毕业论文(设计)--大型辗环机轴向轧制机构设计与刚度分析.doc

1 前言
1.1环件轧制的过程及优点
环件轧制是借助环件轧机和轧制孔型使环件产生连续局部塑性变形，进而实现壁厚减小、直径扩大、截面轮廓成形的塑性加工工艺，它适用于生产各种形状尺寸的环形机械零件[1]。在环件轧制过程中，环件通过主辊驱动旋转，芯辊以一定的速度匀速趋近于大直径的主辊，使环件的壁厚减薄，直径增大，实现环件的径向轧制。轴向轧制机构的上锥辊缓慢向下移动，同时，整个随动机架根据环件外径变化作水平移动，完成环件的轴向轧制，使加工好的环件端面平整。与传统的模锻工艺相比，有许多显著优点。
（1）设备吨位小，加工范围大。辗环成形过程是局部加压连续小变形的累计，工件与模具的接触面积小，因此需要的变形力小，设备吨位小。
（2）材料利用率高。环件轧制的截面形状更接近于成品，加工余量小。
（3）产品质量好。轧制环件的金属纤维沿圆周方向连续分布，与零件使用时的受力及磨损相适应。多数情况下，轧制环件内部组织致密、晶粒细小，综合机械性能明显高于其它方法加工的环件。
（4）劳动条件好，生产率高。环件轧制类似静压轧制，基本无冲击、振动，噪声低，易于操作，机械化、自动化程度高，工人劳动强度大幅降低。
（5）生产成本低。与自由锻相比，材料消耗低，能源消耗低，综合生产成本低，具有较好的经济效益。
1.2国内外研究现状
环件轧制技术是伴随着铁路运输业而发展的。环件轧制的研究距今已经有一百多年的历史, 在早期的研究中还是以径向轧制为主。，英国学者W.Johnson等在20世纪60年代首先开展了环件轧制实验研究[1]。1973年，Hawkyard在UMIST实验室安装了一台专用的环件试验轧机[2]。1976年，Mamalis用测压针方法研究了不同材料在不同的孔型中轧制时单位压力的分布情况，得出轧制过程中在变形区入口附近的单位压力迅速升高并达到峰值，随后缓慢降低，在轧辊连心线附近单位压力曲线会出现拐点的规律。1979年以来，Hawkyard深入分析了异形截面环轧时金属在各种孔型中的流动特性，观察了压下速度、摩擦条件、环坯形状及孔型尺寸变化对环件截面变化的影响，其目的在于提高孔型的充满率[2]。1984年，Ryoo用上限法求解出轧制力和力矩的最大值，并对轴向宽展变形产生“鱼尾”的现象进行了解释。Yang 通过能量法研究了L形截面环轧制力矩变化的规律，Yang在分析中考虑了芯辊压下速度的影响。1988年D.Y.Wang等人应用塑性有限元方法对环件径向轧制的平面变形作了分析[3]。1990年Naksoo Kim等人利用三维刚塑性有限元方法对环件轧制进行了模拟。D.Y.Wang等人也对T型截面的环件轧制进行了三维刚塑性有限元的模拟[4]。1994年，Z.M.Hua.I. Pillingger等人应用弹塑性有限元方法进行了环件轧制的三维有限元模型的研究[2]。1998年，T.Lim，I.Pininger等人利用混合网格模型对环件异型截面轧制进行了有限元模拟，研究中利用提出的网格划分方法对矩形截面和V型截面的径向和径-轴向轧制进行了分析，其时间节省了近70%[4]。以后K.Sawamiphadi，P.M.Pauska等人，利用显式有限元模型对环件轧制过程进行了分析，其主要是利用显式有限元程序分析各种冷环轧工艺过程，从中可以发现，利用显式有限元分析，可很准确的得到环轧过程的各个参数。K.Davey和M.J.ward通过ALE(Abitrtary Lagrange·Euler)流动方程对环件轧制进行了模拟，这主要是基于ALE力学模型的有限元分析，它比惯用的Lagrange程序可以节省大量的计算时间，可一对很复杂的变形过程进行模拟，提出了基于ALE流动方程的环件轧制有限元模型。1998年T. Lim应用有限元分析软件研究了抱辊在径轴向轧制中的作用问题。2002年J.L.Song应用有限元分析软件对径-轴向是的径向变形进行了研究[5]。
