行星轧制过程中的金属流动及其稳定性研究

发布时间：2018-07-15 18:43

【摘要】：随着铸轧法的出现和不断推广,目前行星轧机已广泛应用于铜管加工行业,但是成品管材的材料和尺寸规格仍受到限制,仅限于生产小直径厚壁的TP2紫铜管,这主要是因为随着轧制成品管径的增大和壁厚的减小,行星轧制过程轧件可能会出现严重的三角形效应甚至管壁折叠和轧件拧结扭断等问题。根据目前的市场需求,开发不同材料多规格的管材行星轧机已经成为未来发展的目标,因此对行星轧机轧制管材过程中的金属流动情况和轧件的失稳情况进行更深入的研究是极为重要的。本文对行星轧机的稳定轧制过程进行了有限元仿真分析,进而研究了轧制工艺参数、摩擦系数以及新的轧辊结构形式对行星轧制过程的影响；对行星轧机轧辊和轧件的空间位置关系进行分析,并在此基础上研究了行星轧制过程中的金属流动情况和轧制力的相关计算；进一步地,分别从轧件的切向弹塑性失稳角度、轧件塑性铰失稳角度和轧制扭转失稳角度研究了行星轧制过程中轧件的失稳条件。本文的研究工作将为行星轧机的设计制造提供一定的理论帮助,主要工作内容和研究成果如下：1)结合现场实际生产情况和变形抗力实验数据,运用大型非线性有限元软件ABAQUS建立起铜管三辊行星轧制过程的三维热力耦合仿真模型,利用Explicit中的ALE功能解决了行星轧制仿真过程中存在的网格畸变而导致计算终止的这一瓶颈问题,实现了管坯从咬入到稳定轧制的行星轧制全过程的有限元模拟分析。2)根据仿真结果对轧制过程中金属的流动速度、轧件的温度场分布和轧机的受力情况等进行了详细分析,得到了一系列规律。在仿真分析的基础上分别研究了轧制工艺参数、轧辊不同区域摩擦状况和轧辊的结构形式对行星轧制过程的影响。这为进一步研究行星轧制过程的轧制机理、力能参数计算和失稳分析等提供了一定的理论参考依据。3)针对传统的送进角和辗轧角定义下的行星轧机轧辊和轧件的空间关系进行分析,发现其在轧辊与轧件间接触点的确定上存在问题。通过空间解析,找到了正确确定该接触点位置的方法,从而对送进角和辗轧角进行修正定义,得到了轧件半径、轧件斜角以及轧制速度等参数的计算公式,并通过轧件半径等理论计算结果与有限元仿真结果的对比分析,验证了该修正定义的正确性,为后续轧制力以及滑动系数的计算奠定了基础。4)结合三辊行星轧机轧辊与轧件间的空间几何关系,对三辊行星轧制过程中轧件微元体的受力情况进行分析,得到了较为精准的轧制压力的计算方法。通过对轧制过程中的金属流动情况和横截面处金属的受力情况进行分析,获得了轧制速度的计算公式,进一步得到了行星轧制过程中的滑动系数以及力能参数等的理论计算方法,为金属流动速度和轧制力能参数的计算提供了一种较为准确简便的适用于工程应用的计算方法。5)通过调整行星轧机的自由距离和偏转角,测试出了在不同的孔型尺寸、不同的材质情况下的轧制出入口轴向速度和旋转速度以及轧制成品的尺寸和螺距。对比测试结果和理论计算结果,验证了理论推导的正确性。通过测量轧头支撑环的变形来间接测试轧制力。经测试得到稳定轧制阶段的轧制力与有限元仿真结果误差较小,再一次验证了金属流动情况的理论计算方法的正确性。6)分别采用能量法、塑性铰失稳和弹塑性失稳理论三种不同的分析方法对三辊行星轧制过程中的切向失稳和扭转失稳进行分析,研究简化处理后的轧件的弹塑性失稳,得到了在不同研究方法下的轧制失稳条件。通过与现场实际的对比分析,采用弹塑性失稳理论得到的行星轧制过程的稳定轧制条件是较为符合实际情况的,可用于行星轧机轧制规程的制定。
[Abstract]:With the advent of casting and rolling , the planetary rolling mill has been widely used in the copper tube processing industry , but the material and size specifications of the finished products are still limited , which is only limited to the production of small diameter thick - walled tp2 copper tubes . According to the current market demand , the development of planetary rolling mills with different materials has become the goal of the future development .
Based on the analysis of the spatial position relationship between the planetary rolling mill roll and the rolling stock , the relative calculation of the metal flow and the rolling force in the rolling process of the planetary rolling mill is studied .
On the basis of the simulation analysis , the paper presents a method for calculating the rolling speed , the distribution of the temperature field and the stress of the rolling mill .
【学位授予单位】：北京科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG335.19

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