CN1022387C

CN1022387C - 具有两个径向主轧辊的辗环机

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Publication number: CN1022387C
Application number: CN 91102552
Authority: CN
Inventors: 孟驰
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1991-04-24
Filing date: 1991-04-24
Publication date: 1993-10-13
Anticipated expiration: 2006-04-24
Also published as: CN1062105A

Abstract

具有两个径向主轧辊的辗环机。属于特种锻压技术。本发明旨在克服用单径向主轧辊辗环机轧制轴向严重不对称及大型轴向不对称的台阶类环锻件时，存在的摩擦功率损耗大，轧辊磨损严重以及易发生不希望的变形的缺点。主要特征是设置了两个均可输出轧制力矩的径向主轧辊，其中一个配有推力油缸可与芯轴作相向移动，并配有轧辊转速自控和轧辊移动自控系统，保证双轧辊趋于同时打滑及工件各部分变形均匀合理。可轧制大口径高颈法兰等。

Description

本发明涉及一种具有两个径向主轧辊的碾环机，属于特种锻压技术领域。轧制具有轴向对称性的复杂形状断面的环件。对于不具备上述对称性的环件，即使断面仅由两个矩形所组成，也难于轧制。

对于附图6中所表示的法兰锻件，按现有技术，首先制成图7所表示的毛坯，其高颈部分（图7中带阴影部分）与锻件高颈部分（图6中带阴影部分）体积相等;下面法兰部分与锻件法兰部分体积相等，毛坯高颈部分与其下面法兰部分的外径之差等于锻件高颈部分的外径与其下部法兰部分外径之差。这个差值在轧制过程中始终不变。

用现有的只有一个径向主轧辊的碾环机对此进行轧制时，主要有三个问题：

第一，摩擦功率损耗大

第二，轧辊磨损严重，寿命低

第三，变形不均匀

由图6、图7中工件上部的中部画二条线AA和A′A′，可以看出，轧制前下侧金属体积大于上侧金属体积，轧制后体积相等，上部金属在轧制过程中是单向流动的。另外，在轧制过程中上部是从靠近下面法兰处开始向上逐渐进入轧制的，最初上端并未受到轧辊挤压，其直径是被下部材料拉拽大的，因此上端会产生离开轧辊一个角度的现象（见图8），其断面内应力沿轴线方向分布（见图9）为上端受拉，下端受压，导致工件端面翘曲（见图10），影响了轧制精度和锻件内在质量。

本发明的目的是要提供一种具有两个径向主轧辊的碾环机，它可以克服上述缺点。

本发明的目的是这样实现的：

设置两个径向主轧辊，其转动由两套动力系统分别驱动。其中一个主轧辊和常见的卧式碾环机的径向主轧辊一样，其轴线相对机架是固定的，因此称为定轧辊;另一个通过滑块机构与机架连接并配以一个推力缸使其可与芯轴作相向移动，因此称为动轧辊。在轧制过程中，动、定两轧辊的相对转速由一个模拟式反馈控制系统自动调节，保证轧制时两轧辊各自与工件在接触弧中均至少有一点无滑动，以保证轧制动力的最大发挥和减少摩擦功率损失;动轧辊相对芯轴的移动也由模拟式反馈控制系统自动控制，使整个轧制过程如同两部单径向轧辊碾环机在同时分别对两个简单断面环件进行轧制一样，使工件在轧制过程中变形均匀。该加工过程的特征之一是工件两部分外径之差由大变小，最终达到锻件图纸要求。