在国内清华大学的许思广等人、华中科技大学的解春雷等人、武汉理工大学的华林等人、西北工业大学的杨合等人对辗环机的径向和径-轴向轧制的都有所研究。武汉理工大学的华林，在D51—160A轧环机上进行了环件轧制的试验研究，在径-轴向辗环机轧制工艺方面也有所研究[6]。济南铸造锻压机械研究所在1991年研制成功1800毫米数控辗环机，曾发表过四篇关于径-轴向辗环机的论文。同时D53K6300全自动西门子数控辗环机在2006年研制成功[7]。西北工业大学的杨合等人自2003年开始从冷辗环到径-轴向辗环进行了一系列的研究。近年来国内的许多学者尝试将有限元法应用于环件轧制的过程中，这些工作为开发出集变形分析与工艺计算和过程控制于一体的环件轧制计算机辅助分析系统打下了基础。解春雷、李尚健等人根据环件轧制过程的有限元模拟结果制订控制策略，将模拟的最佳轧制力曲线转换为压力辊运动的等效速度曲线，控制压力辊使其按预定的速度曲线运动。许思广博士后利用三维刚塑性有限元法分析了横断面的几何形状对称的辗环变形过程，及环件轧制过程的热耦合问题。郭正华等人采用刚塑性动力显示有限元法对环件热轧时的金属流动规律进行了模拟。武汉理工大学的朱春东、张猛等学者研究了数学模型在Φ500型辗扩机测控系统中进行尺寸数字控制的方法[9]。总之，随着计算机技术和塑性理论的发展，用有限元方法模拟塑性成形过程弥补了各种解析或半解析方法的不足，解决了许多实际问题。有限元计算结果已成为各类工业产品设计和性能分析的可靠依据，它可以显著提高产品设计性能，缩短设计周期，增强了产品的市场竞争能力。
1.3选题目的和意义
无缝环件广泛应用于机械制造行业的许多工业领域，环件轧制是一种生产高性能无缝环件的塑性加工工艺。辗环机是借助其径--轴向轧制机构对热态毛坯施加轧制力，使金属产生连续局部塑性变形，实现热态毛坯壁厚减小、直径扩大、截面轮廓成形的塑性加工设备。与传统的环件自由锻造工艺、环件模锻工艺、环件火焰切割工艺相比, 有较好的技术经济效益[10]。
辗环机轴向轧制系统主要对环件的高度方向上的精度、环件的圆度、端面对轴线的垂直度、端面平整度 （鱼尾现象）等影响环件质量的主要因素起决定作用[11]。轴向轧制机构作为开式成型机构，在轧制过程中由于受到轧制力的作用，机架容易产生弹性变形。轴向轧制机构机架的变形（即：机架的刚度）直接影响轴向轧制精度、模具使用寿命和辗环机工作的稳定性，从而影响环件的加工质量，无法得到理想的环件。因此，通过有限元模拟分析，得到轴向轧制机构在受到轧制力时机架的变形规律，设计合理的轴向轧制机构机架，对减轻辗环机重量，提高辗环机的轴向轧制机构的刚度，提高环件的加工质量及加工精度都具有很大程度的影响。
1.4本课题的主要工作
本论文的主要内容分为以下几个方面：
（1）根据环件的实际轧制工艺，设计辗环机轴向轧制机构。
（2）利用有限元分析软件ANSYS，对轴向轧制机构机架施加不同载荷，分析加载过程中的应力应变分布及其变化规律，并进行比较。
（3）利用有限元分析软件ANSYS，对轴向轧制机构机架的不同受力位置施加载荷，分析该过程中的的应力应变分布及其变化规律，并进行比较。

