劉 磊，趙信華，賈尚武，張志娜

(1.中國重型機械研究院股份公司，陜西 西安 710032； 2.浙江久立特材科技股份有限公司，浙江 湖州 313012)

0 前言

與兩輥軋制相比，三輥軋制棒材具備變形均勻、組織性能優(yōu)越等優(yōu)點，但是現(xiàn)有三輥軋制切線孔型和機架裝置等核心技術(shù)被西方國家封閉，其聯(lián)合設置了許多技術(shù)壁壘，導致國內(nèi)此項技術(shù)的研發(fā)速度遲緩，實踐經(jīng)驗和計算資料均較為欠缺。因此自主研發(fā)三輥減定徑機組的設備和工藝是非常必要的。做為實現(xiàn)自由軋制關鍵部件，機架裝置的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)加工工藝以及其實現(xiàn)自由軋制的計算過程也非常重要。

棒材減定徑生產(chǎn)過程中，軋制力通過軋輥輥環(huán)依次傳遞到輥環(huán)、主軸和軸承上，然后由外部機架承受，最終通過與主機本體的貼合面將載荷傳遞到設備基礎上。本文主要通過計算確定主軸和拉桿的主要尺寸，并根據(jù)受力情況進行校核。

1 靜力學分析

機架是三輥減定徑設備的最重要部件，工作過程中機架的整體變形和振動將直接影響軋件質(zhì)量。其中，對軋制質(zhì)量影響最大的是主軸和機架框架，所以本文通過對主軸和機架框架兩個關鍵部件的校核研究設備整體的工作狀態(tài)。

首先建立三輥減定徑軋機的塑性變形模型，如圖1所示，代入塑性變形模型和軋件與軋輥間接觸面積模型，結(jié)合平均單位壓力的計算方法，確定軋制力的大小，從而建立完整的力學計算模型，如圖2所示。

圖1 塑性變形模型的建立

圖2 力學模型的建立

根據(jù)工作實際情況通過模型確定關鍵部件的載荷和約束條件，以單機型最大生產(chǎn)規(guī)格計算軋制力大小，校核減定徑機組關鍵部件能否滿足生產(chǎn)需要。

1.1 主軸

首先需要根據(jù)設備的受力情況選擇軸承的分布形式和型號，然后確定與軸承配合的主軸尺寸。該減定徑機組的孔型形狀決定了其機架同時承受軸向載荷和徑向載荷。為便于快速更換輥環(huán)，主軸芯部設計為中空形式，拉桿由中間穿過,并在主軸另一端通過鎖緊螺母將主軸軸系零部件固定。同時，主軸在軸承位置的配合面采用錐面，在預緊裝置作用后將輥環(huán)由內(nèi)部撐開，當主軸快速拉出機架后更換輥環(huán)。

為了保證主軸使用的可靠性，材料需進行性能實驗和裂紋測試，并按質(zhì)量等級1的缺陷類別進行超聲波探傷。根據(jù)減定徑軋機的使用環(huán)境，軸的材料選定為17Cr2Ni2Mo合金鋼，此種材料為鍛件用結(jié)構(gòu)鋼，是一種優(yōu)質(zhì)的滲碳鋼，具有高的強度和韌性。

為滿足軋制過程的使用條件，需要對主軸提出要求：第一，鍛件必須滿足JB/T 6396-2006標準要求，其冶煉和鍛造過程必須嚴格按照相關國家標準執(zhí)行；第二，毛坯成型后需要經(jīng)過表面探傷和內(nèi)部探傷的檢測方可進行機械加工；第三，工件最終成形前需要對其進行熱處理以提高其剛性和韌性。需進行表面滲碳、淬火以及回火熱處理，要求整體硬度達到320 HB以上，表面硬度不低于55 HRC。

通過代入模型、材料選定、網(wǎng)格劃分以及施加載荷和約束條件等步驟后，可得出部件應力應變的分析結(jié)果。

由圖3可知主軸在軋制過程中等效應力應變的情況。應力總體分布情況良好，局部存在應力集中情況，需要后期零件設計過程中加大圓角等手段改善。最大軋制力時主軸最大等效應變?yōu)?.004 68 mm，可以滿足正常生產(chǎn)的使用要求。

圖3 主軸等效應力應變

1.2 機架框架

機架框架作為機架的核心部件，用于固定內(nèi)部各零部件并傳遞軋制力。由于設備正常工作時對于輥環(huán)跳動量有嚴格的要求，所以要求框架在軋制過程中的應力應變控制在一定的范圍內(nèi)，通過對框架整體受力情況的模擬分析，可以找出會影響機架整體精度的因素，框架模型如圖4所示。

圖4 框架模型

框架內(nèi)部安裝三套主軸及輥環(huán)，對于每套裝配體而言，由輥環(huán)兩側(cè)軸承承受軋制力，所以在分析中需要分別加載載荷。

作為機架系統(tǒng)最為重要的零件，如何控制好機架在最大受力情況下的變形，才可以最終保證系統(tǒng)整體的跳動量，保證輥環(huán)在軋制過程中的長期穩(wěn)定性，是非常重要的事情。在最大軋制力的情況下，框架最大的變形量是0.051 mm，可以滿足正常軋制精度需要。

由圖5可知最大軋制力情況下，機架最大應變?yōu)?.000 17 mm，最大等效應力值為34.095 MPa，均在系統(tǒng)允許的范圍內(nèi)，框架強度可以滿足長時間平穩(wěn)軋制的需要。