图1.碾环机示意图

图3.碾环机的工作原理图

图4.碾环机主轧辊液压系统图及轧辊转速自调控系统电路图

图5.碾环机其它部分液压系统图及轧辊移动自调控系统电路图

图6.法兰锻件图

图7.法兰锻件毛坯图

图8.现有轧制时工件受力及变形示意图

图9.现有轧制时工件内力分布示意图

图10.现有轧制时工件整体翘曲示意图

图11碾环机轧制力分析示意图

图12.上、下轧辊细节结构示意图，图13，毛坯形状。

兹结合附图对碾环机的结构详细叙述：

图1是碾环机的示意图

本碾环机左部的结构与现有的卧式单径向主轧辊碾环机的结构相同，机架（12）的左端装有芯轴移动油缸（1），活塞杆（18）与支承臂支架（2）相连接，芯轴（13）安装在滑块（14）右端上面，芯轴支承臂（3）左端与支承臂支架（2）铰接，右端支承芯轴（13）上端，在芯轴滑块（14）的两侧与机架（12）之间，在水平方向置有导轨（19），支承臂支架（2）又与芯轴滑块（14）相固连，在支承臂（3）中部处与油缸（4）的活塞杆（20）铰接，油缸（4）的缸体中部铰接在支承臂支架（2）的上部，支承臂（3）在油缸（4）的推拉作用下，可以以支承臂（3）左端的铰接点为支点，作上下摆动，用以装卸工件。

本碾环机设有两个径向主轧辊，下轧辊（8）是动轧辊，上轧辊（7）是定轧辊，上轧辊（7）固定在上轧辊支架（6）上，桥式的上轧辊支架（6）对称地横跨在下轧辊（8）上面（参见图2），并通过螺栓固定在机架（12）上。在上轧辊支架（6）下部与下轧辊（8）上表面之间留有适当的空隙以便安装上轧辊（7），上轧辊（7）通过轴和轴承安装在上轧辊支架（6）的下部。低速大扭矩的上轧辊液压马达（5）通过一个筒形支架（21）固定在上轧辊支架（6）的上部，并通过一个联轴器（22）直接与上轧辊轴相连接。下轧辊（8）通过轴和轴承装在下轧辊滑块（9）上部，下轧辊液压马达（11）通过一个筒形支架（23）固定在下轧辊滑块（9）的下部，通过一联轴器与下轧辊轴相连接。下轧辊滑块（9）与固定在机架（12）右端的推力油缸（10）的活塞杆（24）连接。滑块（9）两端与机架（12）之间也有水平设置的导轨（25）。

图2是附图1的A向视图。上轧辊支架（6）通过右端的两个铰链，与铰链支座（16）铰接，支座（16）用螺栓固定在机架（12）上面，维修或更换轧辊时使用。导轨（19）、（25）上面均装有压板（27）。

图4是碾环机主轧辊液压系统图及轧辊自动调控系统电路图

碾环机轧辊转速自调控系统组成：

芯轴移动油缸①其工作行程进油管路上安装有压力传感器C。线性运放集成电路JC8和其负输入端接地的电阻R1组成一个电压跟随器，其输入端通过接点①和传感器C的输出端相接，运放JC1和其正输入端的R2、R3以及负输入端的R4、R5四个电阻组成一个减法器，它的正输入端与前面的跟随器JC8输出端相接，它的输出端接一个由运放JC5及其正、负输入端的R6、R8及R9、R10四个电阻组成的差动放大器的正输入端。差动放大器JC5的输出端接一个由一对互补对称三极管BG1、BG2，二个二极管D1、D2及相关电阻R12、R13、R14、R15组成的与伺服阀（30）相匹配的电流放大器。放大器的负载为伺服阀的控制电磁铁L1。下轧辊移动油缸（10）其工作行程进油管路上安装有传感器D。运放JC7和其负输入端接地电阻R16组成一个电压跟随器，其输入端通过接点②和传感器D的输出端相接，其输出端接有R17、R18两个分压电阻。这两个电阻值要足够小，以保证JC1减法器的运算精度。R17、R18间的分压点与JC1减法器的负输入端相连同时又与运放JC2及其负输入端电阻R19、R20组成的同相放大器的正输入端相连。运放JC6及其正、负输入端的R21、R22、R23、R24四个电阻组成一个差动放大器，其输出端负载为一个自控用微型直流伺服电机DJ。直流伺服电机DJ控制着一个同轴双联可变电阻器R26，差动放大器JC6的正输入端与JC2输出端相连接。上轧辊液压马达（5）进油管路上接一个压力传感器B。JC3与其负输入端的电阻R11及双联电位器R26之一相连接组成一个放大倍数随转动双联电位器R26而变的同相放大器，其输入端通过接点③和传感器B的输出端相连接，其输出端与差动放大器JC5的负输入端相连，下轧辊液压马达（11）进油管路上接一个压力传感器A。运放JC4与其负输入端的电阻R25及双联电位器R26中另一个相连组成一个放大倍数在转动电位器时随JC3同时改变的同相放大器，其输入端通过接点④和传感器A的输出端相接，其输出端与差动放大器JC6的负输入端相连接。