2 轴向轧制机构的设计
2.1轴向轧制机构总体方案
（1）轴向轧制机构基本工作原理
轴向轧制机构由刚度较强的焊接机架、上滑块、压下液压缸、平衡缸以及上下锥辊等组成。上锥辊安装在机架的上滑块上，借压下液压缸中液压油的作用，使之做垂直方向的往复运动。上下锥辊由两个直流电动机经二级斜齿轮减速机构分别传动，以实现环形件轴向辗扩工艺。
机架由四个小滑块支撑在辗环机机身导轨上，由随动液压缸驱动，可在水平方向上做往复运动。在辗扩工艺过程中，通过始终与环件外径相接处的测量滚轮及位移传感器、随动阀和发讯装置等，组成随动跟踪系统。该系统安装固定在轴向辗扩架上，在辗扩过程中，控制锥辊的顶尖随时保持汇交于环件旋转的轴心线上。
随环件厚度的变薄，其直径随之增加。通过测量装置的滚轮直径对环件直径连续测量跟踪，由液压随动系统来控制轴向辗扩机架的后退速度，使之与环件的增大速度一致。
（2）轴向轧制机构原理见图2.1。

1—随动油缸 2—斜齿轮 3—机架 4—平衡缸 5—压下油缸
6—上滑块 7—上锥辊 8—测量机构 9—下锥辊 10—小滑块 11—床身导轨
图2.1 轴向轧制机构原理
2.2锥辊装置的方案
（1）下锥辊装置由一个直流电动机经二级斜齿圆柱齿轮轮减速机构带动锥辊转动，以实现环形件轴向辗扩工艺,其方案如图2.2所示。
（2）锥辊的方案：
双锥辊轴向轧机轧制时，两轧辊与工件的接触面积相等，且关于主轴对称分布。所以轧制合力作用线与主转轴重合，机床的刚性和加工精度、运行稳定性、轴承寿命和大修周期等都比单锥辊轧制有所提高。同时整机结构简化，造价也低得多。具有节能﹑节材的特点。
因此选择双锥辊轧制。
（3）外轴套用来增加锥辊的长度，使锥辊能在其带动下转动。

1-键 2-螺母 3-轴承端盖 4-轴承套筒 5-齿轮轴 6-轴承端盖
7-轴承 8-螺母 9-键 10-定距环 11-齿轮 12-芯轴 13-外轴套
14-轴承端盖 15-端盖 16-调整垫片 17-轴承套筒 18-垫片19-机座
20-调心滚子轴承 21-螺母 22-齿轮 23-键 24-螺母25-调心滚子轴承
26-键 27-齿轮轴 28-轴承套筒 29-锥辊 30-端盖
图2.2 下锥辊装置方案图
2.3压下液压缸的方案
（1）根据轴向轧制的要求选择合适类型的液压缸[14]
单活塞杆结构简单，成本低，同时能满足设计的要求，所以选择单活塞杆。
（2）根据负载大小和选定的工作压力确定液压缸的内径D，具体过程如下：
1）液压缸的负载就是轴向力2MN
2）选定设计压力
液压件的额定压力是指在指定的运转条件下液压件能长期正常工作的压力，又称为公称压力缸的设计压力数值等于额定压力。若系统的额定压力已确定，则取系统压力为设计压力;若系统的额定压力尚未确定，可参照或类比相同的主机选定缸的设计压力。
此轴向轧制机构为重型机械，所以选择设计压力为20MPa-32MPa。
2.4平衡缸的方案
根据轴向轧制的要求选择合适类型的平衡液压缸：
单活塞杆结构简单，成本低，同时能满足设计的要求，所以选择单活塞杆缸。
综合上述结果得到轴向轧制机构二维装配图，如图2.3所示。

