轧制技术广泛应用于其他领域。

1900年美国Midvale&Qrdanance公司副经理Slick 提出了辗环工艺，1906年制成了Slick辗环机，1920年获美国专利。

最早制造环
件轧制机器的国家是德国并用于生产的是蒂森机器公司瓦格纳工厂，该厂把配有自动上料和自动卸料装置的AGW400型辗环机在1985年首次投放市场。

日本三菱长崎机工株式会社与瓦格纳公司在1991年合作生产了AGW型辗环机。

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。

所以，环件轧制技术又上了一个新台阶。

在环件轧制的实验室研究方面，Hawkyard在1984年考察了压下速度、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，形成理想的截而形状的问题。

Hawkyard采用平砧锻造平板时的滑移线场解首次给出轧制力和力矩的简洁表达式。

与实验结果对比，轧制力公式的误差小于10%，轧制力矩的误差在15%左右。

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。

Yang用能量法研究了L 形截面环轧制力矩变化规律，分析中考虑了芯辊压下速度的影响，计算和实验表明，当压下速度较大时，其对轧制力矩确有一定影响，但芯辊压下速度较小时，它的影响可忽略不计。

上述各种理论分析方法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。

近年来的研究：
近年来，国内各个行业对大型环件的需求量越来越大，同时对各种型号的辗环机的要求也在不断的变化。

国内生产辗环机的企业较多，济南铸造锻压机械研究所有限公司、中国重型机械研究院有限公司、青岛青锻锻压机械有限公司、青岛琪源锻压机械有限公司、中国洛阳华众机械制造有限公司、天津市天锻压力机有限公司等企业进行辗环机的开发研究和生产都在逐步向国际主流方向靠拢。

燕山大学许思广用三维刚塑性有限元法分析了横断面为对称的辗环变形过程，以及辗环过程的热祸合问题。

郭正华等人则采用刚(粘)塑性动力显示有限元法模拟了环件热轧时的金属流动规律，模拟结果不但得到环件轧制的接触力、等效应变速率和等效应变的分布，还揭示出环坯形状、尺寸、温度和轧制加载速度对工艺性指标和效率指标的影响。

华林、赵仲治、张猛等人在环件辗扩工艺，辗扩力和力矩计算方面及辗扩进给规范等辗环工艺的研究中取得了成果，并于
2001年，华林等人撰写了著作《环件轧制理论和技术》。

该书经过长期的理论和实践操练，从静力学、运动学、动力学、几何学、塑性成形原理和系统控制等方面深人研究环件轧制条件、成形运动规律、力能设计方法、工艺设计方法和过程控制方法，揭示了环件轧制的物理本质，建立了环件轧制的理论体系。

书中介绍的工艺流程、工步设计、生产组织等，是对大量环件轧制生产实践的总结和归纳，具有很强的实用性。

存在的问题：
辗环机随着工业自动化进程的深入而得到越来越广泛的应用。

当前，国内外开发生产的辗环机主要是在参考原有机型的基础上进行的改进，还遵循着传统的设计理论和设计规则，凭借着设计者的经验来选择设计参数，并借助一些手册、图表、经验数据及一些经验公式来完成各种设计，这会造成辗环机结构本身存在很多的缺陷和不足之处。

另外，我国研发大型环件精密热轧设备的历史较短，在设计方法上，主要参考了西方国家的同类设备，缺少对机床结构及变负载条件下弹性变形的分析与计算，设计水平较低，设计理论不够系统、完整。

近年来，我国国产辗环机进步很快，其水平接近了国外产品的技术性能，但仍存在一定差距，主要表现在设备的稳定性、可靠性、速度、成套性方面和自动化程度相对比较低，轧环精度也是主要差距之一。

