在立式热轧环的几何变化和过程的控制技术中的数值模拟和实验习
摘要：在环件轧制中精确的几何和有效地控制是环件产品精确形成的先决条件。在这篇文章中,对交互模式和规则之间环和立式热环轧滚(VHRR)过程进行了分析。并且研究了环件的几何规则。基于有限元分析/显式软件及其子例程VUAMP，有限元(FE)模型VHRR过程的测量和控制建立了。然后,模拟槽区域概要环的环轧制过程。在仿真过程中,环外直径，圆度误差和轧制过程的稳定性及时的被检测，驱动辊和测量辊的计划的闭环控制也被使用。获得的结果显示如下:(1)由进给运动区分的四个阶段,即咬合阶段,主要轧制阶段,精确的形成阶段,调整阶段。(2)VHRR的咬合和主要轧制阶段过程中,环中心波动螺旋线,和滚动过程是不稳定的,环的圆度变得更差，当进程是进入精确成形阶段,导辊,轧制过程变得稳定环的圆度变得更好。(3)测量辊在主要轧制阶段接触环,后来,它在精确形成阶段由于环的增长被推回。当测量辊满足所需的位移值,停止进给命令将反馈,环轧制过程进入调整阶段。在调整阶段,环外直径仍会增加一点。(4)一系列VHRR实验进行,有限元结果与实验结果吻合较好。环的外径和圆度的绝对误差不超过1mm。这篇论文的研究结果对指导VHRR生产有实际意义。
关键词：立式热环轧 控制方法 环轧制实验 有限元方法
1.引言
立式热轧环机是一种常见的制造外径在40mm到1000mm之间的环的机器。这个机器由于它的结构简单，重量轻，投资小，生产率高等优点，被世界各地广泛用于环件的生产。图1显示了它的工作原理。主动辊绕自己的轴朝中心辊移动。芯辊在摩擦作用下被动地绕着它固定轴旋转。导向辊,用于保持环轧制过程稳定,也是固定的合适的地方。环通过驱动器之间的差距轧辊和芯辊和金属的塑料变形发生的挤压下,滚导致环塑造形象和扩大直径。VHRR过程总是很短的时间内,几秒钟,环扩张非常快,所以VHRR过程有非线性,时间的变化，强耦合的特点。在生产中、VHRR过程总是适用于一个固定在一个合适的的位置的导向辊。在早些时候和介质轧制期,环件将稍微摆动由于没有导向辊,所以环件的尺寸是很难衡量的。当进入最后期间,环与导辊的外表面接触,轧制过程变得流畅。然而,在导辊的压力下，一个偏移量将存在环的中心,环件的尺寸还不能直接测量。因此,VHRR过程不能实现自动控制。由于这些原因,VHRR过程仍然取决于人类的视觉评估和工作经验不能保证环产品的尺寸稳定性和质量一致性。
到目前为止,太多的研究报道集中在大尺寸环件的轴-径轧制过程，例如理论分析，宏观变形规则和设备研究。这些研究促进了大尺寸的环件轧制技术的发展和应用。然而,VHRR设备和过程控制方法的文献相对稀缺。汪和华取环的外径坐位测量目标,建立了一个基于三个点确定一个圆的原理的简单的VHRR测量模型。然而,当环空的尺寸改变,导辊的位置需要监管,使点的坐标变化,测量模型不得不相应的重建。后来,他们提出根据实验方法建立VHRR测量模型,建立环的外径与通过VHRR实验测量辊的位移之间的关系。基于上面所提到的研究,在这篇文章中,VHRR过程中有限元(FE)模型的通过与控制策略的结合被建立了,然后环的几何变化特性在不同轧制时间进行了分析。最后,进行了一系列VHRR实验,所有组成环尺寸精度较高。VHRR进程的控制技术和有限元模型由实验认证。研究结果可以提供一个虚拟仿真的实际方法和一个VHRR过程的实际生产。
2.VHRR的过程分析
基于华和赵提出的稳定形成条件，进给速率的范围可以如下描述：
v是主动辊的进给速率,vmax是最大的进给率,vmin最低进给速率,beta;是摩擦角,一般tanbeta;等于摩擦系数mu;,D1,D2驱动辊和中心辊的外径,分别。n是主动辊的转速。D0和D0是环空相对外内直径。
由于扩大环的速度在早些时候滚动周期比较慢,然后在稍后的VHRR过程滚动周期中快一些,进给量的分配和驱动辊的进给速率由进给运动的方式分为四个阶段:啮合阶段,主要的滚动阶段,精确的形成阶段,调整阶段。在啮合阶段,环件通过主动辊的进给快速啮合，壁厚差异被消除,形成了沟剖面。为此,环件不接触导辊,它从一边波动到另一边。在主动轧制阶段，环件
图一：VHRR轮廓环槽部分的工作原理
图二：轧制不同阶段进给量的分配图
