謝君賢 牛占斌 程明 |文

本文以三輥行星軋機(jī)的軋制過程為研究目標(biāo)，軋輥作為軋機(jī)軋制過程中與軋件直接接觸的模具，通過對軋輥軋制力以及軋輥表面工藝參數(shù)的分析與研究，從而提高不銹鋼棒材成品的質(zhì)量和成材率。

隨著計算機(jī)輔助技術(shù)在現(xiàn)代機(jī)械工程中的應(yīng)用，數(shù)值模擬分析逐漸改變了傳統(tǒng)的注塑模具設(shè)計觀念，通過高效的設(shè)計、分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化工具，為注塑模具的成型設(shè)計及開發(fā)研制過程提供了一個經(jīng)濟(jì)、高效的平臺。Simufact軟件可通過文件導(dǎo)入模型（From file）和CAD導(dǎo)入模型（CAD import），其通用幾何模型格式有STL、DAT、BDF、ARC以及SolidWorks、Proe、Ug等格式文件。運用Simufact軟件與工廠試驗相結(jié)合，可為客戶節(jié)約大量的人力、物力，縮短設(shè)備調(diào)試時間，響應(yīng)我國對小投入、高效、高質(zhì)量設(shè)備的需求。

針對國內(nèi)不銹鋼棒材生產(chǎn)設(shè)備效率低下、能耗量大、投資成本高、成品精度低等問題，當(dāng)前該行業(yè)引進(jìn)三輥行星軋機(jī)來軋制易切削不銹鋼棒材，試圖解決中國不銹鋼產(chǎn)業(yè)所面臨的問題。筆者以三輥行星軋機(jī)的軋制過程為研究目標(biāo)，軋輥作為軋機(jī)軋制過程中與軋件直接接觸的模具，通過對軋輥軋制力以及軋輥表面工藝參數(shù)的分析與研究，從而提高不銹鋼棒材成品的質(zhì)量和成材率。

三維模型的建立

1.三輥行星棒材軋制模型的建立

筆者對三輥行星軋機(jī)做如下簡化：

三輥行星軋機(jī)的簡化。主要由圍繞軋制軸線按120o平均分布的3個軋輥以及不銹鋼棒料、送料推桿、套管構(gòu)成。

軋機(jī)公轉(zhuǎn)的簡化。軋機(jī)公轉(zhuǎn)會帶動軋輥繞其軸線的旋轉(zhuǎn)，考慮到接觸問題的增加會導(dǎo)致計算機(jī)計算緩慢，并且對計算機(jī)硬件配置的需求較高，所以本文忽略了軋機(jī)的公轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速，以軋輥實際自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速進(jìn)行仿真計算。

套管的簡化。三輥行星軋機(jī)在實際設(shè)備制造中是沒有套管的，由于模擬仿真中所取的不銹鋼棒料過短，當(dāng)軋輥開始咬入棒料時，棒料由于徑向受力不平衡發(fā)生劇烈的擾動，這樣會導(dǎo)致計算不收斂，終止程序的繼續(xù)計算。當(dāng)增加套管支撐不銹鋼棒料后，會給棒料添加徑向的邊界約束，將不銹鋼棒料送進(jìn)軋輥咬入口中。

2.不銹鋼材料模型

根據(jù)客戶生產(chǎn)實際需求，選取易切削不銹鋼棒料為研究對象。易切削不銹鋼棒料對應(yīng)Simufact軟件中的材料模型為X4CrNi18-10_c，不銹鋼棒料的密度ρ=7850kg/m3，彈性模型E=203GPa，剪切模量G=78.4GPa，泊松比μ=0.3，比熱Cp=461J/kg?k，導(dǎo)熱系數(shù)λ=14.5W/m?K，初始屈服強(qiáng)度為520MPa。利用Simufact軟件自帶的網(wǎng)格劃分功能對不銹鋼棒料進(jìn)行網(wǎng)格劃分，單元網(wǎng)格邊長：5mm；單元數(shù)：6007；單元劃分器：slMesh Tetra；單元類型：Tetrahedral (134)。

3.軋輥模型

軋輥輥型按實際尺寸設(shè)計，由成型段和圓整段組成的二段式，其輥型曲線設(shè)計按三輥行星軋機(jī)軋制不銹鋼棒料時坯料與軋制成品均不轉(zhuǎn)動為前提，為使軋輥能夠順利咬入不銹鋼棒料，通過在軋輥咬入段上開溝槽的工藝方法，加大軋輥與棒料之間的摩擦力。三個軋輥的空間位置分布按實際設(shè)備安裝尺寸調(diào)整，分別對軋輥進(jìn)行了偏轉(zhuǎn)角βo和傾斜角αo的空間調(diào)整。

