一种设计异形环件冷辗轧进给速度的方法

摘要

一种设计异形环件冷辗轧进给速度的方法，其步骤为：首先，采用常进给速度对异形环件进行辗轧，获取一系列点，其中R为环件的半径，DH为压下量即芯辊的进给量；然后，对点进行拟合获取的具体表达式；最后，根据的具体表达式求解出匀速扩大模式和常进给量模式下进给速度随时间的变化曲线，解决了异形环件冷辗轧成形技术中存在的生产周期长、生产成本高、产品性能得不到保证的问题，具有生产周期短、成本低和产品性能稳定的优点。

权利要求

1.一种异形环件冷辗轧进给速度的设计方法，其特征是，包括以下步骤：

1）采用常进给速度v对异形环件进行冷辗轧，获取一系列(R,ΔH)点，其中保证进给总量和进给时间与外径匀速扩大时的相同，R和ΔH都是辗轧时间t的函数； 所述的常进给速度v满足： 其中，RD和RM

分别为驱动辊和芯辊的工作半径，ωD为驱动辊转速,β为环件与成形辊之间的摩擦角，R和r分别为环件外半径和内半径；

2）对(R,ΔH)点进行拟合获取R(ΔH)的具体表达式： 获取R(ΔH)的具体表达式为

R＝f(ΔH) (3)

其是在匀速扩大模式下对R(ΔH)点系列进行拟合获得的，其中R和ΔH都是辗轧时间t的函数；

3）根据R(ΔH)的具体表达式求解出匀速扩大模式和常进给量模式下进给速度随时间的变化曲线，具体做法是： 首先，匀速扩大模式下的进给速度曲线求解； 采用v(t)表示进给速度曲线，那么

由于匀速扩大模式和常进给量模式下的R(ΔH)曲线都与匀速进给模式下的一致，外径匀速扩大时的R(ΔH)曲线与匀速进给时的一致，那么 其中，C1为匀速扩大模式下环件外径的扩大速度，是一个未知常数， 由微分知识可得： 结合式(5)和式(6)可得：

可见，式(7)为关于ΔH的一阶微分方程，求解该微分方程，并将已知条件： ΔH(0)＝0;ΔH(te)＝ΔHe, (8)代入微分方程的通解中，即可求得匀速扩大模式下ΔH(t)的具体表达式，其中已知条件(8)中的te和ΔHe分别为总的进给时间和压下量， 由式(4)可得： v(t)＝ΔH'(t), (9)

根据式(9)便可求得匀速扩大模式下的进给速度随时间的变化曲线vCES(t)；

其次，常进给量模式下的进给速度曲线求解； 记辗轧过程中环件的转速为ω(t)，环件每转进给量为Δh，那么： 其中q为进给运动完成时环件的转数，

式(10)除以式(11)，整理可得：

其中，C2＝Δh/2π，当Δh为常数时，C2亦为常数， 对式(12)两边求导可得：

当Δh为常数时的外半径R的表达式可用式(3)表示，将式(3)、(9)代入式(13)可得： 该方程也是一个关于ΔH的一阶微分方程，将已知条件(8)代入该方程的通解，求出常进给量模式下ΔH(t)的具体表达式，根据式(9)，即可求得常进给量模式下进给速度vCFA(t)的变化曲线。

说明书

一种设计异形环件冷辗轧进给速度的方法

技术领域

[0001] 本发明属于环形零件精确塑性成形制造技术领域，具体涉及一种设计异形环件冷辗轧进给速度的方法。

背景技术

[0002] 进给速度是环件冷辗轧成形过程重要的控制参数。进给速度是否合理，不仅是能否实现环件稳定冷辗轧的前提条件，而且直接影响着环件的直径增长速度和最终成形质量。

[0003] 目前实际生产实践中进给速度的确定方法大多依赖于工艺调试和操作者经验，设计方法简单粗糙，缺乏科学依据，导致辗轧的环锻件尺寸和最终环件产品尺寸相差较大，还需要通过大量后续的切削加工等工序才能获得最终尺寸的环形零件，这样不仅浪费了材料、延长了生产周期、增加了生产成本，而且使得环形零件的性能得不到可靠保证。

[0004] 采用滑移线法以每转进给量不得小于锻透所要求的每转进给量确定了环件最小进给速度，并采用解析几何方法确定了进给速度不得大于环件被咬入孔型所允许的最大进给速度（Lin Hua, Zhongzhi Zhao. The Extremum Parameters in Ring Rolling. Journal of Materials Processing Technology, 1997, 69(1-3): 273-276）。但该方法所确定的进给速度范围比较大，对于实际生产来说不够精确；而且，除了辗轧条件外，进给速度还受到了辗轧设备的力能条件限制，即进给速度不得超出辗轧设备所能提供的辗轧力；此外，轧辊和设备的运动加速度也会对环件的辗轧产生冲击，而使环件辗轧过程不平稳。