未来发展趋势：
总的来说。

国内外辗环机的结构型式和控制系统各不相同，特别是精度的控制各有不同的方法，在适用性方面也有差别。

它们的共同特点在于确保机床的稳定运行和辗压件的精度。

因此，该技术未来将向着提高辗环件尺寸精度，保障辗扩过程的稳定性，提高材料利用率和降低生产成本方面发展，具有优良的推广使用价值，发展前景广阔；尤其是在生产轴承环、法兰环、齿轮环、火车车轮和轮箍、燃汽轮机环等各种无缝环件方面，其应用价值极为显著。

2. 辗环机的结构和分析
对D53K-2500A辗环机的轴向轧制机构进行分析。

辗环机工作时锥辊与热态毛坯之间的相互作用力沿着轴向轧制机构的机架上的导轨通过压下油缸传递到轴向轧制机构的机架上，并使锥辊、轴向轧制机架等发生变形。

锥辊是辗环机的
重要部件，环件的端面轧制质量在很大程度上与轴向轧制机构有关。

原理如图2.1所示，轴向轧制机构由压下油缸、平衡油缸两个液压缸驱动，其中压下油缸提供轴向轧制力，平衡油缸主要用于平衡锥辊装配体自身的重量，其行程由一个行程开关调节，控制液压缸运动，轴向轧制机构的机架上面左右侧各设置一个导轨副，以限制锥辊装配体Z轴方向上的旋转的自由度，保证轴向轧制过程中轴向轧制力传动的平稳性。

图2.1 轴向轧制机构原理图
通过对轴向轧制机构锥辊装配体用三维造型软件UG进行建模，保存为STL格式，利用UG与ANSYS的接口，将模型导入到ANSYS中。

在ANSYS软件中，分别设定材料属性、划分网格数、边界约束、载荷条件。

材料属性：D53K-2500A辗环机锥辊装配体的锥轴选用材料是5CrNiMo，轴承环选用轴承钢材料GCr15。

网格划分：根据D53K-2500A辗环机锥辊装配体的锥轴的受力情况分析，在受力较大的位置(受轴向轧制力和切向扭矩的位置)较密的网格，其他位置采用适当粗的网格。

我们划分三种不同疏密等级的网格，目的是为了得到三种不同网格等级的计算时间，从而选择合适的网格等级，为加载力在锥辊锥面上不同位置的载荷进行下一步的加载计算。

如下图（a）、（b）、（c）：
边界约束：D53K-2500A辗环机锥辊装配体的前端轴承外圈与上主轴箱相连接，后端轴肩台面与后端轴承内圈相连接。

考虑锥辊装配体同步运动于上主轴箱，前端轴承外圈和后端轴肩台面对于上主轴箱不产生移动和转动，所以把前端轴承外圈和后端轴肩台面按照全约束进行处理，即前端轴承外圈和后端轴肩台面的各个节点的X、Y、Z方向的位移。

载荷条件：D53K-2500A辗环机锥辊装配体在实际工作过程中，轧制力在锥辊锥面上的位置是不断变化的，所以我们依据其工作过程中的工艺要求，把轧制力的加载位置分为前端加载、中间加载、后端加载三种不同位置情况加载。

如下图（1）、（2）、（3）：
（1）
（2）
（3）
上图（1）（2）（3）分别为前端、中间、后端加载模型
模拟结果分析：
根据D53K-2500A辗环机轴向轧制工艺要求我们把压下油缸产生的80kN的最大轴向轧制力以压强的方式均布到每种加载位置不同的锥轴的小切面上，扭矩的加载应该是加载到该小切面所有节点上，运用此方法我们对D53K-2500A辗环机轴向轧制机构锥辊装配体进行强度计算。

达到的目的：采用有限元软件ANSYS，对D53K-2500A辗环机轴向轧制机构的锥辊装配体在三种网格等级下受力分析，得到了三种情况下锥轴系统的最大变形、最大等效应力、最大等效应变的情况。

两种结果进行分析后发现两种结果最大等效应力和最大变形的分布趋势基本上一致。

三种不同加载位置下零件的最大变形、最大等效应力、最大等效应变均能满足材料的使用要求。