主轧辊液压系统组成：

a.上辊液压马达系统，由液控变量泵（29）与上辊液压马达（5）组成该闭式系统主体，液压马达（5）出油口串接一冷却器（43）。泵（54）、粗滤器（56）、溢流阀（58）、电动机（61）组成上辊液压马达系统和下辊液压马达系统的补油系统。电液伺服阀（30）与泵（29）的控制油缸（43）连接，以实现由电信号控制泵（29）排量变化的目的。

b.下辊液压马达系统，由电液比例变量泵（28）和下辊液压马达（11）组成该闭式系统主体，液压马达出油口串接一个冷却器（39），泵（28）出油口处接有一个溢流阀（37）。

图5是碾环机其它液压系统图及动轧辊移动自控系统电路图

动轧辊移动自控系统组成：

运放JC9与其正、负输入端的四个电阻R27、R28、R29、R30组成一个减法放大器。该减法放大器JC9的正、负输入端分别与位移传感器E、F的输出端相连。JC9减法器之输出端连接一个由一对互补对称三极管BG3、BG4和二个二极管D3、D4及四个电阻R31、R31、R33、R34组成的与伺服阀相匹配的电流放大器，该放大器的负载为伺服阀（65）的控制电磁铁L2。

在同下轧辊移动油罐（10）的活塞杆（73）一起移动的下轧辊滑块上安装一个触头（74），与位移传感器E的触头相接触。

安装一个和芯轴移动油缸（1）的活塞杆一起作往复移动的凸轮板（80），凸轮板上加工有凸轮槽（81），槽中有滚轮（82），紧靠凸轮槽的滚轮安装在一个导杆（83）上，该导杆安装在固联于机架（12）上并与凸轮板的移动方向相垂直的导管（84）中，导管的另一个端面与位移传感器F的触头相接触。

其它液压系统的组成：

a.芯轴移动缸系统，主要有芯轴移动油缸（1）、三位四通电液阀（85）、二位四通电液阀（91）、高压小流量手动伺服变量泵（104）（仅在轧制行程起作用）和低压大流量叶片泵（99）（在空行程起作用）组成，辅助装置还有粗滤器（100）、（106）、溢流阀（121）、（96）、精滤器（86）、行程开关（3CK）、（1CK）。行程开关（3CK）、（1CK）就装在芯轴滑块移动方向的适当位置上，可以控制芯轴各行程的位置。油缸（1）进出油口分别与阀（85）工作油口装置，阀（85）进油口与阀（91）工作油口之一相接，阀（91）另一工作油口接油箱，阀（91）进油口接泵（99），阀（91）回油口接泵（104），并使阀（91）断电时泵（104）与阀（85）相通，泵（99）卸荷。

b.下辊移动缸系统，液控变量泵（62）与下辊移动缸（10）组成该闭式系统主体，电液伺服阀（65）与泵（62）的控制油缸（64）连接，以实现由电信号控制泵（62）排量变化的目的。泵（76）、粗滤器（77）、精滤器（79）、溢流阀（70）、单向阀（68、69）组成闭式系统的补油系统。

