銅管三輥行星軋制過程軋輥軸力學(xué)行為研究

秦備荒

（廣東海亮銅業(yè)有限公司，廣東 臺山 529200）

銅管三輥行星軋制過程軋輥軸中的軋制力，在實施過程中會引起軋機結(jié)構(gòu)的變形和震動，進而影響整個軋制質(zhì)量。因此對銅管三輥行星軋制過程軋輥軸展開力學(xué)分析，能夠大大提升銅管三輥行星軋制的質(zhì)量。目前在實際加工過程中，應(yīng)用范圍最廣的技術(shù)就是銅管三輥行星軋制，該種方式在實際應(yīng)用的過程中，具有耗能量小、組織力強以及連續(xù)性強等優(yōu)點。

1 銅管三輥行星軋制過程

在銅管三輥行星軋制的過程中，需要將3個軋輥軸根據(jù)管坯設(shè)置成120度行星運動狀態(tài)，軋輥在此過程中會快速旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)致管坯發(fā)生變形，與此同時，由于軋輥與管坯之間產(chǎn)生摩擦，管坯的塑性變形受到影響，軋制力產(chǎn)生作用。在銅管三輥行星軋制過程中，軋制力是其實際運行的主要動力，同時也是設(shè)備的動力負載來源，決定著軋機在實際運行中的結(jié)構(gòu)情況、運行強度以及力學(xué)運行等，由此可以看出，銅管三輥行星軋制過程中，軋輥軸力是整個管道軋制過程的重要影響因素，由于軋制力的影響，其在實際應(yīng)用的過程中，會導(dǎo)致銅管三輥行星軋制出現(xiàn)變形以及震動，進而對銅管三輥行星軋制過程中管材的加工精細程度以及加工質(zhì)量產(chǎn)生影響。由此可以看出，在銅管三輥行星軋制過程中，銅管三輥行星軋制軋輥軸力具有動態(tài)以及靜態(tài)的力，對其展開分析，能夠更加深入地了解銅管三輥行星軋制軋輥軸力，同時確定提升銅管三輥行星軋制質(zhì)量的方式，最終達到促進我國銅管三輥行星軋制行業(yè)穩(wěn)定發(fā)展的目的，本文將重點對銅管三輥行星軋制軋輥軸力展開分析。

2 銅管三輥行星軋制過程中的軋輥軸力學(xué)行為

2.1 銅管三輥行星軋制過程軋輥軸制力

銅管三輥行星軋制軋輥軸力是整個過程的主要來源，因此在實際加工的過程中，必須對銅管三輥行星軋制軋輥軸力的變化情況展開實時監(jiān)督檢測，確定銅管三輥行星軋制軋輥軸力的變化情況，這是對銅管三輥行星軋制軋輥軸力展開分析的基礎(chǔ)條件。在整個加工過程中，整個銅管三輥行星軋制軋輥軸力變化分為以下幾個類型。第一，穩(wěn)定階段。測量過程中將銅管三輥行星軋制軋輥軸力根據(jù)空間坐標(biāo)中的x、y、z軸展開劃分，在該階段，y、z軸上的力遠遠大于x軸上的力，根據(jù)銅管三輥行星軋制軋輥軸力的變化情況能夠看出，管坯與軋輥的接觸面積越大，則二者之間的銅管三輥行星軋制軋輥軸力也就越大，在狀態(tài)穩(wěn)定之后，銅管三輥行星軋制軋輥軸力會逐漸穩(wěn)定在180～250kN的范圍之內(nèi)，其中最大的銅管三輥行星軋制軋輥軸力不超過250kN。第二，接觸階段。在接觸過程中，各個節(jié)點接觸壓力的分布情況，在此過程中，整個銅管三輥行星軋制軋輥軸力的數(shù)值為230kN。第三，銅管三輥行星軋制過程中，管坯接觸中各個觸點的摩擦力變化情況。通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，銅管三輥行星軋制軋輥軸力中接觸區(qū)摩擦力情況為340kN，與銅管三輥行星軋制軋輥軸力最大數(shù)值相比較小，這種現(xiàn)象也就說明，銅管三輥行星軋制軋輥軸制力是接觸壓力以及接觸摩擦力之間的合力，三者之間存在這種關(guān)系。

2.2 銅管三輥行星軋制過程軋輥軸單元結(jié)構(gòu)力學(xué)模型

軋機在實際運行的過程中，斜齒錐齒輪會采用徑向支承的方式，帶動軋輥套以及軋輥機運行，進而對管坯展開軋制，在此過程中的軋制力，主要應(yīng)用在軋輥軸套以及徑向支撐套以及支撐軸中。因此，銅管三輥行星軋制單元主要由鏡像支撐套、軋輥軸套以及軋輥三部分組成，其中軋輥軸中存在的靜動態(tài)特點，將直接決定最終銅管三輥行星軋制中的可靠性和準(zhǔn)確性。因此，在對銅管三輥行星軋制軋輥軸力進行分析之前，需要對其中的支承反力、扭矩力以及彎矩力展開分析，由于整個過程中銅管三輥行星軋制軋輥軸力較為復(fù)雜，如果采用整體分析的方式，則很可能出現(xiàn)超靜定的情況，因此需要對銅管三輥行星軋制軋輥軸力展開受力分析，確定其中每種作用力的數(shù)值以及變化情況，只有這樣才能保證最終銅管三輥行星軋制軋輥軸力分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。