圖5 框架等效應力應變

2 模態(tài)分析

每一種機械結(jié)構(gòu)均具備其固有的振動特性，這些特性綜合起來就是該結(jié)構(gòu)的模態(tài)。研究結(jié)構(gòu)的模態(tài)有利于分析其工作過程的振動狀態(tài)，改善結(jié)構(gòu)的工作穩(wěn)定性。

2.1 主軸

對于軸類零件而言，可以通過進行頻率振動分析確認使用壽命等特性。本文選用四個頻率對主軸進行模態(tài)分析，研究主軸在某一頻率范圍內(nèi)的振動特性，得知主軸在塑性變形過程中產(chǎn)生的實際振動幅度大小，判斷主軸能否長期穩(wěn)定工作。

表1的6個頻率是結(jié)構(gòu)前六階固有頻率，代表了結(jié)構(gòu)共振時的最小頻率和最大振幅狀況。當系統(tǒng)的振動頻率(如電機轉(zhuǎn)速、軋輥轉(zhuǎn)速等)遠小于固有頻率時，系統(tǒng)不會發(fā)生共振。模擬中給出的是各階頻率共振時的結(jié)構(gòu)變形狀況。根據(jù)計算得出的零部件的固定頻率，可得對應零部件的振動響應模型，從而判斷結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性是否符合要求，文章計算可得用于模態(tài)分析的各階頻率和結(jié)果如表2所示。

表1 主軸固有頻率

表2 主軸模態(tài)分析結(jié)果

經(jīng)過分析可知，三階頻率下反饋的位移量最大，如圖6所示。

圖6 主軸三階振動最大位移量反饋

根據(jù)模態(tài)分析可知，主軸在315.42Hz時振動幅度最大，對應的主軸轉(zhuǎn)速需高達3 013 r/min，實際使用中主軸轉(zhuǎn)速不會超過2 200 r/min，其余頻率主軸振動幅度均不大，可知主軸可以正常滿足軋制需要。

2.2 框架

機架的框架作為所有零部件集成在一起的基本部件，在生產(chǎn)過程中其振動情況是需要特別注意的，如何避免生產(chǎn)時的振動頻率與框架自身固有頻率重疊，是設備結(jié)構(gòu)設計時很重要的一個方面。根據(jù)軟件計算可得框架的六階固有頻率和分析結(jié)果見表3、表4。

表3 框架因有頻率

表4 框架模態(tài)分析結(jié)果

最大頻率下的框架反饋如圖7所示。

圖7 框架極限頻率振動反饋

作為裝配體，在設計中需要避免生產(chǎn)時的振動頻率與框架自身固有頻率重疊。根據(jù)模態(tài)分析反饋來看，最小階頻率538.55Hz下的振動反饋是0.43 mm。可實際軋制過程中的頻率不會高于300 Hz，所以可以判定現(xiàn)有框架結(jié)構(gòu)可以滿足軋制需要。

3 設計優(yōu)化

靜力分析和模態(tài)分析結(jié)束后，需要根據(jù)分析結(jié)果對零件的相應薄弱位置進行加強， 改善生產(chǎn)過程中的受力情況，提高使用壽命。該軋機主軸總體受力情況良好，最大應力在斷截面處的應力集中，需要在各軸肩處加大圓角或采用適當錐度來改善。

框架主要變形位置位于中心孔棒料通過的位置。由于臨近圓周120°均勻分布的傳動系統(tǒng)，此處結(jié)構(gòu)復雜，應力集中情況較為惡劣?？蚣芷溆嗖糠謶兎群苄?，可以通過拓撲優(yōu)化方式適當調(diào)整結(jié)構(gòu)外形。

拓撲優(yōu)化的的結(jié)果如圖8所示。

圖8 框架拓撲優(yōu)化情況

本次優(yōu)化是以減重為目標的輕量化設計過程，要求在保證結(jié)構(gòu)強度的前提下盡可能減少設備重量。其中，圖中1、2、3部分是優(yōu)化過程中可以移除的部分，根據(jù)拓撲優(yōu)化所出結(jié)果分析可將機架框架的有效重量由5 720 kg減少至4 635 kg，減少將近20%。

4 結(jié)束語

作為設備受力情況復雜的關鍵零件，在軋制過程中，主軸和框架不僅需要保證其靜力狀態(tài)下的強度和剛度，還必須確保生產(chǎn)過程中其動態(tài)特性的穩(wěn)定。軋制過程中如果機械振動過大，與其自身振動頻率重合，就會產(chǎn)生共振問題。

機架框架材料為球墨鑄鐵材料，材料鑄造成形時間久，加工較為困難，設計過程中要考慮避免澆筑成形時鑄件的質(zhì)量，避免出現(xiàn)氣孔和內(nèi)部缺陷。在滿足生產(chǎn)需要的前提下，盡可能降低生產(chǎn)成本也是項目中需要重點考慮的事情。所以，針對機架核心部件框架開展進一步的優(yōu)化設計，在保證使用強度的前提下將框架重量減少20%，完成了設備的輕量化優(yōu)化，降低減定徑設備推廣的使用成本，有利于提高設備占領市場的優(yōu)勢。

目前，經(jīng)過分析和優(yōu)化設計后的關鍵部件已上線使用，累計給用戶節(jié)省機架成本達200余萬元，得到用戶一致好評。