铜管三辊行星轧制过程轧辊轴力学行为研究

秦备荒

（广东海亮铜业有限公司，广东 台山 529200）

铜管三辊行星轧制过程轧辊轴中的轧制力，在实施过程中会引起轧机结构的变形和震动，进而影响整个轧制质量。因此对铜管三辊行星轧制过程轧辊轴展开力学分析，能够大大提升铜管三辊行星轧制的质量。目前在实际加工过程中，应用范围最广的技术就是铜管三辊行星轧制，该种方式在实际应用的过程中，具有耗能量小、组织力强以及连续性强等优点。

1 铜管三辊行星轧制过程

在铜管三辊行星轧制的过程中，需要将3个轧辊轴根据管坯设置成120度行星运动状态，轧辊在此过程中会快速旋转，导致管坯发生变形，与此同时，由于轧辊与管坯之间产生摩擦，管坯的塑性变形受到影响，轧制力产生作用。在铜管三辊行星轧制过程中，轧制力是其实际运行的主要动力，同时也是设备的动力负载来源，决定着轧机在实际运行中的结构情况、运行强度以及力学运行等，由此可以看出，铜管三辊行星轧制过程中，轧辊轴力是整个管道轧制过程的重要影响因素，由于轧制力的影响，其在实际应用的过程中，会导致铜管三辊行星轧制出现变形以及震动，进而对铜管三辊行星轧制过程中管材的加工精细程度以及加工质量产生影响。由此可以看出，在铜管三辊行星轧制过程中，铜管三辊行星轧制轧辊轴力具有动态以及静态的力，对其展开分析，能够更加深入地了解铜管三辊行星轧制轧辊轴力，同时确定提升铜管三辊行星轧制质量的方式，最终达到促进我国铜管三辊行星轧制行业稳定发展的目的，本文将重点对铜管三辊行星轧制轧辊轴力展开分析。

2 铜管三辊行星轧制过程中的轧辊轴力学行为

2.1 铜管三辊行星轧制过程轧辊轴制力

铜管三辊行星轧制轧辊轴力是整个过程的主要来源，因此在实际加工的过程中，必须对铜管三辊行星轧制轧辊轴力的变化情况展开实时监督检测，确定铜管三辊行星轧制轧辊轴力的变化情况，这是对铜管三辊行星轧制轧辊轴力展开分析的基础条件。在整个加工过程中，整个铜管三辊行星轧制轧辊轴力变化分为以下几个类型。第一，稳定阶段。测量过程中将铜管三辊行星轧制轧辊轴力根据空间坐标中的x、y、z轴展开划分，在该阶段，y、z轴上的力远远大于x轴上的力，根据铜管三辊行星轧制轧辊轴力的变化情况能够看出，管坯与轧辊的接触面积越大，则二者之间的铜管三辊行星轧制轧辊轴力也就越大，在状态稳定之后，铜管三辊行星轧制轧辊轴力会逐渐稳定在180～250kN的范围之内，其中最大的铜管三辊行星轧制轧辊轴力不超过250kN。第二，接触阶段。在接触过程中，各个节点接触压力的分布情况，在此过程中，整个铜管三辊行星轧制轧辊轴力的数值为230kN。第三，铜管三辊行星轧制过程中，管坯接触中各个触点的摩擦力变化情况。通过调查发现，铜管三辊行星轧制轧辊轴力中接触区摩擦力情况为340kN，与铜管三辊行星轧制轧辊轴力最大数值相比较小，这种现象也就说明，铜管三辊行星轧制轧辊轴制力是接触压力以及接触摩擦力之间的合力，三者之间存在这种关系。

2.2 铜管三辊行星轧制过程轧辊轴单元结构力学模型

轧机在实际运行的过程中，斜齿锥齿轮会采用径向支承的方式，带动轧辊套以及轧辊机运行，进而对管坯展开轧制，在此过程中的轧制力，主要应用在轧辊轴套以及径向支撑套以及支撑轴中。因此，铜管三辊行星轧制单元主要由镜像支撑套、轧辊轴套以及轧辊三部分组成，其中轧辊轴中存在的静动态特点，将直接决定最终铜管三辊行星轧制中的可靠性和准确性。因此，在对铜管三辊行星轧制轧辊轴力进行分析之前，需要对其中的支承反力、扭矩力以及弯矩力展开分析，由于整个过程中铜管三辊行星轧制轧辊轴力较为复杂，如果采用整体分析的方式，则很可能出现超静定的情况，因此需要对铜管三辊行星轧制轧辊轴力展开受力分析，确定其中每种作用力的数值以及变化情况，只有这样才能保证最终铜管三辊行星轧制轧辊轴力分析结果的准确性。