外表面逐渐接近导向辊，振荡现象消失，轧制过程趋于稳定。第三阶段是精确成形阶段，环的外径尺寸接近所需的值，驱动辊由一个较低的进给速率前进，由由在上述阶段的进给速率引起的累积壁厚差异被消除了，环件的圆度得到改善。当进入调整阶段，驱动辊停止进给，保持在原位一段时间，所以环件的尺寸和形状可以带到所需的值。图二显示了不同轧制阶段进给量的分配数值，h1,h2,h3表示阶段1、2和3的进给数值。相对的ht代表总进给量。环件空隙使得VHRR的过程总是适用于自由锻造，所以环件有不同的重量和形状。当环件外径的数值被作为测量和控制的对象。不同重量的环空的实际进给量和轧制时间有差异，如图二所示，当提要轧制参数确定阶段1和2,数量和实际的提要滚动的第三阶段将不同的戒指不同重量的毛坯,毛坯的大重量,所需的饲料量的第三阶段将更少,和相应的轧制时间会短;相反,所需的饲料量的第三阶段将会更多,滚动的时间将会更长。
图三：毛坯和产品的尺寸，a，毛坯尺寸，b，环件尺寸
图四：轧制前辊和环件的位置
因此，最小进给总量由环件毛坯的最大重量决定。为了确定更重的毛坯的轧制过程 可以经历上述的四个阶段，必须有：
最大的进给总量(htmax)可以由环件毛坯壁厚和驱动辊的极限位置（驱动辊与中心辊接触）决定，如图二所示，L1代表当驱动辊与环件毛坯外表面接触时的位移值，所以所需的最大进给总量和其与h1,h2,h3的关系可以表示为：
凹槽部分的环件剖面，是一个典型的热轧环产品，是一个重要的轴承产品组成部分，在本文中，一种凹槽部分的环件剖面作为研究对象被选取，图三展示了毛坯和环件产品的尺寸。这要求在VHRR过程之后环件的外径和圆度的尺寸误差不大于1mm。
在轧制过程中，中心辊的位置是不变的，所以可以建立原点定为中心辊的坐标系如图四所示。环件的尺寸和位置如表1所示。
结合方程1,2和3，考虑带设备的能力和工厂生产效率，VHRR个阶段进给量和进给速率如表2所示。
表1：环件的位置和尺寸
表2：VHRR各阶段的进给参数
3.有限元模型VHRR过程及其控制方法
基于轧辊位置和技术参数的分析，在有限元分析环境下，3 d耦合VHRR形变场有限元模型如图5所示。环件毛坯的材料是轴承钢GCr15.它的密度和泊松比分别为7.8times;103公斤/立方米，0.3,其对不同的温度曲线真实应力-应变细节由阴和华描述。仿真条件在表3中做了总结。
图5, VHRR的有限元模型
表3：模拟情况
3.1有限元建模的关键技术
(1)环的外径,中心坐标和圆度误差的测量方法
在VHRR过程中,圆度和几何尺寸是环件的尺寸精度的两个重要指标。最小二乘圆方法是一种常见的方法来评价圆度。参考已经研究了计算环件外径，中心坐标,圆度误差的最小二乘圆的法则和算法。在有限元模型中,一组均匀间隔的选择节点环的外轮廓在同一圆周上,和几个传感器相应成立于有限元分析获得节点的坐标仿真。有限元分析/VUAMP明确的子例程在每个时间节点被利用和呼叫。因此,环的外径,中心坐标,和圆度误差在仿真中可以被模拟出来。
(2)测量辊的建模
我们之前的工作已经提出了环件的瞬时外径与测量辊的瞬时位移几乎是线性的，这种关系也由相关实验验证。也就是与用同样毛坯轧制成的环件产品。
图6：VHRR过程的控制法则图表
图7：VHRR过程控制方法的程序流程图 图8：在不同的轧制时间滚动状态。一个初始轧
制t = 0.68 s b同期滚动周期t = 1.48 s
图9：测量辊位移随时间的变化 图10：运动轨迹环的中心
它们的外径测量模型可以近似由的线性拟合方程Eq.4所表达
其中Dt是瞬时外环的直径,Sm是测量滚的瞬时位移K和B分别是方程合适的斜率和截距。
上述方程表明,环件的瞬时外径可以由测量辊的瞬时位移计算。在VHRR实际过程中，环件的扩张可以通过人观察环件外表面和测量辊之间的距离来测量。在VHRR仿真中，轴连接器和梁连接器元素是用来模拟测量辊的弹簧和活塞杆，如图5所示。位移传感器也是用来模拟获得测量辊的位移。
(3)VHRR过程的闭环控制方法
如图6所示，与所需环件产品的外径和极限位移的尺寸相对应的测量辊的目标位移值需要提前给出。
图11：环件外径随时间变化 图12：圆度误差随时间的变化
