专利名称：一种三辊行星轧机轧辊参数自动计算方法
技术领域：
本发明涉及一种压力加工机械领域中的设计方法，尤其是一种三辊行星轧机轧辊参数自动计算方法。
背景技术：
三辊行星轧机轧辊是用于轧制金属管材的压力加工机械设备，在使用中，当轧辊的偏转角和倾斜角发生变化时，平整区的半锥角也要相应的发生变化，使轧制出的管坯壁厚产生波动，降低产品的成材率，为解决这一问题，在生产过程中轧辊辊型一般采用试错法进行设计，其基本方法是首先根据经验预选定一种轧辊的外形尺寸并在生产中进行生产调试，如果平整区的半锥角不能保证与轧制线平行，生产出的铜管产品壁厚波动会较大，因此需要对轧辊平整区的半锥角进行修正调整直到满足产品的壁厚精度要求为止，这种试错的方法必然会对原料和加工实验费用造成很大浪费。
发明内容
为弥补现有技术中浪费原料和加工实验费用的不足，本发明的目的在于提供一种可实现自动优化设计、提高轧件出口速度和保证管材壁厚均匀一致的三辊行星轧机轧辊参数自动计算方法。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是三个轧辊的轴线彼此成120度角布置并且围绕工件的轴线平均分布，与工件的轴线成一偏转角而交叉，具有以下步骤A.轧辊的轮廓线按直线或弧线从轧件进入方向依次分为咬入区、集中变形区、平整区和归圆区；B.以轧件轴线作为轧制线，以该轧制线为一坐标轴建立全局坐标系；C.在上述全局坐标系中通过坐标转换建立单个轧辊的局部坐标系，得到从局部坐标系到全局坐标系的转换矩阵；D.在轧辊的局部坐标系中建立轧辊直线段与圆弧段的柱坐标方程，并转换到全局坐标系中，得到全局坐标系下轧辊的柱坐标方程；E.用啮合方程法根据上述柱坐标方程计算轧辊与轧件的接触线，当平整区的接触线与轧制线平行时，得到平整区的半锥角。
所述平整区为保证轧件的管坯1经集中变形区II发生集中塑性变形后的壁厚基本无压下量、轧件的直径波动很小的区域；所述啮合方程法具体为，设轧辊和轧件的接触点为轧辊与轧件的切点，切点的法线为经过轧辊和轧件的中心轴且与两中心轴垂直的线，以此确定法线方程及接触点坐标；所述接触点坐标采用最优化方法迭代求解方程确定，并由此得出轧件在接触点的半径；通过连接接触点获得接触线。
本发明具有以下有益效果及优点1.实现轧辊辊型的自动优化设计。本发明采用啮合方程法计算接触线，以此确定接触点的位置，可以实现自动计算出一定倾斜角和偏转角下轧辊平整区的半锥角，降低了轧制力，提高轧件出口速度和保证管材壁厚的均匀一致，从而无需采用试错法对原料进行加工实验，节省费用；2.操作简单，使用方便。采用本发明的辊型自动设计方法，只需输入相应的工艺参数就可以设计出相应的轧辊参数；3.为行星轧制工艺设计提供有力的依据。利用本发明得到的轧件形状，易于找出轧辊平整区的半锥角和轧辊偏转角和倾斜角的对应关系，实现轧辊倾斜角任意调整变化。
图1为本发明轧辊局部坐标系和总体坐标系的关系图；图2为本发明轧辊纵向断面各区示意图；图3为本发明轧辊辊型自动计算方法流程图；图4为本发明轧辊辊型设计开发软件界面。
具体实施例方式
三辊行星轧机轧辊纵向断面各区示意图影响平整区III轧件直径波动因素有轧辊平整区III的半锥角θ3、轧辊的偏转角α和倾斜角β。要使平整区III处的轧件直径保持基本一致，需要找到轧辊平整区III半锥角θ3和轧辊偏转角α与倾斜角β之间的匹配关系，由此可见对轧辊平整区III半锥角θ2的计算设计具有很高的实用价值。
图3为轧辊辊型自动计算方法流程图。由于三辊行星轧机轧辊具有一定的倾斜角β和偏转角α空间几何关系复杂，因此要准确保证轧辊平整区III与轧制线平行，必须利用合理有效的数学计算方法，同时通过编制相应的计算程序迭代求解出计算结果。