[0005] 另外，根据环件冷辗轧机D56G90的工作原理，以矩形环件为对象，提出了进给速度为常数、环件每转进给量为常数、环件外径匀速扩大和导向辊圆心的旋转速度为常数这四种进给模式，并给出了后三种变速进给曲线的设计方法（Fenglin Yan, Lin Hua, Yongqiao Wu. Planning Feed Speed in Cold Ring Rolling. International Journal of Machine Tools and Manufacture, 2007, 47(11): 1695-1701），但该方法需要根据塑性变形体积不变条件预先计算出矩形环件外径的变化规律。另外，由于异形环件冷辗轧可以直接成形复杂截面环形零件，成形过程中环件直径扩大变形与截面轮廓成形同时进行，其变形机理和成形规律远比矩形环件冷辗轧复杂，使得预测成形过程中环件的截面形状难度增大，导致很难快速准确求出环件外径的变化规律，这也就直接限制了该方法的应用范围。

发明内容

[0006] 为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供了一种设计异形环件冷辗轧进给速度的方法，解决了异形环件冷辗轧成形技术中存在的生产周期长、生产成本高、产品性能得不到保证的问题，具有生产周期短、成本低和产品性能稳定的优点。

[0007] 为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种设计异形环件冷辗轧进给速度的方法，包括有如下步骤：

[0008] 为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种设计异形环件冷辗轧进给速度的方法，包括以下步骤：

[0009] 一种异形环件冷辗轧进给速度的设计方法，包括以下步骤：

[0010] 1）采 用 常 进 给 速 度v 对 异 形 环 件 进 行 冷 辗 轧，获 取 一 系 列 点，其中保证进给总量和进给时间与外径匀速扩大时的相同， 和 都是辗轧时间 的函数；

[0011] 所述的常进给速度v 满足：

[0012] , (1)

[0013] , (2)

[0014] 其中， 和 分别为驱动辊和芯辊的工作半径， 为驱动辊转速, 为环件与成形辊之间的摩擦角， 和 分别为环件外半径和内半径；

[0015] 2）对 点进行拟合获取 的具体表达式：

[0016] 获取 的具体表达式为

[0017] (3)

[0018] 其是在匀速扩大模式下对 点系列进行拟合获得的，其中 和 都是辗轧时间 的函数；

[0019] 3）根据 的具体表达式求解出匀速扩大模式和常进给量模式下进给速度随时间的变化曲线，具体做法是：

[0020] 首先，匀速扩大模式下的进给速度曲线求解；

[0021] 采用 表示进给速度曲线，那么

[0022] , (4)

[0023] 由于匀速扩大模式和常进给量模式下的 曲线都与匀速进给模式下的一致，外径匀速扩大时的 曲线与匀速进给时的一致，那么，

[0024] , (5)

[0025] 其中， 为匀速扩大模式下环件外径的扩大速度，是一个未知常数。

[0026] 由微分知识可得：

[0027] , (6)

[0028] 结合式(5)和式(6)可得：

[0029] , (7)

[0030] 可见，式(7)为关于 的一阶微分方程，求解该微分方程，并将已知条件：

[0031] , (8)

[0032] 代入微分方程的通解中，即可求得匀速扩大模式下 的具体表达式，其中已知条件(8)中的 和 分别为总的进给时间和压下量，

[0033] 由式(4)可得：

[0034] , (9)

[0035] 根据式(9)便可求得匀速扩大模式下的进给速度随时间的变化曲线 。

[0036] 其次，常进给量模式下的进给速度曲线求解；

[0037] 记辗轧过程中环件的转速为 ，环件每转进给量为 ，那么：

[0038] , (10)

[0039] , (11)

[0040] 其中q 为进给运动完成时环件的转数，

[0041] 式(10)除以式(11)，整理可得：

[0042] , (12)

[0043] 其中， ，当Dh为常数时， 亦为常数，

[0044] 对式(12)两边求导可得：

[0045] , (13)

[0046] 当Dh 为常数时的外半径R 的表达式可用式(3)表示，将式(3)、(9)代入式(13)可得：

[0047] , (14)

[0048] 该方程也是一个关于DH 的一阶微分方程，将已知条件(8)代入该方程的通解，求出常进给量模式下 的具体表达式，根据式(9)，即可求得常进给量模式下进给速度的变化曲线。

[0049] 本发明技术方案的思路：在Yan等人提出的四种进给模式中，芯辊匀速进给模式简便而易于实现，对设备的控制系统要求较低；由于不同型号的冷辗轧设备所采用的导向辊液压控制机构有所不同，导向辊圆心的旋转速度为常数不具普适性；环件外径匀速扩大（简称匀速扩大模式）和环件每转进给量为常数（简称常进给量模式）这两类进给模式对于大部分环件辗轧机都适用，且其进给速度曲线的求解属于变速进给模式中求解难度较大的两类。匀速扩大模式要求通过实时调节进给速度，使得成形过程中环件每一时刻的外径扩大速度保持不变；常进给量模式则要求通过进给速度的调节，使得环件在每转一圈的时段中芯辊的进给量保持不变，而当驱动辊线速度不变时，环件转一圈所需的时间取决于环件的外径。由此可见，这两类变速进给模式下的进给速度都与环件外径有关，因此可根据环件外径的变化规律对匀速扩大模式和常进给量模式的进给速度进行设计。

