一种弱刚度环件轧制过程中抱辊力的控制方法及系统与流程

本发明涉及环件轧制领域，特别是涉及一种弱刚度环件轧制过程中抱辊力的控制方法及系统。

背景技术：

环轧件的椭圆度控制是环件轧制过程中最关键的控制技术，目前，主要采用抱辊装置对环件进行整圆和校形，需要确定最佳的抱辊位置和满足环件塑性失稳条件的允许抱辊力范围。目前，关于抱辊力和抱辊角的计算仍处于理论分析研究阶段，主要研究结果如参考文献《徐增海.辗环机抱辊系统对轧环稳定性的影响研究.济南大学硕士论文，2013》。但目前的理论研究工作，均是在理想假设条件下即轧机的主辊、芯辊和环件位于同一直线时，理论分析得到的不同抱辊角或抱辊位置下环件不发生塑性失稳时抱辊系统能够施加的最大和最小抱辊力范围，其研究结果可用于大刚度环件椭圆度控制。当环件弯曲刚度较大时，环件能承载的应力较大本身不容易发生塑性失稳，根据现有技术中提供的计算方法可以得到最佳抱辊位置及相应的允许抱辊力范围。相反，当环件弯曲刚度很低时，环件本身极易发生失稳；由已有计算方法无法获得最佳抱辊位置及相应的允许抱辊力范围，或是即便获得了最佳抱辊位置由于对应的抱辊角太小无法起到整圆的作用。并且，环件辗轧过程中，轧机主、芯辊与环坯外环面和内环面接触弧长不等，造成环坯因受主、芯辊作用力距作用向其中一侧的抱辊偏移，而另一侧抱辊实为无接触。可见，假设两侧抱辊力对称与实际情况不符，尤其对于弱刚度环件，轧制时受载一侧抱辊至少要在此力矩作用下不发生失稳才能保证环件成形。

为了生产铝合金这类低刚度环件，2011年6月8日公开的中国发明专利说明书CN 102085552A公开了一种铝合金薄壁环件的辗轧成形方法，该方法提出将预轧坯和随动模套装进轧环机，使预轧坯套住随动模套，随动模套套住芯辊并且沿主辊的中心距方向预轧坯与主辊的外周面之间分别相切接触，预轧坯被两个抱辊在其外周面扶持，上锥辊与下锥辊沿随动模套和预轧坯的上、下端面夹持该两个工件。该方法的实质是通过在芯轴上套上随动模即增加了芯辊的直径，使环件内环面与随动模相切接触，增加了环件内环面的接触弧长，从而降低了轧环机芯辊等部件的影响，以及薄壁环件结构刚度较差易导致预轧坯出现塑性失稳而产生轧扁和喇叭口等现象。而2015年5月13日公开的中国发明专利说明书CN104607579A公开的一种铝合金厚壁环锻件的轧制成形方法，该方法提出当环坯被咬入进行轧制后，控制径向轧制力为180KN～1600KN，轴向轧制力为120KN～1400KN，分别驱动主辊以V1＝2.00mm/s～4.00mm/s径向进给速度、锥辊以1.10mm/s～2.20mm/s的轴向进给速度进行轧制成形；当达到了环锻件所需尺寸后控制锥辊不在向下进给运动，调整径向进给速度为 0.4mm/s并逐渐减小，对其进行校圆、整形。上述方法的实质是通过在不同轧环阶段环件的结构刚度的变化，控制径向进给量的大小实现环件的椭圆度控制。即环件在开始变形阶段，结构刚度较大，可采用较大的进给量，实现大压下；而在变形快结束的阶段，环件结构刚度较小，就采用较小的进给量实现校圆和整形。而调整进给量的目的也是为了减小接触弧长。可见，上述两种方法均是通过控制环件与主、芯辊的接触弧长实现低刚度环件的生产。然而，不论是直接更换大直径芯辊还是在芯轴上套随动模均会增加生产成本；而减小进给量则会延长环件轧制时间，不但降低了生产效率，甚至会使得热容量较低的材料如铝合金因温度过低而组织性能不合格。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种弱刚度环件轧制过程中抱辊力的控制方法及系统，能够对弱刚度环件的椭圆度进行精确控制，提高弱刚度环件产品的圆度。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种弱刚度环件轧制过程中抱辊力的控制方法，所述方法包括：

