多楔楔横轧端面移动量实时测试系统研制

D01:10.13374/i.1s8n1001053x.2001.05.023 第26卷第5期 北京科技大学学报 VoL.26 No.5 2004年10月 Journal of University of Science and Technology Beijing 0ct.2004 多楔楔横轧端面移动量实时测试系统研制 邢希东12)束学道”胡正寰》 1)北京科技大学机械工程学院，北京1000832)山东理工大学机械工程学院，淄博255049 摘要研制了多楔楔横轧端面移动量实时测试系统.准确测出单楔与多楔轧制过程中轧 件端面移动量变化全貌，分析得到端面移动量变化规律，并与有限元模拟结果比较，其误差 在17%以下，证明上述端面移动量测试系统准确可行. 关键词多楔：楔横轧：实时检测：检测系统 分类号TG335.19 楔横轧是对轧件进行径向压下、轴向延伸并 模拟，模拟结果与实验测试结果基本一致，证明 横向扩展的塑性成形新工艺.作为一种先进的轴 本文所研制的测试系统切实可靠， 类零件成形方法，它具有高节材率、高效率、高模 具寿命、低产品成本、清洁生产等优点而得到广 1测试方案的确定 泛应用，多楔楔横轧是楔横轧生产的一种，它具 测试主要目的是获得不同工艺参数下多楔 有显著节省辊面、减小轧辊直径和设备本体尺 轧制过程中端面移动量变化规律.实验用管式电 寸、降低造价、易于实现专业化大批量生产等优 炉对轧件进行加热，轧件出炉温度在1150℃左 点.对于超大型轴类零件如火车RD2车轴，目前 右.实验方案分5组进行，其轧制工艺参数如表1 无法利用现有设备进行大批量专业化生产，只能 所示，根据理论与实践，成形角a,展宽角B,断面收 采用多楔楔横轧方法，这是多楔楔横轧所独有的 缩率w依次在20°≤a≤34°，5°≤≤9°，10%≤y 优点，然而多楔轧制所用模具比单楔模具更复 ≤70%范围内选择.为了便于有限元模拟结果与 杂，工艺调整难度更大列，其轧制各阶段主楔与 实际测试结果对比，仅取表1所示的工艺参数. 侧楔之间的制约关系和成形机理比单楔更复杂， 这使得在进行多楔模具的优化设计与计算机仿 表1实验轧制工艺参数 真工作中所需做的工作更多， Table 1 Experimental process parameters for multi-wed- 当楔形模具从轧件中部楔入时，轧件上未参 ge cross wedge rolling 加变形的端部向外移动，其移动的距离就是轧件 组数 华/% B1() a/() 8/() 1 10 端面移动量.由于轧件是在旋转中产生变形并 6 34 0.6022 2 子 6 32 1.5052 最后形成的，这使得轧件端面移动量表现出相当 3 40 6 30 2.4075 复杂的变化规律，尤其在多楔轧制过程中，为了 4 50 8 28 4.0196 顺利解决多楔轧制的上述难点，必须精确确定楔 5 60 6 28 4.8200 与楔之间的相对位置，即必须准确弄清轴类零件 多楔轧制过程中端面移动量变化规律.本文以双 2测试系统组成 楔楔横轧为例，研制了多楔楔横轧端面移动量测 试系统，实时准确测出单楔与多楔轧制过程中轧 本测试实验在北京科技大学模具中心H630 轧机上进行. 件端面移动量变化全貌.采用有限元分析软件 Ansys/Ls-Dyna3D对多楔楔横轧过程进行有限元 测试系统由位移传感器、数据采集卡 AD7202与电脑组成.位移传感器系统如图1所 收稿日期200402-22邢希东男，36岁，博士研究生 示（包括夹具、磁力座与位移传感器），实验中采 *国家自然科学基金资助项目(No.50205004:50035010) 用启动轧制方式轧制零件