在轧制过程中，测量辊和驱动辊的位移可以反馈到控制系统，驱动辊和测量辊的位置闭环控制形成了，因此进给率，进给量和环件尺寸可以通过挡前位移和目标位置值得比较来控制。
基于上述分析，有限元分析/显式子程序VUAMP是选择用来根据虚拟传感器的值来实现控制技术，利用有限元分析/外显子例程VUAMP，子例程在每个仿真的时间节点都可以被激活，图7显示了子程序流程。在轧制过程之前，一些初始条件和参数例如进给率和进给量应该在程序里设置。在VHRR仿真过程中，四个轧制过程被主导，四个阶段的进给运动与步骤曲线的一种形式相关。测量辊和驱动辊的位移值由虚拟传感器获得，并且在进给阶段与目标值对比。当位测量辊的位移值与目标值在精确成形阶段相等，环件的外径到达目标尺寸，之后，轧制过程进入调整阶段，驱动辊停止进给并且保持一段时间，然后整个VHRR过程停止。
图13：在模拟中分环的外径变化与测量辊位移
3.2仿真结果分析
基于第二部分的分析和子例程VUAMP的表格中的参数列表，仿真时间定为6S，测量辊的位移的目标值选为2.8mm。然而，整个仿真只持续2.67s，环件的外径尺寸就到达了所需值。精确成形过程持续0.12s，比预定时间短。
图8显示了在不同轧制时期的轧制状态。可以观察到环件可以在0.68s保持圆形，随着轧制的进行，环件通被连续挤压和轧制而轻微波动，这会导致较差的圆度。在2s后，环件的外表面逐渐与导向辊接触，轧制过程变得更顺滑，环件的圆度得到改善。图8f显示了成形环件的槽的界面轮廓。因为模具结构是封闭的，在环件上，下表面没有明显的宽度，槽和被足够填满。
图9显示了测量辊随着时间的推移位移的变化。可以发现,测量辊在1.925秒接触环件，然后随着环件增长被迅速推回。在2.07秒，测量辊从它的初始点位移了2.8mm。同时轧制过程进入调整阶段，测量辊速度迅速降低，当环件停止扩张，测量辊相对仍在原处并且在摩擦作用下旋转。因为在轧制过程中弹簧装置已被适应并且环件圆度误差存在，测量辊与环件震动并定期旋转。
为了调查VHRR过程的稳定性，运动轨迹环的中心如图10所示。可以看出在轧制过程的早期和中期，环件的中心在一个波动螺旋线,尤其是在中滚动期间,戒指大幅波动不断从一边到另一边的戒指扩大和刚度恶化,轧制过程是不稳定的,戒指的圆度变得更糟。在最后滚动期间,通过导辊、滚过程变得光滑,摆动的幅度环中心迅速减少。然而,环的中心偏离中线的机器,和一个明显偏心现象发生在轧制过程完成。
图11显示了环的外径的变化时间,可以看出环外的生长速度直径在饲养阶段逐步增加,然后降低迅速调整阶段,因为主动滚筒停止进给。然而,外径仍然小幅扩大调整阶段,因为每壁厚差异更新在进给阶段。
图14：HRM160NC立式热环轧机
图12说明了圆度误差的变化时间。结果表明,圆度误差的变化规律类似于环的中心。在1.02秒,的值圆度误差达到5.81毫米,后环接触导辊,大幅减少。当轧制过程进入调整阶段,圆度误差显著降低,和它的价值保持在0.8毫米左右。
环的外径和之间的关系位移测量辊的模拟在图13所示。这是表明环的外径几乎线性的测量辊的位移只是证实了先前的研究的结论(8、9)。此外,它还提供了一个方法的进一步研究在其他几何尺寸的测量VHRR过程。
4.VHRR机和槽轮廓环轧制实验
基于上面的理论分析和仿真槽轮廓环轧制实验。实验机是一种HRM160NC立式热环轧机(图14所示),是由武汉科技大学研发的。。轧机采用机电伺服系统驱动的球螺旋进刀机构,和控制系统轧机速度和位置环。两个位移传感器安装在滑块驱动辊和测量辊,分别测量传动辊的进给数量和测量辊的位移,然后环的外径可以间接测量。人机界面设计输入工艺参数如饲料量、进给速率和预设值测量辊的位移。相比传统VHRR机,这台机器有以下优点:(1)它可以实现轧制过程的自动控制,和饲料率和饲料量可以精确预置。(2)环的外径的尺寸和戒指
产品的质量可以保证而无需人工干预。(3)由于机电伺服系统应用,机低噪声等特点,很少介质泄漏,清洁工作条件。表4列出了机器的参数。八个空格被随机选择实验中,他们的重量是列在表5。可以看出最大重量是607.6克,最低重量602克,一个标准环的外径预制Ф102.92 mm是用于调整位置的卷。测量辊的
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