谷瑞杰，權(quán)曉惠，張淑蓮，楊大祥，楊展飛，梁建筑，蘇振華

(1. 中國重型機(jī)械研究院股份公司， 陜西 西安 710032;2. 金屬擠壓/鍛造裝備技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 陜西 西安 710032；3. 西北工業(yè)大學(xué) 材料學(xué)院， 陜西 西安 710072；4. 新疆天山水泥股份有限公司 塔什店分公司， 新疆 庫爾勒 841011)

徑軸向數(shù)控軋環(huán)機(jī)最大定心力控制方程研究

谷瑞杰1,2,3，權(quán)曉惠1,2，張淑蓮1,2，楊大祥1,2，楊展飛1,2，梁建筑4，蘇振華1,2

(1. 中國重型機(jī)械研究院股份公司， 陜西 西安 710032;2. 金屬擠壓/鍛造裝備技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 陜西 西安 710032；3. 西北工業(yè)大學(xué) 材料學(xué)院， 陜西 西安 710072；4. 新疆天山水泥股份有限公司 塔什店分公司， 新疆 庫爾勒 841011)

徑軸向數(shù)控軋環(huán)機(jī)定心輥的合理控制對環(huán)件軋制成形過程的穩(wěn)定性和環(huán)件圓度都有很大影響。本研究建立了徑軸向軋制環(huán)件受力理論力學(xué)模型，推導(dǎo)了環(huán)件徑軸向軋制過程中定心輥?zhàn)畲笞饔昧τ?jì)算公式，建立了定心輥驅(qū)動油缸力控制方程，結(jié)合之前所建立的定心輥位置控制方程，開發(fā)了徑軸向數(shù)控軋環(huán)機(jī)定心輥位置控制加力保護(hù)的綜合控制成套技術(shù)。本文的定心輥綜合控制技術(shù)提高了我國徑軸向數(shù)控軋環(huán)機(jī)的技術(shù)水平。

數(shù)控軋環(huán)機(jī)；環(huán)件徑軸向軋制；定心輥；最大定心力

0 前言

環(huán)件徑軸向軋制成形(圖1)是通過軋輥對環(huán)件壁厚和高度的連續(xù)局部壓下作用使得環(huán)件壁厚和高度逐漸減小，半徑不斷長大，截面輪廓成形的工藝過程[1-3]，采用該成形工藝加工環(huán)件精度高、性能好，生產(chǎn)效率高，對加工設(shè)備噸位要求小，目前已經(jīng)成為生產(chǎn)大型環(huán)件最佳，甚至是必須采用的加工方法[4-5]。

圖1 環(huán)件徑軸向軋制成形原理圖Fig.1 Sketch of ring radial-axial rolling

徑軸向數(shù)控軋環(huán)機(jī)主機(jī)主要包括徑向軋制裝置、軸向軋制裝置、定心機(jī)構(gòu)、托輥和底座等。定心機(jī)構(gòu)(圖2)安裝于徑向軋制裝置上，后端通過油缸驅(qū)動可以繞著固定軸在水平面內(nèi)轉(zhuǎn)動。通過對定心輥驅(qū)動油缸的控制可以實(shí)現(xiàn)對環(huán)中心位置的控制，使得環(huán)件在軋制過程中處于軋環(huán)機(jī)的中心位置，從而使得環(huán)件軋制過程可以穩(wěn)定地進(jìn)行下去，最終軋制出合格的環(huán)件產(chǎn)品。

圖2 徑軸向數(shù)控軋環(huán)機(jī)定心機(jī)構(gòu)Fig.2 Guide device of ring radial-axial rolling

對環(huán)件徑軸向軋制成形來說采用定心輥位置控制相對于單純的壓力控制是比較合理的，作者之前的研究建立了定心輥位置自動控制技術(shù)[7]。但是考慮到環(huán)件偏心時不能因?yàn)槎ㄐ妮佇枰Ｕ鴮h(huán)件壓扁，定心輥的位置控制還要加上最大定心力的限制。因此，本研究對徑軸向數(shù)控軋環(huán)機(jī)最大定心力控制進(jìn)行研究，建立環(huán)件徑軸向軋制過程中定心輥?zhàn)畲笞饔昧τ?jì)算公式和定心輥驅(qū)動油缸力控制方程，結(jié)合之前所建立的定心輥位置控制方程，開發(fā)了定心輥位置控制加力保護(hù)的綜合控制成套技術(shù)。

