连续变截面棒轧制关键技术研究

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3.0 牛悦 2024-11-19 4 4 2.07MB 74 页 15积分

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摘要

本文主要介绍了连续变截面轧辊棒（TRR）轧制的关键技术。TRR 的轧制是

通过连续改变金属材料截面尺寸和形状，来生产棒材的工艺方法，是机械制造技

术及轧制技术交叉复合而成的零件制造方法，具有改善工件材料组织性能、节省

材料、生产率高的特点，是 21 世纪大力提倡的技术。本文对其成形原理与控制系

统的建立进行了理论研究，并对控制结果和成形仿真进行了模拟。

提出了变截面轧制成形的概念，探讨了变截面轧制成形的基本现象和规律，

初步建立了变截面轧制成形的基本理论框架。分析了咬入条件、咬入角、接触角、

稳定轧制条件和变截面轧制成形状态下金属运动形式及运动规律，推导了变形速

率的计算公式；研究了压下量对咬入角、接触角、变形区长度的影响规律，建立

了轧透性判定模型和最小压下量公式。

TRR 成形是传统轴向轧制和径向辊缝连续变化的有机结合。其最大的特点是

在轧制过程中，轧辊的辊缝必须连续、周期性地按预先设定的形状变化，而且各

辊缝的变化必须和轧制变形相协调。因此，必须借助高性能计算机对轧辊的辊缝

和速度进行实时控制，以快速响应、协调辊缝和速度的连续变化，从而实现由等

直径棒材到 TRR 的轧制。讨论了 TRR 其核心是传统纵轧与辊间距实时调整变化相

协调的过程以及相应轧制模型，给出了 TRR 轧制的关键是建立辊缝综合系统控制

模型，建立了变截面轧制的辊缝控制系统。

完成了对变截面轧制过程中液压伺服控制系统的建模和仿真。首先确立了液

压伺服控制系统的建模方案，建立了各种参数的数学模型。最后在 Simulink 中对

液压伺服控制系统进行了仿真，得到了控制仿真结果图，基本达到了 TRR 轧制控

制的要求。

采用 Deform 有限元软件，以 TRR 数学模型和轧制参数模型为基础，设定轧

辊孔型参数，对棒材连轧的全过程进行了建模与仿真，并分析了轧制过程中各个

道次的几何形状、等效应变、等效应力的和轧制力的分布情况。对 TRR 棒材连轧

的实现及工艺优化一定的指导作用。

关键词：连续变截面轧辊棒咬入条件稳定轧制条件轧制力轧制模型辊缝控制

成形仿真

ABSTRACT

This thesis presents the tailor rolled rod's key technology. Tailor rolled rod's rolling

is the manufacturing methods through the metal material change section size and shape

to the production of bar metal. It's the manufacturing methods between mechanical

manufacturing technology and cross-rolling technology. Materials with organizations to

improve performance, material savings, the characteristics of high productivity. This

method are strongly advocated in the 21st century. In this thesis, forming principle and

control system are studied, and the control result and deforming simulation are

simulated.

The concept of TRR's deforming is proposed, the basic phenomena and the

fundmental laws of TRR are discussed. The fundmental theory framework of TRR

deforming is established. The concept of biting conditions, biting angel, contact angle,

stable rolling conditions and the movement form and movement law of the steel in the

state of variable cross-section rolling are analyzed. The deforming velocity calculation

formula is derived. The influence law of press quantity to biting conditions, biting angel,

contact angle and the length of deforming zone are studied. The rolling permeability

model and the minimum press quantity are established.

TRR deforming is the organic combination between traditional horizontal rolling

and the continuous radial roller gap. The most prominent feature of TRR is that, in the

rolling process, the roller gap must be continuous and varies according to the shape

confirmed at first. Furthermore, they must be harmony with each other. Therefore,

high-performance computer must be used to control the roller gap and speed real-timely

to correspond to the roller gap and the speed in order to achieve the TRR form round

steel. The key of TRR rolling is to establish the AGC system.

The modeling and simulation of hydraulic servo control system in TRR rolling

process are accomplished. At first, the modeling project of hydraulic servo control

system is established through the research on modeling method. And then, the math

models of various parameters needed in the modeling process are established. At last,

the simulation of hydraulic servo control system is made in Simulink, and the control

result diagram is obtained, which achieve the requirement of TRR rolling control.

In Deform, based on TRR math model and rolling parameters, pass parameters are

set, the modeling and simulation of the whole process of TRR rolling are

established.The distribution of the geometry, equivalent strain, deforming zone's

equivalent stress in each pass are analyzed. This provide guiding roles to TRR rolling

and process optimization.

