数值模拟和实验研究几何学变化和立式热环轧过程控制方法
摘要：在环扎过程中准确的几何尺寸和有效控制是环状产品精确成型的先决条件。在这篇文章中，对滚轮和轧环在立式热轧环滚动（VHRR）过程中的交互模型和规律进行了分析，并且对轧环的几何尺寸规律进行了研究。基于ABAQUS/Explicit软件以其子程序VUAMP，建立了VHRR过程测量和控制模型。接着，异形截面零件的仿真实现。在仿真过程中，环的直径尺寸、圆度误差、及轧制过程的稳定性得到及时反馈，驱动辊和测量辊进给量的闭环控制系统也被使用。获得的结果显示如下：（1）依据降压的进给运动将VHRR分为四个阶段，具体而言，接触阶段，主要轧制阶段，精确成型阶段及调整阶段。（2）在VHRR的接触和主要轧制阶段过程中，环中心波动螺纹线和滚动过程是不稳定的，环的圆度变得更糟，当进入精确成型阶段时，通过导辊的作用，轧制过程变得稳定且环的圆度会变得更好。（3）在主要轧制过程中测量辊接触轧环，接着，在精确成型阶段测量辊推迟环的继续增长。当测量辊满足做需要的位移植，停止金给的命令将反馈，环轧制过程进入调整阶段。在调整阶段，轧环的外直径仍会增加一些。（4）随着一系列VHRR实验的进行，有限元分析结果与实验结果有很好的一致性。轧环的外直径和圆度的绝对误差1mm。本文研究结果对VHRR生产具有现实意义。
关键词：立式热环轧、 控制方法、 环轧制实验 、有限元方法
1简介
立式热环轧(VHRR)磨床是一种常见的机器等制作环的外直径是40-1000mm[1]。这台机器被广泛使用，该产品制造商在世界各地的优势，如结构简单、低重量,小投资,具有高生产力。图1显示了它的工作原理。主动辊绕自己的轴转动并向芯棒移动。芯辊在摩擦力作用下被动地绕着它旋转。导辊,用于保持环轧制过程稳定,也是固定的适当的地方。轧环在主动辊和芯辊中间，在主动辊和芯辊的滚动挤压下，轧环发生塑性变形，导致了轧环的形状尺寸的变化和直径的扩大。VHRR过程总是很短的时间内,在几秒钟内环扩张非常快,所以VHRR具有过程非线性,随时间变化大和强耦合[2]的特点。 在生产过程中，VHRR的过程总是适用于导辊固定在一个合适的位置。在早期，轧环和导辊没有接触，所以轧环的尺寸很那测量。当进入最后阶段后，轧环与导辊的外表面接触，使轧制过程变得流畅。但是，在导辊的压力下，轧环中心将存在偏移量，并且轧环的尺寸不能直接测量，因此,VHRR不能依靠自动控制。由于这些原因，VHRR过程仍然取决于工人的视觉评估和工作经验，不能完全保证轧环产品的尺寸稳定性和质量一致性。
到目前为止，研究报道都集中在大尺寸环件的轧制[3, 4],比如理论分析[5, 6],宏观变形规则[7]和设备的研究 [8]。这些研究促进了轧制技术在大尺寸轧环的发展和应用。然而，有关VHRR设备和过程控制方法的文献相对稀缺。Wang和Hua [9]以环的外径测量为目标，基于三个点确定一个圆的原理,建立了一个简单的VHRR测量模型。但是，当轧环尺寸改变，导辊的位置也需要被规范，当建立的坐标系原点发生变化，测量模型也必须重新建立。
后来,他们提出的建立根据实验VHRR测量模型的方法[10], 通过VHRR实验建立环的之间的关系，在外径的测量辊位移的基础上研究。上面所提到的,在这篇文章中,有限元(FE)模型与VHRR过程控制的结合然后轧环的几何变化特性在不同轧制时间进行了分析。最后,进行了一系列VHRR实验,所有组成环尺寸精度较高。这两个VHRR过程的控制方法和有限元模型认证的实验。研究结果可以提供一个实际的虚拟仿真和实际的设计方法指导VHRR的生产过程。
2VHRR过程分析
基于由Hua和Zhao[1]提出的稳定的形成条件,进给速度的范围可以被描述为如下:
其中是主动滚筒的进给速度, 是最大的进给速率,最低进给速率, 是摩擦角,一般 等于摩擦系数,是驱动辊和芯辊的外径。 是主动辊的转速。 和 分别是轧环的内外径。
在VHRR过程中，由于轧环扩大在较早的阶段速度较慢，然后在滚动周期加快，进给量的控制和驱动辊的进给速率分为四个阶段意味着一个降压的进给运动分为：接触阶段，主要轧制阶段，精确成型阶段以及调整阶段。在接触阶段，通过主动辊的滚动，轧环内壁咬合主动辊，壁厚差异消除，环之间的槽相互配合。为此，轧环不接触导向辊，它在侧面略有波动的一面。在主要轧制阶段，轧环的外表面逐渐接近导向辊，然后震荡现象消失，轧制过程趋于稳定。第三个阶段是精确成型阶段环的外径尺寸慢慢接近所需要的值，随着主动辊的进給慢慢的进给速率较低，轧环在前些阶段累计壁厚差异在上述阶段快速给消除，轧环的圆度也得到了改善。当进入调整阶段,主动辊停止进给,保持在适当的位置,轧环的尺寸和形状达到所需的值。
图2显示了进给数量分配不同轧制阶段。 分别表示滚动阶段1、2和3, 代表总进给量。
毛坯使VHRR采用的过程是自由锻造[1]，所以轧环有不同的质量和几何尺寸。当选择尺寸外径为测量和控制目标，有在实际的有差异进给数量和滚动时间之间的毛坯不同的权重,如图2所示,体现:当进给的参数确定轧制阶段1和2,实际进给轧制的轧制时间和数量第三阶段将不同毛坯不同的权重,也就是空白的更大的重量,所需的进给量的第三阶段将更少,和相应的轧制时间会短;相反,所需的进给量的第三阶段将会更多,和滚动时间会更长。因此,进给总额最低 是由毛坯的最大重量。确保毛坯尺寸的轧制过程可以通过上述四个轧制阶段,它必须有：
(2)
表1：环的位置和尺寸
|
参数名称 |
数值 |
|
主动辊直径(mm) |
420 |
|
芯辊直径（mm） |
37.4/7.5 |
|
导辊直径（mm） |
110 |
|
测量辊直径（mm） |
60 |
|
初始位置的坐标测量辊的中心(mm) |
(-80.7,-41.1) |
|
坐标导辊的中心(mm) |
(101.3,-27.2) |
|
导辊和Y轴之间的角度gamma; |
75° |
|
测量辊和Y 轴角度alpha; |
75° |
最大的进给总额( )可以由毛坯的壁厚和驱动辊的极限位置(驱动辊与芯棒的接触辊),如图2所示, 代表的位移值驱动辊与毛坯的外表面接触时,和 代表主动辊的位移值与芯辊的接触,那么所需的最大进给总额及其关系,是由下式决定：
(3)
表二：VHRR各阶段进给参数
|
轧环阶段 |
进给量（mm） |
进给速率（mm/s） |
进给时间（s） |
|
接触阶段 |
5 |
5 |
1 |
|
主要轧制阶段 |
3 |
3 |
1 |
|
精确成型阶段 |
1.5 |
0.5 |
le;3（由测量辊到达目标值的时间确定） |
|
调整阶段 |
0 |
0 |
0.6 |
异形截面膨胀环,这是一个典型的热轧环产品,轴承产品的一个重要组成部分。在本文中,一种异形截面膨胀圈为研究对象,选择图3显示了轧环的尺寸。要求的尺寸公差环的外直径和圆度误差在1mmVHRR过程。在轧制过程中,芯辊的位置是不变的,所以定义的坐标系统的起源是在芯辊的中心可以建立,如图4所示。轧环的尺寸和位置见表1。结合方程式。1、2和3,考虑到设备的产能和生产效率的工厂,每个滚动的进给数量和进给率阶段在VHRR过程中确定如表2所示。
3有限元模型VHRR过程及其控制方法
通过分析轧环的位置和技术参数,根据有限元分析环境,3D VHRR形变场有限元模型
如图5所示。轧环是轴承钢GCr15的材料。它的密度和泊松比是 和0.3,分别和其真实应力-应变曲线对不同温度由Yin和Hua描述[11]。仿真条件在表3中做了总结[12]。
