（材料加工工程专业论文）内外台阶环件轧制工艺研究及capp系统的开发.pdf

摘要 通常我们把借助仪器设备使环件产生直径增大，壁厚缩小的加工工艺称为 环件轧制。与普通模锻成形工艺相比，环件轧制工艺具有节能、节材、生产效 率高、生产成本低、产品范围广等主要优点。 在环件轧制工艺设计过程中，需要对许多工艺参数进行选取和计算。传统 的人工设计效率低、成本较高，且对个人经验的依赖性强。c a p p 系统的出现能 够很好的解决这一问题，环件轧制c a p p 系统能够实现环件轧制设计、分析、 制造的自动化和一体化。 目前常用的c a p p 系统有很多，刘宇峰开发的环件轧制c a p p 系统是一个 基于v b 平台和模糊数学理论开发的智能系统。然而该系统由于种种原因还存在 很多缺陷和不足，而且该系统只开发了矩形截面环件轧制c a p p 系统，不全面， 系统实用性也不是很好。 本文在研究了刘宇峰开发的c a p p 系统的基础上，针对实际生产需求，进 行了针对性的改进和完善，同时引入了三维有限元模拟分析软件对内外台阶环 件轧制工艺过程进行了模拟分析，得出了实用的内外台阶毛坯设计方法。在此 基础上开发了中小环件热轧c a p p 系统。 新系统操作简单，实用性强，不仅能用于矩形截面环件，还能用于内外台 阶截面环件。新系统能够调用p r o e 软件自动生成锻件的三维模型和工程图，自 动计算出重要的工艺参数，并将系统与e x c e l 软件进行连接，实现报价单的自动 生成。与传统工艺方法相比，新系统可大大节约环件轧制设计时间，提高设计 准确性和工作效率。 关键词：c a p p ，环件轧制，内外台阶环件，三维有限元模拟分析 a b s t r a c t r i n gr o l l i n gi sap l a s t i cf o r m i n gt e c h n o l o g y , i nw h i c ht h ed i a m e t e ro ft h er i n g i n c r e a s e sa st h er i n gc r o s s s e c t i o nd e c r e a s e s c o m p a r i e dw i t ht r a d i t i o n a lt e c h n o l o g y , i th a sm a n yc h a r a c t e r i s t i c ss u c ha ss a v i n gf o r m i n gf o r c ea n dp r o d u c t i o nc o s t ， i n c r e a s i n gu t i l i z a t i o nr a t i oo fe n e r g a ya n dm a t e r i a l ，r i s i n gp r o d u c t i v i t y , w i d e n i n g p o r c e s s i n gr a n g eo ff i n gp r o d u c te t c i nt h et h ed e s i g no fr i n gr o l l i n gp r o c e s s ，w en e e dt os e l e c ta n dc a l c u l a t em a n y p a r a m e t e r s t h et r a d i t i o n a lm a n u a ld e s i g nh a sm a n yp r o b l e m s ，s u c ha si n e f f i c i e n c y a n dh i g hc o s ti np r o c e s s i n gt e c h n i cd e s i g n ，h a v eg r e a td e p e n d e n c eo np e r s o n a l e x p e r i e n c e t h ea p p e a r a n c eo fr i n gr o l l i n gc a p ps y s t e mc a l ls o l v et h i sp r o b l e m a n di m p l e m e n tt h ea u t o m a t i o na n di n t e g r a t i o no fr i n gr o l l i n gd e s i g n ，a n a l y s i sa n d m a n u f a c t u r i n g t h ec a p ps y s t e mi s c u r r e n t l yu s e dn o w t h er i n gr o l l i n gc a p ps y s t e m d e v e l o p e db yy u f e n gu ui sai n t e l l i g e n ts y s t e m sb a s e do nv bp l a t f o r ma n da n d f u z z ym a t h e m a t i c a lt h e o