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1、摘要摘要1 2 M N 立式数控强力旋压机，是当今世界上少有的大型、高精度三旋轮旋压机。旋轮座既是旋压机的纵向滑块，又是旋压机的横向滑块 5 0 时，金属的切向流动量增加，旋压件胀径程度增大。进给比增加，切向变形增大，但总的金属切向流动量呈减小趋势。研究结果还表明，旋轮工作角对金属切向流动量的影响并不明显。文献【4 4 】进一步分析了在一定的减薄率条件下金属的切向变形规律。分析结果指出，切向变形量随着进给比、毛坯壁厚的增加而增大，随工作角、屈服应力的增加而减小。在相同条件下，讵旋时的切向变形量小于反旋时的切向变形量。( 3 ) 关于筒形件强力旋压力学模型的研究近年来，不少学者都在采用有限元方法
2、模拟强旋成形过程。研究工作取得了许多重要成果。但是，正如前面所指出的那样，强力旋压的成形过程是一个非常复杂的塑性变形过程。正是由于这种复杂性，对数值模拟的模型不得不作相应的简化。这种简化往往因人而异，因研究工作的侧重面而异。有的忽略了旋轮圆角半径的影响，有的没有精确计算旋轮与毛坯的接触轮廓，有的在接触区网格划分不够精确，也有的在处理旋轮与毛坯接触区的边界条件时没有考虑坯料转动【3 0 , 4 6 - 4 8 1 。文献【4 6 】 4 7 】很好的完善了强力旋压成形过程的数值模拟模型，重点描述了工件接触区及其边赛条件，精确计算了接触轮廓。采用这种模拟模型可以更真实的揭示F 旋和反旋时的变形机理
3、。文献 4 8 】因为考虑了旋轮的轴向进给因素，所以很好的解释了坯料母线偏转、隆起和旋压力6第1 章绪论变化等以前难以解释的现象。( 4 ) 关于筒形件强力旋压力的研究在筒形零件的强力旋压过程中，变形力是一个非常重要的参数，旋压设备和工艺装备的工作条件、旋压件的加工精度以及成形所需功率等都与此密切相关【2 1 。2 6 A 9 - 5 2 】。在生产实践中，人们更加关注的是旋压力分量的大小，因为需要根据旋压力的分量来分别确定旋压设备所需的功率和进给机构的动力。文献 2 l 】采用三维弹塑性有限元法得到了正旋时变形区接触面上旋压力3 个分量的分布规律。文献 4 9 】、 5 l 】根据强旋时的实
4、际接触情况，采用数值模拟计算方法分别计算了筒形零件正旋和反旋时的旋压力，系统的分析了各工艺参数对旋压力的影响。文献 1 5 基于轴截面建立了平面分析模型，并通过依次变化一个工艺参数而得到了该参数对旋压成形过程的影响规律。研究结果显示，随着进给量的增加，旋压力虽有增加但变化不明显，但是进给量过大会造成材料的隆起和堆积。旋压力随着减薄率的增加趋势十分显著。旋压力随旋轮圆角半径的增大而下降，但下降的斜率变化不大。旋压力随旋轮成形角的增大而增大，当成形角超过3 0 0 以后，旋压力的变化很快。文献【5 2 】针对某一种具体材料的热旋工艺，应用有限元软件分析了旋压加工中的隆起现象和旋压力之间的关系，这项
5、工作对于探索复杂的旋压成形规律具有重要意义。( 5 ) 关于简形件强力内旋压的研究大多数强力旋压成形过程的数值模拟都是针对外旋压问题进行的，而强力内旋与同等参数下强力外旋相比，旋轮与毛坯的接触面要大的多，局部变形更为复杂1 5 ”。文献 5 3 3 采用有限元程序L S D Y N A 3 D 首次对强力内旋压过程进行了数值模拟，发现旋轮在作轴向进给时，旋轮前面的单元在周向上的应变先是压应变，材料向中心移动，内表面周长减小，当旋轮压过这些单元后应变变为拉应变：轴向应变为拉应变，说明轴向一直处于伸长阶段，而径向应变与轴向应变很相似，径向先伸长后收缩。( 6 ) 关于强力旋压残余应力的研究由于在强