获取偏心角θ，所述偏心角θ为根据经验认为设定；

计算所述环件偏心θ时的最小抱辊力；

计算所述环件偏心θ时的最大抱辊力；

根据所述最小抱辊与所述最大抱辊力确定弱刚度环件轧制过程中抱辊力的取值范围；

根据所述抱辊力的取值范围对所述弱刚度环件轧制过程中抱辊力进行控制。

可选的，所述计算所述环件偏心θ时的最小抱辊力，具体包括：

根据公式计算所述环件偏心θ时的最小抱辊力Plmin,α，其中，Pθ为轧制力，aθ为主辊对所述所述环件的作用力与芯辊对所述环件的作用力之间的垂直距离，Rm为所述环件轧后的平均半径，α'为实际抱辊角，α'＝α-θ，α为无偏心时的抱辊角。

可选的，所述计算所述环件偏心θ时的最大抱辊力，具体包括：

获取任意环形截面；

计算所述环件在偏心θ时在轧制力作用下所述环截面的自转力矩

计算所述环件在偏心θ时径向轧制变形区作用下所述环截面的弯矩

计算所述环件在偏心θ时单抱辊作用下所述环截面的弯矩

根据公式计算环件在偏心θ时径向轧制时所述环截面的总弯矩

根据极值分析法对所述总弯矩进行分析，确定环件的最大弯矩 Mmax；

根据塑性失稳条件以及最大弯矩Mmax确定所述环件偏心θ时的最大抱辊力。

可选的，所述计算所述环件在偏心θ时在轧制力作用下所述环截面的自转力矩具体包括：

根据公式计算所述环件在偏心θ时轧制力作用下环截面的自转力矩其中，Pθ为轧制力，aθ为主辊对所述环件的作用力与芯辊对所述环件的作用力之间的垂直距离。

可选的，所述计算所述环件在偏心θ时径向轧制变形区作用下所述环截面的弯矩具体包括：

计算轧制变形时所述环件的伸长量Δl；

根据公式计算所述环件偏心θ轧制时的所述环件受到的切向力，其中，E和I为环件材料的弹性模量和截面惯性矩，B和H分别为环件的壁厚和高度，Rm为所述环件轧后的平均半径；

根据公式其中，计算所述环件在偏心θ时径向轧制变形区作用下所述环截面的弯矩

可选的，所述计算所述环件在偏心θ时单抱辊作用下所述环截面的弯矩具体包括：

根据公式

计算所述环件在偏心θ时单抱辊作用下所述环截面的弯矩α'为实际抱辊角，α'＝α-θ，α为无偏心时的抱辊角，Rm为所述环件轧后的平均半径，Pl为抱辊力。

本发明还提供了一种弱刚度环件轧制过程中抱辊力的控制系统，所述系统包括：

偏心角获取模块，用于获取偏心角θ，所述偏心角θ为根据经验认为设定；

最小抱辊力计算模块，用于计算所述环件偏心θ时的最小抱辊力；

最大抱辊力计算模块，用于计算所述环件偏心θ时的最大抱辊力；

抱辊力的取值范围确定模块，用于根据所述最小抱辊与所述最大抱辊力确定弱刚度环件轧制过程中抱辊力的取值范围；

控制模块，用于根据所述抱辊力的取值范围对所述弱刚度环件轧制过程中抱辊力进行控制。

可选的，所述最小抱辊力计算模块，具体包括：

最小抱辊力计算单元，用于根据公式计算所述环件偏心θ时的最小抱辊力Plmin,α，其中，Pθ为轧制力，aθ为主辊对所述环件的作用力与芯辊对所述环件的作用力之间的垂直距离，Rm为所述环件轧后的平均半径，α' 为实际抱辊角，α'＝α-θ，α为无偏心时的抱辊角。

可选的，所述最大抱辊力计算模块，具体包括：

截面获取单元，用于获取任意环形截面；

第一弯矩计算单元，用于计算所述环件在偏心θ时在轧制力作用下所述环截面的自转力矩

第二弯矩计算单元，用于计算所述环件在偏心θ时径向轧制变形区作用下所述环截面的弯矩

第三弯矩计算单元，用于计算所述环件在偏心θ时单抱辊作用下所述环截面的弯矩

总弯矩计算单元，用于根据公式计算环件在偏心θ时径向轧制时所述环截面的总弯矩

最大弯矩确定单元，用于根据极值分析法对所述总弯矩进行分析，确定环件的最大弯矩Mmax；

最大抱辊力确定单元，用于根据塑性失稳条件以及最大弯矩Mmax确定所述环件偏心θ时的最大抱辊力；

所述第一弯矩计算单元，具体包括：

根据公式计算所述环件在偏心θ时轧制力作用下所述环截面的自转力矩其中，Pθ为轧制力，aθ为主辊对所述环件的作用力与芯辊对所述环件的作用力之间的垂直距离；

所述第二弯矩计算单元，具体包括：

伸长量计算子单元，用于计算轧制变形时所述环件的伸长量Δl；

切向力计算子单元，用于根据公式计算所述环件偏心θ轧制时的所述环件受到的切向力，其中，E和I为环件材料的弹性模量和截面惯性矩，B和H分别为环件的壁厚和高度，Rm为所述环件轧后的平均半径；