2 定心輥?zhàn)畲笞饔昧τ?jì)算

環(huán)件徑軸向軋制成形過程的受力可以簡化為如圖3所示的理論力學(xué)模型，其中左側(cè)為徑向軋制區(qū)，右側(cè)為軸向軋制區(qū)，β為定心輥?zhàn)饔昧Ψ较蚺c環(huán)件左右對稱中心線的夾角，其值可由下式計(jì)算：

(1)

式中，R為環(huán)件的半徑；RG為定心輥的半徑；y為定心輥的中心位置縱坐標(biāo)。

圖3 徑軸向軋制環(huán)件受力理論力學(xué)模型Fig.3 Mechanical model of radial-axial rolling ring

環(huán)件的受力滿足：

P1x=-F1cosβ

(2)

P2y=0.5F1sinβ

(3)

P1y=0.5F1sinβ

(4)

式中，F(xiàn)1為定心輥對環(huán)件的作用力；P1x和P1y分別為主軋輥和芯輥之間環(huán)件材料所受的力在兩個方向的分量；P2y為上、下錐輥之間環(huán)件材料所受的力；D為環(huán)件的平均直徑。

對于任一環(huán)件截面，其截面力和彎距滿足如下平衡條件

QrRsinγ-QθR(1-cos(γ))=M

(5)

式中，Qr和Qθ分別為環(huán)件截面力在徑向和周向的分量；M為環(huán)件截面彎距；γ為中心線到環(huán)件截面的轉(zhuǎn)角。

由式(2)和式(5)可得

Qr=0.5F1sinβsinγ

(6)

Qθ=0.5F1sinβcosγ

M=0.5F1Rsinβ(1-cos(γ))

(7)

當(dāng)γ值為(180-β)°時，截面上的彎距最大。

Mmax=0.5F1Rsinβ(1+cosβ)

對于一定的環(huán)件尺寸，環(huán)件不被壓彎失穩(wěn)必須滿足：

(8)

式中，W為環(huán)件截面抗彎模量，可根據(jù)材料力學(xué)知識其可計(jì)算。

(9)

將式(9)帶入式(8)可得

(10)

式(10)即為滿足環(huán)件剛度要求的定心輥?zhàn)畲笞饔昧ο拗茥l件。

3 定心輥驅(qū)動油缸力控制方程建立

如果以定心輥?zhàn)D(zhuǎn)中心(-900，2050)為原點(diǎn)建立相對坐標(biāo)系(x′，y′)，如圖4所示。

圖4 環(huán)件徑軸向軋制定心機(jī)構(gòu)的局部坐標(biāo)系Fig.4 Local coordinate of guide device of ring radial-axial rolling

對于給定的環(huán)件直徑D，環(huán)件中心(R, 0)到定心輥?zhàn)D(zhuǎn)中心(-900, 2050)的距離c滿足

c2=(R+900)2+20502

而定心輥中心到環(huán)件中心(R, 0)的距離b滿足

b=250+R

cosγ=

77×(250+R)

對于給定的環(huán)件直徑D,cosγ可以確定。

式中，l1為定心輥中心到定心輥?zhàn)D(zhuǎn)中心距離，其值由定心機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)所確定，在本研究中為1845.77mm。

定心輥?zhàn)D(zhuǎn)中心(-900, 2050)到油缸后鉸座中心(-4520, 1730)的距離c1=3634.12。

而

對于給定的環(huán)件直徑D，I3可以確定。

(11)

環(huán)件通過定心輥?zhàn)饔糜诙ㄐ妮佔(zhàn)牧1產(chǎn)生的力矩和油缸力F2產(chǎn)生的力矩相互平衡，即

(12)

將式(10)帶入式(12)可得

(13)

式(13)即為定心輥驅(qū)動油缸最大作用力限制方程。

4 定心輥綜合控制技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用

本研究基于所建立的定心輥驅(qū)動油缸最大力控制方程，結(jié)合徑軸向數(shù)控軋環(huán)機(jī)定心輥位置控制方程，開發(fā)了以定心輥位置控制為主，并對定心輥?zhàn)畲笞饔昧右韵拗频膹捷S向數(shù)控軋環(huán)機(jī)定心輥綜合控制程序，并將之內(nèi)置于徑軸向數(shù)控軋環(huán)機(jī)的工藝控制軟件。

