毕业设计（论文）薄壁环件轧制机的设计

第一章绪论随着社会的发展，薄壁环件越来越多的用于各种领域，如轴承环、齿轮环、燃汽轮机环、电机集电环及核反应堆容器环件等，正被广泛的用于火车、飞机、汽车和其它的一些电子产品中。然而传统的加工方法如铸造、拉拔、冲压等通用的方法已经不能满足社会的需求，且随着科技的进步，新工艺和新方法也在被不断地探索，环件轧制正是在这种情况下发展起来的，然而现在研究的环件轧机大多都是主动轮做进给运动和转动，而从动轮只转动不做进给运动，从而使环件壁厚减小而直径扩大的轧制变形。而像主动轮和从动轮都做进给和转动的轧机，国内在这方面的研究还很少，所以对这方面的轧机的研究有非常重要的意义和价值。1.1课题研究的目的和意义（1）设计出主动轮和从动轮都做进给和转动的轧机，弥补国内在这方面的不足。从上世纪六十年代就有人开始从事轧制技术的研究与分析，虽然轧制技术得到的飞快的发展，但轧机原理的发展方向主要没有什么大的变化，这次课题的研究主要就是从理论和实践研究不同原理的轧机。（2）研制出不同类型的轧机使薄壁环件加工更方便。设计的轧机是主动轮和从动轮都做进给和转动的轧机，而国内像这样的轧机机型还很少，有待进一步的发展。（3）设计出的轧机能加工各种材料的薄壁环件，且根据联轴器的不同，环件加工的范围也不同，加工范围通常比较大，正是因为该种轧机有这样的优点所以值得去研究。（4）该课题研究的目的是为了设计出新型轧机并不断完善该轧机各种零件的选用，还对这种新型轧机的性能进行测试。1.2课题研究背景1.2.1 国内外的研究现状（1）理论研究上世纪六十年代开始了环件轧制的理论研究工作，由于受到客观条件的限制，大量的研究工作被限制在近似或经典塑性成形理论的研究领域。滑移线基本理论是上世纪七十年代建立的，该方法主要用于求解理想塑性材料的平面应变问题。环件轧制中金属变形复杂。因此，对金属变形规律的进一步研究多采用上限法或能量法。这几个理论分析方法均采用不同假设对问题做了较大程度的简化，因此无法提供环件内部精确全面的应力应变信息。随着计算机技术和塑性理论的发展，用有限元方法模拟塑性成形过程弥补了各种解析或半解析方法的不足，被用来解决了许多实际问题。近年来国内外的众多学者尝试将有限元法应用于环件轧制的过程中，这些工作为开发出集变形分析与工艺计算和过程控制于一体的环件轧制计算机辅助分析系统打下了基础。有学者根据环件轧制过程的有限元模拟结果制订控制策略，将模拟的最佳轧制力曲线转换为压力辊运动的等效速度曲线，控制压力辊使其按预定的速度曲线运动。近年来，在德国钢铁工程师协会环件轧制委员会以及生产厂家的大力支持下，各研究机构在环件轧制在线控制方面进行了大量的研究，从而使环件轧制技术又上了一个新台阶。然而现在武汉理工大学有一些学者从理论上对薄壁环件轧制进行了改进，改进后的轧制机构与传统的轧制机构最大的不同就是从动轮和主动轮一起做进给运动，而传统的轧制机构只有主动轮做进给运动，而从动轮只转动，这也正是薄壁环件加工待发展的方向。（2）实验研究二十世纪六十年代，英国一些学者首先开展了环件轧制实验研究。他们在立式二辊轧机上进行了基本参数的实验研究，发现环件轧制时径向变形区的径向对称点存在塑性铰。随后，另一些学者进一步实验指出，环件轧制生产的金属硬度变化沿轴向、径向及周向差别不大，平均硬化程度比轴向压缩实验引起的硬化小。轧辊表面单位压力分布能从一个侧面反映变形区内应力状态及变形情况，验证有限元分析结果。还有学者用测压针方法研究了不同材料在不同孔型中轧制时的单位压力分布。得到在变形区入口附近单位压力迅速升高并达到峰值，随后缓慢降低，在轧辊连心线附近单位压力曲线出现拐点的规律。当压下速度较大时，单位压力可出现两个峰值。这些现象说明平板轧制理论和摩擦理论不适用于环件轧制过程。对于环件轧制过程的分析，必须根据环件轧制特点重新建立环件轧制理论。九十年代有学者考察了压下速度、摩擦条件、环件形状及孔型尺寸等因素对孔型中金属流动及环件截面形状的影响。初步探讨了轧制异形截面环如何保证环件外径达到规定尺寸时，环件材料恰好充满孔型，形成理想的截面形状的问题。 2.2环件轧制技术的发展趋势环件轧制技术已经成为环形零件生产的主要加工方法，并朝以下几个方向迅速的发展（1）薄壁环件的直径不变而内壁在轧制的过程中发生变形，环件总体积可以看做是不变的。（2）高速薄壁环件轧制技术。随着环件轧制设备及上下料辅助设备的机械化自动化程度的提高，薄壁环件轧制速度和生产率迅速提高。（3）复杂薄壁环件轧制技术。对于复杂截面的薄壁环件通常简化成近矩形截面的环件，然后再机加工。通过轧制用毛坯的优化和轧制孔型的合理设计许多复杂截面的环件逐渐实现了直接成形。