論計(jì)算機(jī)技術(shù)在環(huán)件軋制中的應(yīng)用

1、論計(jì)算機(jī)技術(shù)在環(huán)件軋制中的應(yīng)用摘要：介紹了計(jì)算機(jī)模擬與優(yōu)化、軋制過程中計(jì)算機(jī)控制及軋件質(zhì)量監(jiān)控等技術(shù)在環(huán)件軋制中的應(yīng)用現(xiàn)狀。關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)應(yīng)用；模擬與優(yōu)化；環(huán)件軋制；過程控制；綜述前言工業(yè)技術(shù)的發(fā)展對(duì)環(huán)形件產(chǎn)品的要求越來越高，而計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速進(jìn)步，為塑性加工工藝的擴(kuò)展提供了便利條件。輾環(huán)生產(chǎn)工藝復(fù)雜，應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)有助于了解環(huán)件在軋制過程中的變化規(guī)律，制定合理的工藝方案，從而提高環(huán)件的精度，縮短生產(chǎn)周期，推動(dòng)環(huán)件軋制向更高水平邁進(jìn)。環(huán)件軋制過程的模擬與優(yōu)化用于金屬塑性成形分析的剛塑性有限元是和kobayashi于1973年提出來的。這種方法基于小應(yīng)變的位移關(guān)系，以變分原理作為理論基礎(chǔ)，認(rèn)為在

2、所有動(dòng)可容速度場中， 使泛函取駐值的速度場就是真實(shí)的速度場， 根據(jù)速度場可以計(jì)算出各點(diǎn)的應(yīng)變和應(yīng)力。利用計(jì)算機(jī)技術(shù)，可以在設(shè)備制造之前或者在塑性加工件生產(chǎn)之前模擬塑性變形過程和力能參數(shù)，從而優(yōu)化設(shè)備設(shè)計(jì)方案或生產(chǎn)32藝參數(shù)，以代替試生產(chǎn)。計(jì)算機(jī)模擬與優(yōu)化技術(shù)，在環(huán)件軋制中起著越來越重要的作用。在對(duì)環(huán)件軋制過程的模擬中，基于一定數(shù)學(xué)模型的有限元模擬是目前最有效的研究方法。該方法是將所分析的系統(tǒng)離散成有限個(gè)單元(圖，單元之間由節(jié)點(diǎn)相互連接，在每個(gè)單元內(nèi)用節(jié)點(diǎn)位移來確定一組近似函數(shù)。用變分法建立有限元方程時(shí)，是根據(jù)泛函表達(dá)式，對(duì)該泛函取駐值并滿足邊界條件即可得到一組聯(lián)立方程組， 求解聯(lián)立方程組即得到

3、問題的解。yyang等人對(duì)環(huán)件軋制的平面變形作了分析， 獲得了變形金屬的速度場和沿著接觸表面的外力，計(jì)算出了應(yīng)變速率分布、驅(qū)動(dòng)輥的轉(zhuǎn)矩和垂直壓力分布， 并將計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作了比較，它們很相近。等人用三維剛塑性有限元方法對(duì)環(huán)件軋制進(jìn)行了模擬， 并編制了的計(jì)算機(jī)程序，其主要作是在對(duì)環(huán)件軋制有限元模型網(wǎng)格劃分中引入了兩種網(wǎng)格劃分系統(tǒng)，從而減少了計(jì)算量，并對(duì)柱型環(huán)件和型截面的環(huán)件進(jìn)行了模擬。mhua，ipillingger等人進(jìn)行了環(huán)件軋制的三維有限元模型的研究， 他們?cè)诜治鲞^程中用到了彈塑性有限元方法， 并開發(fā)了一個(gè)特殊的混合有限元網(wǎng)格模型，利用提出的模型，通過對(duì)鋼材進(jìn)行模擬，較好地對(duì)變形、應(yīng)變

