專利名稱：一種三輥行星軋機(jī)軋輥參數(shù)自動(dòng)計(jì)算方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種壓力加工機(jī)械領(lǐng)域中的設(shè)計(jì)方法，尤其是一種三輥行星軋機(jī)軋輥參數(shù)自動(dòng)計(jì)算方法。
背景技術(shù)：
三輥行星軋機(jī)軋輥是用于軋制金屬管材的壓力加工機(jī)械設(shè)備，在使用中，當(dāng)軋輥的偏轉(zhuǎn)角和傾斜角發(fā)生變化時(shí)，平整區(qū)的半錐角也要相應(yīng)的發(fā)生變化，使軋制出的管坯壁厚產(chǎn)生波動(dòng)，降低產(chǎn)品的成材率，為解決這一問題，在生產(chǎn)過程中軋輥輥型一般采用試錯(cuò)法進(jìn)行設(shè)計(jì)，其基本方法是首先根據(jù)經(jīng)驗(yàn)預(yù)選定一種軋輥的外形尺寸并在生產(chǎn)中進(jìn)行生產(chǎn)調(diào)試，如果平整區(qū)的半錐角不能保證與軋制線平行，生產(chǎn)出的銅管產(chǎn)品壁厚波動(dòng)會(huì)較大，因此需要對(duì)軋輥平整區(qū)的半錐角進(jìn)行修正調(diào)整直到滿足產(chǎn)品的壁厚精度要求為止，這種試錯(cuò)的方法必然會(huì)對(duì)原料和加工實(shí)驗(yàn)費(fèi)用造成很大浪費(fèi)。

發(fā)明內(nèi)容
為彌補(bǔ)現(xiàn)有技術(shù)中浪費(fèi)原料和加工實(shí)驗(yàn)費(fèi)用的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)、提高軋件出口速度和保證管材壁厚均勻一致的三輥行星軋機(jī)軋輥參數(shù)自動(dòng)計(jì)算方法。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是三個(gè)軋輥的軸線彼此成120度角布置并且圍繞工件的軸線平均分布，與工件的軸線成一偏轉(zhuǎn)角而交叉，具有以下步驟A.軋輥的輪廓線按直線或弧線從軋件進(jìn)入方向依次分為咬入?yún)^(qū)、集中變形區(qū)、平整區(qū)和歸圓區(qū)；B.以軋件軸線作為軋制線，以該軋制線為一坐標(biāo)軸建立全局坐標(biāo)系；C.在上述全局坐標(biāo)系中通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換建立單個(gè)軋輥的局部坐標(biāo)系，得到從局部坐標(biāo)系到全局坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣；D.在軋輥的局部坐標(biāo)系中建立軋輥直線段與圓弧段的柱坐標(biāo)方程，并轉(zhuǎn)換到全局坐標(biāo)系中，得到全局坐標(biāo)系下軋輥的柱坐標(biāo)方程；E.用嚙合方程法根據(jù)上述柱坐標(biāo)方程計(jì)算軋輥與軋件的接觸線，當(dāng)平整區(qū)的接觸線與軋制線平行時(shí)，得到平整區(qū)的半錐角。
所述平整區(qū)為保證軋件的管坯1經(jīng)集中變形區(qū)II發(fā)生集中塑性變形后的壁厚基本無壓下量、軋件的直徑波動(dòng)很小的區(qū)域；所述嚙合方程法具體為，設(shè)軋輥和軋件的接觸點(diǎn)為軋輥與軋件的切點(diǎn)，切點(diǎn)的法線為經(jīng)過軋輥和軋件的中心軸且與兩中心軸垂直的線，以此確定法線方程及接觸點(diǎn)坐標(biāo)；所述接觸點(diǎn)坐標(biāo)采用最優(yōu)化方法迭代求解方程確定，并由此得出軋件在接觸點(diǎn)的半徑；通過連接接觸點(diǎn)獲得接觸線。
