（材料加工工程专业论文）三辊行星轧制工艺参数优化技术研究.pdf

沈阳理工大学硕士学位论文 摘要 随着铜管材应用范围的扩大和对铜管质量要求的不断提高，对铜管加工技术 的要求也越来越高。水平连铸一行星轧制法是铜管材生产的关键技术，三辊行星 轧制成形又是该技术在铸轧加工成形中的关键工序。它的成形是单道次大变形成 形过程，其工艺参数很难得到有效控制，而它的优劣直接影响产品效益，对三辊 行星轧制工艺参数进行优化，具有重要的指导意义和实用价值。 本文采用了正交试验设计、神经网络和遗传算法相结合的优化方法对三辊行 星轧制工艺参数进行优化，克服了传统方法上的不足。首先介绍了三辊行星轧机 的结构和机械传动原理，讨论了轧制过程中各个变形接触区的轧制原理及管坯变 形特点。以三辊行星轧制力为优化目标，确定了主要影响工艺参数为偏转角、轧 辊转速和摩擦系数。利用有限元软件m s c m a r c 建立了三辊行星轧制有限元模型， 对其轧制过程进行了模拟分析，并按照正交试验设计安排的模拟方案计算出了不 同工艺参数条件下的$ l * j j 力，以此方案数据作为神经网络的训练样本。 神经网络和遗传算法是整个优化技术的核心，以三辊行星轧制工艺的优化目 标和其主要影响工艺参数为研究对象，采用b p 神经网络建立了偏转角、轧辊转 速和摩擦系数与轧制力之间的映射关系模型，并使用该模型分别预测分析了它们 对轧制力的影响。为了提高神经网络模型的泛化能力和精度，对样本数据进行了 前处理，经分析确定了较优的隐含层节点数和训练算法。采用遗传算法寻找最佳 工艺参数组合，为了保证解的最优性，又利用最速下降法进行了迭代计算，得出 了最佳工艺参数组合及最小轧制力。最后采用v i s u a lb a s i c 、m a t l a b 和 s q l s e r v e r 编程技术建立了e d - n n g a 优化平台，根据正交表的设计原理建立试 验设计模块，基于c o m 技术成功编译并完成了神经网络和遗传算法模块，为了 程序的高效性，建立了试验样本和神经网络模型的数据库，并通过现场模拟和解 析计算验证了该优化平台的有效性。 关键词：三辊行星轧制；正交试验设计；神经网络；遗传算法；优化技术 沈阳理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ee 1 1 l a r g e m e n to ft h ea p p l i c a t i o nf i e l d sa n di n c r e a s i n gq u a l i t yr e q u i r e m e n to f t h ec o p p e rt u b e s ，h i g h e rd e m a n da r ei m p o s e do nt h ep r o c e s s i n go fc o p p e rt u b e s t h e c o n t i n u o u sc a s t i n g & p l a n e t a r yr o l l i n gm e t h o di sa l la d v a n c e dt e c h n o l o g yf o rt h e m a n u f a c t u r eo ft h e c o p p e rt u b e s ，晰t l lt h r e e - r o l lp l a n e t a r yr o l l i n ga st h ek e y p r o c e s s ，w h i c hi sao n e p a s sr o l l i n gp r o c e s s 谢t l ll a r g ed e f o r m a t i o n a l t h o u g ht h e p r o c e s s i n gp a r a m e t e r sh a v ead i r e c ti n f l u e n c eo np r o d u c tq u a l i t y , i ti sv e r yd i f f i c u l t y n o wt oh a v ea l le f f e c t i v ec o n t r o lo ft h e md u r i n gt h ep l a n e t a r yr o l l i n g p r o c e s s t h e r e f o r e ，i ts h o u l dh a v ei m p o r t a n tv a l u ei ni n s t r u c t i o n a ls i g n i f i c a n c ea n dp r a c t i c a l a p p l i c a t i o n st om a k eas t u d yo np r o c e s s i n gp a r a m e t e r so p t i m i z a t i o no ft h et h r e er o l l p l a n e t a r yr o l l i n g am e t h o dc o m b i n e do fo r t h o g o n a l d e s i g no fe x p