4、和施加的力等參數(shù)進(jìn)行了分析，并對(duì)環(huán)軋過程中的魚尾現(xiàn)象進(jìn)行了較好的預(yù)測。近年來。我國學(xué)者在應(yīng)用計(jì)算機(jī)對(duì)環(huán)件軋制過程模擬方面，也作了大量研究工作。華中理工大學(xué)的解春雷等人經(jīng)過有限元前置處理，對(duì)軋制過程進(jìn)行了動(dòng)力有限元模擬，得出了環(huán)件截面等效應(yīng)變速率分布圖、軋制力變化曲線(圖2)。并在根據(jù)某理想軋制規(guī)程，尋求最大環(huán)件直徑增長率的軋制規(guī)程下，得到環(huán)件軋制參數(shù)變化規(guī)律曲線(圖3)。這些結(jié)果有助于軋制t藝和軋制規(guī)程的研究， 以及防止缺陷的產(chǎn)生 。許思廣用三維剛塑性有限元法分析了橫斷面為對(duì)稱的輾環(huán)變形過程， 并且分析了輾環(huán)過程的熱耦臺(tái)問題， 還采用維剛塑性有限元方法分析了在幾種不同斜輥面孔型中軋制異形截面環(huán)

5、件時(shí)的金屬變形特性，得出了力能參數(shù)、寬展變形隨孔型的變化規(guī)律，并得出在某些條件下環(huán)件金屬發(fā)生內(nèi)流動(dòng)， 單位壓力沿橫向呈雙峰分布。郭正華等采用剛粘塑性動(dòng)力顯式有限元方法模擬了環(huán)件熱軋時(shí)的金屬流動(dòng)規(guī)律，揭示出環(huán)坯形狀、尺寸、溫度和軋制加載速度對(duì)工藝性指標(biāo)和效率性指標(biāo)的影響。隨著壓力輥進(jìn)給速度的增大，應(yīng)變速率增大，材料的流動(dòng)應(yīng)力增大，軋制力增大。材料變形溫度的降低導(dǎo)致流動(dòng)應(yīng)力增大，軋制力增大，隨著溫度升高，軋制力減小，但由于材料的流動(dòng)粘性同時(shí)增大， 所以軋制力的降低幅度有所減小。此外， 還有根據(jù)數(shù)學(xué)模型對(duì)環(huán)件軋制過程進(jìn)行在線計(jì)算機(jī)模擬的方法。這種方法簡單實(shí)用，不僅能分析復(fù)雜的軋制工藝的各種參數(shù)變化規(guī)

6、律， 而且還能準(zhǔn)確地反推毛坯尺寸。軋制過程組織和性能預(yù)測環(huán)件軋制生產(chǎn)過程復(fù)雜，采用現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)的方法研究溫度、應(yīng)變及應(yīng)變速度等參數(shù)對(duì)組織的影響是不現(xiàn)實(shí)的。在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行研究，得到的只能是簡單條件下的微觀結(jié)構(gòu)與宏觀熱力參數(shù)間的定量關(guān)系，而微觀結(jié)構(gòu)決定著產(chǎn)品的力學(xué)性能。計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬方法建立起兩者之間的橋梁， 為解決產(chǎn)品性能控制問題提供了有力手段， 并可用于環(huán)件軋制的再結(jié)晶過程和晶粒尺寸變化的規(guī)律的研究。模擬計(jì)算表明，由于壓下量較小，前兩道次軋制時(shí)不發(fā)生再結(jié)晶，第三道次結(jié)束時(shí)，只有環(huán)件內(nèi)外徑的部分金屬發(fā)生再結(jié)晶。隨著軋制的進(jìn)行，環(huán)件內(nèi)的應(yīng)變積累使再結(jié)晶比例逐步增大。因?yàn)檫叢孔冃蝿×?，?yīng)變較大，易于再結(jié)晶