第二弯矩计算子单元，用于根据公式其中，计算所述环件在偏心θ时径向轧制变形区作用下所述环截面的弯矩

可选的，所述第三弯矩计算单元，具体包括：

第三弯矩计算子单元，用于根据公式

计算所述环件在偏心θ时单抱辊作用下所述环截面的弯矩α'为实际抱辊角，α'＝α-θ，α为无偏心时的抱辊角，Rm为所述环件轧后的平均半径，Pl为抱辊力。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明通过建立考虑环件偏心的抱辊力和抱辊角计算数学模型，并且根据确定的轧制工艺参数包括轧制曲线和进给速率，为待进行的环件轧制过程提供前馈型的动态抱辊力和抱辊角数据，直接保证环件在轧制过程中抱辊控制的精度，从而保证环件椭圆度的精确控制，提高弱刚度环件产品的圆度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例弱刚度环件轧制过程中抱辊力的控制方法流程示意图；

图2为本发明实施例环件轧制过程的理论分析图；

图3为本发明实施例环件在无偏心径向轧制时环件的力学模型图；

图4为本发明实施例正常无偏心和偏心θ时环件径向轧制对比分析图；

图5为本发明实施例环件在偏心θ时径向轧制时径向变形区作用下环件力学模型图；

图6为本发明实施例环件在偏心θ时径向轧制时抱辊作用下环件力学模型图；

图7为本发明实施例弱刚度环件轧制过程中抱辊力的控制系统结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种弱刚度环件轧制过程中抱辊力的控制方法及系统，能够对弱刚度环件的椭圆度进行精确控制，提高弱刚度环件产品的圆度。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明实施例弱刚度环件轧制过程中抱辊力的控制方法流程示意图，如图1所示，具体步骤包括：

步骤101：获取偏心角θ，所述偏心角θ为根据经验认为设定；

步骤102：计算所述环件偏心θ时的最小抱辊力；

步骤103：计算所述环件偏心θ时的最大抱辊力；

步骤104：根据所述最小抱辊与所述最大抱辊力确定弱刚度环件轧制过程中抱辊力的取值范围；

步骤105：根据所述抱辊力的取值范围对所述弱刚度环件轧制过程中抱辊力进行控制。

其中，步骤102具体包括：根据公式计算所述环件偏心θ时的最小抱辊力Plmin,α，其中，Pθ为轧制力，aθ为主辊对所述环件的作用力与芯辊对所述环件的作用力之间的垂直距离，Rm为所述环件轧后的平均半径，α' 为实际抱辊角，α'＝α-θ，α为无偏心时的抱辊角。

下面对无偏心时，抱辊角α以及主辊对所述环件的作用力与芯辊对所述环件的作用力之间的垂直距离a进行计算。

根据轧制工艺参数计算环件轧制过程的轧制力P；

例如，对于开式轧制过程，根据轧制理论分析，轧制力可采用公式(1-1) 计算：

式中，k为环件材料在轧制条件下的剪切屈服强度，L1为环件与主辊接触弧长投影长度，L2为环件与芯辊接触弧长投影长度；H为环件的高度，h0为环件进入变形区前的壁厚，m为摩擦因子。

图2为本发明实施例环件轧制过程的理论分析图，如图2所示，环件出口壁厚为h，正常无偏心时主、芯辊与环件的接触角分别为β1和β2，主、芯辊对环件外表面和内表面的进给量为Δh1和Δh2，根据环轧理论有：

式中，R1和R2分别为主、芯辊的半径；r和R分别为轧前环件的内、外圆半径，Δh为环件外表面和内表面的进给量之和。

本发明将主辊和芯辊与环件接触弧长的中心作为轧制力P1和P2的作用点，且P2通过芯辊圆心O2，P1与其平行，此时，P1和P2大小相等均为轧制力P，但方向相反，垂直距离为a，由此产生的环件自转力矩，a的计算公式为：