本文研究的徑軸向數(shù)控軋環(huán)機(jī)定心輥位置和力綜合控制技術(shù)在實(shí)際工程中獲得了成功應(yīng)用(圖5)，采用該項(xiàng)技術(shù)的環(huán)件徑軸向軋制成形過程控制更加穩(wěn)定，成形過程環(huán)件的圓度誤差可以得到更有效地控制。該徑軸向數(shù)控軋環(huán)機(jī)定心輥位置和力綜合控制技術(shù)達(dá)到了國際先進(jìn)水平，提高了我國徑軸向數(shù)控軋環(huán)機(jī)的整體技術(shù)水平。

圖5 大型環(huán)件徑軸向軋制生產(chǎn)Fig.5 Large ring radial-axial rolling process

5 結(jié)論

本研究建立了徑軸向軋制環(huán)件受力理論力學(xué)模型，推導(dǎo)了環(huán)件徑軸向軋制過程中定心輥?zhàn)畲笞饔昧τ?jì)算公式，建立了定心輥驅(qū)動油缸力控制方程，結(jié)合之前所建立的定心輥位置控制方程，開發(fā)了徑軸向數(shù)控軋環(huán)機(jī)定心輥位置控制加力保護(hù)的綜合控制成套技術(shù)。本文的定心輥綜合控制技術(shù)達(dá)到了國際先進(jìn)水平，提高了我國徑軸向數(shù)控軋環(huán)機(jī)的整體技術(shù)水平。

[1] Shuai Zhu, He Yang, Lianggang Guo. Research on the effects of coordinate deformation on radial-axial

ring rolling process by FE simulation based on in-process control [J]. International Journal of Advanced Manufacture Technology, 72 (2014): 57-68.

[2] Lianggang Guo, He Yang. Towards a steady forming condition for radial-axial ring rolling [J]. International Journal of Mechanical Sciences, 53 (2011): 286-299.

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[4] 谷瑞杰, 張淑蓮, 楊大祥, 等. 超大型環(huán)件徑向軋制設(shè)備動梁受力分析和優(yōu)化[J]. 重型機(jī)械, 2012(3): 137-140.

[5] 張淑蓮, 何養(yǎng)民, 楊大祥, 等. 5m徑軸向數(shù)控軋環(huán)機(jī)主要參數(shù)的確定[J]. 重型機(jī)械, 2007(2): 12-14.

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[7] 谷瑞杰, 權(quán)曉惠, 張淑蓮, 等. 徑軸向數(shù)控軋環(huán)機(jī)定心輥位置自動控制技術(shù)研究[J]. 重型機(jī)械, 2013(6): 6-9.

Research on the maximum action force control of guide rollers of ring radial-axial rolling NC mill

GU Rui-jie1,2,3，QUAN Xiao-hui1,2，ZHANG Shu-lian1,2，YANG Da-xiang1,2，YANG Zhan-fei1,2，LIANG Jian-zhu4，SU Zhen-hua1,2

(1. China National Heavy Machinery Research Institute Co., Ltd., Xi’an 710032, China;2. State Key Laboratory of Metal Extrusion and Forging Equipment Technology, Xi’an 710032, China;3. College of Materials Science and Engineering, Northwestern Polytechnical University, Xi’an 710072 China;4.Xinjiang Tianshan Cement Co., Ltd., Tashendian Branch, Korla 841011, China)

The reasonable control of guide rollers of ring radial-axial rolling NC mill is very significant for the stability and the roundness of ring rolling process. In the study, the theory mechanical model of radial-axial rolling ring is established, the computing equation of maximum guide action force is deduced and the force control equation of driving oil cylinder of guide rollers is built. Combining the force control equation with the location control equation of guide rollers developed in the previous study, the integration control technique of guide rollers is developed, which improves the technique level of ring radial-axial rolling NC equipment of China.

ring rolling NC mill; ring radial-axial rolling; guide roller; maximum action force

2015-09-22；

2015-10-11

“高檔數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)制造裝備”科技重大專項(xiàng)(2010ZX04004-131)；國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(2012CB724300)

谷瑞杰,男(1980-),中國重型機(jī)械研究院股份公司,高級工程師,工學(xué)博士, 從事鍛壓設(shè)備與工藝研發(fā)。

TG333.12

A

1001-196X(2016)02-0033-04