径-轴向辗环实验测试装置与实验测试方法

摘要

本发明具体公开了径-轴向辗环实验测试装置及实验测试方法，包括径向轧制机构、轴向轧制机构以及机座，径向轧制机构和轴向轧制机构均活动连接在机座上；径向轧制机构包括主辊装置、芯辊装置、两套检测装置Ⅰ、两套驱动装置Ⅰ，主辊装置和芯辊装置分别与两套检测装置相连，两套驱动装置分别驱动芯辊装置和主辊装置；轴向轧制机构包括上、下锥辊装置、上锥辊滑块装置、三套检测装置Ⅱ、四套驱动装置Ⅱ和轴向机构机架，上锥辊装置设于上锥辊滑块装置上，上、下锥辊装置分别与轴向机构机架相连。本发明的有益效果是：设备结构紧凑，功能齐全，机身刚度大、变形小，使用安全可靠，设备全部采用电气控制。

说明书

技术领域

本发明涉及一种径-轴向辗环实验测试装置与实验测试方法，用于室温环境 下进行软金属材料小型环件的轧制，获得轴向轧制力、轴向轧制力矩以及径向 轧制力、径向轧制力矩等力能参数，为制定大型环件轧制工艺、环件轧制理论 研究创造实验条件。

背景技术

大型环件轧制是借助径-轴向辗环机使环件产生连续局部塑性变形，进而实 现壁厚减小、直径扩大、截面轮廓成形的塑性加工工艺。该工艺适用于生产各 种形状和尺寸的环形机械零件，如轴承环、齿圈、法兰、轮毂、薄壁筒形件、 风电法兰、高颈法兰等各类无缝环形锻件。由于径-轴向轧制技术具有节能、节 材、高效、优质等技术经济优点，大幅度降低了高性能大型环件的生产成本， 受到各行业的广泛关注。

径-轴向辗环机设备体积大，无法直接获取相关力能参数，只能通过设备的 液压系统压力值及电机的电压值、电流值等参数间接获取。由于液压泄露、摩 擦等因素的干扰，会使间接获取的参数存在较大的误差，给研究工作带来诸多 影响。同时利用径-轴向辗环机进行实验成本高，实验难度大，无法开展大量的 实验研究。对于径-轴向辗环研究较少，不仅是因为径轴向辗环工艺较径向辗环 受力情况复杂，缺少实验设备是限制其深入研究的最大瓶颈。

发明内容

本发明的目的就是为了解决现有技术的缺点，提供一种径-轴向辗环实验测 试装置与实验测试方法，用于室温环境下进行软金属材料小型环件的轧制，获 得轴向轧制力、轴向轧制力矩以及径向轧制力、径向轧制力矩等力能参数，为 制定大型环件轧制工艺、环件轧制理论研究创造实验条件。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

径-轴向辗环实验测试装置，包括径向轧制机构、轴向轧制机构以及机座， 所述的径向轧制机构和轴向轧制机构均活动连接在机座上；所述的径向轧制机 构主要包括主辊装置、芯辊装置、两套检测装置Ⅰ、两套驱动装置Ⅰ，所述的 主辊装置和芯辊装置分别与两套检测装置Ⅰ相连，所述的两套驱动装置Ⅰ分别 驱动芯辊装置水平运动和主辊装置轴向转动；所述的轴向轧制机构包括上锥辊 装置、下锥辊装置、上锥辊滑块装置、三套检测装置Ⅱ、四套驱动装置Ⅱ和轴 向机构机架，所述的上锥辊装置位于上锥辊滑块装置上，所述的上锥辊滑块装 置、下锥辊装置分别与轴向机构机架相连，上锥辊装置、下锥辊装置和上锥辊 滑块装置分别与三套检测装置Ⅱ相连，所述的四套驱动装置Ⅱ分别驱动上锥辊 装置、下锥辊装置做转动，上锥辊滑块装置做垂直运动，轴向机构机架做水平 运动。

所述的径向轧制机构和轴向轧制机构均通过导轨滑块安装在机座。

所述的主辊装置包括主辊和主辊座，所述的主辊安装在主辊座上，主辊座 与机座固定连接；所述的两套检测装置Ⅰ包括扭矩传感器Ⅰ，压力传感器Ⅰ； 所述的两套驱动装置Ⅰ包括伺服电机Ⅰ和伺服电机Ⅱ；所述的伺服电机Ⅱ通过 伺服减速机、联轴器与扭矩传感器Ⅰ相连；所述的扭矩传感器Ⅰ通过联轴器与 主辊相连；