1-电动机 2-螺栓 3-螺母 4-垫圈 5-联轴器 6-下锥辊装置
7-滑块 8-电机座 9-平衡液压缸10-压下液压缸11-机架12-上锥辊装置
图2.4 轴向轧制机构装配简图
3 有限元分析软件及基本步骤
3.1有限元法
工程技术领域内常用的数值模拟方法有：有限元法、边界元法、离散单元法和有限差分法，但就其实用性和应用的广泛性来说，主要还是有限元法。有限元方法是CAE技术的重要分析方法之一，其基本思想是将连续的求解域离散为一组单元的组合体，用在每个单元内假设的近似函数来分片的表示求解域上待求的未知场函数，近似函数通常由未知场函数及其导数在单元各节点的数值插值函数来表达。从而使一个连续的无限自由度问题变成离散的有限自由度问题。
有限元法是与工程应用密切结合的，随着有限元理论的发展与完善，各种专用的、通用的有限元分析程序也大量涌现出来。上个世纪六十年代末、七十年代初出现了大型通用有限元分析程序，并以它们的功能强大、用户使用方便、计算结果可靠、效率高而逐渐成为工程技术人员和科研人员强有力的分析工具。大型通用有限元分析软件一般包括结构静力分析、动力分析、稳定性以及非线性分析等，有的还包括热传导、热应力、流体等分析，有齐全的单元库。目前比较常用的大型通用有限元软件DEFORM、MSC.Marc、MSC/NASTRAN、SUPERFORM、ABAQUS、COSMOS、ANSYS等等。
3.2 ANSYS软件介绍
ANSYS有限元软件包是一个多用途的有限元法计算机设计程序，可以用来求解结构、流体、电力、电磁场及碰撞等问题。因此它可应用于以下工业领域： 航空航天、汽车工业、生物医学、桥梁、建筑、电子产品、重型机械、微机电系统、运动器械等。
ANSYS软件提供的分析类型有结构静力分析、结构动力学分析、结构非线性分析、动力学分析、热分析、电磁场分析、流体动力学分析、声场分析、压电分析等9类，软件主要包括三个部分：前处理模块，分析计算模块和后处理模块。前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地构造有限元模型。ANSYS的前处理模块主要有两部分内容：实体建模和网格划分；分析计算模块包括结构分析（可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分析）、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力；后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示（可看到结构内部）等图形方式显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。
结构静力分析不考虑惯性和阻尼的影响，用于求解静力载荷作用下结构的位移和应力应变等。辗环机轴向轧制机构的受力变形是静力载荷作用下的弹性变形，对辗环机轴向机构的刚度分析是一个线性分析。ANSYS作为一款大型的通用有限元软件，能满足本次设计分析的要求，应用ANSYS提供的单元对辗环机轴向轧制机构进行刚度分析析是本次设计分析中将采用的主要方法。
3.3 ANSYS分析基本步骤
有限元分析是物理现象的模拟，是对真实情况的数值近似。通过对分析对象划分网格，求解有限个数值来近似模拟真实环境的无限个未知量。ANSYS有限元分析大致分为以下3个步骤：
(1)建立有限元模型
ANSYS软件具有很强的前处理功能，通过创建或读入几何模型，设定与之相匹配的单元类型，定义材料属性，并进行网格划分，建立有限元模型。
（2）施加载荷并求解
根据要分析零件的真实受力情况，对有限元模型添加准确的约束及载荷，利用求解器对加载后的模型进行求解。
（3）查看结果
通过云图显示以及列表输出分析结果。ANSYS提供两个后处理器:通用后处理器和时间历程后处理器。本文通过通用后处理器得到辗环机轴向轧制机构机架的受力变形云图及部分节点数据，对机架的刚度变化规律进行分析。

4 轴向轧制机构的刚度分析
数控辗环机轴向轧制机构机架是辗环机的重要组成部分，它不仅是主要零件的装配基体，而且还要承受着轴向轧制系统的全部工作载荷，它直接影响辗环机的轴向轧制精度以及稳定性。轴向轧制机构机架的强度影响辗环机的使用寿命，轴向轧制机构机架的刚度直接影响轴向轧制精度、模具使用寿命和辗环机工作的稳定性。因此，轴向轧制机构机架的合理设计对减轻辗环机重量，提高辗环机的轴向轧制机构的刚度，都具有很大程度的影响。
4.1变形角
4.1.1变形角的定义
辗环机轴向轧制机构作为开式成型机构，在轧制过程中由于受到轧制力的作用，机架产生弹性变形。机架的弯曲变形直接会影响到环件轧制的质量，使加工出的环件的轴向端面不平行，而是会有一个夹角，我们称这个角度为变形角。图4.1（a）理想环件形状，图4.1（b）为实际环件形状，其中图中角α即为变形角。

