棒材三辊连续减定径机组力能参数计算及工艺参数设计的研究

第 1 章 绪 论1.1 引言钢材是国民经济发展中最重要的、消耗量最大的金属材料，涉及到制造业、农业、交通、建筑、国防等各个领域[1]。其中棒线材的年产量也已经超过世界棒线材年总产量的三分之一[2]，因此不管是在国内还是在国际上棒线材都处于十分重要的地位。随着市场竞争的日益激烈，对棒线材轧机的要求越来越高。现在棒线材轧机的市场趋势是，除了能够满足技术和质量相关的目标之外，还要求其能够对不断变化的市场需求做出迅速反应。这主要体现在开发周期、生产效率和节能环保等方面[3]。棒线材对产品质量的要求体现在尺寸精度、表面质量、内部组织结构性能等方面。目前，虽然我国棒线材轧机数量、年生产能力和棒线材占总钢材生产量的百分比都居于世界第一，但是投产的属于世界先进水平的生产线很少，大部分棒线材生产线还是属于一般甚至落后的设备生产线。这些生产线生产效率低，产品精度差、生产能耗高，而且对于一些特殊的棒线材，生产过程对国外技术十分依赖。国外技术的保密性和我国设备的落后性极大的阻碍了棒线材生产向前前进的步伐。因此要开发国内的高端棒线材市场，先研究国外先进的棒线材生产技术，再自主研发设计是促进行业发展的一条捷径。棒线材生产线是否先进的重要标志是，是否安装能实现精密轧制的减定径机组。今天在棒线材减定径机组方面处于领先地位的是 OCS 公司的三辊减定径机组。但其三辊减定径技术（RSB）是专利技术，整个设备到工艺都是保密的，这使我们的学习十分困难。但是国内也有一些钢厂引进了其生产线，可以为我们的研究提供一些有价值的参考资料。.......1.2 三辊棒线材减定径机组概述我国的棒线材生产长时间以来都是采用传统的二辊轧机。二辊轧机结构简易、操作容易、投资少，至今仍被我国很多棒线材生产厂家采用。所以用二辊轧机进行棒线材轧制已经具有丰富的经验，不管是在设备生产设计、孔型设计还是轧制规程设计上都具有十分成熟稳重的模型。但是，因为二辊棒线材轧机的固有结构特点，导致由两个轧辊所组成的孔型系统在轧制过程中抑制轧件宽展的能力受到限制，变形效率很难进一步提高。同时，产品的表面质量，公差尺寸，组织结构和均匀性等要满足客户日益提高的要求也有一定的困难[4]。在这种背景环境下世界上很多公司开始研制三辊棒线材轧机。其中德国 OCS 公司的三辊技术在棒材和线材减定径机组方面处于领先地位。OCS 三辊轧机最早出现在本世纪上世纪 50 年代，用于无缝钢管和焊管生产的张力减径机。1954 年三辊技术开始应用于棒线材轧机，1962 开始迅猛发展，1986年开始提供减定径机组，期间不断进行技术改进，目前三辊减定径技术已经在世界上许多棒线材企业中得到应用。.......第 2 章 轧辊孔型系列设计与工艺参数计算2.1 引言棒线材属于简易断面的型钢，在型钢生产过程中，孔型设计的合理性是保证产品断面的关键因素。孔型设计是指将断面形状简易的钢坯通过带槽轧辊经过若干道次的轧制，以获得所需的不同断面形状、尺寸和性能的产品为目标的设计和计算的工作[18-20]。本文孔型设计并不是仅仅针对一种规格所做的设计而是针对减定径机组的所有规格，所以本文的孔型设计应该为孔型系列设计。.........2.2 三辊减定径机组的孔型分类三辊减定径机组的孔型按作用不同可分为延伸孔型和精轧孔型。延伸孔型的作用是减小轧件断面，使其接近最终成品的断面大小，并使轧件断面成为精轧前所要求的形状和尺寸。精轧孔型的作用是使轧件最终形成所要求的成品断面形状和尺寸，即坯料变成成品[21]。早期三辊减定径机组的孔型有平三角形、弧三角形、圆形孔型。三种孔型示意图如图 2-1 所示。减定径机组的前几个道次需要快速减径，因此选用减面率较大的平三角形或者弧三角形孔型，最后两个道次需要精确定径因此减面率很小，选用圆形孔型。采用平三角形圆形;或者弧三角形圆形;组成的孔型系统。平三角形孔型的轧辊属于平辊，轧件与轧辊接触点速度相同，轧辊的加工也简易。道次延伸率比弧三角孔型大。但是宽展余量没有弧三角孔型大，对于宽展性能不同的轧件材料无法使用同一套孔型。因此设计一种几何形状统一，既能实现延伸减径又能实现精密定径的孔型就成了研究新孔型的关键。经过对三辊孔型的不断研究，结合弧三角孔型、平三角孔型和圆形孔型的特点，设计出一种新的孔型。