3.1有限元建模的关键技术
(1)环的外径的测量方法,中心坐标
VHRR过程和圆度误差、圆度和几何尺寸是两个重要的指标,形成环的尺寸精度。最小二乘圆方法[12]是一种常见的方法来评价圆度。Ref[12]调查的原理和算法解决环的外径,中心坐标, 使用最小二乘圆和圆度误差的方法。在有限元模型中,一组均匀间隔的选择节点环的外轮廓在同一圆周上,和几个传感器相应成立于有限元分析得到在模拟节点的坐标。利用有限元分析/外显子例程VUAMP在每个时间进行记录。因此,环的外径,中心坐标,可以在虚拟仿真计算圆度误差。
(2)建模的测量辊
我们之前的作品提出瞬时外环的直径几乎是线性的瞬时位移测量辊[8、9]。这种关系也验证了相关实验。也就是说, 他们所表达的外径测量模型可以近似线性拟合方程4。
(4)
其中 是瞬时环的外径, 的瞬时位移测量辊, 和 是拟合方程的斜率和截距。上述方程表明,环的瞬时外径可以计算的瞬时位移的测量。在实际VHRR过程中,环的扩张是被人类观察环的外表面之间的距离,测量辊。在VHRR模拟、轴连接器和梁连接器元素是用来检测和活塞杆的模型测量辊在有限元分析中所示图5所示。位移传感器也是建模获得测量辊的位移。
表三：模拟情况
|
参数名称 |
数值 |
|
轧环温度(℃) |
80 |
|
毛坯温度（℃） |
900 |
|
环境温度（℃） |
20 |
|
热传递系数（ ） |
11[12] |
|
热对流系数（） |
0.02[12] |
|
热辐射率（） |
0.8[12] |
|
摩擦系数 |
0.3 |
|
机械能转化为热能量 |
0.9[12] |
(3)VHRR过程的闭环控制方法
如图6所示,测量辊的目标位移值对应于所需的环产品的外径尺寸和驱动辊的极限位移值应该提前。在轧制过程中,测量的位移和驱动辊可以反馈到控制系统,驱动器的闭环位置控制和测量环形成,因此,进给和轧环的尺寸可以通过比较当前控制位移和目标位移值。
基于上述分析,有限元分析/明确的子例程VUAMP选择实现控制方法根据虚拟传感器的值。利用有限元分析/ VUAMP外显子程序,子程序可以调用在每个时间段在模拟。图7显示了程序流程。在轧制过程之前,一些初始条件和参数,如进给率和进给量应设置在程序。VHRR模拟期间,四个阶段进行,和提要运动的四个阶段是按照步骤曲线在程序的一种形式。的位移值测量和驱动辊与目标值相比获得的虚拟传感器和饲养阶段。当测量辊的位移值等于目标价值在精确的形成阶段,环产品的外径达到目标尺寸;后来环过程进入调整阶段,主动辊停止进给并持有一段时间,然后整个VHRR过程完成。
3.2仿真结果分析
在第二部分的基础上分析和参数表2中列出。在子例程VUAMP,仿真时间预定为6 s,和目标的价值计量辊的位移是选为2.8mm。然而,整个仿真只是持续2.67秒,环的外径的尺寸达到所需的值。精确的形成阶段持续0.12秒,比预定时间短。
图8显示了滚动状态在不同的时期。可以看出轧环可以在0.68秒,大约维持圆形滚动收益,轧环略有波动的连续挤压和转动卷,导致更糟糕的圆度的轧环。2秒后,环的外表面逐渐与导辊的接触,和轧制过程变得流畅,轧环的圆度会得到改善。图8显示了形成环槽的截面轮廓。因为模具结构是半封闭的,没有明显的宽度传播上下表面的轧环,和加工的要求也足够了。
图9显示了测量辊位移随时间的变化,发现测量辊接触环在1.925秒,然后迅速推环的增长。在2.07秒,测量辊移动从其初始点的距离2.8mm
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