图3为本发明实施例环件在无偏心径向轧制时环件的力学模型图，如图3 所示，由环件静态平衡条件可知，为使环件无偏心，抱辊角为α时抱辊力应满足以下临界条件：

式中，Rm为环件轧后的平均半径，Plmin,α为抱辊角为α时为使环件不偏心的最小抱辊力。

并且，当a＞0时，出口侧抱辊起作用，入口侧抱辊与环件空接触；a＜0时，入口侧抱辊起作用，出口侧抱辊与环件空接触。

结合已有分析结果，可确定抱辊角α时环件可承受的最大抱辊力Plmax,α。

当Plmin,α≤Plmax,α时，环件能够实现无偏心轧制，最终抱辊力Pl的允许范围为：

Plmin,α≤Pl≤Plmax,α (1-7)

当Plmin,α＞Plmax,α时，环件需进行偏心轧制，本发明为了使弱刚度环件在轧制时能够对弱刚度环件的椭圆度进行精确控制，提高弱刚度环件产品的圆度，引入了偏心角θ，图4为本发明实施例正常无偏心和偏心θ时环件径向轧制对比分析图，如图4所示，设定环件出口厚度的处的Os点为环件偏心旋转中心，偏心角θ＝∠OOsOθ'。根据图4中几何关系，计算主、芯辊与环件的实际接触角β1θ和β2θ：

β1θ＝β1-∠BO1Oθ' (1-8)

β2θ＝β2+∠EO2E' (1-9)

式中，∠BO1Oθ'和∠E'O2D'可由正弦定理确定：

计算实际抱辊角为α'时抱辊力临界值Plmin,α

当环件轧后尺寸不变的条件下，实际抱辊角为α'时抱辊力临界值为Plmin,α：

式中，α'＝α-θ为实际抱辊角是抱辊正压力方向与主、芯辊圆心连线的夹角；

Pθ、aθ为偏心θ轧制时轧制力、轧制力垂直距离，可由式(1-1)、式(1-5)、 (1-8)～(1-12)计算：

步骤103具体包括：

获取任意环形截面；

计算所述环件在偏心θ时在轧制力作用下所述环截面的自转力矩

计算所述环件在偏心θ时径向轧制变形区作用下环截面的弯矩

计算所述环件在偏心θ时单抱辊作用下环截面的弯矩

由弯矩可叠加性，根据公式计算环件在偏心θ时径向轧制时环截面的总弯矩

根据极值分析法对所述总弯矩M进行分析，确定环件的最大弯矩Mmax；

根据塑性失稳条件以及最大弯矩Mmax确定所述环件偏心θ时的最大抱辊力。

其中，最后两个步骤为数学分析过程，与环件是否偏心轧制无关，可以采用现有技术中的相关技术解决，本发明只给出环件偏心θ时环件任意截面的弯矩的计算方法:

1)计算所述环件在偏心θ时在轧制力作用下所述环截面的自转力矩 (为因轧制力使所述环件自转的力矩作用下环截面的弯矩)，具体包括：

图2为本发明实施例环件轧制过程的理论分析图，根据图2所示的几何关系，根据公式计算所述环件在偏心θ时轧制力作用下环截面的自转力矩其中，Pθ为轧制力，aθ为主辊对所述环件的作用力与芯辊对所述环件的作用力之间的垂直距离。

2)所述计算所述环件在偏心θ时径向轧制变形区作用下环截面的弯矩具体包括：

如图4中所示的几何关系，忽略轧制中环件的轴向宽展，由轧制变形时环件体积不变条件计算环件伸长量Δl；

其中，采用公式(1-16)和(1-17)的近似条件计算环件被主辊和芯辊压入部分的面积SABC和SDEF；

根据公式计算所述环件偏心θ轧制时的所述环件受到的切向力，其中，E和I为环件材料的弹性模量和截面惯性矩，B和H分别为环件的壁厚和高度，Rm为所述环件轧后的平均半径；

图5为本发明实施例环件在偏心θ时径向轧制时径向变形区作用下环件力学模型图，如图5所示的几何关系，根据公式其中，计算所述环件在偏心θ时径向轧制变形区作用下环截面的弯矩

3)所述计算所述环件在偏心θ时单抱辊作用下环截面的弯矩具体包括：

图6为本发明实施例环件在偏心θ时径向轧制时单侧抱辊作用下环件力学模型，如图6所示的几何关系，根据公式计算所述环件在偏心θ时单抱辊作用下环截面的弯矩α'为实际抱辊角，α'＝α-θ，α为无偏心时的抱辊角，Rm为所述环件轧后的平均半径，Pl为抱辊力。