6、力旋压过程中，不可避免的存在着不均匀的塑性变形。所以在旋压件内部就将有残余应力的存在。残余应力的大小及其分布规律对旋压件的使用性能会产生严重的影响 2 7 , 5 4 - 5 6 】。文献1 5 5 应用商用A B A U Q S 软件分析了三旋轮强旋残余应力的分7燕山大学工学硕士学位论文布问题。文献【4 4 】运用弹塑性有限元法分析了旋压件内部残余应力的分布规律。这些研究结果表明：减薄率、进给比、旋轮工作角、毛坯壁厚以及材料性能等因素都会对残余应力豹分布产生影响。残余应力的绝对值随减薄率的增加而增加。在整个壁厚方向上，轴向残余应力的绝对值比切向残余应力的绝对值大。( 7 ) 关于旋压设备结构
7、的分析大多数对强力旋压数值模拟的研究都是以旋轮、毛坯和芯模作为研究对象，针对强力旋压机以及其中关键部件的有限元模拟资料很少【1 4 , s 7 - 5 9 1 。文献【1 4 重点分析了F W X 2 0 封头旋压机机架的受力状态，把机架的变形简化为平面弹性变形，利用二维弹性有限元方法对机架的剐度进行了计算，给出了机架上最大变形点的位移曲线。文献 5 7 1针对单轮卧式旋压机的主要受力部件旋轮座建立了有限元力学模型。在力学模型建立时，将旋轮座所受到的外载荷横向油缸推力、三个方向旋压力分力，以及床身对它的约束，先转化为作用在与床身紧密联结的导轨滑块上的均布载荷，利用F O R T R A N 程
8、序把表面均布载荷转化为节点力。对旋轮座单独建立有限元模型，以导轨滑块接触面问的均布载荷代替了滑枕和机架对旋轮座的作用。有限元计算结果以等值线的形式给出了整个旋轮座上应力和变形的分布形式。文献 5 8 】 5 9 在分析承压封头液压仿形旋压机中旋轮座的运动规律和工作机理的基础上，建立了旋轮座的运动方程，以仿形误差、运动能耗和旋轮座重量为目标函数，通过分析旋轮座的强度、稳定性、导轨比压建立了旋轮座参数的优化模型，对承压封头旋压机的旋轮座进行了三目标和双目标优化设计。从上述对旋压机设备研究的文献可以看出不仅对旋压机设备研究的资料很少。而且还有些需要改进的地方：在力学模型上都作了很大的简化，例如文献
9、1 4 】简化为平面模型，文献 5 7 】以材料力学方法处理导轨和滑块副之问的接触作用，这种简化与导轨和滑块之间的实际运动相差很大，可以说完全忽略了旋轮座中这一重要技术点，无法继续深入细致的对导轨滑块进行研究，造成了在有限元结果的提取中只能泛泛的给出一些整体旋轮座的应力应变等值线图，而通过文献f 5 8 】和 5 9 】，可以看出旋轮座的使用寿命和旋轮座的机械效率都与导轨滑块上的应力应变的分布有着密切的关系，R第1 章绪论而且在实践生产中人们通常更加关心和感兴趣的是旋轮座中关键部件尤其是导轨滑块上的应力应变分布：利用有限元方法对旋轮座的研究是六七年以前的事情，限于当时有限元软件的发晨，使德文献
10、的研究重心对于现在来说已经不是一个难点，例如作者通过F O R T A R N 程序把导轨滑块上的均布载荷转化为节点力，现在的软件已经不需要用户手动转化，在I D E A S软件中，只要在创建有限元模型时，选中基于几何形状( B a s e d0 1 1g e o m e t r y1的边界条件加载命令，软件就可以自动的把用户加载在几何模型尺寸上的载荷转化为节点载荷。文献【5 7 】对于当时来说是有阶段性的指导意义，但是随着旋压技术的发展，三旋轮强力旋压机的广泛应用，迫切需要出现对当前旋轮座中的技术难点有指导意义的研究，但是到目前为止，很少有人利用有限元对三旋轮旋压机旋轮座的关键部件进行分析。
11、本课题填补了这一空白，以接触方法处理导轨滑块之间的作用，与实际情况更加接近，因而进一步完善了旋轮座力学模型的建立；并且针对旋轮座中的关键部件和技术难点导轨滑块进行了研究：在结果中以具体数据定量的给出人们所关心的实际问题。1 3 2 强力旋压设备发展随着旋压技术的广泛应用旋压设备的结构和性能也得到了不断的改进和发展，旋压设备的制造水平也在日益提高 6 9 - 6 1 。我国在上世纪六十年代初期开始进行旋压工艺和设备的研究，并研制出P X 系列普通旋压机床和S Y 系列强力旋压机床。曾经有一段时间，国内旋压机床的设计制造处于停滞状态。近几年，随着我国国民经济的快速发展，对各类旋压机的需求越来越大。