r y h o w e v e r , t h i ss y s t e m s t i l lm a n ys h o r t c o m i n g sa n d d e f i c i e n c i e sd u et ov a r i o u sr e a s o n s a n dt h i ss y s t e mh a so n l yd e v e l o p e dar e c t a n g u l a r c r o s s s e c t i o n r i n gr o l l i n gc a p ps y s t e m i sn o tac o m p r e h e n s i v eo r g r e a t p r a c t i c a b i l i t yo n e i nt h i sp a p e r , w ei n v e s t i g a t et h ec a p ps y s t e md e v e l o p e db yy u f e n gl i u ，f i n d i t ss h o r t c o m i n g sa n dd e f i c i e n c i e s t h e n ，w ei n d u c tat h r e e d i m e n s i o n a lf i n i t ee l e m e n t s i m u l a t i o ns o f t w a r et os i m u l a t ea n da n a l y z et h er i n gr o l l i n gp r o c e s sa n dg e ta p r a c t i c a lr o u g hd e s i g nm e t h o do ft h ei n n e r - s t e p p e dc r o s s s e c t i o no ro u t e r - s t e p p e d c r o s s s e c t i o n o nt h e s eb a s e sa b o v e ，w ed e v e l o par i n gr o l l i n gc a p ps y s t e mf o r i n n e r - s t e p p e d o ro u t e r - s t e p p e dc r o s s - s e c t i o nr i n gr o l l i n g t h i sn e wc a p ps y s t e mi ss i m p l ea n dp r a c t i c a l ，n o to n l yc a nb eu s e df o r r e c t a n g u l a rc r o s s s e c t i o nr i n gr o l l i n gb u ta l s of o ri n n e r - s t e p p e do ro u t e r s t e p p e d c r o s s - s e c t i o nr i n gr o l l i n g n e ws y s t e mc a nc o n n e c tt op r o ea n de x c e l ，b u i l dt h e c a dd r a w i n g ，m o d e la n dq u o t a t i o na u t o m a t i c a l l y w i t ht h eh e l po ft h i sn e ws y s t e m ， t h er i n gr o l l i n gp r o c e s sd e s i g na n dq u o t ec y c l ei sc u td o w nc o n s u m e d l y k e yw o r d s ：c a p p , r i n gr o l l i n g , i n n e r - s t e p p e do ro u t e r - s t e p p e dc r o s s - s e c t i o nr i n g r o l l i n g , t h r e e d i m e n s i o n a lf i n i t ee l e m e n t s i m u l a t i o n i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 武汉理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 研究生签名：控 日期? 三：二：二厂 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：垒磋 i 导师( 签名) 日期动、艾哆 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 环件轧制概述 第1 章绪论 通常我们把借助仪器设备使环件产生直径增大，壁厚缩小的加工工艺称为环 件车l i l i j j ，环件轧制也称环件辗扩或扩孔。