CN111266500B - 确定环轧过程中由进给量驱动的芯辊进给速度的方法 - Google Patents
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Abstract
一种确定环轧过程中由进给量驱动的芯辊进给速度的方法,首先考虑环轧过程的咬入条件和辗透条件,确定了环轧过程中起轧、稳轧、减小、整圆四个阶段进给量随环件外径实时变化的曲线;其次,确定进给量在各个阶段的方程;最后,根据芯辊进给速度与进给量之间的数学关系反向求解芯辊进给速度,实现环轧过程中进给量驱动的芯辊进给速度的确定。该方法通过环轧过程中进给量按照起轧、稳轧、减小和整圆四个阶段变化,获得适用于环轧设备控制要求的芯辊进给速度,从而改善环轧过程稳定性和成形质量问题,满足实际环轧过程环轧设备的控制要求,效率高且科学可靠,为实现环件辗轧过程的优化设计与稳健控制提供了重要技术支撑。
Description
技术领域
本发明属于环轧成形加工领域,具体涉及一种环轧过程中由进给量驱动的芯辊进给速度的确定方法。
背景技术
环轧成形过程中,芯辊进给速度是影响进给量的重要参数,对环轧过程稳定性和成形环件质量具有重要影响。芯辊进给速度越大,每转进给量越大,反之每转进给量越小。当芯辊进给速度太大时,每转进给量太大而不满足环轧过程咬入条件,使得环件无法顺利咬入轧制孔型,而芯辊进给速度太小时,每转进给量太小而不满足环轧过程辗透条件,使得环件无法辗透。因此,芯辊进给速度的合理设计是环轧工艺需要解决的核心技术问题。传统上是凭经验确定芯辊进给速度,该方法需要多次试错才能获得满足进给量要求的芯辊进给速度,从而使得环件既能顺利咬入轧制孔型(满足咬入条件),又能使得塑性变形穿透环件整个壁厚(满足辗透条件),但存在效率低并缺乏科学性的不足。华林等(华林,左治江,兰箭,et al.环件冷辗扩芯辊进给速度规范设计[J].中国机械工程,2006,17(9):953-957.)结合环件冷辗扩的特点,以环轧的整个过程中进给速度为常数、每转进给量为常数、环件外径增长速度为常数和随动导向辊圆心的旋转速度为常数作为控制条件,提出了四种芯辊进给速度设计方法,但实际环轧过程一般是分为起轧、主轧、减速、整圆四个阶段进行的,而上述方法没有考虑环轧过程的这四个阶段,难以满足实际环轧过程环轧设备的控制要求,目前未见考虑环轧整个过程的由进给量驱动的芯辊进给速度的确定方法。
发明内容
为克服现有环轧工艺技术中芯辊进给速度的设计常依赖于经验和试错法,效率低且缺乏科学性、难以满足实际环轧设备的控制要求等问题,本发明提出了一种确定环轧过程中由进给量驱动的芯辊进给速度的方法。
本发明的具体步骤如下:
步骤一,确定环轧过程进给量变化阶段及不同阶段结束时的环件外径尺寸。
所述进给量为环件轧制过程中环件的壁厚减小量;所述进给量随该环件实时外径变化。
确定的进给量变化分为四个阶段,分别为起轧阶段、稳轧阶段、减小阶段与整圆阶段。
设环轧全过程为100%,给定进给量起轧阶段在环轧全过程的占比K1为10%~30%、进给量稳轧阶段在环轧全过程的占比K2为50%~80%、进给量减小阶段在环轧全过程的占比K3为5%~15%、进给量整圆阶段在环轧全过程的占比K4为2%~5%,四个占比需满足K1+K2+K3+K4=100%。
所述的占比为进给量变化各个阶段在环轧全过程中所占的比例。
1、进给量起轧阶段。
在所述进给量起轧阶段,环件实时外径D会由环坯外径D0增长至进给量起轧阶段结束时的环件外径D1,此时环件从静止状态过渡到转动状态,进给量H1由进给量初值H0以三次多项式函数的变化形式增大至进给量最大值Hmax。
所述进给量起轧阶段在环轧全过程的占比K1为:
则进给量起轧阶段结束时环件外径D1通过公式(2)确定:
D1=D0+K1×(Df-D0) (2)
式(1)、(2)中:D0表示环坯外径、D1表示进给量起轧阶段结束时的环件外径、Df表示最终成形环件外径。
2、进给量稳轧阶段。