本发明提供的弱刚度环件轧制过程中抱辊力的控制方法通过引入偏心角，建立考虑环件偏心的抱辊力和抱辊角计算数学模型，并且根据确定的轧制工艺参数包括轧制曲线和进给速率，为待进行的环件轧制过程提供前馈型的动态抱辊力和抱辊角数据，直接保证环件在轧制过程中抱辊控制的精度，从而保证环件椭圆度的精确控制，提高弱刚度环件产品的圆度。

为达到上述目的，本发明还提供了一种弱刚度环件轧制过程中抱辊力的控制系统，图7为本发明实施例弱刚度环件轧制过程中抱辊力的控制系统结构示意图，如图7所示，该系统包括：

偏心角获取模块701，用于获取偏心角θ，所述偏心角θ为根据经验认为设定；

最小抱辊力计算模块702，用于计算所述环件偏心θ时的最小抱辊力；

最大抱辊力计算模块703，用于计算所述环件偏心θ时的最大抱辊力；

抱辊力的取值范围确定模块704，用于根据所述最小抱辊与所述最大抱辊力确定弱刚度环件轧制过程中抱辊力的取值范围；

控制模块705，用于根据所述抱辊力的取值范围对所述弱刚度环件轧制过程中抱辊力进行控制。

其中，所述最小抱辊力计算模块702，具体包括：

最小抱辊力计算单元，用于根据公式计算所述环件偏心θ时的最小抱辊力Plmin,α，其中，Pθ为轧制力，aθ为主辊对所述环件的作用力与芯辊对所述环件的作用力之间的垂直距离，Rm为所述环件轧后的平均半径，α' 为实际抱辊角，α'＝α-θ，α为无偏心时的抱辊角。

所述最大抱辊力计算模块703，具体包括：

截面获取单元，用于获取任意环形截面；

第一弯矩计算单元，用于计算所述环件在偏心θ时因轧制力使所述环件自转的力矩作用下环截面的弯矩

第二弯矩计算单元，用于计算所述环件在偏心θ时径向轧制变形区作用下环截面的弯矩

第三弯矩计算单元，用于计算所述环件在偏心θ时单抱辊作用下环截面的弯矩

总弯矩计算单元，用于根据公式计算环件在偏心θ时径向轧制时环截面的总弯矩

最大弯矩确定单元，用于根据极值分析法对所述总弯矩M进行分析，确定环件的最大弯矩Mmax；

最大抱辊力确定单元，用于根据塑性失稳条件以及最大弯矩Mmax确定所述环件偏心θ时的最大抱辊力。

所述第一弯矩计算单元，具体包括：

伸长量计算子单元，用于计算轧制变形时所述环件的伸长量Δl；

切向力计算子单元，用于根据公式计算所述环件偏心θ轧制时的所述环件受到的切向力，其中，E和I为环件材料的弹性模量和截面惯性矩，B和H分别为环件的壁厚和高度，Rm为所述环件轧后的平均半径；

所述第一弯矩计算单元，具体包括：

根据公式计算所述环件在偏心θ时轧制力作用下所述环截面的自转力矩其中，Pθ为轧制力，aθ为主辊对所述环件的作用力与芯辊对所述环件的作用力之间的垂直距离；

所述第二弯矩计算单元，具体包括：

伸长量计算子单元，用于计算轧制变形时所述环件的伸长量Δl；

切向力计算子单元，用于根据公式计算所述环件偏心θ轧制时的所述环件受到的切向力，其中，E和I为环件材料的弹性模量和截面惯性矩，B和H分别为环件的壁厚和高度，Rm为所述环件轧后的平均半径；

第二弯矩计算子单元，用于根据公式其中，计算所述环件在偏心θ时径向轧制变形区作用下所述环截面的弯矩

所述第三弯矩计算单元，具体包括：

第三弯矩计算子单元，用于根据公式计算所述环件在偏心θ时单抱辊作用下所述环截面的弯矩α'为实际抱辊角，α'＝α-θ，α为无偏心时的抱辊角，Rm为所述环件轧后的平均半径，Pl为抱辊力。

本发明提供的弱刚度环件轧制过程中抱辊力的控制系统通过引入偏心角，建立考虑环件偏心的抱辊力和抱辊角计算数学模型，并且根据确定的轧制工艺参数包括轧制曲线和进给速率，为待进行的环件轧制过程提供前馈型的动态抱辊力和抱辊角数据，直接保证环件在轧制过程中抱辊控制的精度，从而保证环件椭圆度的精确控制，提高弱刚度环件产品的圆度。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。