最新的三辊减定径机组采用的是孔型切线孔型[22]。其几何结构示意图如图 2-2 所示。..........第 3 章 三辊减定径机组模拟系统设计及可视化........ 263.1 引言..........263.2 程序设计的实现............. 263.3 三辊减定径机组模拟系统的主要内容.......... 273.3.1 棒材三辊减定径模拟系统源程序的实现.......... 283.3.2 三辊减定径机组模拟系统可视化的实现.......... 293.4 本章小结...........35第 4 章 三辊棒线材轧制过程的有限元仿真...........364.1 引言..........364.2 轧制过程有限元模型建立.............. 364.3 有限元仿真的解算........ 444.4 有限元仿真结果的提取............ 444.5 本章小结.............. 48第 5 章 计算结果与现场数据的对比分析.........505.1 引言..........505.2 轧制机组分类........... 505.3 370++机组的孔型系列对比.......... 525.4 轧制Ф16MM 圆钢数据对比.......... 595.5 模拟仿真结果分析........ 615.6 本章小结.............. 70第 5 章 计算结果与现场数据的对比分析5.1 引言在棒线材轧制方面，相对于二辊轧机，三辊轧机的研究就少很多。孔型系统设计方面来说二辊轧机有很成熟稳重的孔型系统设计方法，而三辊轧机的孔型系统设计只有不断摸索改进使设计方法日趋成熟稳重。对于工艺参数的研究来说二辊轧机的轧制速度，工作直径，宽展计算等模型都是很成熟稳重的经过长期的生产经验和实验经验总结得出的，而三辊轧机的孔型参数设计、工艺参数和力能参数的计算模型都缺乏资料。程序的计算结果主要有两个部分孔型系列设计和产品设计，产品设计计算需要用到孔型系列设计部分计算的孔型参数，因为产品设计的前提是孔型系列设计，所以孔型系列设计是否合理直接决定着产品的质量。经过多次的程序调试和大量的有限元仿真，最终完成了软件的设计工作，虽然软件的计算结果是在大量的有限元模拟计算的基础上修正得来的，但是有限元模拟轧制过程中的轧辊参数，轧件参数，边界条件的参数设置，比如轧辊按照刚性体设置，实际轧件长度比模拟长度长很多，边界条件设置中的摩擦系数，换热系数等都是根据经验来选取的，而实际生产中难以达到模拟轧制条件。通过模拟得到的孔型系列结果和参数修正系数是建立在理想的轧制条件下，具有其合理性，但是现轧制条件不可能是理想的模拟轧制条件。由以上表述可以看出，将孔型系列的计算结果与实际工厂的计算结果进行对比，再将几个产品的工艺参数与软件计算结果和轧制模拟结果三者进行对比，是十分有必要的。

.........结 论本文在研究了三辊减定径技术的基础上，以计算机可视化编程为工具，根据棒线材三辊减定径孔型系列设计理论和金属塑性变形理论完成了棒线材三辊连续减定径机模拟系统的开发，并用刚塑性有限元软件 Deform-3D 对软件的结算结果进行有限元仿真，从而验证模拟系统的合理性。本文的主要研究内容如下：（1）研究三辊减定径机组的切线孔型与轧件的几何关系，并以此为着手点，计算出轧件与孔型重叠部分的交点、接触弧长、重叠面积等参数。重点研究了内切圆与重叠面积的函数关系，用 C++为工具编写出内切圆计算的应用程序。（2）应用 VB 编写了孔型系列设计和产品计算的部分代码，使用 VB 和 C++混合编程的方法将 C++编写的执行程序写入 VB 工程里，最终设计出一套三辊减定径机组模拟系统。（3）为了验证模拟系统计算结果的正确性，以模拟系统计算的孔型参数和运动参数为初始条件，应用有限元模拟软件 Deform-3D 其进行有限元仿真，通过对比断面面积、接触宽度、轧制力、轧制力矩、出口速度、宽展等参数验证模拟系统的准确性。（4）将软件的程序计算结果与现场结果进行对比，无论是孔型系列设计还是任意规格的轧制参数计算，计算结果都和现场结果有较高的契合度，证明软件有很高的准确性。.........参考文献(略)