e r i m e n t s ，n e u r a ln e t w o r ka n d g e n e t i ca l g o r i t h m si sa d o p t e di n t h i sp a p e rt oo p t i m i z et h r e e - r o l lp l a n e t a r yr o l l i n g p a r a m e t e r s ，w h i c ho v e r c o m e st h ed e f i c i e n c yo ft r a d i t i o n a lm e t h o d s f i r s t l y , t h e s t r u c t u r eo ft h et h r e e - r o l l e rp l a n e t a r ym i l la n di t sm e c h a n i c a lt r a n s m i s s i o np r i n c i p l ea r e i n t r o d u c e d t h er o l l i n gp r i n c i p l eo fe v e r yd e f o r m a t i o ni n t e r f a c ea n dt h ed e f o r m a t i o n c h a l a c t e r i s t i co ft u b e sd u r i n gt h er o l l i n gp r o c e s sa r et h e nd i s c u s s e d t a k i n gt h r e e - r o l l s p l a n e t a r yr o l l i n gf o r c ea st h eo p t i m i z a t i o ng o a l ，o f f s e ta n g l e ，r o t a t i o n a ls p e e do fr o l l e r s a n df r i c t i o nc o e f f i c i e n ta r ec o n f i r m e da si t sp r i m a r i l yi n f l u e n c i n gf a c t o r s a f t e rt h a t ， u s i n gt h ef i n i t ee l e m e n ts o r w a l e - - m s c m a r c ，t h ef i n i t ee l e m e n tm o d e lo ft h r e e r o l l p l a n e t a r yr o l l i n ga leb u i l tu p ，b a s e do nw h i c has e r i e so fn u m e r i c a ls i m u l a t i o no ft h e r o l l i n gp r o c e s si sc a r r i e do u t ，a c c o r d i n gt ot h es i m u l a t i o ns c h e m eb yo r t h o g o n a ld e s i g n o fe x p e r i m e n t s b a s e do ns i m u l a t i o nr e s u l t s ，t h e r o l l i n gf o r c eu n d e rd i f f e r e n t p r o c e s s i n gc o n d i t i o n sa r ec a l c u l a t e d ，w h i c ha let h e nu s e d 勰t h et r a i n i n gs e to fn e u r a l n e t w o r k n e u r a ln e t w o r ka n dg e n e t i ca l g o r i t h m sa r et h ec o r e t e c h n i q u e s o ft h ee n t i r e o p t i m i z a t i o n u s i n gb pn e u r a ln e t w o r k ，t h em a p p i n gr e l a t i o n s h i pm o d e lb e t w e e n 沈阳理工大学硕士学位论文 p r o c e s sp a r a m e t e r sa n dr o l l i n g f o r c ei se s t a b l i s h e d t h ee f f e c t so fo f f s e ta n g l e ， r o t a t i o n a ls p e e do fr o l l e r sa n df r i c t i o nc o e f f i c i e n to nr o l l i n gf o r c ei sp r e d i c t e da n d a n a l y z e d 、j r i t l lt h