摘 要

与传统环件轧制方法相比，双驱动轧制使芯辊的转动方式由随动变为主动。本文利用弹塑性动力显式有限元方法对新的芯辊驱动轧制工艺环件轧制变形过程进行了模拟，研究了不同的驱动比对环件轧制过程及结果的影响。主要分析其轧制力、轧制力矩参数变化规律，应变分布的变化规律，以及圆度误差的变化规律。研究结果表明：驱动比为0.1时环件应变分布都较为均匀，驱动比为1.5和2的时候环件的圆度误差较小，形状精度好。

关键词：环件轧制；芯辊驱动；应变均匀性；数值模拟

Abstract

Compared to traditional ring rolling, bi-driven rolling means to change the rotation mode of mandrel from following motion to driving motion. Based on the elastic-plastic dynamic explicit finite element simulation on the new process of ring rolling plastic deformation with driven mandrel, this paper mainly does research on how driven ratio of mandrel influence both the process and the result of ring rolling. The research aims at how reaction force, reaction moment, stain distribution and roundness error change in the deformation process with the change of driven ratio. The results show that the strain distribution becomes more homogeneous when driven ratio is 0.1 and that the ring product will have smaller roundness and higher shape accuracy while driven ratio rises to 1.5 or 2.

Key Words：ring rolling；driven mandrel；strain uniformity；numerical simulation

目录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1传统环件轧制工艺概述 1

1.1.1环件轧制工艺的特点 1

1.1.2环件轧制的分类 1

1.1.3环件轧制的优点 3

1.1.4环件轧制研究现状 3

1.2双驱动轧制新工艺 4

1.2.1双驱动轧制工艺的原理 4

1.2.2双驱动轧制研究的目的及意义 5

1.3本文主要研究内容 5

1.3.1导向辊运动参数计算模型 5

1.3.2基于ABAQUS的环件径向轧制弹塑性有限元模型的建立 5

1.3.3 ABAQUS后处理数据的提取和分析 6

1.3.4成形规律的研究和轧制工艺参数的优化选择 6

第二章 有限元模型的建立 7

2.1初始条件和工艺参数 7

2.2 Part模块 8

2.3 Property模块 8

2.3.1工业纯铅的体密度和弹性参数 8

2.3.2工业纯铅的塑形参数 9

2.4 Assembly模块 10

2.5 Step模块 10

2.6 Interaction模块 11

2.7 Load模块 11

2.7.1导辊运动参数的确定 12

2.7.2芯辊转速随时间的变化 15

2.8 Mesh模块 16

2.9基于模板文件的修改 16

2.9.1芯辊驱动比 16

2.9.2芯辊直线进给速度 17

第三章 ABAQUS后处理与数据提取 20

3.1轧制力能参数 20

3.2等效应变的输出 21

3.3圆度误差数据 22

第四章 数据分析与结果讨论 24

4.1芯辊驱动比对环件轧制的影响规律 24

4.1.1力能参数变化规律 24

4.1.2应变分布规律 25

4.1.3圆度误差变化规律 27

4.2芯辊直线进给速度对环件轧制的影响规律 28

4.2.1轧制力能参数变化规律 28

4.2.2应变分布规律 29

4.2.3圆度误差变化规律 31

结论 32

参考文献 33

致谢 35

第一章 绪论

1.1传统环件轧制工艺概述

环件轧制还可以叫做环件辗扩或者扩孔，指通过轧环设备设备——轧环机，使坯料的壁厚缩小、环径增大、截面形状成形的新型加工方法。环件轧制是连续局部塑性加工成形方法，与传统的整体模锻成型工艺相比，在技术性和经济性上有巨大的优点，能极大地降低设备的吨位、减小震动冲击，环保节能，降低成本，并且有效提高材料利用率，是轴承环、法兰环、燃汽轮机环等大大小小各种无缝环件的新型制造方法，在众多工业领域中都逐渐得到普遍的应用^[1]。

1.1.1环件轧制工艺的特点

环件轧制工艺是轧制工艺和机械制造工艺的融合统一，它的独特之处在于：1. 驱动辊和芯辊的直径差值巨大；2. 驱动辊自身做主动旋转运动，芯辊以从动形式作旋转运动，两轧辊转速不同，共同作环件轧制运动；3. 两轧辊的旋转轧制运动与芯辊的直线进给运动彼此独立；4. 径向轧制和轴向轧制这两个运动彼此挟制，并且同时受导向辊平面运动的影响和干预；5. 轧制过程，毛坯连续多次流经截面孔型；6. 变形区域十分复杂且不稳定，过程中热、力条件一直发生着动态的改变。

因为以上特点，所以环件的轧制会体现出平板轧制、型材轧制、多道次轧制等各种不同轧制方式的耦合特点；会体现出几何非线性与物理非线性以及它们的耦合特性；会受到静力学、运动学和动力学因素以及它们的耦合影响。可以说环件轧制变形过程是一个极其复杂的变形过程^[1]。

1.1.2环件轧制的分类

如图1.1，环件径向轧制的原理为：驱动辊是轧制的主动辊，自身主动旋转，芯辊则在摩擦的作用下进行旋转，同时芯辊还存在主动的直线进给运动；在驱动辊的旋转和摩擦作用下，环件连续不断地通过驱动辊与芯辊所构成的轧制孔型，在芯辊的直线进给作用下连续发生局部的压下塑性变形，从而使直径小、壁厚大的环件毛坯直径增大、壁厚减薄；当环件毛坯在多次通过轧制孔型并且直径扩大达到目标尺寸时，环件的外表面会接触位置固定的信号辊，芯辊的直线进给运动立即停止而后返回，轧制就此结束。在轧制过程中，导向辊作导向运动，对环件的平稳转动和长大进行引导和辅助。在环件的径向轧制过程中，驱动辊的主动旋转轧制运动动力来源为电动机，芯辊的直线进给压下运动则以液压或者气动装置作为动力来源，芯辊和导向辊的旋转运动都无需提供动力，而是在与环件的摩擦作用下作从动旋转。环件径向轧制设备结构简单，被广泛应用在中小型环件的轧制制造中，但由于环件端面无约束，故端面质量无法保证，环件上下端面通常会出现鱼尾缺陷。

图1.1环件径向轧制原理