本發(fā)明具有以下有益效果及優(yōu)點(diǎn)1.實(shí)現(xiàn)軋輥輥型的自動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)。本發(fā)明采用嚙合方程法計(jì)算接觸線，以此確定接觸點(diǎn)的位置，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)計(jì)算出一定傾斜角和偏轉(zhuǎn)角下軋輥平整區(qū)的半錐角，降低了軋制力，提高軋件出口速度和保證管材壁厚的均勻一致，從而無需采用試錯(cuò)法對(duì)原料進(jìn)行加工實(shí)驗(yàn)，節(jié)省費(fèi)用；2.操作簡單，使用方便。采用本發(fā)明的輥型自動(dòng)設(shè)計(jì)方法，只需輸入相應(yīng)的工藝參數(shù)就可以設(shè)計(jì)出相應(yīng)的軋輥參數(shù)；3.為行星軋制工藝設(shè)計(jì)提供有力的依據(jù)。利用本發(fā)明得到的軋件形狀，易于找出軋輥平整區(qū)的半錐角和軋輥偏轉(zhuǎn)角和傾斜角的對(duì)應(yīng)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)軋輥傾斜角任意調(diào)整變化。


圖1為本發(fā)明軋輥局部坐標(biāo)系和總體坐標(biāo)系的關(guān)系圖；圖2為本發(fā)明軋輥縱向斷面各區(qū)示意圖；圖3為本發(fā)明軋輥輥型自動(dòng)計(jì)算方法流程圖；圖4為本發(fā)明軋輥輥型設(shè)計(jì)開發(fā)軟件界面。
具體實(shí)施例方式
三輥行星軋機(jī)軋輥縱向斷面各區(qū)示意圖影響平整區(qū)III軋件直徑波動(dòng)因素有軋輥平整區(qū)III的半錐角θ3、軋輥的偏轉(zhuǎn)角α和傾斜角β。要使平整區(qū)III處的軋件直徑保持基本一致，需要找到軋輥平整區(qū)III半錐角θ3和軋輥偏轉(zhuǎn)角α與傾斜角β之間的匹配關(guān)系，由此可見對(duì)軋輥平整區(qū)III半錐角θ2的計(jì)算設(shè)計(jì)具有很高的實(shí)用價(jià)值。
圖3為軋輥輥型自動(dòng)計(jì)算方法流程圖。由于三輥行星軋機(jī)軋輥具有一定的傾斜角β和偏轉(zhuǎn)角α空間幾何關(guān)系復(fù)雜，因此要準(zhǔn)確保證軋輥平整區(qū)III與軋制線平行，必須利用合理有效的數(shù)學(xué)計(jì)算方法，同時(shí)通過編制相應(yīng)的計(jì)算程序迭代求解出計(jì)算結(jié)果。
本軋輥輥型自動(dòng)計(jì)算方法步驟如下a.首先建立軋輥輥型設(shè)計(jì)程序與圖形輸出軟件的連接，以便于將設(shè)計(jì)出的軋輥圖形直接輸出；圖4為一種軋輥輥型的設(shè)計(jì)開發(fā)軟件界面，本實(shí)施例采用Visual Basic直接調(diào)用AUTOCAD軟件并可創(chuàng)建CAD圖形文件，可以實(shí)現(xiàn)輸入符合實(shí)際生產(chǎn)要求的任意軋輥偏轉(zhuǎn)角和傾斜角，就可以計(jì)算出與軋制線相平行的軋輥平整區(qū)半錐角θ3，同時(shí)可輸出相應(yīng)的其它各參數(shù)值；軋輥的輪廓線按直線或弧線從軋件進(jìn)入方向依次分為咬入?yún)^(qū)I、集中變形區(qū)II、平整區(qū)III和歸圓區(qū)IV；如圖2所示，軋輥可分為四個(gè)主要區(qū)域，咬入?yún)^(qū)I，集中變形區(qū)II，平整區(qū)III和歸圓區(qū)IV，其中1為管坯；2為軋輥；3為芯棒；4為管材。各區(qū)域的功能為咬入?yún)^(qū)I使軋件發(fā)生徑向壓縮，保證軋件的順利咬入；集中變形區(qū)II使軋件發(fā)生集中塑性變形，顯微組織晶粒細(xì)化，改善軋件的組織性能；平整區(qū)III為保證管坯1的壁厚，基本無壓下量，軋件的直徑波動(dòng)很?。籌V區(qū)為管材歸圓區(qū)，在這一區(qū)域彈性應(yīng)變釋放，管材擴(kuò)徑成型。從上面分析可以發(fā)現(xiàn)，平整區(qū)III是控制管坯成形質(zhì)量的關(guān)鍵部分；b.