由于铜管三辊行星轧制整个过程是在高温环境下产生的，因此需要经历一定的变形过程，其中主要包括几何非线性作用、材料非线性作用以及边界非线性作用、热力交互作用等几种作用力，因此铜管三辊行星轧制轧辊轴力的组成部分较为复杂，需要展开细化分析。为了保证最终分析的准确性，则需要对传统的分析方法展开优化，通常情况下，人们使用MSC.Marc软件对铜管三辊行星轧制轧辊轴力展开检测和分析，设定与实际加工时相同的参数，通过这种方式对铜管三辊行星轧制轧辊轴力展开分析计算，能够大大提升最终铜管三辊行星轧制轧辊轴力计算结果的准确性以及有效性。

2.3 铜管三辊行星轧制过程轧辊轴有限元静力

在分析铜管三辊行星轧制轧辊轴有限元静力的过程中，需要从以下几方面内容展开研究。第一，建立铜管三辊行星轧制轧辊轴有限元模型，在此过程中，为了保证分析效率以及准确程度，需要适当简化模型，避免较为复杂的模型建立步骤。其中轧辊的材料为3Cr2W8v,轧辊套以及径向支撑的材料为38CrMOAL，在建立二者接触关系的过程中，可以将轧辊以及轧辊套作为一个整体，忽略二者之间的摩擦因数，接触距离容差使用默认值。在此过程中可以使用网格划分的方式，将轧辊整体分为四面体单元，轧辊套以及径向支撑套共分为6个单元面积，在此基础上建立相应的轧辊轴有限元模型。第二，对轧辊轴的静强度展开分析，在对有限元展开分析之前，需要针对轧辊轴的支承部位以及轧辊面添加一定的约束力以及载荷力。根据实际约束情况，在轴承处使用圆柱面对其展开约束，并对径向以及轴向的自由度展开限制，但是针对四周方向的自由度，不能给予限制。在实际铜管三辊行星轧制过程中，轧辊轴受到的力主要包括接触压力以及扭矩力，数值截取中，需要截取铜管三辊行星轧制中的数据峰值，并将其施加在轧辊锥面中。通过对轧制力展开分析能够看出，铜管三辊行星轧制中的接触压力为230kN，与轧辊的锥面相互垂直，其中的接触摩擦力为340kN，轧辊锥面的平均半径为90mm，通过以上数据能够计算出轧辊上的扭矩为摩擦力与半径的乘积，最终数值为3.06×106N/mm。

2.4 铜管三辊行星轧制过程轧辊有限元动力

（1）轧辊轴的模态分析，对轧辊轴在各个段的频率和振型展开划分，其中共包含5个阶段，每个阶段对应的频率 分别为 62.5Hz、488.9Hz、494.9Hz、1247.7Hz以及1247.7Hz。对应的振型分别为扭转、一阶弯曲、二阶弯曲、三阶弯曲以及四阶弯曲。其中三阶和二阶的固有频率相同，振型相交，因此二者属于重根关系，同时四阶和五阶也属于重根关系。（2）对轧辊轴的谐响展开分析，在此过程中需要重点研究轧辊轴的横向震动，在激帧频率的范围之内，如果这震动频率为500Hz，则轧辊轴的径向位移距离在113mm左右，其中的应力为7950MPa左右。通过对模型展开分析能够看出，轧辊轴中的实际激振力频率与固有频率接近时，会出现径向位移的情况，相应的应力也会增加，进而出现共振，这种情况会对轧辊轴的结构产生影响和破坏，进而影响最终铜管三辊行星轧制轧辊轴力的分析结果。因此在实际轧制的过程中，轧制力频率需要在125Hz以下，位移距离在0.5mm以下，应力响应值在45MPa以下。只有将各个数值控制在相应合理的范围之内，才能保证轧辊轴结构的完整性，降低对最终铜管三辊行星轧制轧辊轴力分析结果的影响，最终达到对铜管三辊行星轧制轧辊轴力展开准确有效分析的目的。

3 结语

综上所述，随着人们对铜管三辊行星轧制的重视程度不断提升，如何保证铜管三辊行星轧制质量，成为有关人员关注的重点问题。本文通过研究铜管三辊行星轧制过程轧辊轴力学分析发现，对其进行研究，能够大大提升铜管三辊行星轧制质量，同时还能够明确掌握铜管三辊行星轧制过程轧辊轴会中的力学变化情况。由此可以看出，研究铜管三辊行星轧制过程轧辊轴力学分析，能够为今后铜管三辊行星轧制的发展奠定基础。