環(huán)件虛擬軋制技術及過程優(yōu)化研究.pdf

1、環(huán)件軋制技術是借助于軋環(huán)機使環(huán)件產(chǎn)生壁厚減下、直徑擴大、截面輪廓成形的局部塑性加工工藝，具有節(jié)能、節(jié)材、生產(chǎn)率高、生產(chǎn)成本低、產(chǎn)品范圍廣等顯著特點，在機械、冶金、化工、能源、航空航天等許多工業(yè)領域中得到日益廣泛的應用，成為軸承環(huán)、齒輪環(huán)、法蘭環(huán)、火車車輪、燃氣輪機環(huán)等各種無縫環(huán)件零件的先進制造技術和主要加工方法。
　　 近20年以來，隨著有限元理論逐步完善和相關有限元軟件廣泛推廣，基于通用有限元軟件采用計算機模擬環(huán)件軋制過程代替

2、傳統(tǒng)依靠工程師經(jīng)驗的試錯法成為研究的熱點。然而環(huán)件軋制不僅具有普通的平板軋制、異步軋制、多道次軋制的性質，而且涉及到芯輥和錐輥直線進給運動、主輥旋轉軋制運動、抱輥導向運動以及環(huán)件自身的轉動和直徑擴大運動，因此在同一數(shù)值模擬仿真模型中既要模擬環(huán)件復雜的金屬流動，又要實現(xiàn)各軋輥運動軌跡的實時變化，一直成為環(huán)件軋制數(shù)值模擬研究的難點。
　　 為了跟蹤這些研究熱點，解決這些難點問題，本文在前人研究工作的基礎上開展了以下幾個方面的研究工作

3、。
　　 (1)首先基于通用動力顯式有限元軟件LSDYNA建立了環(huán)件軋制數(shù)值模擬仿真模型，采用質量縮放等技術有效降低計算時間，克服了環(huán)件軋制數(shù)值模擬過程對計算機性能和長時間計算的要求；然后采用大型結構分析有限元軟件ANSYS的APDL參數(shù)化語言，建立了環(huán)件軋制過程中復雜數(shù)控系統(tǒng)仿真模型，實現(xiàn)了環(huán)件軋制運動參數(shù)實時調用修正，克服了在環(huán)件軋制金屬流動模擬過程中不能求解含未知變量的問題；最后對這兩個模型集成建立了環(huán)件虛擬軋制自動修正有

4、限元仿真模型(簡稱AMFE)，從而實現(xiàn)環(huán)件金屬流動和軋環(huán)機數(shù)控系統(tǒng)耦合實時仿真。
　　 (2)基于AMFE虛擬軋制仿真模型對某矩形截面環(huán)件的一個生產(chǎn)周期軋制過程進行了數(shù)值模擬研究，計算結果和德國SMS Wagner-Banning 公司的ROLLTECH實驗經(jīng)驗數(shù)據(jù)、美國P.V.Ranatunga博士的UBET計算數(shù)據(jù)進行了對比分析，結果顯示AMFE模型仿真數(shù)據(jù)與上述數(shù)據(jù)基本吻合，從而驗證AMFE仿真模型的可靠性，同時AMFE模

5、型仿真結果還顯示了環(huán)件軋制過程任意時刻的應力、應變和位移云圖，以及環(huán)件軋制實時擴展和缺陷生成的動態(tài)過程，而這些數(shù)據(jù)是環(huán)件軋制工程師急需想要而其它研究方法很難得到的，驗證AMFE仿真模型具有精度好、功能強、效率高等特點。該環(huán)件實時動態(tài)虛擬軋制方法的成功實現(xiàn)，突破了傳統(tǒng)環(huán)件軋制過程二維、三維局部或者三維瞬態(tài)的研究。
　　 (3)基于AMFE環(huán)件虛擬軋制仿真模型，進一步對環(huán)件虛擬軋制過程優(yōu)化進行探討，針對于不同情況，提出兩種優(yōu)化方案，

6、一是采用MATLAB神經(jīng)網(wǎng)絡工具箱對環(huán)件軋制規(guī)程、初始毛坯進行優(yōu)化分析，二是以縮短軋制時間為優(yōu)化目標，建立環(huán)件虛擬軋制過程優(yōu)化仿真模型，對優(yōu)化變量、優(yōu)化策略、優(yōu)化過程進行了詳細分析。并以某矩形截面環(huán)件虛擬軋制仿真模型為研究對象，采用兩種方案分別對環(huán)件軋制過程進行優(yōu)化，對優(yōu)化變量(材料模型、質量縮放、網(wǎng)格細化、芯輥進給、錐輥進給、磨擦系數(shù)等)進行了優(yōu)化對比分析，最后對環(huán)件虛擬軋制過程整體優(yōu)化分析，得出了合適的軋制規(guī)程、軋制毛坯及其他軋制工

7、藝參數(shù)。這些問題的研究超越了前人僅僅停留在如何建立環(huán)件軋制三維仿真模型問題上的研究，從而拓寬了環(huán)件軋制數(shù)值模擬技術研究領域。
　　 (4)為了把AMFE環(huán)件虛擬軋制仿真模型延展到異形截面環(huán)件軋制過程的研究，論文對異形截面環(huán)件虛擬軋制過程特點進行了分析，對一些關鍵技術提出了解決方案，分別建立了Φ500型徑向軋環(huán)機、RAW200/160-5型徑軸向軋環(huán)機的AMFE虛擬軋制仿真模型，在國內外首次對汽車后橋從動傘齒輪鍛件、飛機發(fā)動機渦輪