c.芯轴支承油缸系统，由支承缸（4）、三位四通电液阀（127）、恒压变量泵（131）、粗滤器（132）组成。缸（4）进出油口与阀（127）工作油口相连，阀（127）进油口号泵（131）相连，回油口接油箱。

d.抱辊油缸系统，两个抱辊油缸（15）的工作行程出油口分别通过油管（140）、（150）连接集流同步阀（141）进油口，同步阀（141）两进油口与出油口之间分别由单向阀（143）、可调节流阀（145）和单向阀（142）、可调节流阀（144）串接，在同步阀（141）出油口和支承臂油缸工作行程进油口油管路（126）之间接一个二位三同电磁阀（146），电磁阀（146）由安装在芯轴油缸（1）工作行程时与其进油口相通的管路（90）上的压力继电器（124）控制。油缸（15）工作行程进油口与油缸（4）工作行程出油口管路相通。

本发明的轧辊转速自调控系统，不仅可保证两轧辊各自与工件在接触表面处达到速度同步，而且可以保证上、下轧辊同时或趋于同时达到打滑的临界状态，最大限度地发挥整机的动力性。

实现二主轧辊相对转速自动调节，只需将其中一个作为基准（称基准辊），对另一个进行调整（称调速辊）即可。

轧辊打滑的原因是轧辊所受主动力矩大于轧辊与工件间最大静滑动摩擦力（实际应为接触面各种滑动摩擦力之和，其中包括前、后滑区的动滑动摩擦力。后面提及的静滑动摩擦力也有此含义）对轧辊轴线之矩的结果。对双主轴轧辊轧制，为了保证实现对驱动能力的最大利用，应使两轧辊与工件的静滑动摩擦力F_f能同时达到最大值。为此，只需使驱动力矩根据两轧辊与工件接触弧面的正压力N进行调整即可。在μ_滑基准＝μ_滑调速的前提下，如果驱动力矩的调整保证了两轧辊与工件间的静滑动摩擦力F_f时时与各自的正压力N成比例，即：N_基准∶N_调速＝F_f基准∶F_f调速也就可以达到上、下轧辊同时达到打滑临界状态的目的。对于轧制壁厚较大的环件（其咬入弧长L与平均截面高度h之比小于0.5），轧制力P及正压力N均通过咬入弧中点，正压力N通过主轧辊中心（见冶金工业出版社89年7月首版的《轧制原理手册》，如图11所示）。由于θ≤arc tgμ_滑，而arc tgμ_滑一般不太大（如μ_滑＝0.3时，arc tgμ_滑＝16°42′），P·cosβ₁与P·cosθ相差不大，及P·cosθ即等于正压力N，故对单轧辊轧制，P·cosβ₁近似等于芯轴移动油缸的推力（因为还存在滑块导轨及萁它相关运动副间的滑动摩擦力，双轧辊轧制也相同）;对双轧辊轧制，则P_动·cosβ_1动近似为动轧辊移动缸（10）推力，P_定·cosβ_1定+P_动·cosβ_1动近似为芯轴移动缸（1）推力。这样，即可以动辊移动缸（10）的推力近似代替动辊轧制正压力，而以芯轴移动缸（1）的推力与动辊移动缸（10）的推力之差近似代替定辊的轧制正压力。

