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1、论计算机技术在环件轧制中的应用摘要：介绍了计算机模拟与优化、轧制过程中计算机控制及轧件质量监控等技术在环件轧制中的应用现状。关键词：计算机应用；模拟与优化；环件轧制；过程控制；综述前言工业技术的发展对环形件产品的要求越来越高，而计算机技术的快速进步，为塑性加工工艺的扩展提供了便利条件。辗环生产工艺复杂，应用计算机技术有助于了解环件在轧制过程中的变化规律，制定合理的工艺方案，从而提高环件的精度，缩短生产周期，推动环件轧制向更高水平迈进。环件轧制过程的模拟与优化用于金属塑性成形分析的刚塑性有限元是和Kobayashi于1973年提出来的。这种方法基于小应变的位移关系，以变分原理作为理论基础，认为在
2、所有动可容速度场中， 使泛函取驻值的速度场就是真实的速度场， 根据速度场可以计算出各点的应变和应力。利用计算机技术，可以在设备制造之前或者在塑性加工件生产之前模拟塑性变形过程和力能参数，从而优化设备设计方案或生产32艺参数，以代替试生产。计算机模拟与优化技术，在环件轧制中起着越来越重要的作用。在对环件轧制过程的模拟中，基于一定数学模型的有限元模拟是目前最有效的研究方法。该方法是将所分析的系统离散成有限个单元(图，单元之间由节点相互连接，在每个单元内用节点位移来确定一组近似函数。用变分法建立有限元方程时，是根据泛函表达式，对该泛函取驻值并满足边界条件即可得到一组联立方程组， 求解联立方程组即得到
3、问题的解。YYang等人对环件轧制的平面变形作了分析， 获得了变形金属的速度场和沿着接触表面的外力，计算出了应变速率分布、驱动辊的转矩和垂直压力分布， 并将计算结果与实验数据作了比较，它们很相近。等人用三维刚塑性有限元方法对环件轧制进行了模拟， 并编制了的计算机程序，其主要作是在对环件轧制有限元模型网格划分中引入了两种网格划分系统，从而减少了计算量，并对柱型环件和型截面的环件进行了模拟。MHua，IPillingger等人进行了环件轧制的三维有限元模型的研究， 他们在分析过程中用到了弹塑性有限元方法， 并开发了一个特殊的混合有限元网格模型，利用提出的模型，通过对钢材进行模拟，较好地对变形、应变
4、和施加的力等参数进行了分析，并对环轧过程中的鱼尾现象进行了较好的预测。近年来。我国学者在应用计算机对环件轧制过程模拟方面，也作了大量研究工作。华中理工大学的解春雷等人经过有限元前置处理，对轧制过程进行了动力有限元模拟，得出了环件截面等效应变速率分布图、轧制力变化曲线(图2)。并在根据某理想轧制规程，寻求最大环件直径增长率的轧制规程下，得到环件轧制参数变化规律曲线(图3)。这些结果有助于轧制T艺和轧制规程的研究， 以及防止缺陷的产生 。许思广用三维刚塑性有限元法分析了横断面为对称的辗环变形过程， 并且分析了辗环过程的热耦台问题， 还采用维刚塑性有限元方法分析了在几种不同斜辊面孔型中轧制异形截面环
5、件时的金属变形特性，得出了力能参数、宽展变形随孔型的变化规律，并得出在某些条件下环件金属发生内流动， 单位压力沿横向呈双峰分布。郭正华等采用刚粘塑性动力显式有限元方法模拟了环件热轧时的金属流动规律，揭示出环坯形状、尺寸、温度和轧制加载速度对工艺性指标和效率性指标的影响。随着压力辊进给速度的增大，应变速率增大，材料的流动应力增大，轧制力增大。材料变形温度的降低导致流动应力增大，轧制力增大，随着温度升高，轧制力减小，但由于材料的流动粘性同时增大， 所以轧制力的降低幅度有所减小。此外， 还有根据数学模型对环件轧制过程进行在线计算机模拟的方法。这种方法简单实用，不仅能分析复杂的轧制工艺的各种参数变化规
6、律， 而且还能准确地反推毛坯尺寸。轧制过程组织和性能预测环件轧制生产过程复杂，采用现场实验的方法研究温度、应变及应变速度等参数对组织的影响是不现实的。在实验室进行研究，得到的只能是简单条件下的微观结构与宏观热力参数间的定量关系，而微观结构决定着产品的力学性能。计算机数值模拟方法建立起两者之间的桥梁， 为解决产品性能控制问题提供了有力手段， 并可用于环件轧制的再结晶过程和晶粒尺寸变化的规律的研究。模拟计算表明，由于压下量较小，前两道次轧制时不发生再结晶，第三道次结束时，只有环件内外径的部分金属发生再结晶。随着轧制的进行，环件内的应变积累使再结晶比例逐步增大。因为边部变形剧烈，应变较大，易于再结晶