本轧辊辊型自动计算方法步骤如下a.首先建立轧辊辊型设计程序与图形输出软件的连接，以便于将设计出的轧辊图形直接输出；图4为一种轧辊辊型的设计开发软件界面，本实施例采用Visual Basic直接调用AUTOCAD软件并可创建CAD图形文件，可以实现输入符合实际生产要求的任意轧辊偏转角和倾斜角，就可以计算出与轧制线相平行的轧辊平整区半锥角θ3，同时可输出相应的其它各参数值；轧辊的轮廓线按直线或弧线从轧件进入方向依次分为咬入区I、集中变形区II、平整区III和归圆区IV；如图2所示，轧辊可分为四个主要区域，咬入区I，集中变形区II，平整区III和归圆区IV，其中1为管坯；2为轧辊；3为芯棒；4为管材。各区域的功能为咬入区I使轧件发生径向压缩，保证轧件的顺利咬入；集中变形区II使轧件发生集中塑性变形，显微组织晶粒细化，改善轧件的组织性能；平整区III为保证管坯1的壁厚，基本无压下量，轧件的直径波动很小；IV区为管材归圆区，在这一区域弹性应变释放，管材扩径成型。从上面分析可以发现，平整区III是控制管坯成形质量的关键部分；b.以轧件轴线作为轧制线，以该轧制线为一坐标轴建立全局坐标系；为了便于处理轧辊和轧件的几何关系，建立如图1所示的坐标系o-xyz为全局坐标系，本实施例以x轴作为轧件轴线；在上述全局坐标系中通过坐标转换建立单个轧辊的局部坐标系，得到从局部坐标系到全局坐标系的转换矩阵；该步骤的具体过程为如图1所示，由全局坐标系o-xyz沿y轴正方向平移距离A(A为行星轧辊的轴心距离，即太阳轮轴心与行星轮轴心间的距离)得到第1中间坐标系o1-x1y1z1，第1中间坐标系o1-x1y1z1绕x1轴旋转α角得到第2中间坐标系o2-x2y2z2，第2中间坐标系o2-x2y2z2绕z2轴旋转-β角得到轧辊的局部坐标系o3-x3y3z3；从全局坐标系o-xyz变换到轧辊局部坐标系o3-x3y3z3，坐标需要经过的中间变化为o-xyz，o1-x1y1z1坐标系，o2-x2y2z2坐标系，所以局部坐标系o3-x3y3z3到全局坐标系o-xyz的转换矩阵为M=cosβsinβ00-sinβcosαcosβcosα-sinαA-sinβsinαcosβsinαcosα00001---(1)]]>坐标变换为[x y z 1]T＝M[x3y3z31]T(2)；c.将轧辊的局部坐标系o3-x3y3z3以柱坐标表示，再转换到全局坐标系o-xyz坐标系中，得到该坐标转换的柱坐标方程；轧辊轮廓线用柱坐标方程表示可得到直线段r=ku+b0≤θ≤2π---(3)]]>其中，r为圆弧半径，u为柱坐标方程的横轴坐标值，k、b为常数；代入边界条件计算，得到k，b值；圆弧段方程为(r-cri)2+(u-cui)2=ri20≤θ≤2π---(4)]]>代入圆心坐标(CriCui)和圆弧半径ri确定圆弧；在轧辊的局部坐标系中建立轧辊直线段与圆弧线段的柱坐标方程，并转换到全局坐标系中，得到全局坐标系下轧辊的柱坐标方程式；轧辊的柱坐标为R3＝[x3y3z31]T＝[u rcosθ rsinθ 1]T(5)；转换到全局坐标系R0＝[x y z 1]T＝MR3(6)；其中θ是一个计算过程中的未知数，通过得到θ可以求得其他值；上式为轧辊全局坐标系下的坐标，用柱坐标的局部坐标系表达式表达；本发明的特点之一即是通过柱坐标方程来表达坐标转换的关系，简化计算过程，实现对求解方程的建立；d.输入轧机几何参数和工艺参数；e.用啮合方程法根据上述轧辊直线段与圆弧段的柱坐标方程计算轧辊与轧件的接触线；f.判断平整区的接触线与轧制线是否平行；在三辊行星轧制过程中轧辊和轧件的接触为由轧入线和轧出线组成的面接触，当把轧件处理成刚性回转体，轧辊和轧件的接触转换为线接触，相当于轧出线；接触线的计算使用啮合方程法计算，啮合方程法认为轧辊和轧件的接触点为轧辊轧件的切点，切点的法线要经过轧件和轧辊的两个中心轴，选择接触点切线中互相垂直的两条切线，以此确定接触点的位置；通过连接平整区的各接触点位置即可得出平整区的接触线，当平整区的接触线与轧制线平行时，即可获得满足要求的平整区III的半锥角θ3，这也是本发明的核心特征，具体实现如下接触点的法向矢量由两条相互垂直的切线矢量叉乘得到NNxNyNz=∂R0∂u×∂R0∂θ---(7)]]>由于接触点法线要过轧件轴线即x轴，设法线与x轴的交点为N，坐标为N＝[xN0 0 1]T这里的xN为一定值，因此法线方程可写成xN-xNx=-yNy=-zNz---(8)]]>可得方程yNz-zNy＝0 (9)将前面获得的轧辊直线段与圆弧段的柱坐标方程(3)式与(4)式和轧辊的坐标转换式(6)式代入(9)式中，则(9)式变为r，u，θ的函数，对给定u值r由前面方程确定，因此方程就变为θ的函数；选择优化算法，确定迭代次数，通过迭代求解方程即可求得θ值，求得r，u，θ后即可获得接触点的坐标，由接触点坐标可计算轧件在接触点的半径ρρ=y2+z2---(10);]]>连接一系列(x，ρ)接触点得到接触线，即可计算轧件在接触点的半径，判断平整区III各接触线是否与轧制线平行，如果不平行可通过调整平整区半锥角重新计算求解，不断往复计算最后确定出平整区半锥角，保证轧辊平整区III与轧制线保持平行。
g.如平行，通过计算得到平整区的半锥角θ3；否则转至步骤d，重新输入参数，计算平整区的半锥角θ3h.计算轧辊其它各参数；i.绘制出三辊行星轧机轧辊的二维轮廓图；j.输出三辊行星轧辊机轧辊加工图；k.保存并输出图形。
本发明在计算过程中，可以选择优化计算算法和迭代求解计算次数，提高计算的精度和准确性。最后计算出的参数和图形可以输出加工图。利用本软件计算得到的轧件形状，易于找出轧辊平整区的半锥角和轧辊偏转角和倾斜角的对应关系，这为行星轧制工艺设计提供有力的依据。三辊行星轧制工艺优化的目标应当是降低轧制力，提高轧件出口速度和保证管材壁厚的均匀一致。设计者可根据需要确定轧辊的偏转角α和倾斜角β，再根据偏转角α和倾斜角β确定轧辊平整区半锥角θ3，从而确定轧辊外形轮廓，保证轧制出优质管材产品。
本发明适用于各类三辊行星轧机。
权利要求
1.一种三辊行星轧机轧辊参数自动计算方法，三个轧辊的轴线彼此成120度角布置并且围绕工件的轴线平均分布，与工件的轴线成一偏转角而交叉，其特征在于具有以下步骤A.轧辊的轮廓线按直线或弧线从轧件进入方向依次分为咬入区(I)、集中变形区(II)、平整区(III)和归圆区(IV)；B.以轧件轴线作为轧制线，以该轧制线为一坐标轴建立全局坐标系；C.在上述全局坐标系中通过坐标转换建立单个轧辊的局部坐标系，得到从局部坐标系到全局坐标系的转换矩阵；D.在轧辊的局部坐标系中建立轧辊直线段与圆弧段的柱坐标方程，并转换到全局坐标系中，得到全局坐标系下轧辊的柱坐标方程；E.用啮合方程法根据上述柱坐标方程计算轧辊与轧件的接触线，当平整区的接触线与轧制线平行时，得到平整区的半锥角。
2.根据权利要求1所述的三辊行星轧机轧辊参数自动计算方法，其特征在于所述平整区(III)为保证轧件的管坯1经集中变形区II发生集中塑性变形后的壁厚基本无压下量、轧件的直径波动很小的区域。
3.根据权利要求1所述的三辊行星轧机轧辊参数自动计算方法，其特征在于所述啮合方程法具体为，设轧辊和轧件的接触点为轧辊与轧件的切点，切点的法线为经过轧辊和轧件的中心轴且与两中心轴垂直的线，以此确定法线方程及接触点坐标。
4.根据权利要求3所述的三辊行星轧机轧辊参数自动计算方法，其特征在于所述接触点坐标采用最优化方法迭代求解方程确定，并由此得出轧件在接触点的半径。
5.根据权利要求1所述的三辊行星轧机轧辊参数自动计算方法，其特征在于通过连接接触点获得接触线。
全文摘要
本发明公开一种三辊行星轧机轧辊参数自动计算方法，具有以下步骤轧辊的轮廓线按直线或弧线从轧件进入方向依次分为咬入区、集中变形区、平整区和归圆区；以轧件轴线作为轧制线，以轧制线为一坐标轴建立全局坐标系；在全局坐标系中通过坐标转换建立单个轧辊的局部坐标系，得到从局部坐标系到全局坐标系的转换矩阵；在轧辊的局部坐标系中建立轧辊直线段与圆弧段的柱坐标方程，并转换到全局坐标系中，得到全局坐标系下轧辊的柱坐标方程；用啮合方程法根据上述柱坐标方程计算轧辊与轧件的接触线，当平整区的接触线与轧制线平行时，得到平整区的半锥角。本发明实现了轧辊辊型的自动优化设计，操作简单，使用方便，为行星轧制工艺设计提供有力的依据。
文档编号B21B27/02GK101062509SQ200610046468
公开日2007年10月31日 申请日期2006年4月29日 优先权日2006年4月29日
发明者李冰, 张光亮, 刘劲松, 张士宏, 朱士光, 张海渠, 张金利 申请人:中国科学院金属研究所