g l n 成形按其工艺来分类主要可以分为 冷轧和热轧两类。前者是在常温或较低温度下进行的轧制成型工艺；后者则是在 温度较高情况下进行的轧制成型工艺。两种成型工艺的主要区别在于温度不同， 所以冷轧一般适用于形状简单的环件，其成产精度较高；热轧则能够生成形状复 杂的环件，其精度相对冷轧来说较低。目前，轧制成形工艺能够广泛运用于各领 域，使用的材料也涵盖常用的各种材料。 由于环件轧制与常规的模锻工艺相比具有很多优点，所以目前环件g l a t j 工艺 能够逐渐广泛运用于诸多领域中【。 1 1 1 环件轧制种类 环件轧制工艺目前主要有径向轧制工艺和径一轴向轧制工艺两种【1 1 。环件径 向轧制工艺原理主要是以驱动辊为主动辊作直线进给和旋转轧制运动；芯辊作被 动辊作从动旋转轧制运动。在此运动状态下，环件能够产生连续的局部变形 直径扩大、壁厚减少，环件截面轮廓逐渐成形。环件径向轧制工艺由于具有设备 结构简单、投资小等优点，但是径向轧制工艺轧制出的环件端面常有缺陷，质量 难以保证。 环件径一轴向轧制s e 艺与环件径向轧制工艺原理相似，只不过为了改善环 件端面质量，增加了一对轴向辊以便对端面进行轧制。是在环件径向轧制工艺的 基础上，增加了一对轴向端面轧辊以便对环件的径向和轴向同时进行轧制，这样 可以解决在径向轧制过程中端面出现缺陷的问题，且还能够生产处截面形状较复 杂的环件。由于径一轴向轧制工艺克服了径向轧制工艺存在的缺陷，且能够轧制 截面复杂的环件，所以能够广泛运用于生产精密型环件和截面复杂的环件l l 】。 1 1 2 台阶截面环件轧制工作原理 目前工厂在生产齿轮、法兰等产品过程中经常会接触到台阶截面环件轧制成 形。台阶截面环件轧制工艺原理与一般矩形截面环件相类似，只要就是：“通过 对环形端面的局部连续轧制，将小直径厚截面的环形毛坯逐渐轧制成大直径的薄 武汉理工大学硕士学位论文 截面的环件。在轧制过程中，驱动辊绕固定轴旋转，同时作直线进给和旋转轧制 运动；芯辊做为被动辊，只作从动旋转轧制运动；导向辊和信号辊都为可自由转 动的辊。在驱动辊作用下，环件通过驱动辊与芯辊构成的轧制孔型产生连续的局 部塑性变形。当环件经过多转轧制变形且直径扩大到预定尺寸时，环件外圆表面 与信号辊接触，从而使驱动辊停止直线进给运动并返回，环件轧制过程结束 2 - 8 1 。 1 2 环件轧制c a p p 系统 1 2 1c a p p 概念及其发展现状 c a p p ( c o m p u t e ra i d e d p r o c e s sp l a n n i n g ) 全称“计算机辅助工艺设计 是一种 利用计算机技术辅助工艺人员设计是一种新型的工艺制造方法，是一种将工业生 产信息化，自动化升级的一种新技术。该技术起源于上个世纪6 0 年代末的挪威， 经历几十年的发展，c a p p 已经发展了四代，由最初的智能化低，实用性不强的 c a p p 逐渐发展为智能性高，可靠性强，实用便捷的c a p p 系统。而且目前针对 各自需要单独实用性c a p p 系统也是得到了极大的发展，为企事业单位、科研院 所的科研、生产提供了极大的便利i 坶1 4 1 。 1 2 2 环件轧制c a p p 系统研究现状与问题 目前在其工艺设计领域，c a p p 技术的运用已很盛行了。但是用于环件轧制 的工艺设计的a 廿p 系统目前却还是较为罕见的。当今国外设计的环件轧制 c a p p 系统一般都是针对特定机型或特定的产品来开发的专用型c a p p 系统，该 类系统通用性不强，难以大面积推广。 在国内，目前对环件轧制相关的c a p p 系统的研究也是相当之多的。武汉理 工大学的李超、吴燕翔、王志慧等人【1 2 】在环件轧制c a p p 系统研究这方面做了 定的研究和开发。他们都是在c a d 平台上开发的环件轧制c a p p 系统。该系 统具有开发成本低，适应性好，可扩充性强，适合一般工厂企业独立开发适合自 己的专用环件轧制c a p p 系统等优点。但是此类系统的缺点是所开发环件轧制 c a p p 系统不能脱离原c a d 系统独立运行，以至于在推广和扩展等方面具有很 大的局限性。 李超采用了创成式方法构建了名为c a p p r r l 0 的环件轧制c a p p 系统【l o l 。 该系统以w i n d o w s 标准界面形式来设计系统界面，将选择、判断、验证和校核 等过程封装在程序内部。只要在每个主模块界面下输入相关参数信息，就可以直 2 武汉理工大学硕士学位论文 接得到工艺设计结果，操作简洁、方便、实用。此外该系统还建有冷热轧环机数 据库涵盖常用的3 0 余种机型数据、建有材料数据库涵盖常用的材料并且可以进 行新材料的添加、集成了c a d 技术，能实现a u t o c a d 2 0 0 4 自动绘制锻件、毛 坯和模具的c a d 二维图形。 r s c a d 系统【1 1 】是吴燕翔针对矩形截面环件、内台阶截面环件及外台阶截面 三种常见环件开发的c a p p 系统。该系统以a u t o c a d 软件提供的a u t o l i p s 语言 为基础进行程序的编译、菜单的制作、对话框及标准件库界面的制作。