12、这种需求已经把旋压机制造的本土化推向了一个空前的快速发展阶段。尽管在我国现役的旋鹾机中，还有为数不少的七卜年代从国外进口的旧机床，但是在最新固产的旋压设备上，都已经配备r 国际h 最先进的数控系统和液压系统，其综合性能和水平都已经达到了幽际先进水平。不过，若考虑到大型旋压机的设计和制造因素，美国和德旧依然处于领先地位。q燕山人学I 学硕士学伉论文上世纪末，西班牙的旋压技术异军突起。在我国的旋压技术市场上，也占据了非常重要的- 席之地。西班牙的旋压设备有成熟的工艺基础，具有优秀的工艺性能和可靠性，设备制造的专业化程度很高。但是因为大型筒形零件的制造将涉及到国防实力的建设问题，所以在大型强力旋压设
13、备的研制方面，我们不可能寄希望与国外先进技术的支持。三年前，关于1 2 M N 大型数控强力旋压机的研制工作就已经被提到了有关部门的议事日程。建造这台现代化的大型强力数控旋压机，是提升我国国防实力的一项重要措施，对国防建设有着至关重要的意义。燕山大学也为该项工程作了许多工作，取得了一些阶段性的成果。遗憾的是，由于设计工作具有极高的技术难度，又缺乏设计和制造经验，所以时至今只这项工作仍然没有一个令人满意的结局。1 4 存在的问题纵观强力旋压技术、特别是大型强力旋压装备技术的现状，还存在以下两个方面的问题。f 1 1 缺少旋压机设计的工艺基础目前，人们对强力旋压成形过程的研究已经取得了很多成果，基
14、本上掌握了强力旋压过程的变形机理和规律。然而，在强力旋压设备的研制工作中，人们对旋压力、特别是旋压力的切向分力更加感兴趣。这是因为切向旋压力是旋压机装机功率设计的直接依据。因为在现有的文献资料中难以得到一种关于切向旋压力计算的科学方法，所以即使是在制定大型强力旋压机的技术参数时，也不得不依靠经验来估计装机功率这样一个至关重要的基本参数。( 2 1 缺乏对旋压机结构的分析和研究对于中小型强力旋压机而言，其本体结构的分析和研究，并不是一个十分引人关注的问题。因为对于小型结构来说，无论是结构强度还是结构刚度，都可以在人们的认知范围内可以得到很好的解决，而不至于过多的增加制造成本。但是对于那些接近或达
15、到极限制造能力的大型结构来说，无论是结构刚度还是结构强度问题t 对于设计者而言都是十分棘手的技术难题。目前，。虽然有一些关于旋压机本】0第l 章绪论体结构分析的资料，但是由于所涉及的问题不同，而无法对大型旋压机的本体结构设计起到指导作用。因此，大型强力旋压机的结构设计、特别是一些在旋压过程中将会影响到旋压件戍形精度的重要零部件的设计，在技术上还缺少理论支持。1 5 课题研究的内容本文的研究任务是对1 2 M N 大型数控强力旋压机的旋轮座部件进行系统的结构分析，以揭示旋轮座上一些关键点的变形规律，从而为顺利实现自主设计大型旋压机的本体结构提供技术支持。旋轮座是该旋压机的一个重要部件。旋轮座既是
16、旋压机的纵向滑块，又是旋压机横向滑块( 俗称滑枕) 的导向装置。在旋压成形过程中，旋轮座以机架导向，在纵向液压缸的驱动下，完成旋轮的径向进给。因此，旋轮座在旋压过程中的变形，将会直接影响到旋压件的制造精度和表面光洁度。将旋轮座的剐度分析作为本文的主要研究内容，是1 2 M N 大型数控强力旋压机本体结构设计的需要。在1 2 M N 大型数控强力旋压护的本体结构设计阶段，曾经有过两种不同的结构方案。虽然当时针对旋压机的本体结构设计问题，也做过很多有限元分析，但由于时间关系一直没有系统的对重要部件的结构做深入、细致的分析，以至于至今为止对设计当中的许多涉及到设备精度的问题，尚没有一个比较详细、明确的结论，对两种设计方案也很难从结构性能方面做出客观评价。两年前，由于这项研制工作被中止，对旋轮座结构的刚度分析也随之被搁置。但是，对旋轮座结构设计中的所备受关注的关键问题进行系统分析和研究，对提高大型强力旋压机的设计水平仍然不乏指导意义。本文的具体研究内容包括：( 1 ) 关于滑枕和旋轮座之间导轨、滑块运