ee s t a b l i s h e dm o d e l i no r d e rt oi m p r o v et h eg e n e r a l i z a t i o na n d p r e c i s i o no ft h en e u r a ln e t w o r km o d e l ，t h et r a i n i n gs e ti sp r e p r o c e s s e db e f o r et r a i n i n g t h e o p t i m a ln u m b e ro fn e u r o n si nh i d d e nl a y e r a n d t r a i n i n ga l g o r i t h m sa r ed e t e r m i n e d g e n e t i ca l g o r i t h m si sa d o p t e dt os e a r c ho p t i m i z e dp r o c e s s i n gp a r a m e t e r sc o m b i n a t i o n t oe n s u r et h eo p t i m i z a t i o no fr e s u l t s ，t h es t e e p e s td e s c e n tm e t h o di su s e df o ri t e r a t i v e c a l c u l a t i o n ，a n dt h eo p t i m i z e dp r o c e s s i n gp a r a m e t e r sf o rt h em i n i m u mr o i l i n gf o r c ea r e o b t a i n e d f i n a l l y , 埘t l lp r o g r a m m i n gt e c h n i q u eo fv i s u a lb a s i c ，m a t l a ba n d s q l s e r v e r , ao p t i m i z a t i o nf l a t ，c a l l e de d - n n g a ，h a sb e e nb u i l tu p b a s e do l lt h e d e s i g nt h e o r yo fo r t h o g o n a lt a b l ea n dc o mt e c h n i q u e ，e x p e r i m e n t a ld e s i g n ，n e u r a l n e t w o r ka n dg e n e t i ca l g o r i t h m sm o d u l e sa r ec o m p l e t e d ，f o rb e t t e re f f i c i e n c yo ft h e p r o g r a m ，ad a t a b a s et os t o r a g et r a i n i n gs e ta n dn e u r a ln e t w o r km o d ei ss e tu pi n t h i s p a p e r t h ee f f e c t i v e n e s so ft h eo p t i m i z a t i o nf l a t i sv a l i d a t e db ys p o ts i m u l a t i o na n d a n a l y t i c a lc a l c u l a t i o n s k e yw o r d s ：t h r e e - r o l lp l a n e t a r yr o l l i n g ；o r t h o g o n a ld e s i g no fe x p e r i m e n t s ；n e u r a l n e t w o r k ；g e n e t i ca l g o r i t h m s ；t e c h n i co fo p t i m i z a t i o n 沈阳理工大学 硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由作者 本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在文中指出， 并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体己经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要 贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本 声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：词春1 艮 日期：2 5 年，月2 0 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解沈阳理工大学有关保留、使用学位论文 