劉 磊，趙信華，賈尚武，張志娜

(1.中國(guó)重型機(jī)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(diǎn)，但是現(xiàn)有三輥軋制切線孔型和機(jī)架裝置等核心技術(shù)被西方國(guó)家封閉，其聯(lián)合設(shè)置了許多技術(shù)壁壘，導(dǎo)致國(guó)內(nèi)此項(xiàng)技術(shù)的研發(fā)速度遲緩，實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和計(jì)算資料均較為欠缺。因此自主研發(fā)三輥減定徑機(jī)組的設(shè)備和工藝是非常必要的。做為實(shí)現(xiàn)自由軋制關(guān)鍵部件，機(jī)架裝置的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)加工工藝以及其實(shí)現(xiàn)自由軋制的計(jì)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(jī)架承受，最終通過與主機(jī)本體的貼合面將載荷傳遞到設(shè)備基礎(chǔ)上。本文主要通過計(jì)算確定主軸和拉桿的主要尺寸，并根據(jù)受力情況進(jìn)行校核。

1 靜力學(xué)分析

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

首先建立三輥減定徑軋機(jī)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(jì)算方法，確定軋制力的大小，從而建立完整的力學(xué)計(jì)算模型，如圖2所示。

圖1 塑性變形模型的建立

圖2 力學(xué)模型的建立

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

1.1 主軸

首先需要根據(jù)設(shè)備的受力情況選擇軸承的分布形式和型號(hào)，然后確定與軸承配合的主軸尺寸。該減定徑機(jī)組的孔型形狀決定了其機(jī)架同時(shí)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(shè)計(jì)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(shí)，主軸在軸承位置的配合面采用錐面，在預(yù)緊裝置作用后將輥環(huán)由內(nèi)部撐開，當(dāng)主軸快速拉出機(jī)架后更換輥環(huán)。

為了保證主軸使用的可靠性，材料需進(jìn)行性能實(shí)驗(yàn)和裂紋測(cè)試，并按質(zhì)量等級(jí)1的缺陷類別進(jìn)行超聲波探傷。根據(jù)減定徑軋機(jī)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(qiáng)度和韌性。

為滿足軋制過程的使用條件，需要對(duì)主軸提出要求：第一，鍛件必須滿足JB/T 6396-2006標(biāo)準(zhǔn)要求，其冶煉和鍛造過程必須嚴(yán)格按照相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)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(cè)方可進(jìn)行機(jī)械加工；第三，工件最終成形前需要對(duì)其進(jìn)行熱處理以提高其剛性和韌性。需進(jìn)行表面滲碳、淬火以及回火熱處理，要求整體硬度達(dá)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(yīng)力應(yīng)變的分析結(jié)果。

由圖3可知主軸在軋制過程中等效應(yīng)力應(yīng)變的情況。應(yīng)力總體分布情況良好，局部存在應(yīng)力集中情況，需要后期零件設(shè)計(jì)過程中加大圓角等手段改善。最大軋制力時(shí)主軸最大等效應(yīng)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(yīng)力應(yīng)變

1.2 機(jī)架框架

機(jī)架框架作為機(jī)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(shè)備正常工作時(shí)對(duì)于輥環(huán)跳動(dòng)量有嚴(yán)格的要求，所以要求框架在軋制過程中的應(yīng)力應(yīng)變控制在一定的范圍內(nèi)，通過對(duì)框架整體受力情況的模擬分析，可以找出會(huì)影響機(jī)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(duì)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(jī)架系統(tǒng)最為重要的零件，如何控制好機(jī)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(dòng)量，保證輥環(huán)在軋制過程中的長(zhǎng)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(jī)架最大應(yīng)變?yōu)?.000 17 mm，最大等效應(yīng)力值為34.095 MPa，均在系統(tǒng)允許的范圍內(nèi)，框架強(qiáng)度可以滿足長(zhǎng)時(shí)間平穩(wěn)軋制的需要。

圖5 框架等效應(yīng)力應(yīng)變

2 模態(tài)分析

每一種機(jī)械結(jié)構(gòu)均具備其固有的振動(dòng)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(dòng)狀態(tài)，改善結(jié)構(gòu)的工作穩(wěn)定性。

