一种基于在线称重的控制热环轧产品尺寸的方法
2017-06-01江绍成钱东升中车集团成都机车车辆公司四川成都6005武汉理工大学湖北武汉430070
江绍成，钱东升（.中车集团成都机车车辆公司，四川 成都 6005；.武汉理工大学，湖北 武汉 430070）
一种基于在线称重的控制热环轧产品尺寸的方法
江绍成1，钱东升2
（1.中车集团成都机车车辆公司，四川 成都 610051；2.武汉理工大学，湖北 武汉 430070）
对每个上机前的环坯进行称重，输入计算机并与标准环坯的重量进行比对，用两者重量的相对误差，对应地修正环件厚度，即修正控制施压行程终点的感应同步器的初始设定值，使有重量误差的环件的中径，保持与标准环件的中径相一致。这样，重量误差就较均匀地分配到环件的外径和内径上，使外圆和内孔的加工余量等量增加或减少。
在线称重；重量相对误差；控制环件中径；内外径加工余量
自19世纪中期英国第一台辗环机问世以来，至今已有170多年的历史。它是回转施压连续局部塑性变形的锻造成形工艺，与自由锻、模锻成形工艺相比，它需要的设备功率小、振动冲击小、零件精度高、节能省材、生产成本低，显示了巨大的技术经济优势，广泛应用在轴承环、齿轮环、法兰环、火车车轮、燃气轮机等各类无缝环件的生产，目前世界各类环件的生产已达数千万吨[1]。我国首创的多功能辗环机[2]的出现和三辊横轧[3]、复合环轧[4]和错位环轧技术的应用，更使辗环技术发展到复杂断面环件的生产。现今辗环工艺在机械、汽车、火车、船泊、石油化工、管道输送、航空航天和原子能等领域已得到广泛应用。
因辗环工艺是回转轧制成形技术，是粗加工工序，需要给后续的精加工工序预留必需且足够的加工余量。余量留多了，不仅多耗能、多费材，而且增加后续工序的费用；余量留少了则可能加工不出来而成为废品。如何控制环件产品尺寸，提高环轧产品的尺寸和形状精度是辗环行业永久的课题和目标。
热环轧生产过程中，环件尺寸精度受多种因素影响，主要有下料重量误差、烧损量多少（与加热时间及氧化氛围等有关）、冲孔连皮的厚薄等，它们直接影响到环轧开始前环坯的重量G，造成重量误差±△G，此外还有环坯的形状差异及终轧时的温度不同等因素的影响。一般条件的工厂，批量生产的环坯重量相对误差±△G/G=±g常达到±5%。在这样大的重量误差下，如何保证能轧出内、外圆上有较少但足够的加工余量的环件，是辗环工艺中控制环件尺寸的最重要的问题。目前国内外各类辗环机均采用即时测量手段检查环件外径是否达到预设的标准环件的外径，达到前的瞬间，及时减慢直至停止施压进给而进行精整成圆，使环件的尺寸和形状精度达到产品要求。这种只单方面控制外径的方法，有两种结果：一是外径尺寸比较稳定，其加工余量较合适，但环坯重量误差全部反映到内径尺寸上，造成内径加工余量发生较大变化，或过多或过少，甚至不够而报废；二是因这种与炽热环件表面接触式测量的测量装置，尤其卧式辗环机的随动检测系统，结构复杂制造成本高，工作环境恶劣，影响测量精度，以及终轧时环件温度差异和人为判断的误差等，所测外径也不易保持一致。为保证环轧的成品率，只有加大预留加工余量，显然，耗能费材、成本提高是其必然结果。环件较大的加工余量是环件材料损耗的最大部分，这是环轧行业长期存在的问题。在现今比较先进的计算机控制的辗环机上，采用了环件外径和壁厚同时动态即时检测的手段，但壁厚的检测只用于控制施压过程，辗环工序结束的信号仍然取决于外径的实测信息，因此它仍然是单方面控制外径的方法，而无法根本改变这种现状。
1 基于在线称重的尺寸控制理论方法
本文提出一种基于在线称重的控制热环轧产品尺寸的方法：对每个上机前的环坯进行称重，输入计算机并与标准环坯重量比对，用两者重量的相对误差，相对应地修正环件厚度，即修正控制施压行程终点的感应同步器的初始设定值，始终使有重量误差的环件的中径，保持与标准环件的中径相一致。这样，重量误差就较均匀地分配到环件的外径和内径上，即外圆和内孔的加工余量同时均匀增加或减少。
下面介绍具体技术方案。以最常见的矩形断面的环件为例来说明，如图1所示，设环件外径为D，内径为d，高度为H，则厚度为
图1 矩形纵截面环件示意图
中径为
式中：G——环件重量；
V——体积；
R——材料比重；
F——环件径向断面为圆环形的横断面面积；
A——环件的轴向截面为矩形的纵截面面积，A=T×H。
进而得出环件重量
其中材料比重r为常数，在一般仅有径向环轧的辗环机上，环件高度H由于夹于辗轮槽形之中，误差处于可控状态，尤其在径轴双向辗环机上，环件的两端面上因受到一对轴向辗轮的定距轧制，环件的高度H可视为不变。显然，以上两类辗环机，对纵截面为矩形的环件，环坯的重量误差主要只影响环件圆环形横断面的面积，两者之间为线性关联G∝F。横断面面积可通过下式求解
因此，只要按重量误差的相应比例去修正并控制环件壁厚T，就能使环件中径D中保持不变，从而较好地控制环件的内外径尺寸和加工余量。
依据这一原理，在辗环结束前控制主辗压轮和芯辊的距离（即主辗轮下压的终点位置或芯辊进给的终点位置），就能有效地控制环件壁厚T，在滑块与床身导轨上或芯辊滑块与床身上，安装同步感应器并设定终点值就可方便实现。