（a）理想环件形状

（b）实际环件形状
图4.1 理想环件与实际环件
4.1.2变形角的计算
由于环件的变形角是由于机架在X-Y平面内的受力变形产生的，因此我们可以通过选取机架模型上的若干节点在X-Y平面内的坐标变化来计算变形角的大小。如图4.2所示，我们选取机架上的A、B、C、D四个节点，利用ANSYS软件，我们可以求出这四个节点变形后的坐标值。
设所选取得四个节点在X-Y平面的坐标分别为A，B，C，D，机架受力变形后，这四个点的坐标分别为，，，。首先计算压下油缸安装面的变形量。Bˊ点相对于Aˊ点在X方向的坐标差，在Y方向的坐标差，利用三角函数关系式可得压下油缸安装面的变形量为
（4-1）
同理可得下锥辊的变形量为
（4-2）
则变形角的大小为
（4-3）
由此可知，只需利用ANSYS软件求出变形后的A，B，C，D四点在X-Y平面内的坐标便能求出变形角的大小。

图4.2 机架选取节点
4.2几何模型的建立
建立几何模型有两种方法，输入法和创建法。输入法是由其他CAD软件建立好实体模型，通过ANSYS与这些CAD软件的接口将模型导入到ANSYS中进行分析。创建法是在ANSYS软件中利用其自带的软件建立实体模型。轴向轧制机构的结构复杂，为了建模的方便，以及便于后续模型的简化、修改。我们采用输入法建立模型。
采用三维造型软件Solidworks建立辗环机轴向轧制机构的三维模型装配体，结果如图4.3所示。由于辗环机轴向轧制机构的机架属于大型复杂结构件，结构细节多，形状变化大，因而在建模前需对机身进行一些合理的简化。简化模型可减小建模的工作量、提高模型的网格质量、加快计算的速度。模型简化的程度主要取决于分析类型及分析目的。

图4.3 辗环机轴向轧制机构三维模型

分析设计图纸并结合该结构的设计形式与受力特点，利用三维造型软件Solidwork对部分零部件进行了删除和简化。删除了压下油缸以及上锥辊装置，对下坠辊装置进行了简化，同时去除机架上的不必要的孔及圆角倒角等。由于辗环机工作过程中在锥辊锥面上与环件接触位置为一面接触，所以建模时在锥面上切去一小块锥面作为加载面。
简化后的辗环机轴向轧制机构机架装配体由下锥辊、左右立柱、压下油缸安装面、锥辊工作面组成，如图4.4所示。由于轴向轧制力由压下油缸产生后通过上锥辊加载到环件毛坯上，同时下锥辊也产生一个同样大小的、方向相反的反作用力，所以轴向轧制力全部由轴向轧制机架承担。由于机架所承受的载荷是通过下锥辊传递给机架的，为了分析的方便，在不影响结果的情况下，可以将下锥辊和机架作为一个整体进行刚度分析。