2.1 主軸

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

表1的6個(gè)頻率是結(jié)構(gòu)前六階固有頻率，代表了結(jié)構(gòu)共振時(shí)的最小頻率和最大振幅狀況。當(dāng)系統(tǒng)的振動(dòng)頻率(如電機(jī)轉(zhuǎn)速、軋輥轉(zhuǎn)速等)遠(yuǎn)小于固有頻率時(shí)，系統(tǒng)不會(huì)發(fā)生共振。模擬中給出的是各階頻率共振時(shí)的結(jié)構(gòu)變形狀況。根據(jù)計(jì)算得出的零部件的固定頻率，可得對(duì)應(yīng)零部件的振動(dòng)響應(yīng)模型，從而判斷結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性是否符合要求，文章計(jì)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(dòng)最大位移量反饋

根據(jù)模態(tài)分析可知，主軸在315.42Hz時(shí)振動(dòng)幅度最大，對(duì)應(yīng)的主軸轉(zhuǎn)速需高達(dá)3 013 r/min，實(shí)際使用中主軸轉(zhuǎn)速不會(huì)超過2 200 r/min，其余頻率主軸振動(dòng)幅度均不大，可知主軸可以正常滿足軋制需要。

2.2 框架

機(jī)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(dòng)情況是需要特別注意的，如何避免生產(chǎn)時(shí)的振動(dòng)頻率與框架自身固有頻率重疊，是設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)很重要的一個(gè)方面。根據(jù)軟件計(jì)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(dòng)反饋

作為裝配體，在設(shè)計(jì)中需要避免生產(chǎn)時(shí)的振動(dòng)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(dòng)反饋是0.43 mm?？蓪?shí)際軋制過程中的頻率不會(huì)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(shè)計(jì)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(duì)零件的相應(yīng)薄弱位置進(jìn)行加強(qiáng)， 改善生產(chǎn)過程中的受力情況，提高使用壽命。該軋機(jī)主軸總體受力情況良好，最大應(yīng)力在斷截面處的應(yīng)力集中，需要在各軸肩處加大圓角或采用適當(dāng)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(dòng)系統(tǒng)，此處結(jié)構(gòu)復(fù)雜，應(yīng)力集中情況較為惡劣。框架其余部分應(yīng)力應(yīng)變幅度很小，可以通過拓?fù)鋬?yōu)化方式適當(dāng)調(diào)整結(jié)構(gòu)外形。

拓?fù)鋬?yōu)化的的結(jié)果如圖8所示。

圖8 框架拓?fù)鋬?yōu)化情況

本次優(yōu)化是以減重為目標(biāo)的輕量化設(shè)計(jì)過程，要求在保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的前提下盡可能減少設(shè)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?fù)鋬?yōu)化所出結(jié)果分析可將機(jī)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(yǔ)

作為設(shè)備受力情況復(fù)雜的關(guān)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(qiáng)度和剛度，還必須確保生產(chǎn)過程中其動(dòng)態(tài)特性的穩(wěn)定。軋制過程中如果機(jī)械振動(dòng)過大，與其自身振動(dòng)頻率重合，就會(huì)產(chǎn)生共振問題。

機(jī)架框架材料為球墨鑄鐵材料，材料鑄造成形時(shí)間久，加工較為困難，設(shè)計(jì)過程中要考慮避免澆筑成形時(shí)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(xiàng)目中需要重點(diǎn)考慮的事情。所以，針對(duì)機(jī)架核心部件框架開展進(jìn)一步的優(yōu)化設(shè)計(jì)，在保證使用強(qiáng)度的前提下將框架重量減少20%，完成了設(shè)備的輕量化優(yōu)化，降低減定徑設(shè)備推廣的使用成本，有利于提高設(shè)備占領(lǐng)市場(chǎng)的優(yōu)勢(shì)。

目前，經(jīng)過分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)后的關(guān)鍵部件已上線使用，累計(jì)給用戶節(jié)省機(jī)架成本達(dá)200余萬元，得到用戶一致好評(píng)。