摘 要

芯辊驱动的环件轧制是在常规环件轧制工艺的基础上，使芯辊的转动方式由传统的随动转动变为由电动机驱动转动。

随着科技的进步对轧制成型环件的质量要求越来越高，而双驱动轧制可能对改善成型质量是有利的。本文以深沟球轴承套圈为研究对象，以ABAQUS有限元分析软件为平台通过弹塑性动力显式有限元方法建立了矩形截面双驱动环件轧制的模型。研究了在不同的芯辊进给速度和旋转速度下，双驱动轧制与常规轧制成型环件相比在的轴向、周向、径向的等效塑性应变的大小和均匀程度，以及轧制过程中驱动辊和芯辊的轧制力矩和力的变化，分析了环件的圆度误差的大小，发现了双驱动轧制在转速较低时对环件的成型质量是有利的。使双驱动轧制的工艺参数的选择有了依据。

关键词：双驱动轧制 冷轧 环件成型质量

Abstract

The ring rolling driven by the mandrel is based on the conventional ring rolling process, The rotation mode of the mandrel is changed from the traditional follow-up rotation to the rotation of the motor drive.

Along with the progress of science and technology, the precision requirement of the rolling forming ring is higher and higher, and the double driving rolling may be beneficial to improve the forming quality. In this paper, deep groove ball bearing as the research object, based on the ABAQUS finite element analysis software, the model of double driven rolling with rectangular cross section was established by means of elastic and plastic dynamic explicit finite element method. The feed rate and rotational speed of the mandrel were studied. Compare the size and uniformity of the equivalent plastic strain in the axial, circumference, and the radial direction between the dual drive rolling and the conventional rolling. And the rolling torque and force of the driving roller and mandrel in the rolling process. The roundness error of the ring is analyzed, and it is found that the forming quality of the ring is favorable when the speed is lower than the rotational speed. Dual driving rolling is based on the selection of process parameters .