r s c a d 系统实现了“矩形截面环件 、“内台阶截面环件及“外台阶截面 这三类环件 的毛坯设计、模具设计和工艺参数设计。通过计算机输出终端输出毛坯和模具的 二维图形。此外，该c a p p 系统还建立了典型环件的s u n 工艺参数数据库，收集 了一些典型环件车l s t j 工艺参数数据以方便调用。 r o l l c a p p l 0 系统【1 2 】是王志慧专门针对矩形截面环件和外台阶环形零件开 发的c a p p 系统。该系统是以v c + + 6 o 为编译开发语言，在u g 平台下编译开 发的c a p p 系统。该系统使用了u g 他p e n 的i n t e r n a l 方式联合开发，使系统能 够逐步得到这两类零件的零件三维造型图及其各自体积、锻件的三维造型图及其 体积、毛坯的设计参数、下料的总重量和棒料尺寸、驱动辊及芯辊的设计参数等 工艺参数，从而为生产工艺的改进和指导生产提供了详细的、鲜明的技术支持。 上述介绍的三种环件轧制c a p p 系统，虽然在其各自领域具有一定的实用 性。但是这并不表示这些系统是很完美的没有缺陷的。例如，王志慧开发的 r o l l c a p p l 0 系统和吴燕翔开发的r s c a d 系统都存在系统界面不友善的问题， 而且设计的系统仅适用于四种轧环机，适用范围小。王志慧的r o l l c a p p l 0 系统 操作较复杂，且一旦校核发现设计不合理，需要人为地反复调整参数，极其不便。 r s c a d 系统主要是针对毛坯设计，其实工艺设计不多，且各个模块比较独立， 上一个模块得出的参数不能通过计算机直接调用到下一个模块中，需要进行人工 输入，不利于使用。李超开发的c a p p r r l 0 系统局限性较大，功能比较有限。 目前国内的中小心企业，迫切需要一种操作简单、扩展性强、兼容性好、实 用性高的环件轧制c a p p 系统软件，现有的环件轧制c a p p 系统软件难以满足要 求。 1 3 课题的来源、目的与意义 本课题来源于朱春东导师与江苏某锻造企业签订了合作项目，是在刘宇峰师 兄研究的c a d c a p p 系统的基础上，吸取了生产实际中存在的些问题和实际 经验，并引入内外台阶环件轧制工艺设计的实用性、综合性、多功能环件轧制 c a p p 系统中小环件热轧c a p p 系统。 3 武汉理工大学硕士学位论文 刘宇峰师兄研究的环件轧制c a d c a p p 与报价系统是以目前中小型民营企 业中使用较多的三维绘图软件p r o e 和简单实用的v b 语言为基础设计的一套针 对性强、实用较好的环件轧制c a p p 系统。但是由于一些客观原因，这套系统在 某些方面还不够完善且存在一定的缺陷与不足。比如该系统只设计了矩形截面环 件e l n 工艺设计c a p p 系统，对于内外台阶的环件轧制工艺设计则没有涵盖。当 然对于设计这些界面比较复杂的环件轧制工艺c a p p 系统，目前国内外都是极为 罕见的。因为国内外关于内外台阶的环件轧制工艺过程的设计就相当少，在此基 础上开发的c a p p 系统就更加稀少了。此外，由于时间、技术等多方面的原因。 刘宇峰开发的环件轧制c a p p 系统，还存在界面设计不科学美观、操作使用不方 便、系统运行不稳定、数据库信息少等诸多不足也是急需进行完善和改进的。 在内外台阶环件轧制工艺设计的过程中，传统毛坯设计工艺存在理论脱离实 际，实用性不佳等缺点。设计出的毛坯往往只考虑到理论成型情况，而忽略了毛 坯设计制造成本等诸多与实际生产运用密切相关的因素使得设计出的毛坯与实 际生产中所需要的毛坯往往有较大偏差。由此导致企业轻则不能很好的减少料 耗，降低成本；重则生产出的产品达不到预期的尺寸要求。所以一种设计简单， 成本低、实用性强内外台阶毛坯设计工艺急待解决。 本课题就是在仔细研究刘宇峰开发的环件轧制c i a d c a p p 系统的基础上， 引入了内外台阶环件轧制工艺设计，同时通过使用三维模拟分析软件对毛坯到成 品的成型过程进行模拟分析，总结出更加简单实用的毛坯设计公式和算法，来设 计出与实际情况更加相符的毛胚。并在此基础上紧密的联系实际生产中的情况， 解决了先前系统中存在的一些缺陷与不足，开发了涵盖内外台阶环件轧制的综合 性环件轧制c a p p 系统中小环件热轧c a p p 系统。 1 4 本课题的主要研究目标、内容、关键问题 研究目标： 1 ) 理论联系实际，以探索和总结毛坯设计制造工艺为重点，研究内外台阶 环件轧制的工艺设计方法。 2 ) 拓展环件轧制c a p p 系统，在先前总结的内外台阶环件轧制工艺的基础 上，结合实际情况建立实用的中小环件热轧c a p p 系统。 3 ) 在已建立的中小环件热轧c a p p 系统的基础上开发出以e x c e l 表格模式 自动输出的内外台阶环件轧制报价系统。 研究内容： 1 ) 内外台阶环件轧制锻件的设计。根据零件图上零件的尺寸设计出合理的 锻件尺寸。 2 ) 毛坯的设计与制造。总结和设计出毛坯的初步设计公式。 3 ) 应用三维有限元模拟软件对毛坯到成品的成型过程进行模拟仿真分析， 4 武汉理工大学硕士学位论文 理论联系实际，总结出简单实用的毛坯设计公式。 