在所述进给量稳轧阶段,环件实时外径D会由进给量起轧阶段结束时的环件外径D1增长至进给量稳轧阶段结束时的环件外径D2,进给量H2保持进给量最大值Hmax不变。
所述进给量稳轧阶段在环轧全过程的占比K2为:
则进给量稳轧阶段结束时的环件外径D2通过公式(4)确定:
D2=D1+K2×(Df-D0) (4)
公式(3)、(4)中:D2是进给量稳轧阶段结束时的环件外径。
3、进给量减小阶段。
在所述进给量减小阶段,环件实时外径D会由进给量稳轧阶段结束时的环件外径D2增长至进给量减小阶段结束时的环件外径D3,进给量H3由进给量最大值Hmax以三次多项式函数的变化形式减小至进给量最小值Hmin。
所述进给量减小阶段在环轧全过程的占比K3为:
则进给量减小阶段结束时的环件外径D3通过公式(6)确定:
D3=D2+K3×(Df-D0) (6)
公式(5)、(6)中:D3为进给量减小阶段结束时的环件外径。
4、进给量整圆阶段。
在所述进给量整圆阶段,环件实时外径D会由进给量减小阶段结束时的环件外径D3增长至最终成形环件外径Df,进给量H4保持进给量最小值Hmin不变。
所述进给量整圆阶段在环轧全过程的占比K4为:
进给量整圆阶段结束时达到目标环件尺寸,即最终成形环件外径尺寸Df。
步骤二,建立环轧全过程的进给量方程。
所述环轧全过程的进给量方程是指环轧过程从开始到结束,环件实时外径D从D0到Df的整个过程中,进给量H随环件实时外径D变化的函数关系。
根据步骤一中确定的环轧过程进给量变化阶段及不同阶段结束时的环件外径尺寸,建立环轧全过程的进给量方程:
H=H1+H2+H3+H4(D0≤D≤Df) (18)
其中:
H1=a1D3+b1D2+c1D+d1(D0≤D<D1)
H2=Hmax(D1≤D<D2)
H3=a2D3+b2D2+c2D+d2(D2≤D<D3)
H4=Hmin(D3≤D≤Df)
H1为进给量起轧阶段的进给量方程,该进给量起轧阶段的进给量方程为三次多项式函数,式中,a1、b1、c1、d1分别为三次多项式函数的四个系数,分别为:
式(11)中,s为取值非负的曲线初始斜率。
H2为进给量稳轧阶段的进给量方程,该阶段为保持进给量为Hmax不变的常函数。
H3为进给量减小阶段进给量方程,该进给量减小阶段的进给量方程为三次多项式函数,式中,a2、b2、c2、d2分别为三次多项式函数的四个系数,分别为:
H4为进给量整圆阶段进给量方程,该阶段为保持进给量为Hmin不变的常函数。
步骤三,确定进给量驱动下的芯辊进给速度v。
令H和Δt分别为环轧全过程进给量和该进给量所用的轧制时间,则芯辊进给速度v为:
假设环件与主辊接触面之间无滑动,则有:
πD=Δtω1R1 (21)
其中,D为环件实时外径,ω1为主辊转速,R1为主辊半径。
将式(22)代入式(20)中得到:
由式(23)得到芯辊进给速度v的计算公式为:
式(24)中,D表示环件实时外径、v表示芯辊进给速度、R1表示主辊半径、ω1表示主辊转速、H表示进给量并由式(18)确定。
至此,通过预先设计的进给量,反向求解确定了芯辊进给速度的变化曲线,完成了环轧过程中由进给量驱动的芯辊进给速度的确定。
本发明考虑实际的环轧过程,首先,确定环轧过程中进给量随环件实时外径的变化阶段及各阶段结束时的环件外径尺寸;其次,建立环轧全过程的进给量方程;最后,根据芯辊进给速度与进给量之间的数学关系,反向求解获得芯辊进给速度,实现环轧过程中由进给量驱动的芯辊进给速度的确定。
本发明从环轧过程的结果进给量出发,逆向设计环轧过程的条件芯辊进给速度,通过预设满足环轧咬入条件和辗透条件的进给量随环件实时外径变化的四个变化阶段,逆向确定芯辊进给速度随环件实时外径的变化曲线。这种方法不需要多次试错,可直接获得满足环轧咬入条件和辗透条件的随环件实时外径变化的芯辊进给速度,并满足实际环轧设备的控制要求,效率高且科学可靠,为实现环轧过程的优化设计与稳健控制提供了重要技术支撑。图1所示,为根据本发明方法确定的芯辊进给速度条件下,进行有限元模拟虚拟轧制试验,获得的环轧过程不同时刻的变形示意图。由图中可以看出,环轧过程实现了稳定成形,获得了圆度良好的环件,证明了本发明方法的适用性。