的规定，即：沈阳理工大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学 位论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权沈阳理工 大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可 以采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：洄卷殴指导教师签名：i 劲私 日 期：2 诉埠3 日日日 期：们以侈 第l 章绪论 1 1 前言 第1 章绪论 1 1 1 材料加工工艺计算机优化技术研究概况 通过一定的生产流程，得到可以作为工业或工程中使用的金属材料，这个过 程被称作金属材料加工。材料加工是极其复杂的高温、动态和瞬时过程，生产中 难以直接观察，间接测试非常困难，对其工艺优化更加困难，因此需要进行材料 加工工艺的计算机模拟和优化。在材料研究领域，材料科学与计算机技术相结合， 诞生了- f - j 新兴的学科计算材料学。在钢铁行业这门学科被称作计算机冶金 学【l 】。随着计算机技术的飞速发展和材料科学研究上取得的重大突破，促使科学 工作者在成分、工艺、组织和性能方面对钢铁、铝、铜等金属材料的加工过程和 组织性能进行计算机模拟。研究人员结合材料变形和热处理的作用，建立了许多 物理冶金模型和工艺模型，基于这些模型开发了许多离线和在线的模拟系统，可 对材料加工工艺过程进行监控。 随着计算机科学的发展和应用，应用最优化方法解决问题的领域在不断扩大， 它广泛存在于国民经济各部门和工程应用各领域中，最优化的理论也得到普及和 发展。最优化问题在所有可能的方案中搜索出最合理的、达到事先预定的最优目 标方案( 即最优方案) 的方法称为最优化方法。线性规划、非线性规划、整数规 划、动态规划和多目标规划以及网络技术作为最优化方法的主要内容已经成为工 程技术人员和经济管理人员所必备的基础知识。随着生产、经济、技术的发展， 在实际工作中，人们常常会遇到下面这样一些问题。 在安排生产计划方面，如何在现有的人力、物力等条件下，合理安排生产， 使总产值或总利润最高。 在生产工艺确定方面，如何在保证产品质量的前提下，选择合理的操作方 式，使操作费用最低。 在产品设计方面，如何选择参数使设计既满足要求成本又最低。 在配料方面，如何合理配料，在保证质量要求的前提下使成本最低。 沈阳理工大学硕士学位论文 诸如此类问题，都是工程应用中的最优化问题，它们的共同点都是从多个可 能的方案中选出最合理的、能实现预定最优目标的方案，这个方案就称为最优方 案。长期以来，人们为了得到最优方案进行了不断的研究和探索，以期望找到科 学、合理的求解方法。利用最优化方法解决最优化问题的技术称为最优化技术【2 1 ， 它包括以下两类问题。 如何根据问题，建立相应的数学模型，即如何用数学关系式来表示最优化 问题所要达到的目标和各种约束条件。 采用哪些合理的最优化方法进行模型求解来得到最优化结果。 早在1 7 世纪，英国伟大的科学家n e w t o n 开创了微积分时代，已经提出了极 值问题。后来出现l a g r a n g i a n 乘数法，1 8 4 7 年法国数学家c a n c k y 研究了函数沿 什么方向下降最快的问题。二次大战中期，由于军事的需要产生了运筹学，提出 了大量不能用古典方法解决的最优化问题，自2 0 世纪4 0 年代以来，已出现线性 规划、整数规划、非线性规划、几何规划、动态规划、随机规划、网络流等最优 化理论。目前研究的热点主要有人工神经网络、遗传算法、d n a 分子算法、蚂蚁 算法等，它们在并行性、随机性、自适应性、鲁棒性、非线性复杂问题的搜索能 力等方面表现出了显著的特点，取得了诸多丰硕的成果，最优化方法的理论和方 法逐步得到了丰富和发展。自2 0 世纪6 0 年代以来，随着工程与技术的复杂化、 大型化与精密化，随着经济计划与管理的科学化和综合化，尤其是随着电子计算 机e t 益广泛的应用，最优化技术不仅成为一种迫切的需要，而且有了求解的有力 工具，其理论和算法迅速发展起来，形成了- - i 1 新的应用数学分支学科，渗透到 了生产、管理、商业、军事、决策等各个领域中【3 】。同样也包括材料加工领域， 通过优化确定最佳的加工工艺，大大简化实验研究工作、缩短研究时间、节约研 究经费、加速新产品的开发，提高生产率，降低制造成本，减少人为误差，稳定 产品质量等，取得了显著的经济效益和社会效益。 1 1 2 我国铜管= | ：j n - r 业发展现状及三辊行星轧制工艺优化的必要性 我国是世界上铜管生产大国。自改革开放以来，我国铜加工业迅速发展。2 0 0 2 年，我国铜加工材产量达2 5 1 2 万吨，跃居世界第二位，仅次于美国，特别是铜 管生产技术已经进入世界先进行列，成为世界上重要的铜管生产、进出口大国。 第1 章绪论 2 0 0 2 年我国铜管产量已达5 1 3 万吨，进口3 5 万吨，出口2 6 万吨，其中铜水管 已向世界各地出口。2 0 0 4 年我国铜材加工量达4 1 6 5 万吨，超过美国的3 5 7 。4 万 吨，跃居世界第一位，其中铜管产量连续两年居世界第一位，并且出现了出口大 于进口。