以軋件軸線作為軋制線，以該軋制線為一坐標(biāo)軸建立全局坐標(biāo)系；為了便于處理軋輥和軋件的幾何關(guān)系，建立如圖1所示的坐標(biāo)系o-xyz為全局坐標(biāo)系，本實(shí)施例以x軸作為軋件軸線；在上述全局坐標(biāo)系中通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換建立單個(gè)軋輥的局部坐標(biāo)系，得到從局部坐標(biāo)系到全局坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣；該步驟的具體過程為如圖1所示，由全局坐標(biāo)系o-xyz沿y軸正方向平移距離A(A為行星軋輥的軸心距離，即太陽輪軸心與行星輪軸心間的距離)得到第1中間坐標(biāo)系o1-x1y1z1，第1中間坐標(biāo)系o1-x1y1z1繞x1軸旋轉(zhuǎn)α角得到第2中間坐標(biāo)系o2-x2y2z2，第2中間坐標(biāo)系o2-x2y2z2繞z2軸旋轉(zhuǎn)-β角得到軋輥的局部坐標(biāo)系o3-x3y3z3；從全局坐標(biāo)系o-xyz變換到軋輥局部坐標(biāo)系o3-x3y3z3，坐標(biāo)需要經(jīng)過的中間變化為o-xyz，o1-x1y1z1坐標(biāo)系，o2-x2y2z2坐標(biāo)系，所以局部坐標(biāo)系o3-x3y3z3到全局坐標(biāo)系o-xyz的轉(zhuǎn)換矩陣為M=cosβsinβ00-sinβcosαcosβcosα-sinαA-sinβsinαcosβsinαcosα00001---(1)]]>坐標(biāo)變換為[x y z 1]T＝M[x3y3z31]T(2)；c.將軋輥的局部坐標(biāo)系o3-x3y3z3以柱坐標(biāo)表示，再轉(zhuǎn)換到全局坐標(biāo)系o-xyz坐標(biāo)系中，得到該坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的柱坐標(biāo)方程；軋輥輪廓線用柱坐標(biāo)方程表示可得到直線段r=ku+b0≤θ≤2π---(3)]]>其中，r為圓弧半徑，u為柱坐標(biāo)方程的橫軸坐標(biāo)值，k、b為常數(shù)；代入邊界條件計(jì)算，得到k，b值；圓弧段方程為(r-cri)2+(u-cui)2=ri20≤θ≤2π---(4)]]>代入圓心坐標(biāo)(CriCui)和圓弧半徑ri確定圓弧；在軋輥的局部坐標(biāo)系中建立軋輥直線段與圓弧線段的柱坐標(biāo)方程，并轉(zhuǎn)換到全局坐標(biāo)系中，得到全局坐標(biāo)系下軋輥的柱坐標(biāo)方程式；軋輥的柱坐標(biāo)為R3＝[x3y3z31]T＝[u rcosθ rsinθ 1]T(5)；轉(zhuǎn)換到全局坐標(biāo)系R0＝[x y z 1]T＝MR3(6)；其中θ是一個(gè)計(jì)算過程中的未知數(shù)，通過得到θ可以求得其他值；上式為軋輥全局坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，用柱坐標(biāo)的局部坐標(biāo)系表達(dá)式表達(dá)；本發(fā)明的特點(diǎn)之一即是通過柱坐標(biāo)方程來表達(dá)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的關(guān)系，簡化計(jì)算過程，實(shí)現(xiàn)對(duì)求解方程的建立；d.輸入軋機(jī)幾何參數(shù)和工藝參數(shù)；e.用嚙合方程法根據(jù)上述軋輥直線段與圓弧段的柱坐標(biāo)方程計(jì)算軋輥與軋件的接觸線；f.