通过上述分析可知，当环坯重量存在误差为G± △G，环件高度H视为不变时，相应有环件横断面圆环面积的误差为F±△F及中径不变时的厚度误差T±△T，其三者相对误差相同，互为线性关联，即有
由此知
因此当环坯因下料、烧损、冲孔等引起重量误差时，只需在辗环前称重得知其与标准环坯的重量误差为±△G，借助计算机求出±△G/G=±g=±t，自动修正按标准环坯重量所设定的辗环终点位置
2 实施举例
2.1 示例1
如图1所示，设矩形纵截面的标准环件的尺寸如下：外径D=300，内径d=240，厚度T=（300-240）/ 2=30，中径D中=（300+240）/2=270；精加工后环件成品为：外径D0=297，内径d0=243，厚度T0=（297-243）/ 2=27，中径D中0=（298+242）/2=270，标准环件的内、外径的单边加工余量为1.5mm，若环坯重量误差为± 5%，当环件高度不变时其纵截面面积误差也应为± 5%，厚度相对误差t=±△T/T=±0.05。
2.1.1 用修正环件厚度的方法控制环件尺寸
圆环F=π（D2-d2）/4=πD中T（1±t），中径D中不变，厚度T（1±t）=30（1±0.05）。计算得出：当g为+5%时，环件最大外径Dmax=301.5，最小内径dmin=238.5，内外径上单边最大加工余量均为2.25，当g为-5%时，最小外径Dmin=298.5，最大内径dmax=241.5，内外径上单边最小加工余量均为0.75，虽然环件毛坯重量误差达±5%，用该方法生产的环件均为合格产品，且在同一环件上，内外径的加工余量匀等。
2.1.2 用单方面只控制外径不变方法控制环件尺寸
即有F=π（D2-d2）/4=25446.9mm2，控制外径为300mm，外径单边加工余量为1.5mm，若环坯重量误差为±g=±5%时，面积误差也为±f=±5%，当g为+5%时，即最大面积Fmax=26719.2mm2，算出最小内径dmin=236.6，内径单边加工余量为3.2mm。当g为-5%时，最小面积Fmin=24174.5mm2，算出最大内径Dmin=243.4，内径已超差而成废品。
2.1.3 用已被否定的控制厚度不变的方法
当g为±5%时，即中径D中（1±5%），D中max=283.5，D中min=256.5。算出最大外径Dmax=313.5，最大内径dmax=253.5，外径余量过大，内径已严重超差，当g为-5%时，最小外径Dmin=286.5，最小内径dmin=226.5，内径余量过大，外径过小而成废品。此方法因误差太大无实用意义。
2.2 示例2
如图2所示，若环件纵截面为非矩形，D1、D2、D3、d0表示环件各处外径及内径，H1、H2、H3、H分别表示各处的高度及总高，则需计算该纵截面（图2左侧剖面线所示形状和面积）的形心位置，确定其到环件轴线的距离，若以此作为等效中径D中的位置，可得出一个与该非矩形纵截面面积A和体积V均相等的矩形纵截面环件，作为该非矩形纵截面环件的假想等效环件（图2右侧剖面线所示的矩形面积），D和d分别是等效环件的外径和内径，T为等效环件的厚度，以等效环件的中径D中为控制目标，将该等效环件的厚度T为修正对象，以称重后的环坯与标准环坯重量进行比对，通过计算机对机床上加工的等效环件厚度T进行相应的修正，修正预先设定的标准等效环件的辗压轮轴线与芯辊轴线的距离（辗环结束时同步感应器的位置的初始设定值），因为此时环件外部形状是由辗压轮槽形决定的，不同外径处的厚度增量值是相同的，没法随外径不同按线性比例作出相应调整，因此，按等效环件对厚度作出修正的结果是存在一定的误差的，计算结果表明：这种方法与理论计算误差很小可以忽略，完全能满足该类环件尺寸控制的要求。
图2 非矩形纵截面环件示意图
3 具体实施方案
大型卧式辗环机，因零件重量大，通常用吊车或机器人上下工件，可在吊具或抓具上安设在线自动称重器，逐个对上机前的环坯称重，在上料过程中将称重信息输入到计算机与标准环坯重量进行比较，算出重量的相对误差±△G/G=±g，得出该环件厚度的修正值T（1±t），相应修正同步感应器终点位置的初始设定值即可。
数量巨大的中小型环件，都是在立式辗环机或多工位辗环机的生产线上生产的，现以立式辗环机为例，设置了在线自动称量装置和上料机械手，如图3所示。预锻成形的环坯10沿下坡输送滚道6滚到称重V形铁5上，V形铁5通过橡胶皮膜4坐落在充满油液但不通压力油的油缸上腔上，滚道挡板12可使因惯性而滚过头的环坯10回到V形铁5上，该环坯10的重力通过皮膜4对封闭的上油腔造成一定的静压增量，该静压信息通过压力变送器3输入到控制系统中，与根据标准环坯的重量所形成的静压增量进行比对，计算出相对误差并相应修正同步感应器的终点位置的初始设定值。与上腔成一体的油缸下腔2在油压作用下，沿固定在基础17上的导套1运动，将V形铁5连同其上的环坯10举升至机械手16上的可摆动夹头7的中心上，其举升高度位置可由行程开关11根据该批环坯10的直径不同而预先设定调好，可转动机械手16上的夹紧油缸15，推动铰结在支点9上的杠杆8及可摆动夹头7夹紧环坯10，坐落在滑块14上的机械手16的大臂，逆时针翻转180°，将环坯10送至对准辗环机的芯辊18的中心，滑块14连同其上的机械手16和环坯10，沿固结在基础17上的滑座13的导轨上向辗环机工作面上运动，使环坯10套进芯辊18上并靠近辗环机的挡板处，再松开夹头7。