2 0 0 5 年，我国铜管产量达1 0 5 万吨，继续保持世界第一位。铜管出口达 1 3 1 万吨，其中8 0 为空调管，我国已成为世界上最大的空调管出口国。管材“十 五”期间出口年均增长高达5 5 3 ，这充分证明了中国铜加工材在国际市场上的竞 争力明显加强，如表1 1 t 4 - 6 1 。 表1 1 “十五”中国铜加工材产量与消费( 万吨) 2 0 0 0 年2 0 0 1 年2 0 0 2 年2 0 0 3 年2 0 0 4 年2 0 0 5 年十五期间年均增长觞 年产量 1 5 9 71 8 5 82 5 1 23 1 9 54 1 6 54 6 6 82 3 9 铜管产量 1 5 13 6 85 1 36 6 39 9 71 0 5 04 7 4 进口量7 3 。7 7 4 19 1 。8 1 0 5 61 1 9 5 1 1 8 。7 1 0 o 出口量 1 3 71 2 41 1 22 3 3 3 9 04 6 62 7 6 管材进口 4 24 73 53 23 33 25 4 管材出口 1 51 82 65 39 81 3 15 5 3 消费量2 1 9 72 4 7 53 2 5 8 4 0 1 8 4 9 7 05 3 9 1 1 9 7 铜管消费 1 7 83 9 75 2 26 4 29 3 29 5 13 9 8 我国也是世界上铜管消费大国。从2 0 0 0 年到2 0 0 5 年，我国的铜管消费量分 别为：1 7 8 万吨，3 9 7 万吨，5 2 2 万吨，6 4 2 万吨，9 3 2 万吨和9 5 1 万吨，年均 增长3 9 8 。目前，国内铜管的消费占居整个铜消费的2 3 ，占世界铜管产量的 1 5 ，这也使得我国铜管加工大国的地位日益巩固，如表1 1 【4 1 。 。 我国铜管加工业主要集中于市场经济发达的地区，主要产地为长江三角洲、 珠江三角洲、环渤海等地区【6 】。为了满足中国制冷工业和国内外市场对精密铜管 的日益增长的需求，我国已建成了河南金龙、浙江海亮、江苏高新张铜、河南洛 铜集团等精密铜管生产基地，其精密铜管产能均在3 万吨以上，表1 2 为2 0 0 5 年 国内部分铜加工企业概况【4 5 。 “十五”期间我国的铜管生产和消费都取得了可喜的成绩，铜管生产技术取得 了重大的技术进步，但发展的同时我们也面临着许多新的问题。首先，我国铜加 工企业普遍存在生产规模小、生产分散、技术和装备先进与落后并存、产品质量 沈阳理工大学硕士学位论文 不稳定、相互间无序竞争、价格多变等弊端。其次，国外主要大型铜；b n - r 企业， 如日本三井、德国威兰德、美国奥林等均已在中国投资或将在中国投资建厂，这 表1 2 部分铜加工企业概况( 2 0 0 5 年) 企业名称 年产量，吨 利税万元品种 江苏张铜 1 0 4 1 9 41 0 8 8 7 3 管材 宁波金田 2 1 3 9 1 43 6 9 6 1 7 板带管棒线 浙江海亮 1 6 2 1 3 2 2 9 7 4 4 1管棒线 河南金龙 1 0 0 9 2 72 3 8 4 2 4 精密铜管 河南洛铜 8 0 0 0 69 5 3 2 1 板带管棒线 浙江宏磊 1 9 0 5 35 9 0 7 4 管材 山东奥博特 4 2 5 7 78 4 5 7 2 管材 山东宏泰 2 8 5 1 57 0 5 3管材 种局面对大都处在粗放经营、低标准竞争阶段的中国铜加工业已构成威胁1 7 j 。再 次，我国铜资源比较短缺，铜材加工受国际铜价影响很大。在这样的形势下，中 国铜管业要在世界立于不败之地，首要的任务是进行科技创新，提高自身的生产 技术水平和管理水平。三辊行星轧制是铜合金管材加工的主要工序之一，直接控 制着铜管产品的质量和性能的优劣，因此如何采用新技术，提高铜管产品质量， 降低生产成本，增强铜管产品的市场竞争力是人们共同关心的问题。为此，我们 必须充分利用现代计算机技术、自动控制技术以及现代化的实验优化手段对铜管 三辊行星轧制工艺进行大规模的技术改造。由于在该领域内先进工业国家开发的 新技术对外是保密的，只出售先进的轧制设备和应用软件，而相应的轧制工艺参 数、c l n 后铜管产品的质量标准以及轧制对铜管产品组织性能的影响等精确的量 化关系并没有完全对外公开。因此，一些关键性轧制工艺参数的确定还需要依赖 国内的研究机构和铜管生产厂家进行自主研发，从而为制定合理的轧制工艺参数、 提高产品质量、减少检测费用和降低生产成本提供技术支持。 1 2 铜管生产工艺流程 2 0 世纪3 0 年代之前，铜管生产全部采用直拉方式进行。由于直拉方式生产出 的铜管长度较短( 有效长度一般为3 1 0 m ) ，并且直拉速度较慢( 不大于6 0 m m i n ) ， 第1 章绪论 严重降低了铜管的成材率和生产效率，不能满足用户的需求，因此人们迫切需要 寻求一种快速、高效、成材率较高的铜管生产工艺。直到1 9 2 9 年，法马赛巴科公 司在这一方面取得了重大的突破率先采用了自调式游动芯头拉伸法，能快速、 高效地生产出铜盘管产品。随后国内外的许多研究机构和公司在这一方面做了很 多研究，开发了许多先进的铜盘管生产工艺，如铸轧法、焊接法等。