第 ‘ 卷 第 期 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 从】 。 多楔楔横轧端面移动量实时测试系统研制 邢 希 东 ’， 束 学道 ‘， 胡正 寰 ” 北 京 科技 大学机械工 程 学 院 ， 北 京 山 东理 工 大 学机械 工 程 学 院 ， 淄博 摘 要 研制 了多楔 楔横轧端面 移动 量 实时测 试 系统 准确 测 出单楔 与 多楔 轧制过 程 中轧 件端 面 移 动 量 变化全貌 ， 分 析得 到 端面 移 动 量 变化 规 律 ， 并与 有 限元 模拟 结果 比较 ， 其 误 差 在 以下 ， 证 明上 述端 面 移 动 量 测试 系统准确 可 行 关键词 多楔 楔横 轧 实 时检 测 检测 系 统 分 类号 楔横 轧 是对 轧件 进 行 径 向压 下 、 轴 向延 伸 并 横 向扩 展 的塑 性成 形 新 工 艺 作 为一种先进 的轴 类 零件 成形 方法 ， 它 具有 高节材 率 、 高效率 、 高模 具寿命 、 低 产 品成 本 、 清 洁 生产 等优 点“ ，而 得 到广 泛 应 用 多楔楔 横 轧 是楔 横 轧 生产 的一 种 ， 它 具 有 显 著 节 省 辊 面 、 减 小 轧 辊 直 径 和 设 备 本 体 尺 寸 、 降低 造 价 、 易于 实现 专 业 化 大批 量 生 产 等 优 点 对 于 超 大 型轴 类 零件 如火 车 车 轴 ， 目前 无法利 用 现 有 设备 进 行 大批 量 专 业 化 生 产 ， 只 能 采 用 多楔楔横 轧方 法 ， 这 是 多楔楔横 轧所 独 有 的 优 点 然 而 多楔 轧 制 所 用 模 具 比单 楔 模 具 更 复 杂 ， 工 艺 调 整难 度 更 大 口 ， ” ， 其 轧制 各 阶段 主 楔 与 侧 楔之 间 的制 约 关系 和 成 形机 理 比单 楔 更 复杂 ， 这 使 得 在 进 行 多楔 模 具 的优 化 设 计 与 计 算 机 仿 真 工 作 中所 需做 的工 作更 多 当楔 形模具 从 轧件 中部楔 入 时 ， 轧件 上 未参 加变形 的端 部 向外移动 ， 其 移 动 的距 离就 是 轧件 端 面移 动 量 ‘，， 由于 轧 件 是 在 旋 转 中产 生变 形 并 最后形 成 的 ， 这 使得轧件 端面移 动 量表 现 出相 当 复杂 的变 化规 律 ， 尤其 在 多楔 轧制 过 程 中 为 了 顺 利解 决 多楔 轧制 的上述难 点 ， 必 须精 确 确 定楔 与楔 之 间 的相对位 置 ， 即 必 须准 确 弄清 轴类 零件 多楔轧制过程 中端面 移动 量 变化 规律 本文 以双 楔楔横轧 为例 ， 研 制 了多楔楔横 轧端 面 移 动 量 测 试 系 统 ， 实 时准 确 测 出单楔 与 多楔 轧制 过程 中轧 件 端 面 移 动 量 变 化 全 貌 采 用 有 限元 分 析 软件 几 一伪 对 多楔 楔 横 轧过 程 进 行 有 限元 模拟 ， 模 拟 结 果 与 实验 测 试 结 果基 本 一致 ， 证 明 本 文所 研 制 的测 试 系统 切 实可 靠 测 试 方 案 的确定 测 试 主 要 目的 是 获 得 不 同 工 艺 参 数 下 多楔 轧制 过 程 中端 面移动 量 变 化 规律 实验 用 管式 电 炉 对 轧 件 进 行 加 热 ， 轧件 出炉 温 度 在 ℃ 左 右 实验 方 案分 组进 行 ， 其 轧 制 工 艺参数 如表 所 示 根 据 理论 与实 践 ， 成 形 角， 展 宽角刀 ， 断面 收 缩 率 尹 依 次在 蕊 蕊 ， 蕊刀蕊 ， 簇 笋 蕊 范 围 内选 择 为 了便 于 有 限元 模 拟 结 果 与 实 际测试 结 果 对 比 ， 仅 取 表 所 示 的工 艺 参数 表 实验 轧 制工 艺 参数 罗 组 数 尹 刀 收稿 日期 一 邢 希 东 男 ， 岁 ， 博士 研 究生 国家 自然科学 基金 资助 项 目 测 试 系统 组 成 本 测 试 实 验 在 北 京 科 技 大 学模 具 中心 轧机 上 进 行 测 试 系 统 由 位 移 传 感 器 、 数 据 采 集 卡 与 电脑 组 成 位 移传 感 器 系统 如 图 所 示 包 括 夹 具 、 磁 力座 与位 移 传 感 器 实验 中采 用 启 动 轧制 方 式 轧制 零 件 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．2004．05．023