7、，环件内外侧的晶粒尺寸比截面中部小得多，此时，边部的残余应变几乎降至零，而中部仍保留了较大的残余应变。随着轧制时间的增加，晶粒不断细化。在冷却过程中晶粒先是减小，然后增加，最后晶粒增长速度缓慢，几乎保持不变。在前几道次的轧制中，由于再结晶比例较小，平均残余应变逐渐增加，导致屈服应力上升， 轧制力和力矩变大。当轧制进行到一定程度后，再结晶比例增大，使残余应变及加工硬化作用逐步减小，轧制力和力矩逐步降低。环件轧制过程的计算机控制轧环机对电气控制系统的自动化程度、可靠性、运行速度、控制精度等要求越来越高，而要实现这些的唯一途径是采用计算机控制技术。世界上轧制设备微机控制的研究始于上世纪80年代初期，
8、 目前，国外已形成系列产品， 其辗扩过程可由计算机控制完成，并能通过压力信号的在线检测实现径向和轴向辗压运动的伺服进给。德国Thyssen机器制造公司开发的CNC 环件轧机具有OCS (Operator Communication System)和系统。该轧环机使整个环件生产过程实现了计算机自动控制，能灵活地生产各种规格的产品， 大幅度地提高了生产率和产品质量、降低了成本。德国W agner公司发展的型轧环机配有行程测量系统，电液伺服调节回路可以控制轧环机滑块的行程位置， 使主辊相对于固定的芯辊作进给运动， 进给控制装置可以调节环件的瞬时厚度，使环件外径以稳定的速度增大，且随着壁厚的减薄，进给
9、速度逐渐减小，提高了产品质量。在国内， 武汉理工大学的黄尚字等以齿坯辗扩工艺的研究成果为基础，结合齿轮毛坯辗扩机的工作原理，提出了恒速进给、精辗位置在线预测的控制方法；设计了性价比高的辗扩机微机控制系统，采用软容错方法提高了设备的可靠性和可维护性；结合所用尺寸测量装置特点， 直接利用可编程控制器实现了工件尺寸信号的在线检测、处理、显示几种控制功能， 内法兰环件辗扩过程中的尺寸变化规律进行了研究， 建立了内法兰环件精辗位置在线预测的计算公式 。朱春东等结合径向辗扩机的工作原理，研究了利,可编程控制器实现环件辗扩过程控制， 在建立辗扩过程数学模型的基础上实现了环件尺寸的数字控制。华林研究了环形锻件
10、在辗扩过程中计算机在包装工业管理中的应用的尺寸变化规律， 提出了工件体积误差的在线测量方法， 并利用环形锻件体积误差在线测量和分配原理的环件锻件辗扩计算机控制系统，开发了数控辗扩机， 在实际生产中所辗扩的汽车后桥从动锥齿轮环形锻件尺寸精度达到了5001mm71。原机械部济南铸锻机械研究所的袁灵等自主研制开发了一种适用于多种大型铸锻设备及生产线的计算机控制系统，也在该所研制开发的各类大型锻压装备(包括大型辗环机)上得到了应用。在轧制过程中，为了对各轧辊的位置、速度及压力进行连续控制，设备采用了自适应控制方法，以适应不同材料环件的轧制。为了能很好地控制轧制过程， 系统实时检测环件各相关尺寸及轧制过
11、程工艺参数，并将其作为系统的反馈信号进行适应性运算，轧制各个阶段的轧制力及轧制速度均设有人工干预功能，使轧制过程更趋完善。以洛阳国投精密机械有限公司生产的型数控精密冷辗环机一种实现BSS帐务系统数据检测的技术方案 为例，其电控系统(图4)由欧姆龙PLC、人机界面、执行元件、操纵器件、信号整形电路几部分组成。主控器件选用日本欧姆龙公司最新推出的CJIM 型可编程控制器， 执行器件选用高等器件。以两把光栅尺提供位置控制和终端尺寸反馈测量，形成完善的闭环控制系统，光栅信号经过系统整形，分辨率达到5 m，可实现精确定位。系统能自动寻找光栅的绝对零点位置，并进行校正，消除光栅信号丢失引起的测量误差， 从
12、而保证系统测量的高重复精度。界面采用中文人机对话方式， 使用方便，控制系统的全部工艺参数均通过人机界面输入。在辗扩过程中，控制系统将对产品外径进行实时测量，同时根据预设参数控制主滑块的进给速度，主滑块进给速度分为高、中、低三段六级，对应的速度转换点分别是1工进6工进。当测量系统测得工件尺寸等于设定尺寸时，计算机发信号使主滑块退回。数控技术的使用使机床运行稳定，产品精度高，可以说是冷辗史上一次质的飞跃。此外，在环件轧制过程中，计算机的控制还有计算机辅助工艺过程设计(CAPP)和计算机辅助环轧系统(CARRS)等。CAPP包括212艺计算、控制优化、毛坯优化及图形仿真模块，系统利用工艺人员的经验知识和各种212艺数据进行科学的决策， 自动生成艺规程，还能自动计算工艺尺寸、选择工艺参数和对工艺设计结果进行优化等，从而设计出一致性良好的、高质量的212艺规程；CARRS为在微机上用语言开发，每一个功能模块既可在集成环境中运行，又可单独执行。系统充分考虑了环件轧制的具体工艺特性与各种非线性约束， 使工艺设计周期大大缩短，轧制运行的自动化程度进一步提高。