目前铜管 厂家生产t p 2 铜盘管采用的生产工艺有如下四种： 挤压法 半连铸圆坯_ 挤压_ 冷轧_ 拉拔_ 盘拉一缠绕r + 退火 上引连铸洼 上引连铸管坯_ 冷轧- + 拉拔一盘拉一缠绕_ 退火 铸轧法 水平连铸管坯叶三辊行星轧制叫二联拟三联拉1 盘拉i + 缠绕_ 退火 焊接法 铜带_ ，交叉焊接_ 内螺纹加工一卷曲成卷_ + 结合焊接叶精整_ 缠绕- + 退火 在上述四种方法中，除了焊接法外，其它三种方法均采用了有游动芯头的盘拉 技术。 下面以河南金龙精密铜管集团股份有限公司采用的铸轧法为例来简要介绍t p 2 铜盘管生产工艺流程，图11 为铸轧法生产工艺流程图。首先将电解铜板在熔化炉 内熔化，经除渣、净化后铜液流入保温炉中进行保温，保温温度一般在1 1 5 0 1 2 0 0 c i 艺流程图 也一矽1 m o i 4 ” “ i 一：i 。埘“。o 吾i 0 一昌i “( 、) m “mn n 倒11t p 2 铜盘管生产工艺流程圈 。然后铜液从保温炉中流进结晶器中凝固，在凝固的过程中不断用牵引装置水平 沈阳理工大学硕十学位论文 向外牵引，将凝固后的铜铸坯连续地牵引出来。随后对铜铸坯进行铣面，以去除 其外表面的一层氧化皮，避免轧制中出现氧化物夹杂。再将铣过面的铸坯送入三 辊行星轧机中进行轧制，经c l * i j 后，铜铸坯发生大变形，铸坯外径由8 0 m m 减少 到4 8 r a m ，壁厚由2 0 m m 减少到2 3 r a m 。接着将轧制好的铜管进行二联拉和圆盘 拉伸，使铜管进行多道次减径减壁，以加工出规定的铜管尺寸。随后将铜管在精 整机上进行水平缠绕，做成一定尺寸规格的铜盘管。最后将铜盘管放入退火炉中 退火，使铜盘管的性能指标达到用户的技术要求。 1 3 三辊行星轧制国内外研究进展 1 3 1 三辊行星轧机的优点及发展状况 三辊行星轧机又称p s w ( p l a n e ts c h r i g ew a l z w e r k ) 轧机，p s w 按德文原意 是“行星斜轧机”，它是上世纪7 0 年代发展起来的一种大压下量的管棒轧机，操 作简便，是管、棒材加工的理想设备。最初是由德国施罗曼西马克公司于1 9 7 4 年研制成功，用于轧制钢棒材，后应用到轧制钢管材。9 0 年代初，芬兰 o u t o k u m p u 公司将该型机应用到铜管材生产的铸轧( c a s t i n g & r o l l i n g ) 法中， 成功地轧制出完全再结晶的细晶铜管材，使“水平连铸行星* l n ”工艺成为现今典 型的铜管铸轧生产线。这种轧机具有道次变形量大、能耗低、结构紧凑、可轧长 件和投资少等优点，可用于冷轧紫铜、热轧黄铜和黑色金属材料的开坯c l n 。用 这种轧机将水平连铸管坯一道次轧制完成，压缩率在9 0 以上，相当于8 道次普 通轧制变形量，其生产效率非常高，而且该工艺可用于冷轧成形，不需要加热。 铜管轧制过程中，由于极大的变形量和高摩擦功转变成大量的热量，使管坯温度 升高到7 0 0 左右，管料发生了完全动态再结晶，晶粒得到细化，轧制后的管料 可以直接进行拉伸成形，无需退火处理可直接进行拉拔后续工艺，显著地简化了 加工工艺【9 】。铸轧工艺连续性很强，与挤压工艺相比，更适合自动化连续生产。 三辊行星轧机已成功地被应用在开坯c l n 的过程中，它的优点主要有： ( 1 ) 使用水平连铸空心管坯，管坯外径规格可达9 9 0 m m ，单根管坯可达5 0 0 k g ，轧件尺寸灵活、较低的轧制力、较低的材料横向流动和工作的头尾温度下降 较少； 第1 章绪论 ( 2 ) 大压下量，高延伸率，这是三辊行星轧机的最大的特点。变形速度快， 变形程度高，断面加工率可达9 0 以上，单道次延伸率可达1 5 以上； ( 3 ) 能自动咬入、不需要导向装置、设备负荷平稳、无冲击载荷、轧制力小、 噪音低；能改善产品质量。由于大压下量使坯料原有的内部气孔，裂纹、疏松等 缺陷压合，成品内部组织致密度显著提高，纵横向晶粒明显细化； ( 4 ) 轧件不旋转或微转，轧机具有良好的连轧性能； ( 5 ) 三辊行星轧制工艺不需中间加热，因而能耗较低，与其它轧管工艺相比， 三辊行星轧机的投资费用和运行费用都较少，生产成本低： ( 6 ) 由于变形迅速、加工率大、表面摩擦强烈、内部塑性变形热累积量大， 使变形区的轧件温度升高，达到铜的再结晶温度以上。冷加工变成了热加工，改 善了管坯的晶粒度，轧后管坯的晶粒均匀细致，组织状态呈均匀再结晶等轴晶粒， 晶粒度为2 0 4 5 9 m ，轧件尺寸精度较高【l o 】。 1 9 7 4 年，德n s c h l o m e n s i e m a g 公司进行轧机实验】。1 9 7 5 年，第一台p s w s l 机在原联邦德国的h o e s c h 冶金厂投入运行。当时是将p s w 作为棒材机组的粗轧机 使用的。1 9 7 7 年，瑞典h e l l e f o r s 的s k f 公司的一台p s w 投产。它被用作棒材和线材 机组的粗轧设备，主要用来轧制轴承钢。1 9 7 7 年至1 9 8 0 年，进行了将p s w 用于无 缝钢管生产的一系列试验。1 9 8 2 年，日本三洋特钢公司将一台p s w 用作半成品轧 机，用来生产直径m l o o 1 6 0 m m 的特殊钢圆棒。1 9 8 3 年，德国e s c h w e i l e r 钢管厂安 装了一台轧制钢管的p s w 样机。不久全连续p s w 生产管材的机组在美国正式投入 运行。 