判斷平整區(qū)的接觸線與軋制線是否平行；在三輥行星軋制過程中軋輥和軋件的接觸為由軋入線和軋出線組成的面接觸，當(dāng)把軋件處理成剛性回轉(zhuǎn)體，軋輥和軋件的接觸轉(zhuǎn)換為線接觸，相當(dāng)于軋出線；接觸線的計(jì)算使用嚙合方程法計(jì)算，嚙合方程法認(rèn)為軋輥和軋件的接觸點(diǎn)為軋輥軋件的切點(diǎn)，切點(diǎn)的法線要經(jīng)過軋件和軋輥的兩個(gè)中心軸，選擇接觸點(diǎn)切線中互相垂直的兩條切線，以此確定接觸點(diǎn)的位置；通過連接平整區(qū)的各接觸點(diǎn)位置即可得出平整區(qū)的接觸線，當(dāng)平整區(qū)的接觸線與軋制線平行時(shí)，即可獲得滿足要求的平整區(qū)III的半錐角θ3，這也是本發(fā)明的核心特征，具體實(shí)現(xiàn)如下接觸點(diǎn)的法向矢量由兩條相互垂直的切線矢量叉乘得到NNxNyNz=∂R0∂u×∂R0∂θ---(7)]]>由于接觸點(diǎn)法線要過軋件軸線即x軸，設(shè)法線與x軸的交點(diǎn)為N，坐標(biāo)為N＝[xN0 0 1]T這里的xN為一定值，因此法線方程可寫成xN-xNx=-yNy=-zNz---(8)]]>可得方程yNz-zNy＝0 (9)將前面獲得的軋輥直線段與圓弧段的柱坐標(biāo)方程(3)式與(4)式和軋輥的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換式(6)式代入(9)式中，則(9)式變?yōu)閞，u，θ的函數(shù)，對(duì)給定u值r由前面方程確定，因此方程就變?yōu)棣鹊暮瘮?shù)；選擇優(yōu)化算法，確定迭代次數(shù)，通過迭代求解方程即可求得θ值，求得r，u，θ后即可獲得接觸點(diǎn)的坐標(biāo)，由接觸點(diǎn)坐標(biāo)可計(jì)算軋件在接觸點(diǎn)的半徑ρρ=y2+z2---(10);]]>連接一系列(x，ρ)接觸點(diǎn)得到接觸線，即可計(jì)算軋件在接觸點(diǎn)的半徑，判斷平整區(qū)III各接觸線是否與軋制線平行，如果不平行可通過調(diào)整平整區(qū)半錐角重新計(jì)算求解，不斷往復(fù)計(jì)算最后確定出平整區(qū)半錐角，保證軋輥平整區(qū)III與軋制線保持平行。
g.如平行，通過計(jì)算得到平整區(qū)的半錐角θ3；否則轉(zhuǎn)至步驟d，重新輸入?yún)?shù)，計(jì)算平整區(qū)的半錐角θ3h.計(jì)算軋輥其它各參數(shù)；i.繪制出三輥行星軋機(jī)軋輥的二維輪廓圖；j.輸出三輥行星軋輥機(jī)軋輥加工圖；k.保存并輸出圖形。
本發(fā)明在計(jì)算過程中，可以選擇優(yōu)化計(jì)算算法和迭代求解計(jì)算次數(shù)，提高計(jì)算的精度和準(zhǔn)確性。最后計(jì)算出的參數(shù)和圖形可以輸出加工圖。利用本軟件計(jì)算得到的軋件形狀，易于找出軋輥平整區(qū)的半錐角和軋輥偏轉(zhuǎn)角和傾斜角的對(duì)應(yīng)關(guān)系，這為行星軋制工藝設(shè)計(jì)提供有力的依據(jù)。三輥行星軋制工藝優(yōu)化的目標(biāo)應(yīng)當(dāng)是降低軋制力，提高軋件出口速度和保證管材壁厚的均勻一致。設(shè)計(jì)者可根據(jù)需要確定軋輥的偏轉(zhuǎn)角α和傾斜角β，再根據(jù)偏轉(zhuǎn)角α和傾斜角β確定軋輥平整區(qū)半錐角θ3，從而確定軋輥外形輪廓，保證軋制出優(yōu)質(zhì)管材產(chǎn)品。
本發(fā)明適用于各類三輥行星軋機(jī)。
權(quán)利要求
1.一種三輥行星軋機(jī)軋輥參數(shù)自動(dòng)計(jì)算方法，三個(gè)軋輥的軸線彼此成120度角布置并且圍繞工件的軸線平均分布，與工件的軸線成一偏轉(zhuǎn)角而交叉，其特征在于具有以下步驟A.軋輥的輪廓線按直線或弧線從軋件進(jìn)入方向依次分為咬入?yún)^(qū)(I)、集中變形區(qū)(II)、平整區(qū)(III)和歸圓區(qū)(IV)；B.以軋件軸線作為軋制線，以該軋制線為一坐標(biāo)軸建立全局坐標(biāo)系；C.