Vol.26 No.5 邢希东等：多楔楔横轧端面移动量实时测试系统研制 ·549· 1,2,4,8或1,10,100,1000. (4)电流监测功能：本板只需焊接上检测电 阻，就能够实现电流检测， 磁力座 (⑤)AD硬件定时：板上提供硬件定时器，保证 准确的时间基准，以实现高精度的数据采集， 位移传感器夹具 3端面移动量在线测试系统原理 图1位移传感器系统 系统测试原理流程为：位移传感器一信号调 Fig.1 Displacement sensor system 理一AD数字采集卡(AD7202卡)一计算机一显 2.1位移传感器 示器输出结果， 实验中采用差动变压器式位移传感器，它由 楔横轧轧制过程通常分为楔入段、展宽段、 磁力座上的夹具夹住，磁力座置于传动侧下轴承 精整段2.在不同轧制阶段，轧件端面移动量分 座的上端面上，被平稳地放在上、下轧辊中间，位 别呈现出不同的变化规律，与轧件紧密接触的位 移传感器测杆正好与轧件表面相垂直并且接触， 移传感器测杆也表现出相应的变化规律.位移传 如图1所示.位移传感器主要由一个原边线圈与 感器在圆柱形骨架上分别绕有一个原边线圈和 两个付边线圈及相应电路组成.采用直接标定法 两个付边线圈，原边线圈接5kHz振荡器，受力测 标定，标定曲线如图2所示. 杆带动骨架内的铁芯移动时，由于电磁感应原 200 理，在两个付边线圈上分别感应出交流电压，经 160 检波和差动电路，产生差动直流电压输出，该电 120 压与铁芯位置呈线性关系.再由AD接口，电压 信号经AD7202送入计算机，利用标定数据由相 80 应的软件计算出结果并显示在显示器上， 40 为了抑制共模干扰，必须遵循系统中各部分 0 电路的低端都应单独接到单一公共地原则阿.为 -3 -11 了保证位移传感器与线路板的匹配，将位移传感 电压V 器输出信号线串连上2kΩ的电阻，之后信号方可 图2位移传感器标定曲线 Fig.2 Curve of calibrated displacement 由AD7202输入到电脑 由标定结果可得，该位移传感器线性度： 4 测试结果与分析 d=告-0158% (1) 工艺参数w=40%,a=30°，B=6°与0=2.4075° 式中，△w为最大偏差值，0.0158V；U为满量程值， U=U-U。=5.0010-(-5.0010)10.0020V 工况下的单楔与双楔测试结果如图3所示， 2.2数据采集卡AD7202 45 采用AD7202卡（该卡插在主机箱内主板中）， 35 双楔测试 该卡通过采用高速高精度AD芯片、高精度仪器 放大器、高密度FPGA逻辑芯片、精细布线以及 25 优良制版工艺，实现了高速、高精度实时数据采 15 单楔测试 集，具有以下性能特点： (1)AD高精度：AD采样精度12位，单端AD 通道数32通道，双端方式16通道，误差小于±0.5 00.51.01.52.02.53.0 LSB. 时间/s (2)AD高速度：单通道采集速度达到100 图3w-40%,a=30°，=6°，0=2.4075°工况下测试结果 ksPS(Sample Per Second)),多通道达到90kSPS Fig.3 Monitoring results while the area reduction 40%, 以上， the forming angle a=30°，the knifing angle-6°and the (3)程控放大器功能：可以设置放大倍数为 angle of displacement 6-2.4075