在8 0 年代芬兰奥特昆普( o u t o k u m p u ) 公司研制开发了一种新型紫铜盘管开 坯工艺：水平连铸一行星轧管法( c a s t i n g & r o l l i n g 法，即连铸空心坯料和行星轧 管，简称c & r 法) 。在此生产线上，铜管坯的减径减壁就是采用德国施罗曼一西 马克( s m s ) 公司研制的三辊行星轧机来实现的。p s w 轧机已经成为铜管铸轧生 产线的核心部分。1 9 9 2 年韩国l u c k y 金属公司首次在国际上采用c & r 技术进行 铜管工业化生产，行星旋轧开始真正应用到铜管材的加工生产之中。1 9 9 4 年新乡 无氧铜材总厂( 后改制为金龙集团精密铜管股份有限公司) 将该技术引入我国， 极大地提高了铜管的加工效率，使p s w 轧机在有色金属加工中的应用更加深入。 目前，中国已建立三十余条a c r 铜管生产线。 沈阳理工大学硕士学位论文 在国内，p s w 轧机的理论研究和工业性生产也取得了很大的发展。1 9 7 8 年底， 上海冶金设计研究院研制成功三辊行星轧机的试验样机，证实了国外报道该轧机 具有的特点。1 9 8 0 年沈阳有色金属加工厂也研制出一台三辊行星实验轧机。随后 上海第一铜棒厂与上海冶金设计院研制的0 9 0 m m 的p s w 轧机用于黄铜的行星轧 制开坯。在黑色金属加工方面，主要有北京科技大学设计的s x 6 0 三辊行星轧机 在郑州金属制品研究所获得实验成功，充分证实了该类轧机的优点和可行性，也 证实了我国设计制造p s w 轧机的能力。目前我国三辊行星轧机主要应用在有色 金属加工生产之中。 1 3 1 三辊行星轧制国内研究情况 p s w 轧机的工业应用引起了学者们的广泛关注。轧辊辊型是实现轧制过程， 保证轧件质量的重要因素。目前，关于三辊行星轧机的轧辊辊型，轧制棒材时采 用两段式辊型一变形段和精整段；轧制管材时采用三段式辊型变形段、精整段和 归圆段。 9 0 年代初期，三辊行星轧制的理论研究主要集中于三辊行星轧机( p s w ) 的 结构和运动特点的分析，建立了轧制过程中轧辊的速度方程；通过平面断面假设 对三辊行星轧制力能参数进行理论推导计算等。文献【1 2 】论述了斜轧延伸轧管工艺 的发展趋势。文献1 1 3 j 对三辊行星轧机的基本结构和工作原理及轧机的运动和结构 参数进行了概况介绍。在三辊行星轧机轧辊辊形设计方面，定义沿变形区纵向轧 辊表面到轧制中心线的最短距离的点的集合称为斜轧特征线，其距离值为斜轧特 征值【1 4 】，它们的形态和几何工艺参数密切相关，控制着每一个螺旋轧制周期的压下 量，所以通过斜轧特征线的综合反映，可以研究几何参数对压下量分布形态的影 响。利用共轭曲面法可以建立p s w 轧机轧辊的不干涉条件【1 5 1 ，该方法设计的轧 辊比一般不干涉条件下设计的轧辊直径增大1 5 2 0 ，从而可以改善轧制工艺条 件，对p s w 轧机本身的设计也有一定的意义。对于三辊行星斜轧机力能参数也 有学者进行计算和实验研究【1 5 哪! 。对于三辊行星轧制过程中轧件的塑性变形行为， 可以通过流函数法进行计算【 】。利用塑性泥作为轧制实验原料对三辊行星轧制棒 材进行实验模拟，可以对比分析轧件变形尺寸、螺旋纹间距和偏转角度等对旋轧 棒材坯料的影响【l 引。铜管材三辊行星轧机芯棒运动的控制及管坯宏观组织有文献 第1 章绪论 进行观测分析【1 9 】。但对于三辊行星轧制的研究主要集中在钢材，对于铜管坯三辊 行星大变形轧制过程仍需在理论和工艺上进行更深入的分析。 1 3 2 三辊行星轧制国外研究情况 在国外方面，在理论分析三辊行星轧制力和轧制功率的基础上，g i i r t n e r p o 进行了轧制实验研究并轧出预期管材。s i e b k e 等【2 1 】使用传统塑性理论分析了三辊 行星轧制的轧制力和轧制功率，并做了轧制钢管的试验研究。a o y a g i 等【2 2 1 观察了 材料的流动、轧辊所受的载荷、轧制过程中在不同端面压缩率下轧辊的压力分布， 以及研究了偏转角对轧件出i e i 速度的影响。n i s h i o 等【2 3 1 讨论了在不同偏转角和轧 辊外形的轧制产品的质量特性。a m m e r l i n g 2 , - 2 5 1 分析了三辊行星轧制技术在 轧制特殊棒材产品上的应用。r e c a l c a t i 2 6 】介绍了一种h r m 高减径行星轧机 的设备。在i - m m ( h i g hr e d u c t i o nm a c h i n eo ft h r e e r o l lp l a n e t a r y ：行星式三辊高 断面缩减轧机) 方面，日本川崎重工以塑性泥完成了刚塑性有限元模拟。a o y a g i 等唧则建立一个简化的h r m 轧机，并用特殊的石膏作为压延材料，以实验方式 探讨了三辊行星轧机材料变形、轧辊负荷和力矩，观测了不同断面缩减率下的材 料流动、轧制力、轧制扭距和轧制过程中的压力分布。l a p o v o k 等【2 8 】使用半对称 实验原理，建立近似对称模型分析，研究稳态刚塑性流动规律，此方法可应用于 螺旋状三辊高压延轧机上。文耕2 9 1 对于棒线材轧制用的三辊行星轧机轧制压力分 布进行了论述分析。