所述的芯辊装置包括芯辊和芯辊支架，所述的芯辊安装于芯辊支架上，芯 辊支架通过导轨滑块安装在机座上；所述的芯辊支架通过联轴器、丝杠与伺服 电机Ⅰ相连，所述的伺服电机Ⅰ驱动芯辊支架做水平运动；所述的丝杠通过丝 杠螺母与压力传感器Ⅰ相连。

所述的三套检测装置Ⅱ包括扭矩传感器Ⅱ、扭矩传感器Ⅲ、压力传感器Ⅱ； 所述的四套驱动装置Ⅱ包括伺服电机Ⅲ、伺服电机Ⅳ、伺服电机Ⅴ和伺服电机 Ⅵ；所述的上锥辊滑块通过导轨滑块与轴向机构机架相连，所述的上锥辊滑块 通过丝杠在伺服电机Ⅲ的驱动下垂直运动；所述的丝杠通过丝杠螺母与压力传 感器Ⅱ相连。

所述的上锥辊装置包括上锥辊，所述的上锥辊通过联轴器连接扭矩传感器 Ⅱ，所述的扭矩传感器Ⅱ通过联轴器和伺服减速机与伺服电机Ⅳ相连，所述伺 服电机Ⅳ的驱动上锥辊转动。

所述的下锥辊装置包括下锥辊，所述的下锥辊通过联轴器连接扭矩传感器 Ⅲ，所述的扭矩传感器Ⅲ通过联轴器和伺服减速机与伺服电机Ⅴ相连，所述的 伺服电机Ⅴ驱动下锥辊转动。

所述的伺服电机Ⅵ通过联轴器和伺服减速机与丝杠相连，所述的丝杠通过 丝杠螺母与轴向机构机架相连。

所述的下锥辊装置安装在轴向机架上，不可垂直运动。

所述轴向轧制机构通过丝杠在伺服电机的驱动下水平运动。轴向轧制机构 产生的轴向轧制力矩通过扭矩传感器得到，轴向轧制力通过丝杠螺母连接的压 力传感器测量得到。

径向轧制机构上安装有扭矩传感器和压力传感器，用于检测轧制过程中产 生的径向轧制力和径向轧制力矩。轴向轧制机构上安装有扭矩传感器和压力传 感器，用于检测轧制过程中产生的轴向轧制力和轴向轧制力矩。

所述的径向轧制机构轧环的径向轧制力矩可通过扭矩传感器测量得到，径 向轧制机构轧环的径向轧制力通过丝杠螺母连接的压力传感器测量得到。

所述径-轴向辗环的实验测试方法，它的实验步骤为：

1）制坯：用纯铅作为材料，制作实验用的毛坯环件，即铅环；

2）安装：调整设备芯辊的位置，将铅环套在芯辊上，同时调整上锥辊装置 和下锥辊装置的位置，保证铅环端面位于上锥辊、下锥辊之间；

3）轧环：启动驱动主辊及上锥辊、下锥辊的伺服电机Ⅱ，伺服电机Ⅳ和伺 服电机Ⅴ，使主辊及上锥辊、下锥辊按照预先设定的转速转动；启动伺服电机 Ⅰ，使芯辊水平移动，则产生径向轧制力，芯辊进给量的大小由伺服电机Ⅰ的 转速确定，径向轧制力的大小可通过压力传感器Ⅰ获取，轧环的径向轧制力矩 可通过扭矩传感器Ⅰ测量得到；上锥辊滑块通过丝杠在伺服电机Ⅲ的驱动下垂 直运动，上锥辊滑块下移产生轴向轧制力，其大小可通过压力传感器Ⅱ获取， 轧环时轴向轧制机构产生的轴向轧制力矩通过扭矩传感器Ⅱ、扭矩传感器Ⅲ得 到；整体轴向轧制机构随环件的增大而后退，保证上、下锥辊与环件始终接触， 确保环件顺利轧制；

4）轧制力计算：将实验中获取的力能参数带入下面的公式中，则可获得实 际轧制过程中的轧制力大小。

$F_R=\frac{F_M}{K_Y{K}_L^2}$

K_Y—材料屈服应力之比。

K_L—几何相似常数，二者的半径之比。

F_R—真实环件轧制力。

F_M—实验模拟环件轧制力。

所述的径-轴向辗环的实验测试方法，依据相似性原理，所述实验环件的材 料为铅。因为铅在室温缓慢变形时基本无加工硬化，近似理想塑性状态，其常 温塑性性能与高温钢的塑性性能极为相似；且它在室温下能再结晶，通过改变 Sb的含量，可使其应变硬化系数n等于热钢，因而能在室温下模拟热态钢（温 度在950～1250℃）的成形。