4.熱邊界條件

不銹鋼棒料的初始溫度設(shè)為1150℃，軋輥模具的初始溫度設(shè)為25℃，推塊、套管的初始溫度設(shè)為25℃，環(huán)境溫度設(shè)為30℃。

5.軋制工藝參數(shù)

將模擬仿真的工藝參數(shù)設(shè)置盡量與現(xiàn)場生產(chǎn)實際參數(shù)相近，具體參數(shù)見表1所示。

按照工廠實際生產(chǎn)需求出發(fā)，將不銹鋼棒材Φ65mm坯料熱軋成為Φ30mm的成品（見圖1）。以此工況分別研究送料推桿的推力以及軋輥的等效應(yīng)力云圖、等效位移云圖、軸向軋制力。

表1 軋制工藝參數(shù)

圖1 Simufac仿真模型

圖2 Von-Mises 應(yīng)力云圖

圖3 三輥行星棒材軋機(jī)及軋制成品

軋制過程分析

1.Simufact仿真結(jié)果分析

Z軸軋制力范圍為-330.99～438.11KN。其中Y、Z軸受力為軋輥徑向碾軋力，其作用是對不銹鋼棒料進(jìn)行減徑；X軸受力為軋輥軸向夾送力，其作用是驅(qū)動軋件向前運動。

送料推桿在將近3秒時與不銹鋼棒料分離，此時軋輥與不銹鋼棒料發(fā)生咬合，軋輥與棒料間的接觸摩擦力使得棒料快速前進(jìn)，從而出現(xiàn)了送料推桿3秒后與棒料脫離，送料推桿的推力回歸為零。送料推桿受到的最大推力為0.026KN。

從不銹鋼軋制過程中材料運動軌跡圖可以看出，軋制過程中棒料上的點不僅圍繞自身軸線旋轉(zhuǎn)，同時沿著成品前進(jìn)的方向移動，其運動的最大速度為343.63mm/s。

由軋制過程的等效應(yīng)力及等效位移圖得到，最大等效位移值為13.43mm，最大等效應(yīng)力值為532.32MPa。圖2中軋輥材料設(shè)置為H13模具鋼，軋輥作為剛體在軋制過程中不顯示應(yīng)力、應(yīng)變值。

2.調(diào)試與應(yīng)用

三輥行星軋機(jī)軋制不銹鋼棒材工藝屬國內(nèi)首創(chuàng)，為確保研發(fā)與制造過程順利進(jìn)行，滿足設(shè)備軋制過程的穩(wěn)定性與軋制工藝的可行性，該三輥行星軋機(jī)分別在設(shè)備制造廠和用戶公司進(jìn)行了調(diào)試與應(yīng)用。

通過現(xiàn)場對三輥行星軋機(jī)的調(diào)試與應(yīng)用可得，三輥行星軋機(jī)軋制棒材的過程可靠穩(wěn)定，軋制出的成品表面光潔度與圓度符合用戶生產(chǎn)需求。棒材成品頭部軋制成型形狀與上述仿真時所得的軋制效果相符，從而驗證了仿真的正確性。該設(shè)備已通過了實際應(yīng)用與試驗，其軋制效果滿足雙方的設(shè)計期望（見圖3）。

結(jié)論

對軋制不銹鋼棒材的三輥行星軋機(jī)的軋輥模型進(jìn)行了三維實際尺寸建模，并運用了Simufact軟件對模型進(jìn)行了仿真，通過仿真結(jié)果與現(xiàn)場數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比，從而驗證了模型建立與仿真分析的正確性。

送料推桿推力、軋輥軋制力的研究與三輥行星軋機(jī)零部件的強(qiáng)度、剛度以及能耗需求有直接的關(guān)系，為三輥行星軋機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計和工具設(shè)計提供了可靠的設(shè)計參數(shù)。

通過X、Y、Z軸向受力曲線圖及材料運動軌跡圖的分析，為后期軋輥曲線優(yōu)化以及調(diào)試軋機(jī)旋轉(zhuǎn)大盤公轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速提供了必要的理論參數(shù)。

通過多次仿真分析驗證，在軋輥表面開溝槽和加大軋輥表面摩擦系數(shù)可以減小不銹鋼棒料的金屬流動性，這對軋輥咬入不銹鋼棒料和后期穩(wěn)定軋制都是有利的。中