7、，環(huán)件內(nèi)外側(cè)的晶粒尺寸比截面中部小得多，此時(shí)，邊部的殘余應(yīng)變幾乎降至零，而中部仍保留了較大的殘余應(yīng)變。隨著軋制時(shí)間的增加，晶粒不斷細(xì)化。在冷卻過程中晶粒先是減小，然后增加，最后晶粒增長速度緩慢，幾乎保持不變。在前幾道次的軋制中，由于再結(jié)晶比例較小，平均殘余應(yīng)變逐漸增加，導(dǎo)致屈服應(yīng)力上升， 軋制力和力矩變大。當(dāng)軋制進(jìn)行到一定程度后，再結(jié)晶比例增大，使殘余應(yīng)變及加工硬化作用逐步減小，軋制力和力矩逐步降低。環(huán)件軋制過程的計(jì)算機(jī)控制軋環(huán)機(jī)對(duì)電氣控制系統(tǒng)的自動(dòng)化程度、可靠性、運(yùn)行速度、控制精度等要求越來越高，而要實(shí)現(xiàn)這些的唯一途徑是采用計(jì)算機(jī)控制技術(shù)。世界上軋制設(shè)備微機(jī)控制的研究始于上世紀(jì)80年代初期，

8、 目前，國外已形成系列產(chǎn)品， 其輾擴(kuò)過程可由計(jì)算機(jī)控制完成，并能通過壓力信號(hào)的在線檢測實(shí)現(xiàn)徑向和軸向輾壓運(yùn)動(dòng)的伺服進(jìn)給。德國thyssen機(jī)器制造公司開發(fā)的cnc 環(huán)件軋機(jī)具有ocs (operator communication system)和系統(tǒng)。該軋環(huán)機(jī)使整個(gè)環(huán)件生產(chǎn)過程實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制，能靈活地生產(chǎn)各種規(guī)格的產(chǎn)品， 大幅度地提高了生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量、降低了成本。德國w agner公司發(fā)展的型軋環(huán)機(jī)配有行程測量系統(tǒng)，電液伺服調(diào)節(jié)回路可以控制軋環(huán)機(jī)滑塊的行程位置， 使主輥相對(duì)于固定的芯輥?zhàn)鬟M(jìn)給運(yùn)動(dòng)， 進(jìn)給控制裝置可以調(diào)節(jié)環(huán)件的瞬時(shí)厚度，使環(huán)件外徑以穩(wěn)定的速度增大，且隨著壁厚的減薄，進(jìn)給

9、速度逐漸減小，提高了產(chǎn)品質(zhì)量。在國內(nèi)， 武漢理工大學(xué)的黃尚字等以齒坯輾擴(kuò)工藝的研究成果為基礎(chǔ)，結(jié)合齒輪毛坯輾擴(kuò)機(jī)的工作原理，提出了恒速進(jìn)給、精輾位置在線預(yù)測的控制方法；設(shè)計(jì)了性價(jià)比高的輾擴(kuò)機(jī)微機(jī)控制系統(tǒng)，采用軟容錯(cuò)方法提高了設(shè)備的可靠性和可維護(hù)性；結(jié)合所用尺寸測量裝置特點(diǎn)， 直接利用可編程控制器實(shí)現(xiàn)了工件尺寸信號(hào)的在線檢測、處理、顯示幾種控制功能， 內(nèi)法蘭環(huán)件輾擴(kuò)過程中的尺寸變化規(guī)律進(jìn)行了研究， 建立了內(nèi)法蘭環(huán)件精輾位置在線預(yù)測的計(jì)算公式 。朱春東等結(jié)合徑向輾擴(kuò)機(jī)的工作原理，研究了利,可編程控制器實(shí)現(xiàn)環(huán)件輾擴(kuò)過程控制， 在建立輾擴(kuò)過程數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了環(huán)件尺寸的數(shù)字控制。華林研究了環(huán)形鍛件