Keyword：Dual drive rolling Cold rolling Ring forming quality

目 录

摘 要 I

Abstract II

目 录 III

第1章 绪论 1

1.1环件冷轧制技术综述 1

1.2双驱动环件轧制 1

1.2.1双驱动轧制运动模型 1

1.2.2双驱动轧制技术原理 1

1.2.3双驱动轧制的优点 2

1.3国内外研究现状 2

1.4研究课题的目的和意义 2

1.5本文的主要研究内容 3

1.6本章小结 3

第2章 双驱动环件轧制过程轧制参数 4

2.1环件轧制静力学 4

2.1.1环件咬入过程 4

2.1.2环件锻透过程 5

2.2环件轧制运动参数描述 5

2.2.1芯辊的转速方案 5

2.2.2芯辊的直线进给速度 6

2.2.3导向辊的运动幅值的计算 7

2.3轧辊基本参数与毛坯尺寸 8

2.3.1毛坯尺寸的计算 8

2.3.2轧辊各项参数 8

2.4本章小结 9

第3章 矩形截面双驱动环件轧制有限元模型理论 10

3.1有限元介绍 10

3.1.1 ABAQUS简介 10

3.1.2有限元基本理论 10

3.2建立ABAQUS双驱动轧制模型 10

3.2.1 GCr15轴承钢材料参数 10

3.2.2 ABAQUS建模过程 11

3.2.3建立双驱动环件轧制模型 11

3.3本章小结 14

第4章 芯辊转速对双驱动轧制的影响 15

4.1芯辊转速对轧制力的影响 15

4.2芯辊转速对轧制力矩的影响 16

4.2.1驱动辊的轧制力矩 16

4.2.2芯辊的轧制力矩 17

4.3不同芯辊转速的等效塑性应变分布 17

4.3.1环件截面周向等效塑性应变 17

4.3.2环件轴向和径向等效塑性应变 19

4.3.3环件轧制等效塑性应变实体图 20

4.4不同的芯辊转速圆度误差分析 22

4.5本章小结 23

第5章 进给速度对双驱动轧制的影响 24

5.1芯辊进给速度对轧制力的影响 24

5.2芯辊进给速度对轧制力矩的影响 25

5.2.1驱动辊的轧制力矩 25

5.2.2芯辊的轧制力矩 25

5.3不同芯辊进给速度等效塑性应变的分布 27

5.3.1环件截面周向等效塑性应变 27

5.3.2环件轴向和径向等效塑性应变 28

5.3.3环件轧制等效塑性应变实体图 30

5.4不同芯辊进给速度圆度误差分析 31

5.5本章小结 32

第6章 结论及展望 33

6.1结论 33

6.2展望 33

参考文献 34

致谢 35

第1章 绪论

1.1环件冷轧制技术综述

环件轧制又称为环件辗扩或扩孔，是借助于轧环机使环件产生壁厚减小、直径扩大、截面轮廓成形的塑性加工工艺^[1]。环件轧制广泛应用于生产齿轮环、轴承环、火车车轮及轮箍、法兰环、燃气轮机环等各类无缝环件，环件轧制的生产方式与其他的环件生产方式相比，具有材料的利用率高、生产效率高、产品应用范围广、生产成本低等特点。

环件轧制可以分为：径向轧制、径-轴向轧制、异步环件轧制、异形环件轧制等，异步轧制是指两个工作辊表面线速度不相等的一种轧制方法，也称非对称轧制，通常有以下三种形式：（1）上下轧辊半径不相等异步轧制；（2）上下轧辊速度不相同的异步轧制；（3）上下轧辊与金属环件的摩擦系数不相等的异步轧制。

1.2双驱动环件轧制

1.2.1双驱动轧制运动模型

常规环件轧制由驱动辊做主动旋转，带动环件和芯辊转动，芯辊在随动的同时作直线的进给运动，而双驱动轧制是在芯辊上施加一个力矩，如图1.1所示驱动辊和芯辊在电机提供的M1和M2力矩的作用下作旋转运动，在轧辊表面与环件表面产生的摩擦力的作用下，环件坯料咬入轧制孔型，环件坯料壁厚减小，直径增大，截面轮廓成型，坯料内部因为异步轧制组织性能产生了变化^[2]。经过多次的轧制环件坯料轧制到所需要的尺寸，环件外表面接触到信号辊，芯辊停止直线进给，环件轧制结束。在轧制的过程中导向辊保证了环件的平稳轧制和环件的圆度。 图1.1

1.2.2双驱动轧制技术原理

由于芯辊的转速和驱动辊的转速不同，使金属轧制环件处于搓轧状态，金属轧制的过程中，环件的变形区分为三个部分：前滑去、后滑区、中性面，常规轧制中上下辊的中性角是相等的^[3]，轧制变形区是在前滑区、后滑区的上下表面，由于它们的摩擦力方向相同，都是指向中性面，中性面附近的压力非常大，平均轧制力增大阻碍了金属的变形，而在双驱动异步轧制中，由于芯辊和驱动辊的转速不同，中性面发生偏移，在前滑区和后滑区的中间形成了一个搓轧区，在该区域内，上下表面的摩擦力方向是相反的，减少了对环件成型的阻碍，降低了轧制压力，由于摩擦力的不同，所以搓轧区的上下表面的变形程度和金属流动规律都不同，所以导致了环件金属的表面质量，和内部力学性能的变化。

1.2.3双驱动轧制的优点

双驱动轧制中，由于附加的剪切力的存在，环件金属的上下表面变形不同，在环件轧制产生压缩变形的同时，产生剪切变形，因此使轧制环件金属内部的晶粒更加细化^[4]，非常有利于提高环件的力学性能。

1.3国内外研究现状

早期的冷辗扩技术的研究大多集中在实际工程问题上，1968 年，英国学者W. Johnson^[5] 等人针对环件辗扩的基本工艺参数在辗环机上进行了辗扩实验，发现工艺参数对辗扩变形区域有影响。Mamalis研究环件轧制时的单位压力分布，发现在入口处的压力先升高到最大值，然后下降。当压下的速度大的时候，单位压力会出现两个峰值，这些现象都表明，轧制平板的摩擦理论不适合轧制环件理论。D.Y.Yang在1988年应用刚塑性有限元方法对环件轧制的平面变形做了分析，应用理论计算了除了轧件在接触表面的应力下的变形金属的速度场，计算了应变速率的分布，实验结果与计算结果吻合。T.Lim.I.Pillinger等人在1988年利用弹塑性有限元理论，对轴向-径向轧制进行了分析。