国外对于三辊行星轧制的研究主要集中在钢材，时间上主要 集中于二十世纪9 0 年代，而对于铜管坯三辊行星大变形轧制过程相应研究文献很 少，相应的轧制工艺参数调优文献更少，因此研究铜管坯三辊行星轧制工艺参数 优化技术具有理论研究意义。 1 4 课题来源、意义和主要研究内容 1 4 1 课题的来源和意义 本课题隶属于2 0 0 6 年度河南省杰出青年基金项目( 项目编号：0 6 1 2 0 0 3 2 0 0 ) 和国家自然基金资助项目( 项目编号：5 0 4 7 4 0 5 9 ) ：连铸铜管坯行星旋轧过程中的 变形流线与组织演变及参数调优技术。与河南金龙精密铜管集团股份有限公司合 沈阳理工大学硕士学位论文 作，并依托中国科学院金属研究所专用材料与器件研究部金属塑性加工组，课题 组对金属加工过程中不同领域的数值模拟做了很多研究工作，在国内外专业技术 期刊上发表了多篇论文，获得了多项国家专利。河南金龙精密铜管集团股份有限 公司技术中心拥有4 台光学显微镜、1 台光谱分析仪、5 台曙光服务器组成的l i n u x 并行计算机系统等仪器，并配有相应的大型商业有限元分析软件，如m s c m a r c 、 d e f o r m 。课题经费来源于河南金龙精密铜管集团股份有限公司，公司有自己的 测试中心和三辊行星轧机实验设备，方便做实验，能满足课题的实际需求。 铜及其合金加工材在现代工业和科技发展中依然占据着重要地位，特别是铜 管材的应用范围越来越广。目前扩大产品品种，提高产品质量，已成为我国铜加 工工业发展的关键【3 0 1 。但传统的铜管加工技术主要是实心铜坯铸造一管坯挤压开 坯一轧制一拉伸，缺点是非连续作业，需二次加热，工艺流程长、生产效率低、 产品质量不稳定【3 l - 3 2 1 。现在，水平连铸行星轧制方法是铜管材加工的先进技术， 三辊行星轧机又是铸轧法j j n - r 铜管材的核心设备，也是最具有代表性的铜管短流 程加工关键设备。但是，三辊行星轧制主要的工艺参数偏转角眠自转速度和 摩擦系数p 与* l n 力之间的映射关系并不是简单的线性关系，实际生产中很难控 制。为了减小轧制力，增大铜管的出口速度，对这三个工艺参数进行优化是非常 必要的，也具有重大的实际意义。 从铜管的实际生产上来讲，三辊行星轧制工艺参数优化技术的应用价值主要 体现在： 铜管在整个铜材的生产和消费中占有很大的比重，对其进行研究具有巨大 的经济价值； 空调及制冷行业的激烈竞争，要求空调和制冷设备的性能进一步提高，进 而对铜管产品的性能提出了更高的要求，迫使铜管生产厂家在轧制工艺上做出大 的技术改进： 从工厂的生产实际来讲，铜管轧制工艺中还存在大量的技术问题急待解 决，如三辊行星轧制在模具和工艺设计等方面主要基于有限的经验和试错基础上， 产品的组织性能和工艺缺陷不能有效控制。要解决这些问题必须对现有轧制工艺 做进一步的研究，优化和改进铜管轧制工艺，提高铜管产品的质量； 在我国，对轧制工艺的改进大多凭经验，很大一部分的工艺参数是通过工 第1 章绪论 业实验得到的，即浪费大量的人力和物力，同时技术含量也不高。因此，对铜管 进行深入研究有很重要的实际意义。 三辊行星轧制工艺参数优化技术研究是国内管材生产j n3 - 企业为了提升产品 质量与生产效率，解决管材行星旋轧关键技术，满足国内外客户的需求，迎接海 内外市场挑战而迫切需要解决的一项课题。 1 4 2 本文的主要研究内容 由于p s w 轧制过程属于高度非线性的问题，传统的优化方法存在以下困 难： ( 1 ) 优化中靠经验调整的参数较多，掌握困难。 ( 2 ) 优化计算效率较低。优化时需要大量的有限元模拟计算，计算耗时过 多，且结果往往不尽人意。 ( 3 ) 难以保证求得全局最优，往往陷入局部最优。 为解决这些困难，本文以三辊行星轧制工艺为研究对象，通过正交试验设计、 b p 神经网络和遗传算法相结合的优化方法对其工艺参数进行优化，求解三辊行星 轧制工艺的最佳参数组合，再以v b 6 0 为前台编程工具、m a t l a b 7 。l 和 s q l s e r v e r 2 0 0 0 为后台开发工具建立用户交互优化平台。主要研究内容如下： ( 1 ) 对三辊行星轧制过程进行分析，确定工艺优化目标及其主要影响工艺参 数。 ( 2 ) 对三辊行星轧制主要工艺参数进行正交试验设计，安排模拟方案，根据 不同的模拟条件对轧制过程进行有限元分析，计算出相应的轧制力。 ( 3 ) 建立三辊行星轧制工艺参数及其优化目标的b p 神经网络映射模型，包 括样本集的确定和前处理、学习算法的选择、网络拓扑结构的设计与数据的后处 理等。 ( 4 ) 为了减小陷入局部最优的可能，用全局搜索性能较好的遗传算法对已建 立的网络模型进行优化，寻得最优工艺参数组合，并以此作为最速下降法的初始 点进行迭代计算，能更好地保证最优结果。 ( 5 ) 采用v b 、m a t l a b 和s q l s e r v e r 编程技术建立面向用户的优化平台， 并对优化结果进行验证分析。 沈阳理工大学硕士学位论文 第2 章三辊行星轧制工艺及优化技术 2 1 三辊行星轧机的结构与基本原理 在三辊行星轧制过程中轧件在前进过程中只作匀速直线运动，出口坯料不发 生旋转。由于铜有很好的延展性，这使p s w 轧机得以充分的发挥。p s w 轧机实 现了一道次可以完成