10、在輾擴(kuò)過程中計(jì)算機(jī)在包裝工業(yè)管理中的應(yīng)用的尺寸變化規(guī)律， 提出了工件體積誤差的在線測量方法， 并利用環(huán)形鍛件體積誤差在線測量和分配原理的環(huán)件鍛件輾擴(kuò)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，開發(fā)了數(shù)控輾擴(kuò)機(jī)， 在實(shí)際生產(chǎn)中所輾擴(kuò)的汽車后橋從動(dòng)錐齒輪環(huán)形鍛件尺寸精度達(dá)到了5001mm71。原機(jī)械部濟(jì)南鑄鍛機(jī)械研究所的袁靈等自主研制開發(fā)了一種適用于多種大型鑄鍛設(shè)備及生產(chǎn)線的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，也在該所研制開發(fā)的各類大型鍛壓裝備(包括大型輾環(huán)機(jī))上得到了應(yīng)用。在軋制過程中，為了對(duì)各軋輥的位置、速度及壓力進(jìn)行連續(xù)控制，設(shè)備采用了自適應(yīng)控制方法，以適應(yīng)不同材料環(huán)件的軋制。為了能很好地控制軋制過程， 系統(tǒng)實(shí)時(shí)檢測環(huán)件各相關(guān)尺寸及軋制過

11、程工藝參數(shù)，并將其作為系統(tǒng)的反饋信號(hào)進(jìn)行適應(yīng)性運(yùn)算，軋制各個(gè)階段的軋制力及軋制速度均設(shè)有人工干預(yù)功能，使軋制過程更趨完善。以洛陽國投精密機(jī)械有限公司生產(chǎn)的型數(shù)控精密冷輾環(huán)機(jī)一種實(shí)現(xiàn)bss帳務(wù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)檢測的技術(shù)方案 為例，其電控系統(tǒng)(圖4)由歐姆龍plc、人機(jī)界面、執(zhí)行元件、操縱器件、信號(hào)整形電路幾部分組成。主控器件選用日本歐姆龍公司最新推出的cjim 型可編程控制器， 執(zhí)行器件選用高等器件。以兩把光柵尺提供位置控制和終端尺寸反饋測量，形成完善的閉環(huán)控制系統(tǒng)，光柵信號(hào)經(jīng)過系統(tǒng)整形，分辨率達(dá)到5 m，可實(shí)現(xiàn)精確定位。系統(tǒng)能自動(dòng)尋找光柵的絕對(duì)零點(diǎn)位置，并進(jìn)行校正，消除光柵信號(hào)丟失引起的測量誤差， 從而保證系統(tǒng)測量的高重復(fù)精度。界面采用中文人機(jī)對(duì)話方式， 使用方便，控制系統(tǒng)的全部工藝參數(shù)均通過人機(jī)界面輸入。在輾擴(kuò)過程中，控制系統(tǒng)將對(duì)產(chǎn)品外徑進(jìn)行實(shí)時(shí)測量，同時(shí)根據(jù)預(yù)設(shè)參數(shù)控制主滑塊的進(jìn)給速度，主滑塊進(jìn)給速度分為高、中、低三段六級(jí)，對(duì)應(yīng)的速度轉(zhuǎn)換點(diǎn)分別是1工進(jìn)6工進(jìn)。當(dāng)測量系統(tǒng)測得工件尺寸等于設(shè)定尺寸時(shí)，計(jì)算機(jī)發(fā)信號(hào)使主滑塊退回。數(shù)控技術(shù)的使用使機(jī)床運(yùn)行穩(wěn)定，產(chǎn)品精度高，可以說是冷輾史上一次質(zhì)的飛躍。此外，在環(huán)件軋制過程中，計(jì)算機(jī)的控制還有計(jì)算機(jī)輔助工藝過程設(shè)計(jì)(capp)和計(jì)算機(jī)輔助環(huán)軋系統(tǒng)(carrs)等。capp包括212藝計(jì)算、控制優(yōu)化、毛坯優(yōu)化及圖形仿真模塊，系統(tǒng)