（4）薄壁环件轧制生产设备的发展趋势。对中小型薄壁轧机主要是运用闭式轧制提高精度，提高效率，实现少无切削加工。（5）薄壁环件的壁厚在轧制过程中慢慢的变薄，而直径慢慢的变大，环件的体积不发生变化。而在主动轮和从动轮都做进给和转动的轧机研究还是刚刚起步，在这方面需要大量的理论研究和实践研究。第二章 薄壁环件轧制机设计方案2.1基本理论和设计方案传统轧机轧制环件的原理是电动机带到大齿轮转动，然后大齿轮带到小齿轮转动，小齿轮固定在轴上带动轴一起转动，该轴的顶端安装了主动轮，而从动轮被安装在滑块上，滑块可以滑动，在进给机构的作用下向前移动，从而薄壁环件被挤压在从动轮和主动轮之间，从动轮在摩擦力的作用下也开始转动，开始对环件进行轧制。而现在设计的轧制机构是要使从动轮和主动轮在轧制的过程中一起做进给运动，该轧制机构最需要解决的问题就是主动轮和从动轮在轧制环件时如何一起做进给运动。刚开始想出了两种方案：第一种方案是用斜齿轮代替传统机构中的大齿轮，并且使斜齿轮在电动机的作用下转动而且能向下运动，这样小齿轮就能在斜齿轮的作用下转动和向两侧移动，从而使主动轮向两侧移动，但在计算轧制力的时候，发现斜齿轮在向下运动的时候不能和小齿轮完全啮合，从而不能很好的带动小齿轮转动，所以该方案被取消。第二种方案是用联轴器代替了被小齿轮固定的那根轴，小齿轮固定在联轴器下端的轴上，而主动辊被安装在联轴器上端的轴上，这样主动轮就可以移动了，当然该联轴器的选择也是有要求的，它不仅要提供转矩而且还要能伸长和缩短，经过查阅资料找到了该类型的联轴器，且符合该类型的联轴器有很多不同的型号，因此该方案符合要求。2.2轧制实际零件图2-1轧制实际零件2.3有限元可行性验证第三章薄壁环件轧制力学计算3.1环件尺寸计算毛坯尺寸为：直径150mm，厚度3mm，高度15mm。将厚度轧制到2.5mm时，环件的尺寸计算过程：假设环件轧制前后的高度不变，根据体积不变原理：.（3-1） 即式中：R00轧制前半径R0轧制后半径h1轧制前厚度h2轧制后厚度L环件高度将毛坯尺寸带入式（3-2），得：3.2环件轧制每转进给量的范围根据文献（7）得：环件轧制每转最小进给量 .（3-3）式中：R1主动轮半径R2从动轮半径R环件外圆半径r环件内圆半径环件轧制每转最大进给量 .（3-4）式中：取0.5因此环件进给量的范围为即3.3接触弧长投影根据文献（7）得接触弧长投影长度 . .(3-5)式中：3.4计算公式根据文献（7）得如下计算公式（1） 环件单位面积轧制力: （2）环件开式轧制总变形力: （3）总轧制力: (4)主动轮轧制力矩: (5)总轧制力矩: (6)大动机功率: 式中：环件轧机效率取90%电机许用过载系数旋转轧制运动转速，且,取1-3m/s3.5取材料代数值计算(1) 当环件取45钢时,屈服强度为350Mpa则 环件单位面积轧制力: 环件开式轧制总变形力: 总轧制力: 主动轮轧制力矩: 总轧制力矩: 大电动机功率： (2)当环件取Q235材料时则 环件单位面积轧制力: 环件开式轧制总变形力: 总轧制力: 主动轮轧制力矩: 总轧制力矩: 大电动机功率 (3)当环件取08F材料时,屈服强度为175Mpa则环件单位面积轧制力: 环件开式轧制总变形力: 总轧制力: 主动轮轧制力矩: 总轧制力矩: 大电动机功率 第四章薄壁环件轧制运动学4.1轧制机构(主动轮)电机转速与环件转速的关系设大电机经过减速器后的转速为，则1s转N转即5转设大小齿轮之间的转动比为i，则 式中：小齿轮的齿数 大齿轮的齿数取i=1/4,则每秒小齿轮转转，取5×4=20转在轧制过程中，假设环件轧制前后的高度不变，根据体积不变原理 (4-1)式中：D0轧制中外径d0轧制中内径D轧制前外径d轧制前内径L环件高度由式(4-1)得 .(4-2)式中：轧制前壁厚且轧制中壁厚且又主动轮与环件在接触点上线速度相等，且 (4-3)式中：接触点上的线速度轧制中环件的半径图4-1环件转速与壁厚的关系环件的转速即.(4-4)式中：环件轧制中半径将代入（4-4）得 4.2环件直径增长速度与芯辊进给速度的关系由塑性变形体积不变 .(4-5).(4-6) .(4-7)其中 芯辊运动而未轧制的那段路程公式（4-6）和（4-7）对时间求导得环件直径增大速度为.(4-8).(4-9) 式中为环件厚度减小速度，；环件轧制中外径扩大速度环件轧制中内径扩大速度由上式可知环件轧制中内径扩大速度为外径扩大速度与二倍直线进给速度之和，即内径（环件）增大速度始终大于外径扩大速度将数字代人公式(4-8)和（4-9）中得 即 即假设环件壁厚减小速度为定值,取图4-2环件直径增长速度与壁厚的关系