μ_滑基准-基准轧辊与工件间的滑动摩擦系数

μ_滑调速-调速轧辊与工件间的滑动摩擦系数

β₁-轧制力P与芯轴中心O₂、主轧辊中心O₁、连线O₁O₂之间的夹角

P_动-动轧辊轧制力

P_定-定轧辊轧制力

β_1动-动轧辊轧制力与芯轴中心、主轧辊中心连线的夹角

β_1定-定轧辊轧制力与芯轴中心、主轧辊中心连线的夹角

调速过程（见图4）

轧制时，芯轴移动油缸（1）的工作压力通过传感器C，经过跟随器JC8输入到减法放大器JC1的正端;下辊移动油缸（10）的工作压力通过压力传感器D、跟随器JC7及一个分压电路（因两个油缸缸径不同，故此进行补偿）输入到减法放大器JC1的负端和同相放大器JC2的正端。通过选择电阻R2、R3、R4、R5的阻值使JC2、JC1放大倍数相等，可保证经JC1减法运算输出的电压同JC2输出的电压比等于上、下辊应有的扭矩比。下辊液压马达（11）进油口压力（轧制时，出油口背压相对进油口数值很小，因此，液压马达输出扭矩近似与进油口压力成正比）通过压力传感器A输入到运放JC4的正端，上辊马达（5）进油口压力通过传感器B输入到运放JC3的正端。JC4、JC3的负端各通过一个相互同步转动的同阻值的精密线绕电位器R26（这里用于变阻器）接地，使得JC4和JC3的电压放大倍数，在转动该电位器时，同时改变并总保持相等。JC4的输出电压和JC2的输出电压分别送到差动放大器JC6的正负端，进行比较，如有不同则使微电机DJ转动，DJ直接带动上述电位器R26，电机DJ的转动使得JC4的输出向着趋于与JC2的输出相等的方向变化。如果二液压马达进油口的压力之比等于JC1与JC2的输出电压比，则JC3与JC1的输出即应相等，否则，JC3和JC1的输出分别送到差动放大器JC5差动放大后就使JC5的输出偏离零值，并通过直流电流放大电路驱动伺服阀（30）使变量泵（29）的排量变化，最终使上轧辊液压马达（5）的进油口压力向着减小JC3、JC1输出电压差的方向变化，最终实现了速度同步及驱动潜力最大发挥的自控目的。

动轧辊移动自控系统，目的是要在整个轧制过程中消除工件轴向不对称的两部分材料内部切向不均匀内力的产生机制。

对于图12所示的锻件用本碾环机加工，其毛坯形状如图13，内孔为圆柱型，根据体积相等原则，其上部外径与下部外径之差大于锻件上部外径与下部外径之差。轧制时实际相当于将锻件分开成上、下两部分，分别由两台单主轧辊碾环机进行轧制，只不过两个过程同时进行，且每时每刻两部分内径都相等就是了。两部分外径之差的变化，完全按照上述设想的各自单独轧制所应有的规律变化。

控制过程（参见图5）：

随着芯轴移动缸（1）的位置移动，通过凸轮板机构和线位移传感器F将动轧辊（8）应有的移动位置转变成电信号作为基准送到差动放大器JC9的负端。动轧辊（8）的移动位置由线位移传感器E测量并转换成电信号输送到JC9的正端进行比较，如果其电压值不等于基准电压，过高或过低，则JC9的输出即偏离零值，并通过电流放大驱动电路驱动电液伺服阀（65），改变泵（62）的排量以纠正缸（10）的速度偏差，直至达到正确。

凸轮板曲线的做法：

根据工件上、下两部分的体积在轧制过程中各自不变的条件，可计算出在工件毛坯内径到锻件内径范围内给定的一系列内径值所对应的一系列外径值、一系列定轧辊所对应的工件部分的厚度（内、外半径差）变化量及工件上、下两部分外半径差的减小量。