图4.4 辗环机轴向轧制机构简化三维模型
4.3将模型导入有限元分析软件
ANSYS 软件可以直接输入由其他CAD软件（如Solid Works）创建好的实体模型，不仅能将三维模型数据直接导入ANSYS中，同时还提供了以执行部件为基础的参数优化设计功能。该功能允许从建立以部件为基础的参数化Solid Works模型开始，用ANSYS 软件对模型进行优化，并以一个优化的模型结束，而且建立好的模型仍是以部件为基础的参数化模型。此模块能给工程人员在有限元分析过程中考虑采用何种前后处理提供最好的支持。利用ANSYS软件自带的接口能够快速而又准确地导入数据模型，本文是通过将Solid Works建立好的轴向轧制机构的机架模型保存为后缀为.x_t的文件，将该文件直接导入有限元分析软件ANSYS 中，对其进行有限元仿真分析。
4.4有限元模型建立
4.4.1单元类型的选择
单元类型的选择不仅影响到网格的合理划分，而且对求解的精度影响很大。考虑到机架结构的复杂性,同时机架是一种框架结构，所以选用实体单元来描述机架结构，更能反映机架的实际状况。在单元选取方面，本文中选用实体单元Solid 95。它可以接受不规则的形状，并且不损失精度。该单元具有协调的位移函数并且能很好的模拟边界曲线。单元通过20个节点来定义，每个节点有3个自由度：转化为节点坐标系下的X,Y,Z方向。单元也可有任何的空间定位。Solid 95单元具有塑性，蠕变，应力强化，大变形和大应变等能力。
4.4.2材料的选择
材料的属性是指材料所具有的性能或者特性，它是进行有限元计算时的重要参数。材料的属性主要包括弹性模量、屈服强度、拉伸强度、泊松比、密度、强度，硬度，导电性能等一些物理性能数据。材料性能参数可直接使用系统提供的材料属性，也可进行自定义，材料性能参数的选取对有限元分析的结果起着重要的作用。
本次分析的辗环机轴向轧制机构机架所选用材料为Q235钢，其弹性模量E=2.06×105MPa，泊松比μ=0.3，密度ρ=7.85×103 kg/m3。
4.4.3网格划分
网格划分是相当重要的一部分，网格质量的好坏直接影响到计算精度。坏的网格会终止计算，一般情况下，网格面不过分扭曲、各边或各内角相差不大、边姐点位于边界等份点附近的网格质量较好。网格形状在大多数情况下应该与所选择的单元相一致。
ANSYS提供自由划分和映射划分两种方法。自由网格划分是自动化程度最高网格划分技术之一。通常情况下，可利用ANSYS的智能尺寸控制技术来自动控制网格的大小和疏密分布。本文采用智能网格划分工具“SmartSize” 对辗环机轴向轧制机构机架进行网格划分。ANSYS将智能网格划分水平分为10级，第1级是最精细的划分，第10级是最粗糙的划分。通过分析比较我们选用第7级进行网格划分。但是划分的结果重要部分过于粗大，这会影响到分析结果的精度，如图4.5所示。我们还需要对网格进行细化，以满足分析要求。我们需要在重要的面上细化网格单元，最终共得到133878节点80388单元，所得结果如图4.6所示。

图4.5 未细化的辗环机轴向轧制机构机架的网格划分

图4.6 细化后辗环机轴向轧制机构机架的网格划分
4.5边界约束
大多数分析中，无论分析类型如何，都要施加相应的自由度约束。并且自由度约束一般作为边界条件加载在模型上。边界条件是根据物理模型的实际工况在有限元分析模型边界上施加的必要约束。边界约束条件的准确度直接影响有限元分析结果的正确性，同时也是计算成败的关键。约束本身也是一种载荷，这种载荷和其他载荷同样重要，约束模拟必须遵循以下原则：
（1）要有足够的约束，使结构消除刚体运动的可能，从而保证刚度矩阵非奇异，获得位移的确定解。
（2）不允许多余约束。因为多余的约束会使结构产生实际不存在的附加约束力，从而增加部件的计算刚度，使计算结果失真。
辗环机轴向轧制机构机架装配体的机架是通过径向滑轨与机身相连接，其轴向轧制力是由压下油缸产生，同时下锥辊产生一个大小相等方向相反的力，所以轴向轧制力只存在轴向轧制系统内部，那么我们可以将机身周围的四个滑块中与滑轨相接触的面上的各个节点X、Y、Z向位移全部约束。
4.6载荷的处理
载荷加载是有限元分析的重要环节，它包括载荷的大小、方向、加载区域等要素，载荷加载的合理性直接关系到计算结果的正确性和真实性。有限元法认为内力或外力均由节点来传递，在整体刚度方程中的载荷项均为节点载荷。
由于轴向轧制力是由压下油缸产生，同时下锥辊产生一个大小相等方向相反的力。故将辗环机轴向轧制机构机架装配体轴向轧制力换算成压强形式加载到下锥辊与环件毛坯接触的下锥辊上的小切面以及压下油缸的安装面处。
（1）不同大小轧制力的加载
我们分别选用100KN、200KN、300KN……800KN的轴向轧制力依次重复加载到压下油缸的安装面以及下锥辊后端与环件毛坯接触的下锥辊上。
（2）不同位置轧制力的加载
我们选用80KN的轴向轧制力作为加载值，加载位置分为锥辊的前端加载、中间加载、后端加载三种不同情况。图4.7为辗环机轴向轧制机构机架后端加载情况。