所述的径-轴向辗环的实验测试方法，实验所得轧制力与实际辗环过程轧制 力之间的数理关系的确定方法为：

环件轧制过程所需的物理量包括：轧制力F，轧制力矩M，材料的屈服极限 σ_s，环件半径R。

运用相似准则关系式定理（相似第二定理），可得：

$\pi =F^a{M}^b{\sigma }_s^c{R}^d$

式中a，b，c，d为常数。

以[M]、[L]、[T]作为基本因次，得因次方程为：

π＝[MLT²]^a[MLT^-1]^b[ML^-1T^-2]^c[L]^d

对比上以上两式，可得实验所得轧制力与实际辗环过程轧制力之间的数理 关系为：

$F_R=\frac{F_M}{K_Y{K}_L^2}$

K_Y—材料屈服应力之比。

K_L—几何相似常数，二者的半径之比。

F_R—真实环件轧制力。

F_M—实验模拟环件轧制力。

制坯是根据实际轧制中环件的大小，按比例缩小环件尺寸，制定实验环件 的尺寸大小，并采用纯铅作为材料，制作实验用毛坯环件；

实验测试中采用铅环作为实验对象，利用所述实验装置对铅环进行轧制， 模拟大型环件的实际轧制过程，获取轧制过程中的相关力能参数。通过利用相 似性原理，建立轧制力与实际辗环过程轧制力之间的数理关系，并结合相关的 力能参数，可以得到实际辗环过程轧制力。

本发明的有益效果是：设备结构紧凑，功能齐全，机身刚度大、变形小， 使用安全可靠，设备全部采用电气控制，不采用任何液压传动控制，结构简单， 易于控制，实验操作简单方便，安全可靠。可实现室内室温环境下进行小型软 金属材料环件的轧制，获得轴向轧制力、轴向轧制力矩以及径向轧制力、径向 轧制力矩，为环件轧制理论研究创造实验条件。

附图说明

图1是本发明的设备结构图；

图2是本发明的径向轧制机构；

图3是本发明的轴向轧制机构的主视图；

图4是本发明的轴向轧制机构的俯视图。

图中，1、径向轧制机构；2、轴向轧制机构；3、机座；101、主辊座；102、 芯辊支架；103、压力传感器Ⅰ；104、丝杠；105、联轴器；106、伺服电机Ⅰ； 107、主辊；108、芯辊；109、联轴器；110、扭矩传感器Ⅰ；111、联轴器；112、 伺服减速机；113、伺服电机Ⅱ；201、丝杠；202、下锥辊；203、上锥辊；204、 上锥辊轴承座；205、联轴器；206、上锥辊滑块；207、压力传感器Ⅱ；208、 伺服电机Ⅲ；209、扭矩传感器Ⅱ；210、联轴器；211、伺服减速机；212、伺 服电机Ⅳ；213、丝杠；214、轴向机构机架；215、伺服电机Ⅵ；216、导轨； 217、滑块。

具体实施方式

一种径-轴向辗环实验测试装置，如图1所示，它主要由径向轧制机构1、 轴向轧制机构2以及机座3组成，径向轧制机构1和轴向轧制机构2均通过导 轨滑块安装在机座3上。机座3、轴向机架以及径向轧制机构1的机架均采用方 钢焊接而成，整个装置安装组合采用螺栓连接而成。径向轧制机构1主要由主 辊装置、芯辊装置组成，径向轧制机构1上安装有扭矩传感器Ⅰ110和压力传感 器Ⅰ103，用于检测轧制过程中产生的径向轧制力和径向轧制力矩。轴向轧制机 构2主要由上、下锥辊装置、上锥辊滑块206组成，轴向轧制机构2上安装有 扭矩传感器Ⅱ209和压力传感器Ⅱ207，用于检测轧制过程中产生的轴向轧制力 和轴向轧制力矩。