附图说明
图1采用本发明方法确定的芯辊进给速度条件下环轧过程有限元模拟虚拟轧制变形示意图。图1(a)~图1(f)表示环轧过程50s、100s、150s、200s、250s、290s不同时刻的变形结果。
图2环轧全过程的进给量变化曲线形式示意图。
图3环轧全过程的进给量变化曲线。
图4环轧全过程的芯辊进给速的变化曲线。
图5本发明的流程图。
具体实施方式
本实施例是一种环轧过程中由进给量驱动的芯辊进给速度的确定方法,具体步骤如下:
步骤一,确定环轧过程进给量变化阶段及不同阶段结束时的环件外径尺寸。
所述环轧过程进给量为环轧过程中环件的壁厚减小量;所述进给量随该环件实时外径变化。进给量是影响环轧过程金属流动的决定性因素,对环轧过程的稳定成形和成形质量起着重要影响作用。考虑环轧过程的稳定性、咬入条件和辗透条件、以及环轧设备的控制方式,将环轧过程中进给量的变化分为起轧阶段、稳轧阶段、减小阶段与整圆阶段;所述环轧过程起轧阶段、稳轧阶段、减小阶段与整圆阶段进给量随环件实时外径的变化曲线示意图如图2所示。
图2中,坐标系的横轴表示环件实时外径D,纵轴表示的是环轧过程中的进给量H。Hmax表示进给量曲线的最大值、H0表示进给量曲线的初值、Hmin表示进给量曲线的最小值、D0表示环坯外径、D1表示起轧阶段结束时的环件外径、D2表示稳轧阶段结束时的环件外径、D3表示减小阶段结束时的环件外径、Df表示最终成形环件的外径。
从图2所示的进给量曲线看出,进给量分为四个阶段,分别为起轧阶段、稳轧阶段、减小阶段与整圆阶段。各个阶段在环轧全过程中所占的比例为该阶段的占比。设环轧全过程为100%,给定起轧阶段在环轧全过程的占比K1为10%~30%、稳轧阶段在环轧全过程的占比K2为50~80%、减小阶段在环轧全过程的占比K3为5%~15%、整圆阶段在环轧全过程的占比K4为2~5%,四个占比需满足K1+K2+K3+K4=100%。
所述进给量曲线的具体变化过程是:
1、进给量起轧阶段。
在所述进给量起轧阶段,环件实时外径D会由环坯外径D0增长至进给量起轧阶段结束时的环件外径D1,此时环件从静止状态过渡到转动状态,进给量H1由进给量初值H0以三次多项式函数的变化形式增大至进给量最大值Hmax。
所述进给量起轧阶段在环轧全过程的占比K1为:
则进给量起轧阶段结束时环件外径D1通过公式(2)确定:
D1=D0+K1×(Df-D0) (2)
式(1)、(2)中:D0表示环坯外径、D1表示进给量起轧阶段结束时的环件外径、Df表示最终成形环件外径。
2、进给量稳轧阶段。
在所述进给量稳轧阶段,环件实时外径D会由进给量起轧阶段结束时的环件外径D1增长至进给量稳轧阶段结束时的环件外径D2,进给量H2保持进给量最大值Hmax不变。
所述进给量稳轧阶段在环轧全过程的占比K2为:
则进给量稳轧阶段结束时的环件外径D2通过公式(4)确定:
D2=D1+K2×(Df-D0) (4)
式(3)、(4)中:D2是进给量稳轧阶段结束时的环件外径。
3、进给量减小阶段。
在所述进给量减小阶段,环件实时外径D会由进给量稳轧阶段结束时的环件外径D2增长至进给量减小阶段结束时的环件外径D3,进给量H3由进给量最大值Hmax以三次多项式函数的变化形式减小至进给量最小值Hmin。
所述进给量减小阶段在环轧全过程的占比K3为:
则进给量减小阶段结束时的环件外径D3通过公式(6)确定:
D3=D2+K3×(Df-D0) (6)
式(5)、(6)中,D3为进给量减小阶段结束时的环件外径。
4、进给量整圆阶段。
在所述进给量整圆阶段,环件实时外径D会由进给量减小阶段结束时的环件外径D3增长至最终成形环件外径Df,进给量H4保持进给量最小值Hmin不变。
所述进给量整圆阶段在环轧全过程的占比K4为:
进给量整圆阶段结束时达到目标环件尺寸,即最终成形环件外径尺寸Df。
本实施例中,给定进给量起轧阶段在环轧全过程的占比K1=30%、进给量稳轧阶段在环轧全过程的占比K2=50%、进给量减小阶段在环轧全过程的占比K3=15%、进给量整圆阶段在环轧全过程的占比K4=5%,给定环坯外径D0=2212.9mm、最终成形环件外径Df=5040mm,分别将上述参数代入式(2)、(4)、(6),得到进给量起轧阶段结束时的环件外径D1=3061mm、进给量稳轧阶段结束时的环件外径D2=4474.6mm与进给量减小阶段结束时的环件外径D3=4898.6mm。
步骤二,建立环轧全过程的进给量方程。
所述环轧全过程的进给量方程,是指环轧过程从开始到结束,也即是环件实时外径D从D0到Df的整个过程中,进给量H随环件实时外径D的函数关系。
根据步骤一中确定的进给量变化阶段及各阶段结束时的环件外径尺寸,分别建立各不同阶段的进给量方程,最终建立环轧全过程的进给量方程。其中:
I、进给量起轧阶段进给量方程
所述起轧阶段的函数为三次多项式函数,即环件实时外径D由环坯外径D0增长至起轧阶段结束时的环件外径D1时,进给量H1与环件实时外径D之间为三次多项式函数关系。进给量方程由式(8)确定:
H1=a1D3+b1D2+c1D+d1 (D0≤D<D1) (8)
式(8)中,a1、b1、c1、d1分别为三次多项式的四个系数,由方程(11)决定。
由进给量起轧阶段曲线与式(8)确定进给量在起轧阶段的边界条件为:
式(9)中,s为取值非负的起轧初始曲线斜率。
结合式(8)与式(9)建立起轧阶段进给量方程系数的求解方程组为:
求解式(10)得到:
本实施例中,给定曲线初始斜率s=0、进给量的初值H0=6mm、进给量的最大值Hmax=9mm,并将上述参数与步骤一确定的D0=2212.9mm、D1=3061mm代入式(11),计算可得到进给量加速阶段的进给量方程系数分别为:a1=-7.87×10-8、b1=3.11×10-4、c1=-0.3997、d1=173.84。
II、进给量稳轧阶段进给量方程
所述进给量稳轧阶段的函数为常函数,即环件实时外径D由进给量起轧阶段结束时的环件外径D1增长至进给量稳轧阶段结束时的环件外径D2时,进给量H2与环件实时外径D之间为常函数关系,进给量保持最大值Hmax不变。进给量方程由式(12)确定:
H2=Hmax(D1≤D<D2) (12)
III、进给量减小阶段进给量方程
所述进给量减小阶段的函数为三次多项式函数,即当环件实时外径D由进给量稳轧阶段结束时的环件外径D2增长至进给量减小阶段结束时的环件外径D3时,进给量H3与环件实时外径D之间为三次多项式函数关系。进给量方程由式(13)确定:
H3=a2D3+b2D2+c2D+d2(D2≤D<D3) (13)
式(13)中,a2、b2、c2、d2为三次多项式的四个系数,由式(16)决定。
由进给量减小阶段曲线结合式(13)确定进给量在减小阶段方程的边界条件为:
由上述式(13)与式(14)建立进给量在减小阶段的方程系数求解方程组为:
求解式(15)可得到:
本实施例中,给定进给量最小值Hmin=5mm,并将其与Hmax=9mm、步骤一确定的D2=4474.6mm、D3=4898.6mm代入式(16),计算可得到进给量减速阶段的进给量方程系数分别为:a2=8.39×10-7、b2=-0.0059、c2=13.7966、d2=-10725。
IV、进给量整圆阶段进给量方程
所述进给量整圆阶段的进给量方程为常函数,即环件实时外径D由进给量减小阶段结束时的环件外径D3增长至最终成形环件外径Df时,进给量H4与环件实时外径D之间为常函数关系,进给量H保持最小值Hmin不变。进给量方程由式(17)确定:
H4=Hmin(D3≤D≤Df) (17)
综上,环轧全过程的进给量曲线方程为:
H=H1+H2+H3+H4(D0≤D≤Df) (18)
其中:
H1=a1D3+b1D2+c1D+d1(D0≤D<D1)
H2=Hmax(D1≤D<D2)
H3=a2D3+b2D2+c2D+d2(D2≤D<D3)
H4=Hmin(D3≤D≤Df)
本实施例中,将a1=-7.87×10-8、b1=3.11×10-4、c1=-0.3997、d1=173.84、a2=8.39×10-7、b2=-0.0059、c2=13.7966、d2=-10725、Hmin=5mm、Hmax=9mm、D0=2212.9mm、D1=3061mm、D2=4474.6mm、D3=4898.6mm和Df=5040mm分别代入式(18),得到环轧全过程的进给量方程为:
由式(19)中的进给量方程可绘制环轧全过程的进给量随环件实时外径D的变化曲线,如图3所示。
步骤三,确定进给量驱动下的芯辊进给速度。
令H和Δt分别为环轧进给量和该进给量所用的轧制时间,则芯辊进给速度v为:
假设环件与主辊接触面之间无滑动,则有:
πD=Δtω1R1 (21)
式(21)、(22)中,D为环件实时外径,ω1为主辊转速,R1为主辊半径。
将式(22)代入式(20)中得到:
由式(23)得到芯辊进给速度v的计算公式为:
式(24)中,D表示环件实时外径,v表示芯辊进给速度,R1表示主辊半径,ω1表示主辊转速,H表示进给量并由式(18)确定。
本实施例中,给定R1=800mm和ω1=1.2rad/s,结合式(19),由式(24)可绘制得到环轧全过程的芯辊进给速度随环件实时外径D的变化曲线,如图4所示。
至此,通过预先设定的进给量曲线,反向求解确定了芯辊进给速度随环件实时外径的变化曲线。该曲线能够满足环轧设备控制要求,为实际环轧过程工艺曲线的确定提供了一种新的方法。
Claims (8)
1.一种确定环轧过程中由进给量驱动的芯辊进给速度的方法,其特征在于,具体步骤是:
步骤一,确定环轧过程进给量变化阶段及不同阶段结束时的环件外径尺寸;
所述进给量为环件轧制过程中环件的壁厚减小量;所述进给量随该环件外径实时的变化;
确定的进给量变化分为四个阶段,分别为起轧阶段、稳轧阶段、减小阶段与整圆阶段;
设环轧全过程为100%,给定进给量起轧阶段在环轧全过程的占比K1为10%~30%、进给量稳轧阶段在环轧全过程的占比K2为50%~80%、进给量减小阶段在环轧全过程的占比K3为5%~15%、进给量整圆阶段在环轧全过程的占比K4为2%~5%,四个占比需满足K1+K2+K3+K4=100%;
步骤二,建立环轧全过程的进给量方程;
所述环轧全过程的进给量方程是指环轧过程从开始到结束,环件实时外径D从D0到Df的整个过程中,进给量H随环件实时外径D变化的函数关系;
根据步骤一中确定的环轧过程进给量变化阶段及不同阶段结束时的环件外径尺寸,建立环轧全过程进给量方程:
H=H1+H2+H3+H4 (18)
式(18)中:H为环件辗轧进给量;H1为进给量起轧阶段的进给量方程;H2为进给量稳轧阶段的进给量方程;H3为进给量减小阶段进给量方程;H4为进给量整圆阶段进给量方程;
步骤三,确定进给量驱动下的芯辊进给速度v:
芯辊进给速度v的计算公式为:
式(24)中:D表示环件实时外径;v表示芯辊进给速度;R1表示主辊半径;ω1表示主辊转速;H表示环件辗轧进给量确定;
至此,通过预先设计的进给量反向求解确定了芯辊进给速度的变化曲线,完成了环轧过程中芯辊进给速度的确定。
7.如权利要求6所述确定环轧过程中由进给量驱动的芯辊进给速度的方法,其特征在于:
所述进给量起轧阶段的进给量方程H1=a1D3+b1D2+c1D+d1,(D0≤D<D1);
所述进给量稳轧阶段的进给量方程H2=Hmax,(D1≤D<D2);
所述进给量减小阶段进给量方程H3=a2D3+b2D2+c2D+d2,(D2≤D<D3);
所述进给量整圆阶段进给量方程H4=Hmin,(D3≤D≤Df)。
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