图4.7 辗环机轴向轧制机构机架后端加载情况
4.7结果分析
4.7.1不同大小轧制力加载的计算结果及分析
本文通过ANSYS提供的通用后处理的到了不同大小的轧制力作用下辗环机轴向轧制机构机架的等效应力、等效应变以及变形分布情况。图4.8、图4.9、图4.10分别为800KN的轧制力作用下的等效应力、等效应变以及变形的分布云图。

图4.8 800KN的轧制力作用下的等效应力

图4.9 800KN的轧制力作用下的等效应变

图4.10 800KN的轧制力作用下的变形

不同大小的轧制力作用下辗环机轴向轧制机构机架的最大等效应力、最大等效应变以及最大变形如表4.1所示。

表4.1 机架的最大等效应力、最大等效应变以及最大变形
加载力
（KN）
最大等效应力
（MPa）
最大等效应变
（10-3）
最大变形
（mm）
100
27.119
0.136
9.93×10-5
200
54.237
0.272
1.99×10-4
300
81.357
0.409
2.98×10-4
400
108.475
0.545
3.97×10-4
500
135.594
0.681
4.96×10-4
600
162.713
0.817
5.96×10-4
700
189.832
0.954
6.95×10-4
800
216.951
1.09
7.94×10-4
根据表4.1的数据，我们分别得到如图4.11、图4.12、图4.13所示的不同大小的轧制力作用下辗环机轴向轧制机构机架的最大等效应力、最大等效应变以及最大变形的变化曲线。

图4.11 不同的轧制力作用下机架的最大等效应力

图4.12 不同的轧制力作用下机架的最大等效应变

图4.13 不同的轧制力作用下机架的最大变形
从图4.11、4.12、4.13中可以看出，随着轧制力的不断增大，机架的最大等效应力、最大等效应变以及最大变形也都随之增大，并且呈线性增长趋势，说明在工作中机架的变形始终处于弹性阶段，并未发生塑性变形。由图4.8、4.9、4.10可以看出，辗环机轴向轧制机构机架在不同轧制力作用下的变形、等效应力等分布情况，整体上机架的等效应力分布不均匀，由于工作中机架的变形处于弹性阶段，所以机架的等效应力和等效应变分布趋势相同。机架整体上即有拉伸变形，同时也有弯曲变形，但变形量不大。
辗环机工作时，机架的危险部位是在机架的左右立柱与压下油缸安装面交界处，在机架左右立柱断面上产生的弯矩最大，并由此产生最大的等效应力和变形。
4.7.2变形角与不同大小轧制力的关系
通过使用4.1节中推导出的的计算方法，我们得到了在不同大小的轧制力作用下的变形角如表4.2所示。

表4.2不同轧制力下的变形角
加载力（KN）
变形角（°）
400
0.0194
500
0.0236
600
0.0278
700
0.0320
800
0.0362

根据表4.2的数据，我们可以得到如图4.14所示的不同大小的轧制力作用下的变形角度的变化曲线。

图4.14 不同轧制力作用下的变形角度

从图4.13中我们可以看出随着轧制力的不断增大，机架的最大等效应力、最大等效应变以及最大变形也都随之增大，并且呈线性增长趋势，说明在工作中机架的变形始终处于弹性阶段，并未发生塑性变形。机架的变形量很小，使得变形角的量也很小。在受到800KN载荷作用下，变形角的大小不到0.1°，说明在800KN的载荷作用下，机架的变形对环件的影响不大。
4.7.3不同位置轧制力加载的计算结果及分析
本文通过ANSYS提供的通用后处理的到了不同位置的加载轧制力作用下辗环机轴向轧制机构机架的等效应力、等效应变分布情况。并对三种不同位置施加载荷下的机架的最大位移、最大等效应力、最大等效应变以及锥辊的最大位移的计算结果进行了归纳总结，结果如表4.3所示。