Key Word: Tailor Rolled Rods, Bite Condition, Stable Rolling Condition, Rolling

Force, Rolling model, Roller Gap Control, Forming Simulation

中文摘要

ABSTRACT

目录 ...............................................................................................................................1

第一章绪论 .....................................................................................................................1

§1.1 引言...................................................................................................................1

§1.2 课题研究背景以意义........................................................................................2

§1.3 国内外发展现状...............................................................................................3

§1.3.1 变截面棒材的无模拉伸..........................................................................3

§1.3.2 变截面棒材的楔横轧.............................................................................4

§1.3.3 变截面棒材的机床加工.........................................................................5

§1.4 研究目的和主要内容.......................................................................................6

第二章 TRR 成形的理论研究 ....................................................................................... 9

§2.1 TRR 轧制基本过程 ...........................................................................................9

§2.1.1 TRR 变形区的主要参数 .......................................................................10

§2.1.2 咬入条件...............................................................................................13

§2.1.3 TRR 稳定轧制条件 ...............................................................................16

§2.2 TRR 变形区金属的流动 .................................................................................19

§2.2.1 金属在 TRR 变形区内的流动规律 ......................................................19

§2.2.2 变形区金属的运动形式.......................................................................22

§2.2.3 变形区金属的速度关系.......................................................................23

§2.2.4 变形速度的计算...................................................................................24

§2.3 工件的轧透性与影响因素分析......................................................................26

§2.3.1 塑性轧透性的模型和轧透条件............................................................26

§2.3.2 影响塑性轧透性因素分析...................................................................28

§2.4 小结..................................................................................................................29

第三章 TRR 轧制控制建模 ......................................................................................... 31

§3.1 轧制控制技术的发展......................................................................................31

§3.2 TRR 轧制控制系统模型的建立 .....................................................................32

§3.2.1 TRR 数学模型的建立 ...........................................................................32

§3.2.2 金属塑性变形抗力模型.......................................................................35

§3.2.3 宽展模型...............................................................................................36

§3.2.4 接触面积的计算...................................................................................37

§3.2.5 轧制力模型...........................................................................................37

§3.2.6 轧制力矩模型.......................................................................................38

§3.2.7 轧件断面面积计算公式.......................................................................38

§3.2.8 棒材轧制时平均轧辊半径的计算模型...............................................40

§3.3 TRR 的辊缝控制方法 .....................................................................................43

§3.3.1 辊缝控制综述........................................................................................43

§3.3.2 液压 AGC 系统的构成........................................................................ 44

§3.4 小结.................................................................................................................46

第四章 TRR 轧制过程建模及仿真 ............................................................................. 47

§4.1 液压系统仿真技术简介.................................................................................47

§4.1.1 Matlab/Simulink 工具箱 ....................................................................... 47

§4.1.2 Matlab/Simulink 功能介绍 .................................................................. 48

§4.2 轧制控制仿真..................................................................................................49

§4.3 液压伺服系统建模方法..................................................................................50

§4.4 液压伺服控制系统建模..................................................................................52

§4.4.1 确立液压伺服系统建模方案................................................................52

§4.4.2 液压伺服系统数学模型的建立............................................................52

§4.5 液压伺服系统仿真..........................................................................................56

§4.6 小结..................................................................................................................58

第五章 TRR 轧制的成形仿真 ...................................................................................... 59

§5.1 建立仿真模型..................................................................................................59

§5.1.1 几何实体的建立....................................................................................59

§5.1.2 轧制模型的整体建构............................................................................60

§5.2 模拟计算..........................................................................................................60

§5.2.1 模拟参数的选取....................................................................................60

§5.2.2 模拟中材料模型的选取........................................................................61

§5.3 模拟结果分析..................................................................................................61

§5.3.1 几何形状分析........................................................................................61

§5.3.2 等效应变分析........................................................................................63

§5.3.3 变形区等效应力分析............................................................................64

§5.3.4 轧制力分析............................................................................................65

§5.4 小结..................................................................................................................65