在上述全局坐標(biāo)系中通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換建立單個(gè)軋輥的局部坐標(biāo)系，得到從局部坐標(biāo)系到全局坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣；D.在軋輥的局部坐標(biāo)系中建立軋輥直線段與圓弧段的柱坐標(biāo)方程，并轉(zhuǎn)換到全局坐標(biāo)系中，得到全局坐標(biāo)系下軋輥的柱坐標(biāo)方程；E.用嚙合方程法根據(jù)上述柱坐標(biāo)方程計(jì)算軋輥與軋件的接觸線，當(dāng)平整區(qū)的接觸線與軋制線平行時(shí)，得到平整區(qū)的半錐角。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三輥行星軋機(jī)軋輥參數(shù)自動(dòng)計(jì)算方法，其特征在于所述平整區(qū)(III)為保證軋件的管坯1經(jīng)集中變形區(qū)II發(fā)生集中塑性變形后的壁厚基本無壓下量、軋件的直徑波動(dòng)很小的區(qū)域。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三輥行星軋機(jī)軋輥參數(shù)自動(dòng)計(jì)算方法，其特征在于所述嚙合方程法具體為，設(shè)軋輥和軋件的接觸點(diǎn)為軋輥與軋件的切點(diǎn)，切點(diǎn)的法線為經(jīng)過軋輥和軋件的中心軸且與兩中心軸垂直的線，以此確定法線方程及接觸點(diǎn)坐標(biāo)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的三輥行星軋機(jī)軋輥參數(shù)自動(dòng)計(jì)算方法，其特征在于所述接觸點(diǎn)坐標(biāo)采用最優(yōu)化方法迭代求解方程確定，并由此得出軋件在接觸點(diǎn)的半徑。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三輥行星軋機(jī)軋輥參數(shù)自動(dòng)計(jì)算方法，其特征在于通過連接接觸點(diǎn)獲得接觸線。
全文摘要
本發(fā)明公開一種三輥行星軋機(jī)軋輥參數(shù)自動(dòng)計(jì)算方法，具有以下步驟軋輥的輪廓線按直線或弧線從軋件進(jìn)入方向依次分為咬入?yún)^(qū)、集中變形區(qū)、平整區(qū)和歸圓區(qū)；以軋件軸線作為軋制線，以軋制線為一坐標(biāo)軸建立全局坐標(biāo)系；在全局坐標(biāo)系中通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換建立單個(gè)軋輥的局部坐標(biāo)系，得到從局部坐標(biāo)系到全局坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣；在軋輥的局部坐標(biāo)系中建立軋輥直線段與圓弧段的柱坐標(biāo)方程，并轉(zhuǎn)換到全局坐標(biāo)系中，得到全局坐標(biāo)系下軋輥的柱坐標(biāo)方程；用嚙合方程法根據(jù)上述柱坐標(biāo)方程計(jì)算軋輥與軋件的接觸線，當(dāng)平整區(qū)的接觸線與軋制線平行時(shí)，得到平整區(qū)的半錐角。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了軋輥輥型的自動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)，操作簡單，使用方便，為行星軋制工藝設(shè)計(jì)提供有力的依據(jù)。
文檔編號(hào)B21B27/02GK101062509SQ200610046468
公開日2007年10月31日 申請(qǐng)日期2006年4月29日 優(yōu)先權(quán)日2006年4月29日
發(fā)明者李冰, 張光亮, 劉勁松, 張士宏, 朱士光, 張海渠, 張金利 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院金屬研究所