数控辗环机的动力学建模及仿真

【摘要】：冷辗扩成形是无缝环件生产的先进塑性加工方法,在机械、汽车、船舶、冶金、化工、航空航天等领域中有着广泛的应用。辗环机是冷辗扩成形加工的必需装备,其工作参数的确定是辗环机设计的核心问题,为了高效率生产出高质量的环件,辗环机除了需要具有良好的运动学特性外,还要具备良好的环件加工的动力学特性。然而,目前辗环机工作参数的设计缺乏精确的理论指导,基于假设建立的轧制力能关系和运动关系与设备实际运行情况出入较大,对于材料特性与环件尺寸的变化更是难以适从。 本文介绍了环件冷辗扩原理、优点以及存在的问题及发展方向;分析了数控冷辗环机的结构与工作原理,并建立了辗环系统的运动学和动力学的数学模型;以D56G90数控冷辗环机为例,对其机械部件进行划分,并且建立了虚拟样机模型,进行设备的运动学和动力学仿真分析。其主要研究成果如下: (1)通过运动学理论分析和计算机仿真,导出了辗环机各部件的运动学方程,揭示了相应的运动规律;对比分析表明油缸摆动式形位辊系统具有相对较好的运动学特性,容易实现较为精确的运动控制。 (2)从环件轧制塑性力学和机构动力学出发,确立了环件轧制的动力学约束条件,并导出了对应于动力学约束条件的约束参数极限值表达式。 (3)对辗环机的滑块—滚珠丝杠进给系统进行进给稳定性分析,导出了极限进给速度的理论公式以及动力学参数解析表达式。 (4)确定了环件加工中形位辊抱辊力的计算方法与极值范围;得到了形位辊油缸的推力计算公式和响应系数;并提出了基于抱辊力变化规律的形位辊动力控制方案。 本研究为辗环机的设计和控制提供了理论依据,对环件辗扩生产具有指导作用,具有较大应用价值。