邢 希 东等 多楔 楔横 轧 端面 移动 量 实 时测 试 系统 研 制 ， ， ， 或 ， ， ， 电流 监 测 功 能 本 板 只 需 焊 接 上 检 测 电 阻 ， 就 能够 实现 电流 检 测 硬 件 定 时 板 上 提供 硬 件 定 时器 ，保证 准 确 的 时 间基 准 ， 以实现 高精度 的数据 采集 图 位移传 感 器 系统 位 移 传 感 器 实验 中采用 差动 变压 器 式位 移传 感 器 ， 它 由 磁 力座 上 的夹 具 夹 住 ， 磁 力座 置 于传 动 侧 下轴 承 座 的上 端 面上 ， 被 平 稳地 放 在 上 、 下 轧辊 中间 ， 位 移 传 感 器 测 杆 正 好 与 轧 件 表 面 相 垂 直 并 且 接 触 ， 如 图 所 示 位 移 传 感 器 主 要 由一 个 原边 线 圈与 两 个付 边 线 圈及 相 应 电路 组 成 采 用 直 接 标 定法 标 定 ， 标 定 曲线 如 图 所 示 厂一一一一一一一一一一一一一一一 － 一一 一 一一一一一一一一一一，刃 端 面 移 动 量 在 线 测 试 系统原 理 系 统 测 试 原 理 流 程 为 位 移 传 感 器 一 信 号调 理 一户以 数字采 集 卡 卡 一 计 算机 一 显 示 器 输 出结 果 楔 横 轧 轧 制 过 程 通 常分 为楔 入 段 、 展 宽段 、 精 整 段‘， ” 在 不 同轧 制 阶 段 ， 轧件 端 面 移 动 量 分 别呈 现 出不 同 的变化 规 律 ， 与 轧件 紧 密 接触 的位 移 传 感 器 测 杆 也 表 现 出相 应 的变化 规律 位 移传 感 器 在 圆柱 形 骨 架 上 分 别 绕 有 一 个 原 边 线 圈和 两 个 付 边 线 圈 ， 原边 线 圈接 史振 荡器 ， 受 力测 杆 带动 骨 架 内的铁 芯 移 动 时 ， 由于 电磁 感 应 原 理 ， 在 两 个 付 边 线 圈上 分 别 感应 出交 流 电压 ， 经 检 波 和 差 动 电路 ， 产 生 差 动 直 流 电压 输 出 ， 该 电 压 与 铁 芯位 置 呈 线 性 关 系 再 由 刃 接 口 ， 电压 信 号 经 送 入 计 算机 ， 利用 标 定 数据 由相 应 的软 件 计 算 出结 果 并 显 示 在 显 示 器 上 为 了抑 制 共 模干 扰 ， 必 须遵 循 系统 中各 部 分 电路 的低 端 都 应 单 独 接到 单 一 公共 地 原 则 【 ， 为 了保 证 位 移 传 感 器 与线 路板 的匹 配 ， 将位 移传 感 器 输 出信 号 线 串连 上 的 电阻 ，之 后 信 号 方 可 由 输 入 到 电脑 簿塑、日 址二 占 一 一 电压那 图 位移传 感 器 标 定 曲线 · 由标 定 结 果 可 得 ， 该 位 移 传 感 器 线性 度 。 ，一 粤 一 。 口 式 中 ， △ 为最 大偏 差 值 ， 为满 量 程 值 ， 一 呱 。 一 一 数 据 采 集 卡 ， 采用 卡 该 卡 插 在 主机 箱 内主 板 中 ， 该 卡 通 过 采 用 高速 高精 度 芯 片 、 高精度 仪 器 放 大器 、 高密 度 逻 辑 芯 片 、 精 细 布 线 以及 优 良制 版 工 艺 ， 实 现 了 高速 、 高 精 度 实 时数 据 采 集 ， 具 有 以下 性 能特 点 高精度 采 样 精度 位 ， 单 端 通 道 数 犯 通 道 ， 双 端 方 式 通 道 ， 误 差 小 于士 高速 度 单通 道 采 集 速 度 达 到 ， 多 通 道 达 到 以上 程 控 放 大 器 功 能 可 以设 置 放 大 倍 数 为 测 试 结 果 与分 析 工 艺 参 数 尹 ， 渭 与 工 况 下 的单 楔 与双 楔 测试 结 果 如 图 所 示 双楔测试 单楔测试 泌碧阿划、日 一 一 司 一一一一 ‘ 一 时 间 图 广 声 。 ， 户 ， 卜 工 况 下 测 试 结 果 · 厂 ， ， 访 介 卜 口