4 ) 轧制工艺参数的计算，获得准确合理的轧制工艺参数( 轧制力、进给量、 进给速度等) 。 5 ) 轧轮，芯辊的设计。主要根据毛坯，锻件的尺寸以及工艺参数的需要来 设计出满足生产需要的轧轮和芯棍。 6 ) 拓展环件轧制c a p p 系统，开发内外台阶环件轧制c a p p 系统以及相应 的环件产品报价系统。 关键问题： 1 ) 在毛坯的设计过程中，三维模拟分析软件各种边界条件的确定。 2 ) 毛坯设计公式和算法的确定。根据模拟分析结果总结出理论与实际相吻 合的简单实用的毛坯设计公式和算法。 3 ) 系统中使用的环件轧制工艺设计除了满足理论设计的要求外，同时要结 合实际生产中的一些情况以总结出最佳工艺方案。 4 ) 新开发的内外台阶环件轧制c a p p 系统与先前师兄开发系统的兼容性的 问题。 5 ) 新系统的实用性问题。实际过程中要时时以满足生产需要为出发点。 1 5 本章小结 本章对环件轧制原理、发展情况及其各自优缺点等做了简单的概述，并且就 目前环件轧制c a p p 系统的发展现状、存在的问题进行了阐述。并由此详细的道 出了本课题的来源、研究目的和意义以及主要研究目标、研究内容和关键性问题。 本中小环件热轧c a p p 系统的开发原理和主要开发过程将在后续章节中依次详 述。 5 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章内外台阶环件轧制工艺设计 台阶截面环件作为典型非矩形截面的异性环件之一，其轧制成型工艺与矩形 截面环件相比有一定的难度，同时其轧制成形规律对于一般的非矩形截面环件轧 制也有较大的参考价值。内外台阶环件是常见的两种台阶截面环件，我们这里将 主要从内外台阶环件着手探寻台阶截面环件的普遍成型规律。 内外台阶截面环件轧制成型特点如下【l j ： 1 ) 外台阶。 外台阶环件轧制成形一般为了保证轧制后的环件外台阶截面形状大都采用 封闭孔型轧制。所以在孔型的制约下外台阶轴向尺寸和环件的轴向尺寸是不发生 变化的。由于芯辊圆柱工作面的制约作用，环件的内表面也是一直为圆柱面不变 的。轧制过程中，环件的形状始终是保持外台阶型的，虽然其径向尺寸随着轧制 的进程在不断变化。 2 ) 内台阶 内台阶环件轧制成形由于采用了封闭孔型，所以可以保证轧制后的环件内台 阶截面形状。此外由于芯辊台阶径向尺寸制约和封闭孔型侧壁及芯辊台阶轴向尺 寸限制，轧制过程中环件内孔台阶径向尺寸数值小于等于锻件内孔台阶径向尺寸 数值，且环件内孔台阶的轴向尺寸是基本不发生变化的。加上由于采用外表面为 圆柱面或近柱面的轧制用毛坯和受到驱动辊工作面制约作用，轧制过程中环件的 外表面是始终保持为圆柱面不变话的，且车l a w j 的稳定性也得到了保障。 内外台阶环件轧制工艺流程分为下料、加热、制坯、轧制、后续处理五道工 序。轧制工艺流程中的各个工序都要相互紧密衔接、密切配合才能保障生产的稳 定有序。本章将详细的阐述内外台阶环件轧制的工艺设计，由此为中小环件热轧 c a p p 系统的研究和开发提供坚实的理论基础【1 2 1 。 2 1 锻件设计 内外台阶截面环件锻件图不仅是内外台阶截面环件毛坯设计的依据，同时也 是内外台阶截面环件轧制模具设计、轧制工艺设计等的主要依据，此外内外台阶 截面环件锻件图还是产品产后检验的主要依据。内外台阶截面环件锻件图是在对 应零件图基础上，加入了加工余量、轧制公差等因素综合设计绘制而成的【1 5 l 。 在设计内外台阶截面环件锻件图时，我们需注意以下几点l l j ： ( 1 ) 因为内外台阶截面环件轧制是在封闭型槽中进行成形的，所以金属轴向 流动性小，故我们设计的内外台阶环件的截面形状不宜过于复杂，且要尽可能的 增大轴向形状的对称性。 6 武汉理工大学硕士学位论文 ( 2 ) 此外还是由于内外台阶截面环件轧制过程一般都采用封闭孔型轧制，多 余的材料难以排出。所以一方面我们要设计精确，尽量使多余的材料降低到最少； 同时我们还要在锻件上设计用于储存多余材料的部位，还有可以适当加大内外台 阶截面环件的加工余量及其公差。 图2 - 1 ，2 - 2 分别为外台阶截面、内台阶截面的零件图与锻件图的形状尺寸， 由此可得出各自对应的计算公式如下【l j ： ( a ) 锻件示意图( b ) 零件示意图 图2 - 1 外台阶截面锻件和零件示意图 d sid 甲+ d 余 d b d b p + d 条 d d ，- ad e ( 2 - 1 ) b s | b l p + b 祭 b bib b p + ab 象 其中：d 余t2 a 啄，d 套、啄分别为外台阶环件径向和轴向加工余量。 ( a ) 锻件示意图( b ) 零件示意图 图2 2 内台阶截面锻件和零件示意图 d s d s p ad , d bid b ? + 厶d 彖 d ；d ，一ad , b s | b 甲+ b 祭 b b ；b b p + b 祭 7 ( 2 2 ) 武汉理工大学硕士学位论文 其中：a d 余，2 a b 余，a d 余、啄分别为内台阶环件径向和轴向加工余量。 2 2 下料设计 1 ) 下料重量的计算【1 】 令m 为下料质量，则： m = m 1 + m 2 + m 3 ( 2 3 ) 其中，m l 为锻件质量，m 2 为制坯冲孔时废料芯的质量，m 3 为火耗质量。 