错误！未定义样式。

第一章绪论

§1.1 引言

棒材轧制经历了从单机架、布棋式、跟踪式和半连轧式，发展到目前广泛采

用的全连续式，设备也相应从二辊、三辊式轧机发展到了悬臂式和平立可互换的

短应力线轧机。

棒材轧制必须采用具有与轧制产品的尺寸相匹配孔型的轧辊，一旦轧制不同

尺寸的产品时，则必须更换这些轧辊。因此，为了离线加工和更换轧辊的需要，

轧辊必须设计成可以方便更换。由于孔型的实际数量与需要轧制产品规格的数量

相对应，因而现场必须备有大量的轧辊和导向装置。显然棒材轧制产品规格的改

变是其生产率低和成本高的主要原因[1]。

在传统的轧钢生产中，相邻轧件间要保持一定的间隔，这样咬入产生的冲击

载荷会导致设备使用寿命降低，轧辊耗增大，有效作业率降低等。但随着无头轧

制技术(EWR 技术和 ECR 技术)的出现[2~4]，这一问题得到了圆满解决。

(1)EWR 技术。焊接无头轧制 EWR(Endless Welding Rolling)是一项适用于长材(包

括板材)轧制的新技术。自从 1998 年3月在日本东京高松厂问世以来，有了快速的

发展。该技术已经成功地应用在泰国、马来西亚、墨西哥等长材生产厂。继我国

第一家采用该技术的唐钢棒材厂之后，新疆八一钢铁公司和涟源钢铁公司也订购

了Danieli 公司的焊接无头轧制设备。

闪光焊机设在加热工序之后，焊接过程由计算机控制，并纳入了轧钢自动化

系统，因而焊接过程的稳定性极好。最大可对焊规格达 200mm×200mm。唐钢对

焊165mm 方坯所需周期约为 37～40 秒，其中焊接时间约为 10 秒。由于焊接技术

的提高，焊口位置不但不存在内部缺陷，强度指标也不亚于轧件母体。

无头轧制与常规轧制相比，生产效率提高 12%～16%，生产成本降低了 2.5%～

3.0%，棒材定尺率接近 100%，金属收得率提高 1%。从轧件品质分析，因为轧制

时仅存在着一个头部，所以能明显减少轧件纵向尺寸和性能的不均现象。

(2)ECR 技术。2000 年10 月世界上第一套年产 50 万吨的 Luna ECR 特殊钢无头连

铸连轧生产线在意大利 ABS 钢厂正式投产。无头连铸连轧 ECR(Endless Casting

Rolling)技术的问世，是继 EWR 之后出现的无头轧制技术。从技术角度讲，ECR

给长材轧制工艺带来了一场革命性变化。它实现了从连铸、连轧、在线热处理、

表面精整，到在线检查的全连续化，全部工序都实现了计算机控制。

当今世界特殊钢工业生产技术发展十分迅速，工业发达国家相继开发了许多

新工艺、新技术和新设备，特殊钢的棒材轧制工艺业已经发生了巨大的变化。近

连续变截面棒轧制关键技术研究

些年来世界各国对棒材生产的品种、规模和产品质量不断调整，产品品种已从多

种类型向同类型发展。特别是外国一些先进的、著名的特殊钢企业，从 80 年代开

始就进行了一定的专业化改组或改造，通过公司间的合理化、专业化的有机重组，

达到了降低生产成本、提高产品质量的目的。

80 年代以前，美国、日本和西欧建设了多套生产特殊钢的棒线材复合轧机。

在一条生产线上，其产品规格大到Φ150mm 的大棒材、小到Φ10mm 的小棒材和

Φ6.5mm 的线材，附加设备太多，造成设备利用率低，导致生产成本高。80 年代

末到 90 年代初，追求低成本、高设备利用率和专业化生产是当今特殊钢生产的潮

流。我国特钢公司为确定自己的产品和市场，对公司内的各条生产线进行合理分

工，按工艺技术装备优势互补和生产能力平衡的原则进行工艺设备结构的调整，

最终走到同类产品的专业化分工和生产，达到降低成本的目的[5,6]。

§1.2 课题研究背景以意义

飞鸟是人们能够想象到的轻量化的最优模型。进化了数百万年，鸟类才从沉

重、笨拙的动物变为空中轻盈优雅的飞禽。它们轻量化的秘密在于高强度的材料

和中空的新生羽毛与骨骼。它们完美地诠释了轻量化的真谛：极度轻盈的材料和

完美的结构的天才般的结合[7]。

然而，轻量化的结构通常并不容易得到，因为它要冒着安全性的危险。相反，

轻量化必须要提高安全性。因此，轻量化结构必须回答一个问题：安全得到最大

优化并且节约成本的产品能否找到。

“加强环境保护，实现可持续发展”已经成为各国政府和广大民众的共识。