·550· 北京科技大学学报 2004年第5期 由图3可知，楔入段端面移动量是曲线，时间 件，将该工况进行有限元模拟.考虑到软件模拟 较短，变化规律很复杂.展宽段端面移动量近似 轧不出直角台阶，故须等效转换，将所得模拟并 为直线，其变化速度为一常值，精整段端面移动 转换后的结果与实验结果相比较，如图4所示， 量基本保持不变.在单楔测试结果上比较明显. 可见有限元模拟结果比实测结果滞后，最大误差 双楔楔横轧最大端面移动量基本上是单楔楔横 为16.8%，这说明有限元模拟结果与实际测试结 轧最大端面移动量的2倍，从理论上讲，这也符 果基本一致， 合体积不变原理".用Ansys/Ls-Dyna3D有限元软 30r 60 25 (a)单楔 50 (b)双楔 20 40 15 单楔测试 30 双锲测试 单楔模拟 10 双楔模拟 9 -5 -101 0 0.5 1.01.5 2.0 2.53.0 0 0.51.01.52.0 2.53.0 时间s 时间s 图4单楔和双楔端面移动量测试与模拟结果对比 Fig.4 Testing and predicting displacement-time curves of single-wedge and double-wedge cross wedge rolling 5结论 北京：怡金工业出版社，1996 2束学道，邢希东，胡正囊.程序化计算端面移动量在 ()多楔楔横轧端面移动量实时测试系统的 多楔摸具参数化设计上的应用J】.治金设备，2003， 测试结果与理论计算结果基本一致，最大误差小 (6:6 于17%，说明本测试系统可行， 3邢希东，束学道，胡正寰.轴向移动量程序化计算及 (2)多楔楔横轧端面移动量变化规律与单楔 工艺参数对其影响分析).重型机械，2003，(6：45 楔横端面移动量变化规律相似，并且双楔楔横轧 4 Dong Y M,Tagavi K,Lovell M,et al.Analysis of stress in cross wedge rolling with application to failure [J].Int J 最大端面移动量基本上是单楔楔横轧最大端面 Mech Sci,,2000,42:1233 移动量的2倍. 5吴任东.楔横轧火车车轴例证及工艺方法研究D] 参考文献 北京：北京科技大学，1997 】胡正寰，张康生，王宝雨，等.楔横轧理论与应用M Real-time Testing System of Displacement of the End of Workpieces in Multi-wed- ge Cross Wedge Rolling XING Xidong2,SHU Xuedao,HU Zhenghuan 1)Mechanical Engineering School,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)Mechanical Engineering School,Shandong University of Technology,Zibo 255049,China ABSTRACT The real-time online monitoring system of displacement of the end of rolled parts in Multi-wedge Cross Wedge Rolling (MCWR)was developed.It