由于銅管三輥行星軋制整個過程是在高溫環(huán)境下產(chǎn)生的，因此需要經(jīng)歷一定的變形過程，其中主要包括幾何非線性作用、材料非線性作用以及邊界非線性作用、熱力交互作用等幾種作用力，因此銅管三輥行星軋制軋輥軸力的組成部分較為復(fù)雜，需要展開細化分析。為了保證最終分析的準(zhǔn)確性，則需要對傳統(tǒng)的分析方法展開優(yōu)化，通常情況下，人們使用MSC.Marc軟件對銅管三輥行星軋制軋輥軸力展開檢測和分析，設(shè)定與實際加工時相同的參數(shù)，通過這種方式對銅管三輥行星軋制軋輥軸力展開分析計算，能夠大大提升最終銅管三輥行星軋制軋輥軸力計算結(jié)果的準(zhǔn)確性以及有效性。

2.3 銅管三輥行星軋制過程軋輥軸有限元靜力

在分析銅管三輥行星軋制軋輥軸有限元靜力的過程中，需要從以下幾方面內(nèi)容展開研究。第一，建立銅管三輥行星軋制軋輥軸有限元模型，在此過程中，為了保證分析效率以及準(zhǔn)確程度，需要適當(dāng)簡化模型，避免較為復(fù)雜的模型建立步驟。其中軋輥的材料為3Cr2W8v,軋輥套以及徑向支撐的材料為38CrMOAL，在建立二者接觸關(guān)系的過程中，可以將軋輥以及軋輥套作為一個整體，忽略二者之間的摩擦因數(shù)，接觸距離容差使用默認(rèn)值。在此過程中可以使用網(wǎng)格劃分的方式，將軋輥整體分為四面體單元，軋輥套以及徑向支撐套共分為6個單元面積，在此基礎(chǔ)上建立相應(yīng)的軋輥軸有限元模型。第二，對軋輥軸的靜強度展開分析，在對有限元展開分析之前，需要針對軋輥軸的支承部位以及軋輥面添加一定的約束力以及載荷力。根據(jù)實際約束情況，在軸承處使用圓柱面對其展開約束，并對徑向以及軸向的自由度展開限制，但是針對四周方向的自由度，不能給予限制。在實際銅管三輥行星軋制過程中，軋輥軸受到的力主要包括接觸壓力以及扭矩力，數(shù)值截取中，需要截取銅管三輥行星軋制中的數(shù)據(jù)峰值，并將其施加在軋輥錐面中。通過對軋制力展開分析能夠看出，銅管三輥行星軋制中的接觸壓力為230kN，與軋輥的錐面相互垂直，其中的接觸摩擦力為340kN，軋輥錐面的平均半徑為90mm，通過以上數(shù)據(jù)能夠計算出軋輥上的扭矩為摩擦力與半徑的乘積，最終數(shù)值為3.06×106N/mm。

2.4 銅管三輥行星軋制過程軋輥有限元動力

（1）軋輥軸的模態(tài)分析，對軋輥軸在各個段的頻率和振型展開劃分，其中共包含5個階段，每個階段對應(yīng)的頻率 分別為 62.5Hz、488.9Hz、494.9Hz、1247.7Hz以及1247.7Hz。對應(yīng)的振型分別為扭轉(zhuǎn)、一階彎曲、二階彎曲、三階彎曲以及四階彎曲。其中三階和二階的固有頻率相同，振型相交，因此二者屬于重根關(guān)系，同時四階和五階也屬于重根關(guān)系。（2）對軋輥軸的諧響展開分析，在此過程中需要重點研究軋輥軸的橫向震動，在激幀頻率的范圍之內(nèi)，如果這震動頻率為500Hz，則軋輥軸的徑向位移距離在113mm左右，其中的應(yīng)力為7950MPa左右。通過對模型展開分析能夠看出，軋輥軸中的實際激振力頻率與固有頻率接近時，會出現(xiàn)徑向位移的情況，相應(yīng)的應(yīng)力也會增加，進而出現(xiàn)共振，這種情況會對軋輥軸的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響和破壞，進而影響最終銅管三輥行星軋制軋輥軸力的分析結(jié)果。因此在實際軋制的過程中，軋制力頻率需要在125Hz以下，位移距離在0.5mm以下，應(yīng)力響應(yīng)值在45MPa以下。只有將各個數(shù)值控制在相應(yīng)合理的范圍之內(nèi)，才能保證軋輥軸結(jié)構(gòu)的完整性，降低對最終銅管三輥行星軋制軋輥軸力分析結(jié)果的影響，最終達到對銅管三輥行星軋制軋輥軸力展開準(zhǔn)確有效分析的目的。

3 結(jié)語

綜上所述，隨著人們對銅管三輥行星軋制的重視程度不斷提升，如何保證銅管三輥行星軋制質(zhì)量，成為有關(guān)人員關(guān)注的重點問題。本文通過研究銅管三輥行星軋制過程軋輥軸力學(xué)分析發(fā)現(xiàn)，對其進行研究，能夠大大提升銅管三輥行星軋制質(zhì)量，同時還能夠明確掌握銅管三輥行星軋制過程軋輥軸會中的力學(xué)變化情況。由此可以看出，研究銅管三輥行星軋制過程軋輥軸力學(xué)分析，能夠為今后銅管三輥行星軋制的發(fā)展奠定基礎(chǔ)。