其中定轧辊所对应的工件部分的厚度变化量即为芯轴的相应移动量及凸轮轮廓曲线横坐标;工件上、下两部分外半径差的相应减小量即为轧辊的移动量及曲线的纵坐标。

与现有技术相比，本具有两个径向主轧辊的碾环机具有下列优点：

1.摩擦功率损耗小，延长轧辊的使用寿命。

2.提高轧制精度，克服了变形不均匀性，减少了因变形不均匀而引起的整形工序。

3.扩大了碾环机加工范围。

Claims

1、一种用于轧制环类锻件的碾环机，主要由芯轴(13)、芯轴滑块(14)、芯轴移动油缸(1)和一个定轴主动转动的径向主轧辊(7)组成，本发明的特征是：

a)增设一个可以与芯轴相向移动的径向主轧辊(8)及其移动(图5单点划线部分)和转动(图4单点划线部分)的动力驱动系统，

b)配备一个使两主轧辊轧制力矩的输出满足两轧辊趋于同时打滑条件的转速自调控系统(图4)和一个使上述增设轧辊在轧制行程中对芯轴的相对移动速度满足两径向主轧辊对与芯轴形成的对应两部分材料的轧制如两台现有单主轧辊碾环机以内径同步变大为条件对这两部分材料单独轧制要求的自调控系统(图5虚线框内)。

2、根据权利要求1所述的碾环机，其特征在于：

芯轴移动油缸（1）工作行程进油口处接一个压力传感器C，下轧辊移动油缸（10）工作行程进油口处接一个压力传感器D，下轧辊液压马达（11）进油口处接一个压力传感器A，上轧辊液压马达（5）进油口处接一个压力传感器B，感测工作压力并输出与之成正比的电压信号。

3、根据权利要求1所述的碾环机，其特征在于：

设置减法放大器JC1和与JC1有相同放大倍数的同相放大器JC2，JC2正输入端和JC1负输入端输入与油缸（10）的推力成正比的电压信号，JC1的正端输入与油缸（1）推力成正比的电压信号，此两个信号与各自油缸推力比值相同。

4、根据权利要求1所述的碾环机，其特征在于：

设置两个同相放大器JC3、JC4，并设置一个同轴双联可变电阻器R26作JC3、JC4输入端的接地电阻，使JC3、JC4放大倍数可调且总相等。

5、根据权利要求1所述的碾环机，其特征在于：

设置一个差动放大器JC6，其输出端驱动一个直流伺服微型电动机DJ，DJ推动同轴双联可变电阻器R26，JC6正、负输入端分别连接JC2、JC4的输出端，使R26在JC2、JC4的输出电压不相等时就自动改变阻值。

6、根据权利要求1所述的碾环机，其特征在于：

设置一个差动放大器JC5，JC5通过一个电流放大器驱动电液伺服阀（30），伺服阀（30）控制液控变量泵（29），变量泵（29）驱动下轧辊液压马达（5）、JC5正、负输入端分别连接JC1、JC3的输出端，使变量泵（29）在JC1、JC3的输出电压不相等时，就改变流量。

7、根据权利要求1所述的碾环机，其特征在于：

安装一个和芯轴移动缸（1）的活塞杆（18）一起作往复移动的凸轮板（80），凸轮板上有凸轮槽（81），槽中有滚轮（82）滚轮（82）安装在导杆（83）上，导杆（83）安装在固联于机架并与凸轮板的移动方向相垂直的导管（84）中，导杆（83）的一个端面与位移传感器F的触头相接触。

8、根据权利要求1所述的碾环机，其特征在于：

在机架（12）上安装位移传感器E，用以感测芯轴（13）的位置，并输出与之成正比的电压信号，在机架（12）上安装位移传感器F，F的触头与导杆（83）的端面相接触。

9、根据权利要求1所述的碾环机，其特征在于：

两径向主轧辊均通过联轴器直接由低速大扭矩液压马达驱动。

10、根据权利要求1所述的碾环机，其特征在于：

两个抱辊油缸（15）的工作行程出油口分别通过油管（140）、（150）连接一集流同步阀（141），同步阀（141）两进油口与出油口之间分别由单向阀（143）、可调式节流阀（145）和单向阀（142）、可调式节流阀（144）串接，在同步阀（141）出油口和支承臂油缸工作行程进油口油管路（126）之间接一个二位三通电磁阀（146），电磁阀（146）由安装在芯轴油缸（1）工作行程时与其进油口相通的管路（90）上的压力继电器（124）控制。