can measure the movement of the end of workpieces exactly in the course of single-wedge cross wedge rolling and MCWR.The regularity of movement of the end of workpiece was discovered by analysis in detail.The theoretical result is in agreement with the testing,with the error less than 17%,which demonstrates the accuracy and reliability in movement of the testing system. KEY WORDS multi-wedge;cross wedge rolling;real-time monitoring;testing system

北 京 科 技 大 学 学 报 年 第 期 由图 可 知 ， 楔 入段 端 面移动 量 是 曲线 ， 时 间 较 短 ， 变 化 规 律 很 复杂 展 宽段端 面移 动 量近似 为直 线 ， 其变化 速 度 为一 常值 ， 精整 段 端 面 移动 量基 本 保持 不 变 在 单楔测 试 结果 上 比较 明显 双 楔 楔 横 轧最 大 端 面 移 动 量 基 本 上 是 单 楔 楔 横 轧最 大 端 面移 动 量 的 倍 ， 从 理 论上 讲 ， 这 也 符 合 体积 不 变 原 理 ‘ 用 弧 有 限元 软 件 ， 将 该 工 况 进 行 有 限元模 拟 考 虑 到软件 模拟 车不 出直 角 台阶 ， 故须 等效转换 ， 将所 得 模拟 并 转换 后 的结果 与 实验 结 果 相 比较 ， 如 图 所 示 可 见 有 限元模 拟 结果 比实测 结果滞后 ， 最 大 误差 为 ， 这 说 明有 限元模拟 结 果 与 实 际测 试 结 果基本 一致 阮覆应一一一－一 一 卜“ ’ 一 ’ 昌 ” 「 单 。 仁 羞 ’ ” 「 一 少 二 ” 、 渔 ’ ” 「 早佚保似 纂 卜卜川心二 阮而履下一 一一，一一 “ 「” ’ 一 是 ” 二。 办 蒸 ” 「 从佚侧今弓 篡 ” 一 ’ “ 「 乡 二 双楔模拟 卜一曰‘ 二训尹 一 一一一一 一 一一 一 一一一一 一 一 一口 一 一 一一一 么 一 一一一目 时 间 时间 图 单 楔和 双 楔端 面移动 里测 试 与模 拟结果对 比 · 柱 一 】 结论 多楔楔 横轧端 面移 动 量 实 时测 试 系统 的 测 试 结 果 与理 论计 算 结果 基 本一 致 ， 最 大误 差 小 于 ， 说 明本 测 试 系统 可 行 ， 多楔楔 横 轧端 面 移 动 量 变 化 规律 与 单 楔 楔横 端 面移 动 量变 化规 律相 似 ， 并且双 楔楔横 轧 最 大 端 面 移 动 量 基 本 上 是 单 楔 楔 横 轧 最 大 端 面 移 动 量 的 倍 参 考 文 献 胡正 寰 ， 张康 生 ， 王 宝 雨 ，等 楔横 轧理 论 与应用 川 北 京 冶金 工 业 出版 社 ， 束学道 ， 邢 希东 ， 胡正 寰 程 序化计 算 端面 移动 量 在 多楔模具 参数 化 设计上 的应 用 冶 金 设备 ， ， 邢 希 东 ， 束学道 ， 胡 正 寰 轴 向移 动 量 程 序 化计 算及 工 艺参数对 其影 响分析 重 型 机械 ， ， ， 几 ， ， 即 ， ， 吴 任 东 楔横轧火 车车轴例证 及 工 艺 方法 研 究 北 京 北 京科 技大学 ， 一 认 一 七 为 ， ’ ， 凡仔 ’， 昭 ，， ， 罗 ， ， 飞 ， ， ， 一 即 一 研 一 ， ， 一