政府通过出台日益严格的环保法规来促进环保，民众通过消费选择来表现自己的

环保理念。在 21 世纪，达不到环保和节能要求的产品，将陷人法规上不允许生产，

市场上无人选购，出口得不到许可的境地。

随着计算机技术的迅速发展和市场竞争的日益激烈，各生产企业对棒材尺寸

精度、力学性能、产品质量、生产成本以及开发周期要求的不断提高，应用计算

机模拟技术来仿真棒材连轧的全过程，预报产品的可制造性及产品精度已成为钢

铁产业增强自身市场竞争力的必需手段。通过此种计算机辅助设计与制造的方法，

我们可以获得优化的孔型设计参数、工艺参数和设备参数，指导棒材的生产和设

备设计加工，进而减少因试生产造成的浪费，节约能源、节约资源。

金属材料尤其是钢铁材料的塑性加工，90%以上是通过轧制完成的。现在用于

变刚度弹簧和变截面梁的变截面棒，一种是机床加工，一种是直接无模拉伸。但

其原始毛坯仍主要采用等径棒料，是否可以直接成形出按照要求直径连续变化的

棒料呢?这就是通过柔性轧制工艺生产的连续变截面棒(Tailor Rolling Rods，

错误！未定义样式。

TRR)，它是一种新的轧制技术生产的棒。变截面圆棒经加工后制成的零部件将具

有更好的承载能力，且明显地减轻了质量。

本课题着重研究 TRR 在轧制过程中的关键技术--轧制控制技术，以使 TRR 的

生产和应用成为可能。

§1.3 国内外发展现状

由于钢材不仅具有优异的性能价格比，还有人类长期以来所积累起来的最为

成熟的冶金技术和成形加工经验，使之在机械和汽车行业中坐拥不可撼动的霸主

地位[8]。作为世界第一产钢大国，我国的棒线材连轧能力亦居世界首位，但在产品

质量以及生产高附加值产品等方面上还存在较大问题，与发达国家相比仍有相当

大的差距。为了满足社会需求和适应市场竞争，我国的钢铁企业必须不断改进生

产工艺、改善产品组织性能，同时降低开发与生产成本，缩短开发周期。

但是，在连续变截面轧钢方面的研究现在在国内并不多，而在连续变截面棒

的轧制上研究更是一片空白。连续变截面棒的连续轧制现在国内外还几乎没有什

么研究。连续变截面板（TRB）的轧制[9,10]仅局限于板材等其他型材。在应用到变

截面棒的领域，变簧丝直径弹簧和变截面梁方向的主要研究还是以无模拉伸、楔

横轧、机床加工、旋转锻造等为主。

§1.3.1 变截面棒材的无模拉伸

无模拉伸成形是一种不采用模具而进行金属成型的加工方法，工件的一端固

定，采用感应加热（或其他方式）对工件进行局部加热到高温，使材料在被拉伸

方向上形成合适的温度梯度，同时以设定的速度拉工件的另一端，而热源和冷却

系统则以设定的速度向相反或相同的方向移动，从而获得变截面的产品。

其特点是：（1）不采用模具，材料的变形程度可以在拉伸的过程中随时间变

化；（2）材料的变形是在局部区域发生的，并通过局部区域材料在变形过程中稳

定扩展，使材料得到整体上的变形；（3）材料的变形过程在高温范围内进行，其

原始组织状态在变形过程中并无影响。

无模拉伸金属成形工艺的基本形式有两种，即非连续式无模拉伸和连续式无

模拉伸[11,12]，如图1.1示。

显而易见，无模拉伸有着无摩擦、拉伸力小、断面减缩力大、灵活性高等优

点，但是这种工艺过程比较繁琐，耗能比较大。

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摘要本文主要介绍了连续变截面轧辊棒（TRR）轧制的关键技术。TRR的轧制是通过连续改变金属材料截面尺寸和形状，来生产棒材的工艺方法，是机械制造技术及轧制技术交叉复合而成的零件制造方法，具有改善工件材料组织性能、节省材料、生产率高的特点，是21世纪大力提倡的技术。本文对其成形原理与控制系统的建立进行了理论研究，并对控制结果和成形仿真进行了模拟。提出了变截面轧制成形的概念，探讨了变截面轧制成形的基本现象和规律，初步建立了变截面轧制成形的基本理论框架。分析了咬入条件、咬入角、接触角、稳定轧制条件和变截面轧制成形状态下金属运动形式及运动规律，推导了变形速率的计算公式；研究了压下量对咬入角、接触角、变形...

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