制坯加热的火耗质量m 3 与下料质量m 、加热次数和加热设备等因素有关， 其值按下式计算： m3=(m1+m2)6(2-4) 其中，6 为火耗系数。 2 ) 下料尺寸的计算【1 3 1 内外台阶环件轧制用的毛坯制造工序一般由墩粗、预冲孔、冲孔、冲连皮和 整形五步组成。第一步墩粗要求料段具有合理的高径比或长径比，端面要平整， 并且要与中心线垂直。料段高径比的合理数值范围如下： 1 2 三2 2( 2 5 ) 妒 其中，为料段长度，即墩粗的高度；妒为料段直径。生产实践表明，料段 高径比以1 8 左右为最好。 在己知下料长度时，下料直径可按下式计算得出 妒= 等 ( 2 - 6 ) 其中，y 为下料质量所对应的下料体积，可通过下料质量和材料密度算的。 2 3 内台阶环件毛坯设计与制造 内外台阶环件毛坯设计与制造过程有许多相似之处，这里我们先以内台阶环 件毛坯为例阐述毛坯设计与制造全过程【1 , 1 6 , 1 7 a s a 9 1 。 2 3 1 传统毛坯的设计方案 内台阶环件轧制成型的工作原理是：驱动辊既作径向进给运动、同时也转动， 以便环件连续咬入孔型并产生径向扩大、壁厚减小的塑性变形。由于受封闭孔型 8 武汉理工大学硕士学位论文 侧壁和芯辊台阶轴向尺寸的制约作用，轧制过程中环件内孔台阶的轴向尺寸基本 不发生变化。所以我们在设计内台阶环件毛坯时，毛坯的轴向尺寸设计基本与锻 件保持相同。 目前内台阶毛坯的设计主要以形状与锻件相似度较高的种方案为主。该方 案的内台阶毛坯设计的主要思路如下【1 l ： ( 1 ) 确定毛坯轴向尺寸 j 岛。苎( 2 - 7 ) 1 ；e 上式中玩d 、为内台阶环件毛坯轴向尺寸，风、成为内台阶环件锻件轴向 尺寸。 ( 2 ) 确定毛坯大孔直径山d d 6 0 = 警 ( 2 - 8 ) 上式中，k 为轧制比，d 6 内台阶环件锻件大孔直径，d 加为内台阶环件毛坯 大孔直径。 ( 3 ) 确定初选毛坯小孔直径d s o l d 棚= d b o - ( d 6 - d 。) ( 2 9 ) 上式中，如1 为初选毛坯小孔直径，也为内台阶环件锻件小孔直径。 ( 4 ) 确定初选毛坯外径d 毗 d o l = ( 2 1 0 ) 上式中，d 为内台阶环件锻件外径。 ( 5 ) 确定毛坯小孔直径 d ，o = d ，0 1 + 2 伊ah 6 2 ( 2 1 1 ) 上式中，妒为修正系数，其值一般取1 - 2 ，ah 。：为内台阶环件大孔部分在 轧制中的内表面进给量，其值可以通过下式求得。 11 明矿盘( 学一半) 亿 r 1尺2r 埘，朋 上式中，r 。为驱动辊工作面半径。r ：为内台阶环件大孔部分对应的芯辊工 作面半径。r 。则是内台阶环件锻件和毛坯外半径的平均值，即r 。- ( o 。+ d ) 4 。 r 。是内台阶环件锻件与毛坯大孔半径的平均值，即r 朋= ( d 。o + d 。) 4 。 9 武汉理工大学硕士学位论文 ( 6 ) 确定毛坯外径 第五步中求出d s o 后用它代替d 埘，用d 。代替do l ，然后一起代入式( 2 - 1 0 ) 即可计算出内台阶环件毛坯的外径d 。 ( a ) 锻件示意图( b ) 毛坯示意图 图2 3 内台阶截面环件毛坯和锻件图 这种传统的内台阶毛坯设计方法设计出的毛坯与成品形状相似度高，所以便 于轧制成型。但是正是由于毛坯与成品形状相似度高，以至于毛坯形状过于复杂， 实际生产过程中必须通过模锻来进行生产。这样一来，生产的成本和生产时间将 会大大提高。 2 3 2 改进后的毛坯的设计方案 考虑到目前的中小型企业迫切需要一种能够从实际生产需要出发，生产工艺 简单，实用性强，成本低廉的毛坯设计方法。在总结前人环件毛坯设计经验的基 础上，本文对内台阶环件轧制毛坯设计工艺进行了优化和改进。毛坯设计工艺优 化主要思路是在保证产品质量的同时尽可能的简化毛坯设计过程，从而达到减少 生产成本和生产时间的目的。 由于我实习的企业生产的内台阶产品较多，且一般径向尺寸在2 0 ( k n m 左右， 横向尺寸在5 0 m m 左右，台阶的径向尺寸不大。所以根据实际情况出发，特将毛 坯设计成下图所示形状： 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 图2 4 改进后内台阶截面环件毛坯图 在生产毛坯的过程中，由于根据锻件尺寸和下料公式我们可以得出毛坯的体 积，所以生产过程中尺寸主要控制总高度b o 、冲孔连皮b o 。、内孔斜率k 和内孔 最大孔径幽。至于毛坯两端弧度和毛坯外径则无需控制。改进后的内台阶毛坯 设计具体步骤如下： ( 1 ) 根据锻件轴向尺寸确定毛坯轴向尺寸 b o = b ( 2 - 1 3 ) b 0 l 为毛坯的冲孔连皮厚度，其尺寸可参照锻造工艺手册，根据锻件尺寸选 取。 ( 2 ) 根据轧制k 比和锻件大孔直径d b 确定毛坯内孔最大孔径 d b o 鲁 ( 2 1 4 ) ( 3 ) 确定内孔斜率七 如图2 4 内孔斜率k = t g a ，k 的值较小时，容易轧制成型；七过大则成型困难。 这里我们设内台阶环件的轴阶比为j 6 f ，即内台阶环件锻件的总高度与台阶径向尺 寸的比值。