表4.3 不同加载位置下的计算结果

机架部分
最大等效应力（MPa）
机架部分
最大等效应变
机架部分
最大变形（mm）
锥辊部分
最大变形（mm）
前端加载
50.256
2.44×10-4
7.35×10-4
9.42×10-4
中间加载
49.654
2.42×10-4
7.60×10-4
4.72×10-4
后端加载
48.973
2.39×10-4
7.94×10-4
1.52×10-4

根据表4.3的计算结果，我们分别得到如图4.15、图4.16、图4.17所示的三种不同位置施加载荷下的机架的最大等效应力、最大等效应变和最大位移以及锥辊的最大位移变化曲线。

图4.15 机架的最大等效应力

图4.16 机架的最大等效应变

图4.17 机架的最大变形、锥辊的最大变形
从图4.15、4.16中可以看出，机架的最大等效应力、最大等效应变随着轧制力加载的位置从前端到后端而逐渐减小。从图4.17中可以看出，机架的最大变形随着轧制力靠近机架逐渐变大，而锥辊的最大变形随着轧制力靠近机架逐渐变小。这是因为对于锥辊而言可近似看成悬臂梁，其最大位移在锥辊端部，当加载力逐渐靠近固定点时，变形必然减小。对于机架，其最大位移位于机架顶部，当锥辊所受力从后端到前端时，机架发生变形的同时锥辊也在发生变形，但锥辊的变化增量要大于机架的变化增量，于是锥辊的变形抵消了部分机架的变形量，因此在受力从后端到前端的过程中，机架的变形逐渐减小，而锥辊的变形逐渐变大。
4.8轴向轧制机构的刚度对环件的影响
通过上一章的结果分析，我们得到了在不同大小的轧制力作用下的变形角的大小。利用上述数据，我们需要通过对环件尺寸的计算得到轴向轧制机构的刚度对环件的影响。假设轧制外圈直径2500mm，内圈直径2000mm，环件高度250mm的环件，如图4.18所示。现计算实际环件的内外圈的高度差，其计算结果见表4.4。

图4.18 环件

表4.4 实际环件内外圈高度差
加载力（KN）
变形角（°）
环件内外圈高度差（mm）
400
0.0194
0.0845
500
0.0236
0.1029
600
0.0278
0.1212
700
0.0320
0.1397
800
0.0362
0.1581

由表4.4可知，随着载荷的不断增大，环件内外圈的高度差也在不断增大，但最大值仅为0.1581mm。说明轴向轧制机构的刚度完全满足设计要求，可以很好的完成环件的加工，保证环件的加工质量。为了节省材料，降低辗环机的生产成本，可以考虑对辗环机的结构进行适当改进。

6 结 论
本文首先对辗环机轴向轧制机构进行了结构设计，并利用ANSYS有限元软件对辗环机的刚度进行了应力、应变以及变形的分析，得到了机架刚度和载荷大小以及载荷加载位置之间规律。本文的主要结论如下：
（1）根据对三维图的熟悉，论证了大型辗环机轴向轧制机构的方案，包括下锥辊装置以及它的零件。
（2）根据总装图和部件图设计的基本原则，设计了轴向轧制机构的总装图和下锥辊装置的部件图。
（3）利用ANSYS有限元软件对辗环机轴向轧制机构在不同轧制力作用的等效应力、等效应变以及变形角大小的分析，结果表明随着轧制力的不断增大，机架的最大等效应力、最大等效应变以及最大变形也都随之增大，并且呈线性增长趋势，说明在工作中机架的变形始终处于弹性阶段，并未发生塑性变形。辗环机工作时，机架的危险部位是在机架的左右立柱与压下油缸安装面交界处。
（4）同时也分析了不同位置施加载荷下的机架的最大等效应力、最大等效应变和最大位移以及锥辊的最大位移。结果表明机架的最大等效应力、最大等效应变随着轧制力加载的位置从前端到后端而逐渐减小。机架的最大变形随着轧制力靠近机架逐渐变大，而锥辊的最大变形随着轧制力靠近机架逐渐变小。

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