滑块14在滑座13上后退到位后，机械手16反向转动回到原位，准备接受下一个环坯。此时已套入芯辊的环坯10，先后或同时在径轴双向辗压机上自动进入辗环过程，直至同步感应器发出环件厚度已达修正厚度的信息，辗环工序自动进入精整成圆过程，环轧工序结束后，径轴双向辗压轮退回原位，卸料机构将环件从芯辊上脱出，并沿下坡滚道送至环件集放处，从而实现径轴双向立式辗环机的全自动生产。该装置也可用于无轴向辗压功能的立式辗环机，此时，环件端面上的毛刺和凹陷等缺陷，会造成环件高度尺寸不太准确，引起环件尺寸存在一定误差。此外，该称重装置和上料机械手可识别过轻的环坯，使其不进入辗环工序而直接送往废料堆集处，使生产设备具有一定的预判功能。
图3 在线自动称重机构和上料机械手工作原理图
4 结束语
相比于传统的测量方法，本方法具有显著的技术和经济优越性。
（1）将环坯的重量误差均分到外径和内径上，提高了环件的尺寸精度和成品率。
（2）加工余量的合理分配，可减少预留的加工余量，节能省材，降低成本。
（3）可取消立式辗环机的信号轮或卧式辗环机结构复杂的外径检测机构，使数控辗环机的结构和控制变得更简单、更可靠。
[1]华 林，黄兴高，朱春东.环件轧制理论和技术[M].北京：机械工业出版社，2010.
[2]江绍成，解光浦.多功能辗环机[J].锻压装备与制造技术，2009，44 （2）：28-30.
[3]江绍成.旋转反挤压锻造[J].锻压装备与制造技术，2006，41（1）：44-45.
[4]钱东升，华 林，张志强.一种环件复合轧制成形新技术[A].第十二届全国塑性工程学术年会第四届全球华人塑性加工技术研讨会论文集[C].重庆，2011.
A method of controlling ring size during hot ring rolling process on the basis of onlineweighing
JIANG Shaocheng1,QIAN Dongsheng2
（1.CRRC Chengdu Co.,Ltd.,Chengdu 610051,Sichuan China; 2.Wuhan University of Technology,Wuhan 430070,Hubei China）
A method of controlling ring size during hot ring rolling process on the basis of onlineweighing has been put forward in the text.Firstly,each ring blank has been weighed before being put on the rolling mill.Then the weight has been input into the computer by comparing with the weight of standard blank. The relative error between the two weights has been adopted to correct the ring thickness correspondingly. That is to say,the initial set value of the inductosyn to control the end point can be corrected,which makes the middle diameter of the ring consistent with the standard ring.Thus in this way,the weight error can be uniformly distributed on the ring outer and inner diameter.As a result,the machining allowances of outer and inner surface have been equally increased or reduced.
Weighing online;Relative weight error;Control ring middle diameter;Outer and inner diameter machining allowance.
TG335.1
B
10.16316/j.issn.1672-0121.2017.02.021
1672-0121（2017）02-0070-04
2016-09-24；
2016-12-16
江苏省重点研发专项资助项目（BE2016009）；JGXM （201607GC01）；教育部创新团队发展计划项目（IRT13087）
江绍成（1939-），男，高工，享受国务院特贴专家，从事金属成形非标设备研究设计。
E-mail：qiands@whut.edu.cn