[0050] 本发明的有益效果：本发明只需先获得匀速进给模式 曲线，就可以求解出匀速扩大模式和常进给量模式下进给速度曲线，继而设计出异形环件冷辗轧进给速度。本发明为异形环件冷辗轧进给速度设计提供了科学依据，为实现异形环件冷辗轧的工艺优化和精确控制提供了重要方法和基础，有利于促进环件辗轧先进理论和技术的进一步发展。

附图说明

[0051] 图1为匀速扩大模式下进给速度曲线。

[0052] 图2为匀速扩大模式下环件外径随时间的变化曲线。

[0053] 图3为常进给量模式下环件每转进给量随时间的变化曲线。

[0054] 图4为常进给量模式下进给速度曲线。

具体实施方式

[0055] 下面结合具体实施例对本发明作进一步详细说明。实施例

[0056] 辗轧参数为：环坯外半径63.5 mm，环坯内半径38.1 mm，环坯轴向宽度25.4mm，驱动辊半径114.3mm，芯辊半径34.925mm，型槽宽度与环坯宽度之比1:4；

[0057] 一种确定异形环件冷辗轧进给速度的方法，包括以下步骤：

[0058] 1）采用常进给速度v 对异形环件进行冷辗轧，获取一系列 点，其中保证进给总量和进给时间与外径匀速扩大时的相同， 和 都是辗轧时间 的函数；

[0059] 2）对 点进行拟合获取 的具体表达式：

[0060] 获取 的具体表达式为 ，其是在匀速扩大模式下对 点系列进行拟合获得的，其中 和 都是辗轧时间 的函数；

[0061] 获取 的具体表达式为：

[0062] (1)

[0063] 3）根据 的具体表达式求解出匀速扩大模式和常进给量模式下进给速度随时间的变化曲线；

[0064] 匀速扩大模式和常进给量模式下进给速度曲线的求解步骤分别如下：

[0065] 首先，匀速扩大模式下的进给速度曲线求解；

[0066] 采用 表示进给速度曲线，那么

[0067] , (4)

[0068] 由于匀速扩大模式和常进给量模式下的 曲线都与匀速进给模式下的一致，外径匀速扩大时的 曲线与匀速进给时的一致，那么，

[0069] , (5)

[0070] 其中， 为匀速扩大模式下环件外径的扩大速度，是一个未知常数，[0071] 由微分知识可得：

[0072] , (6)

[0073] 结合式(5)和式(6)可得：

[0074] , (7)

[0075] 可见，式(7)为关于 的一阶微分方程，求解该微分方程，并将已知条件：

[0076] , (8)

[0077] 代入微分方程的通解中，即可求得匀速扩大模式下 的具体表达式，其中已知条件(8)中的 和 分别为总的进给时间和压下量，

[0078] 由式(4)可得：

[0079] , (9)

[0080] 根据式(9)便可求得匀速扩大模式下的进给速度随时间的变化曲线 。

[0081] 其次，常进给量模式下的进给速度曲线求解；

[0082] 记辗轧过程中环件的转速为 ，环件每转进给量为 ，那么：

[0083] , (10)

[0084] , (11)

[0085] 其中q 为进给运动完成时环件的转数，

[0086] 式(10)除以式(11)，整理可得：

[0087] , (12)

[0088] 其中， ，当Dh为常数时， 亦为常数，

[0089] 对式(12)两边求导可得：

[0090] , (13)

[0091] 当Dh 为常数时的外半径R 的表达式可用式(3)表示，将式(3)、(9)代入式(13)可得：

[0092] , (14)

[0093] 该方程也是一个关于DH 的一阶微分方程，将已知条件(8)代入该房产的通解，求出常进给量模式下 的具体表达式，根据式(9)，即可求得常进给量模式下进给速度的变化曲线。

[0094] 参见图1，图1中横坐标表示辗轧时间（s），纵坐标表示芯辊进给速度（mm/s），中间的曲线表示采用本文的设计方法获得的匀速扩大模式下的进给速度曲线。

[0095] 如参见图2，图2中横坐标表示辗轧时间（s），纵坐标表示环件外径，中间的曲线表示采用图1所示的进给速度辗轧后，环件外径随时间的变化曲线。可见在进给运动期间环件外径随辗轧时间基本呈线性增长，这说明其扩大速度为常数。

[0096] 参见图3，图3中横坐标表示辗轧时间（s），纵坐标表示芯辊进给速度（mm/s），中间的曲线表示采用本文的设计方法获得的常进给量模式下的进给速度曲线。

[0097] 参见图4，图4中横坐标表示辗轧时间（s），纵坐标表示环件每转进给量（mm/rev），中间的曲线表示采用图3所示的进给速度辗轧后，环件每转进给量随时间的变化曲线。可见，可见在进给运动期间环件每转进给量基本保持不变，这说明环件每转进给量为常数。