的值可以通过下式求出： 。笔咎掣 ( 2 1 5 ) d b d s 确定后，k 值便可以由下式求出了： ka 声( 2 1 6 ) 同时k 值要满足以下关系式： d 6 。一b 七o o _ 2 j ， ( 2 - 1 7 ) 武汉理工大学硕士学位论文 上式中，破表示轧制工艺中芯棍最大处的直径。 为了确定什么范围内的k 值才可以使用此法进行毛坯设计。本文特通过三维 限元模拟软件，对毛坯到锻件的轧制成型过程进行了有限元模拟分析。找出了生 产过程中常用尺寸范围内能够使用此法设计毛坯的k 值范围。内台阶内孔斜率k 在该范围内的内台阶环件毛坯皆可采用此法进行毛坯设计。至于k 值在其他范围 的内台阶环件毛坯设计以及非常用尺寸范围内的内台阶环件毛坯设计是否能够 使用此法，还有待进一步的研究验证。 2 3 3 内台阶环件新毛坯设计方案可行性分析 1 ) 锻件的选取 锻件这里主要选取尺寸范围径向尺寸在2 0 0 r a m 左右，横向尺寸在5 0 r a m 左 右的内台阶环件。本文这里随机选取了一件生产过程中经常遇见的内台阶产品。 其锻件图和运用新毛坯设计方法设计出的毛坯图如图所示： 轧制后的成品 毛坯 图2 5 选取锻件图和新设计的毛坯图 这里进行比较和模拟的几个锻件，尺寸除了d s 有适当变化之外，其他尺寸均 相同( 以下简称a 系锻件) 。我们通过调节d s 的值来改变内台阶环件台阶的相 对大小，从而进行比较模拟找出能够适用新毛坯设计方案的台阶尺寸范围。 2 ) 锻件与毛坯截面积比较 由于本人先前所实习的企业所生产的内台阶环件其轴阶比夕一般大于2 ，几 乎没有遇到过口小于2 的情况。这里我们以图2 5 所示的a 系锻件为例来比较下 不同时锻件与毛坯的径向截面积的变化。图2 6 、2 7 、2 8 分别是值为4 、3 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 和2 的内台阶环件毛坯与锻件径向截面对比图。从图中我们很容易看出，轴阶比 越大，即内台阶环件锻件的总高度与台阶径向尺寸的比值越大，也即台阶径向 相对尺寸越小。 图2 - 6 值为4 的内台阶环件毛坯与锻件径向截面积对比图 图2 7 夕值为3 的内台阶环件毛坯与锻件径向截面积对比图 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 图2 8 卢值为2 的内台阶环件毛坯与锻件径向截面积对比图 上述图中，锻件尺寸除了了侈值外，其他的基本相同。比较三图，我们可以 很清楚的得出值越大的环件，其毛坯与锻件的径向截面积相似度就会越大，就 越利于成型。所以在下面的模拟分析中，主要对届值最小的内台阶环件进行有限 元模拟分析，若值最小的内台阶环件毛坯都能够顺利成型，那么其他值较大 的内台阶环件则必定能够顺利成型。 3 ) 有限元模拟分析结果比较 由于考虑到有限元模拟的综合性与复杂性，以及实验的需要。本模拟实验仅 考虑毛坯台阶处成型状况不考虑其他因素对成型的影响。选取的材料是日常生产 中经常用到的4 5 钢，轧制温度设定为1 2 0 0 。，轧制进给速度经过计算，统一设 定为2 5 m m s 。几组模拟实验，不同值的锻件其毛坯成型过程边界条件的设定 都是相同的，这样可以增加模拟实验的可比性。 由于本实验仅考虑值对成型的影响，所以对模拟结果进行了局部选取，最 后给出的模拟结果如图2 9 ： 14 武汉理工大学硕士学位论文 b 吨0 = 3噼 图2 - 9 有限元模拟结果比较图 从图中。我们可以清晰的看到卢值越小，台阶出越难成型。口值为2 时，毛 坯基本不能成型，f 值为3 时可以成型，但较声值为4 而言较难成型。 4 ) 总结 结合不同卢值锻件与毛坯截面积比较以及有限元模拟分析结果的比较和分 析。我们可以得出：对于径向尺寸在2 0 0 m m 左右，横向尺寸在5 0 m m 左右且轴 阶比卢大干等于3 的内台阶环件可以使用改进后的毛坯设计方案直接设计毛坯。 对于其他范围的内台阶环件是否能够适用新方法设计毛坯则需要进一步的验证 和研究。 2 3 4 毛坯的制造 内外台阶的设计与制造过程有许多相似之处，先以内台阶为例阐述其毛坯设 计与制造全过程【1 0 , 1 1 - 1 4 却”。 ( i ) 原材料加热 图2 1 0 原材料的加热 武汉理工大学硕士学位论文 原材料加热过程其实就是将料段从室温均匀加热到便于加工的温度。加热过 程对产品的质量起着关键的作用，如果加热的不均匀或温度偏低那么轧环时就会 出现许多质量问题，如环件不圆、出现波浪和碟形等，严重的时候甚至会报销产 品。 加热设备一般主要有各种类型的炉室，这个只要根据实际情况和所选设备功 能进行选择即可，不存在最好的，因为在选择这些设备时，我们在考虑其性能指 标的同时还应该考虑到成本因素的影响。 ( 2 ) 墩粗 i i 一一一一一f 一一一一一j 图2 1 1 墩粗处理 墩粗是一种使毛坯高度减小、横断面积增大的锻造工序。墩粗时应注意 工序规范，力度合理，墩粗后的坯料高度为h 1 ，我们要使h 。稍大于最后坯料的 高度，具体高多少，视具体情况而定，一般在5 m m 左右。 ( 3 ) 预冲孔 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 铴 膨 c ( 穴7 ， 图2 1 2 预冲孔 预冲孔时，冲孔连皮厚度h 随坯料厚度成正比变化，坯料越厚，冲孔连皮越 大，但是冲孔连皮应满足一定的范围，生产实际中，我们一般取4 - b m m 。 ( q 冲孔 i 、 铴钐 c - iy 夕乡1 形形 图2 1 3 冲孔 冲孔时定位一定要准确，要冲正，防止生成过多毛边影响坯料质量。 ( 5 ) 整形 根据实际情况，若成品形状较复杂，为了保证能够轧制出成品形状，一般要 对毛坯进行整形，使其形状更加接近成品。若成品形状简单，则可不进行整形处 理，直接轧制，这样可以节省生产时间和减小成本。 1 7 武汉理工大学硕士学位论文 2 4 外台阶环件毛坯设计与制造 在目前多数外台阶毛坯设计过程中，为了保持轧制稳定性和合理分配毛坯大 环和小环的体积，一般都对外台阶环件毛坯的径向尺寸进行修正如下图1 1 】= ( a ) 锻件示意图毛坯示意图 图2 1 4 常用外台阶截面环件毛坯设计图 传统外台阶毛坯设计出的毛坯图形往往比较复杂，不利于生产制造。这里由 于时间的关系，暂不给出外台阶环件毛坯设计方案，待后续慢慢完善具，但外台 阶毛坯设计思路与内台阶相似，即毛坯易于生产。 外台阶制造过程和内台阶制造过程基本相同，也分为原材料加热、墩粗、预 冲孔、冲孔和整形五个部分。具体制造过程参见内台阶制造过程即可。 2 5 轧制工艺参数设计 与其他重要因素一样，轧制工艺参数对环件轧制有着极其重要的影响。即使 其他条件因素都满足，但是轧制工艺参数不合适，也不能够轧制出合格的环件产 品。目前我们需要控制的轧制工艺参数主要有：轧制比、轧制力、进给量、进给 速度、时间等【1 1 。 2 5 1 轧制比与环件极限壁厚 我们一般将轧制前的环件毛坯截面积与轧制后的环件锻件截面积之比叫做 轧制比，简称轧比，一般用大写字母k 表示。这里我们令s o 、s 分别表示轧制 前后环件毛坯和环件锻件的截面积，t o 和t 分别表示轧制前后毛坯壁厚和锻件 壁厚则i 矧： a k ：迎( 2 1 8 ) 1 8 武汉理工大学硕士学位论文 由于孔型封闭的举行截面在轧制过程中环件的轴向尺寸不发生变化，所以轧 制比k 可以用环件毛坯壁厚与锻件壁厚之比代替表示，即： k ：互( 2 1 9 ) 上式中，如果毛坯壁厚t o 过大，那么将有可能导致锻透和咬入两个条件不 能同时满足。所以环件毛坯的最大壁厚不能超过t n 眦，即： 兀s 丁m a x 2 石1 7 5 r 1 ( 2 - 2 。) r 2 我们将上述二式结合，并加入环件轧制塑性失稳条件后，可求出轧制比k 的最大值为： 。两5 5 尼、凡7 ( 2 2 1 ) 这里的r l 、r 2 ，r a o 、卢分别表示环件驱动辊半径、芯辊半径环件、环件内外 半径初始时的平均值以及轧制孔型与环件之间的摩擦角。 如果我们取极限情况，即： 呻尺2 生呻。 墨 那么便有： l i m k 眦- 5 5 即k 的极限最大值为5 5 ，当然实际过程中，我们使用到的k 值往往比5 5 小得多。实际生产中轧制比的选择一般遵循下表规律。 表2 - 1 轧比的选择 选择条件k 值 简单的异形截面 1 2 2 5 复杂的异形截面 1 3 3 有端面碾压时 1 3 1 9 武汉理工大学硕士学位论文 2 5 2 环件轧制力能参数设计 环件轧制力能的计算是环件轧制工艺设计中的重要内容之一。力能的计算不 仅是轧制工艺进给设计的依据，同时也是轧制孔型强度设计、轧环机结构设计、 工作参数设计和机器零部件选择的重要依据。由于环件在轧制过程中，轧轮中的 变形相当复杂，所以我们对轧制力能模型的建模都是基于简化关系的【2 2 圆】。 武汉理工大学的华林教授采用滑移线法和上限法提出了环件轧制力能计 算方法【l ，卅。该计算方法求解方便简单、不存在待定系数且与实际轧制非常相符。 根据该法我们可以求出环件的力能参数。这里我们设最大轧制力为f ，力矩为m ， 则两种力能计算公式分别为i l l j ： ( 1 ) 开式轧制力能计算式 n 2 叫“百li h o + i 3 聊丢) 像2 2 ， m | 2 q b r - 幽( “百1i h o + 虿3 聊寺) q 乏3 ) ( 2 ) 闭式轧制力能计算式 鲫钱聊拄3 聊匐 协2 4 ， 黜十净瓣+ 矧 协笏) 上述两式中，p 为环件所用材料在轧制过程中的剪切屈服强度、b 为环件的 轴向尺寸、r 。为环件的驱动辊半径、三是接触弧长、则为环件原始壁厚、m 是 摩擦因子。 2 5 3 轧制进给量和进给速度的设计 由于环件轧制过程中每转进给量a h 不得小于锻透所要求的最小每转进给量 同时又不能大于咬入孔型所允许的最大每转进给量。所以有【1 ，3 0 】： 幽一s | l ls a h 。 ( 2 6 ) 其中： 2 0 武汉理工大学硕士学位论文 五。血一6 5 5 1 。3 尺( 惫云) 2 ( 1 + 惫+ 等一争) 。2 2 7 ) 劬一。若爵o + 惫+ 等一争 由于轧制每转进给量最大值与最小值之间范围较大，所以每转进给量幽的 设计有较大的范围。一般情况来说，当环件轧制温度较高或轧环机力能较富裕时， 每转进给量我们可以取较大值。 在环件轧制过