径向轧制机构如图2所示，主要对环件进行径向轧制，同时检测环件轧制 过程中的径向轧制力和径向轧制力矩。它主要由主辊107、芯辊108及其传动装 置组成。主辊107安装在主辊座101上，主辊座101与机架3固定连接使其不 能移动，主辊107通过联轴器109与扭矩传感器Ⅰ110连接，伺服电机113连接 伺服减速机112并通过联轴器111与扭矩传感器Ⅰ110相连接。芯辊108安装于 芯辊支架102上，芯辊支架102通过导轨滑块安装在机座3上，芯辊支架102 通过丝杠104在伺服电机Ⅰ106的驱动下带动芯辊108水平运动。环件的轧制过 程中，径向轧制机构1轧环的径向轧制力矩可通过扭矩传感器Ⅰ110测量得到， 径向轧制机构1轧环的径向轧制力通过丝杠螺母连接的压力传感器Ⅰ103测量得 到。

轴向轧制机构如图3所示，主要对环件进行轴向轧制，同时检测环件轧制 过程中的轴向轧制力和轴向轧制力矩。它主要由上锥辊203、下锥辊202、上锥 辊滑块203、轴向机构机架214组成。上锥辊203安装于上锥辊轴承座204上， 上锥辊203通过联轴器205连接扭矩传感器Ⅱ209，伺服电机Ⅳ212连接伺服减 速机211并通过联轴器210与扭矩传感器Ⅱ209连接，带动锥辊转动。上锥辊传 动装置安装于上锥辊滑块206上，上锥辊滑块206通过导轨216、滑块217与轴 向机构机架214相连，并通过丝杠213在伺服电机Ⅲ208的驱动下垂直运动。下 锥辊传动装置与上锥辊传动装置相同，下锥辊传动装置安装在轴向机架214上， 不可垂直运动。整个轴向轧制机构2通过丝杠201在伺服电机Ⅵ215的驱动下水 平运动，运动的速度由环件直径的增大速度决定，使锥辊与环件端面始终接触， 确保环件端面的轧制质量。轴向轧制机构2产生的轴向轧制力矩通过扭矩传感 器Ⅱ209得到，轴向轧制力通过丝杠螺母连接的压力传感器Ⅱ207测量得到。

下面对径-轴向辗环的实验测试方法进行一下说明，它的实验步骤为：

1）制坯：根据实际轧制中环件的大小，按比例缩小环件尺寸，制定实验环 件的尺寸大小，并采用纯铅作为材料，制作实验用毛坯环件。

2）安装：调整设备芯辊108的位置，将铅环套在芯辊108上，同时调整锥 辊的位置，保证铅环端面位于上、下锥辊之间。

3）轧环：启动驱动主辊107及上、下锥辊的伺服电机，使主辊107及上、 下锥辊按照预先设定的转速转动。启动伺服电机Ⅰ106，使芯辊108水平移动， 则产生径向轧制力，芯辊108进给量的大小由伺服电机Ⅰ106的转速确定，径向 轧制力的大小可通过压力传感器Ⅰ103获取，轧环的径向轧制力矩可通过扭矩传 感器Ⅰ110测量得到；上锥辊滑块206通过丝杠213在伺服电机Ⅲ208的驱动下 垂直运动，上锥辊滑块206下移产生轴向轧制力，其大小可通过压力传感器Ⅱ 207获取，轧环时轴向轧制机构2产生的轴向轧制力矩通过扭矩传感器Ⅱ209得 到。整体轴向轧制机2构随环件的增大而后退，保证锥辊与环件始终接触，确 保环件顺利轧制。

4）轧制力计算：环件轧制过程所需的物理量包括：轧制力F，轧制力矩M， 材料的屈服极限σ_s，环件半径R。

运用相似准则关系式定理（相似第二定理），可得：

$\pi =F^a{M}^b{\sigma }_s^c{R}^d$

式中a，b，c，d为常数。

以[M]、[L]、[T]作为基本因次，得因次方程为：

π＝[MLT²]^a[MLT^-1]^b[ML^-1T^-2]^c[L]^d

对比上以上两式，可得实验所得轧制力与实际辗环过程轧制力之间的数理 关系为：

$F_R=\frac{F_M}{K_Y{K}_L^2}$

K_Y—材料屈服应力之比。

K_L—几何相似常数，二者的半径之比。

F_R-真实环件轧制力。

F_M-实验模拟环件轧制力。

将实验中获取的力能参数带入上述公式中，则可获得实际轧制过程中的轧 制力大小。

需要说明的是，径-轴向辗环的实验测试方法中，依据相似性原理，所述实 验环件的材料为铅。因为铅在室温缓慢变形时基本无加工硬化，近似理想塑性 状态，其常温塑性性能与高温钢的塑性性能极为相似；且它在室温下能再结晶， 通过改变Sb的含量，可使其应变硬化系数n等于热钢，因而能在室温下模拟热 态钢（温度在950～1250℃）的成形。