（机械设计及理论专业论文）振动轧制机理及其应用技术的研究.pdf

i l l l ll l l l l l l lli i i l l ll l l l ll1 1 1 1 1 1 1 111111q l l l 1 y 1 7 4 9 8 4 6 t h e s i ss u b m i t t e dt ot i a n ji nu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g yf o r t h em a s t e r sd e g r e e t h er e s e a r c ho nm e c h a n i s mo f v i b r a t i o nr o l l i n ga n d a p p l i c a t i o n t e c h n o l o g y b y j i a y ig a o s u p e r v i s o r p r o fd i a n y i n gw e n j a n u a r y2 0 1 0 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取 得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨洼堡墨太至或 其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研 究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：高宝璁 签字日期：加细年月2 厂日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 墨盗墨兰盘堂有关保留、使用学位论文 的规定。特授权墨洼堡墨太堂一可以将学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编， 以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复本和电子 文件。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：高容意 签辱日期：沙f 9 年月历 摘要 通过在碳钢中添加合金元素的方法能够提高无缝钢管的机械性能和使用性能，但添 加合金元素也增加了产品的生产成本，并使钢材的循环性能变差。理论研究和实验表明 采用低温、高速、大变形轧制手段能够实现金属的晶粒细化和相变强化，能充分提高金 属材料的机械性能，不过这种轧制方法也会产生很大的变形抗力，相应要求增加轧制设 备的驱动力，这给利用现有设备轧制超晶粒细化无缝钢管提出了新的课题。本文针对无 缝钢管的特点，借助振动技术在车削、钻削、磨削、镗削、拉伸等机械加工中的成功利 用经验，将振动轧制技术引入无缝钢管的轧制加工中，综合应用振动理论、弹塑性理论、 金属塑性变形理论、接触力学和数值计算方法，结合解析方法和计算机仿真技术等手段， 首次对无缝钢管的振动轧制进行了较为全面的研究，研究工作的主要内容及所取的成果 有： 1 用弹塑性理论和金属塑性变形理论解析连轧机的轧制变形区应力和应变的关系， 基于接触力学获得具有材料恢复力环境下的接触刚度和接触摩擦系数，建立连轧机振动 轧制的力学模型； 2 在振动轧制理论分析的基础上，建立无缝钢管轧制过程中的具有轧辊和钢管周期 性接触和分离状态的振动轧制模型，推导出连轧机振动轧制的微分方程式，定量描述振 动轧制加工过程； 3 研究振动轧制过程中的轧辊和钢管的接触面积和摩擦系数变化，建立系统振动方 程中存在的弹塑性接触非线性项的表达式，探讨接触非线性系统的奇异性和稳定性，建 立具有弹塑性接触构造的系统振动方程； 4 求解连轧机振动轧制的稳态响应和幅频特性，优化连轧机振动轧制的最佳振动参 数，解析连轧机在激振力作用下的稳态响应，确定振动轧制能够改善轧辊和毛管之间的 相对摩擦和接触条件，降低金属变形抗力，为开发更高性能的无缝钢管提供条件，促使 无缝钢管轧制设备的技术升级。 关键词：无缝钢管振动轧制力学模型接触刚度接触摩擦稳定性 a b s t r a c t t h ea d d i n ga l l o y i n ge l e m e n t si nc a r b o ns t e e l ，i tc a ni m p r o v et h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e s o fs e a m l e s ss t e e lt u b ea n dt h eu s eo f p e r f o r m a n c e ，b u ta d d i n ga l l o y i n ge l e m e n t sa l s oi n c r e a s e p r o d u c t i o n c o s ta n dd e t e r i o r a t e c y c l ep e r f o r m a n c e o fs t e e l t h e o r e t i c a l s t u d ya n d e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tl o wt e m p e r a t u r e 、h i 【g hs p e e da n dl a r g ed e f o r m a t i o no fm e t a l r o l l i n gm e a n sc a na c h i e v eg r a i nr e f i n e m e n ta n dp h a s et r a n s i t i o ns t r e n g t h e n i n g , w h i c he n h a n c e t h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fm e t a l l i cm a t e r i a l sf u l l y h o w e v e r ，t h i sa p p r o a c hw o u l da l s oa r i s e ah u g er o l l i n gd e f o r m a t i o nr e s i s t a n c e ，t h ed r i v ef o r c eo fr o l l i n ge q u i p m e n tm u s ti n c r e a s e a c c o r d i n g l y , w h i c ha r i s en e wi s s u e sf o ru s i n ge x i s te q u i p m e n tt or o l ls e a m l e s ss t e e lt u b eo f u l t r a - g r a i nr e f i n e m e n t t h i sp a p e ra i m sa tc h a r a c t e r i s t i c so fs e a m l e s ss t e e lp i p e ，b ys u c c e s s f u l o fe x p e r i e n c eo fv i b r a t i o nt e c h n o l o g yi nt u r n i n g ，d r i l l i n g ，g r i n d i n g ，b o r i n g ，s t r e t c h i n ga n d o t h e rm e c h a n i c a lp r o c e s s i n g , w ew i l li n t r o d u c ev i b r a t i o nr o l l i n gt e c h n o l o g yi n t ot h er o l l i n g p r o c e s so fs e a r n l e s ss t e e lp i p e i n t e g r a t ea p p l i c a t i o nv i b r a t i o nt h e o r y 、e l a s t i c p l a s t i ct h e o r y 、 t h et h e o r yo fm e t a lp l a s t i cd e f o r m a t i o n 、c o n t a c tm e c h a n i c sa n dn u m e r i c a lm e t h o d ， c o m b i n a t i o no fa n a l y t i cm e t h o da n dc o m p u t e rs i m u l a t i o nt e c h n o l o g ya n do t h e rm e a n s ，t h e v i b r a t i o nr o l l i n gs e a m l e s ss t e e lt u b ei sc o n d u c t e dam o r ec o m p r e h e n s i v es t u d yf o rt h ef i r s t t i m e t h em a i nc o n t e n t so fw o r ka n da c h i e v e m e n t i n c l u d i n g ： 1 w i t ht h ee l a s t i c p l a s t i ct h e o r ya n dt h e o r yo fm e t a lp l a s t i cd e f o r m a t i o n ，a n a l y z et h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e ns t r e s sa n ds t r a i ni nr o l l i n gd e f o r m a t i o nz o n eo fc o n t i n u o u sr o l l i n gm i l l ， b a s i n gc o n t a c tm e c h a n i c s ，o b t a i nc o n t a c ts t i f f n e s sa n dc o n t a c tf r i c t i o nc o e f f i c i e n tu n d e rt h e c o n d i t i o no fm a t e r i a lr e s i l i e n c ee n v i r o n m e n t ，e s t a b l i s hm e c h a n i c sm o d e lo fv i b r a t i o nr o l l i n g o fc o n t i n u o u sr o l l i n gm i l l 2 b a s i n gt h e o r e t i c a la n a l y s i so fv i b r a t i o nr o l l i n g ，e s t a b l i s hv i b r a t i o nr o l l i n gm o d e lo f s e a m l e s ss t e e lt u b ew i t hap e r i o d i cc o n t a c ta n ds e p a r a t i o no fr o l l e ra n ds t e e lt u b e ，d c d u c et h e d i f f e r e n t i a le q u a t i o no fv i b r a t i o nr o l l i n go fc o n t i n u o u sr o l l i n gm i l l ，q u a n t i t a t i v ed e s c r i p t i o no f t h ev i b r a t i o nr o l l i n gp r o c e s s 3 i nt h ep r o c e s so fv i b r a t i o nr o l l i n g , s t u d yc h a n g e so fc o n t a c ta r e a sa n df r i c t i o n c o e f f i c i e n to fr o l l e ra n ds t e e lt u b e e s t a b l i s hn o n l i n e a re x p r e s s i o no fs y s t e mv i b r a t i o n e q u a t i o nw i t he l a s t i c - p l a s t i cc o n t a c t ，p r o b et h es i n g u l a r i t ya n ds t a b i l i t yo ft h en o n l i n e a r s y s t e m ，a n de s t a b l i s ht h es y s t e mv i b r a t i o ne q u a t i o nw i t ht h ee l a s t i c - p l a s t i cc o n t a c t 4 s o l v i n g v i b r a t i o n r e s p o n s e a n d a m p l i t u d e f r e q u e n c y c h a r a c t e r i s t i c so ft h e s t e a d y - s t a t er o l l i n go fc o n t i n u o u sr o l l i n gm i l l ，o p t i m i z a t i o nt h ep r i m ev i b r a t i o np a r a m e t e r so f v i b r a t i o nr o l l i n g ，a n a l y t i c a lt h es t e a d y s t a t er e s p o n s eo fc o n t i n u o u sr o l l i n gu n d e rt h ee x c i t i n g f o r c e m a k es u r et h a tv i b r a t i o nr o l l i n gc a ni m p r o v er e l a t i v ef r i c t i o na n dc o n t a c tc o n d i t i o n b e t w e e nr o l l e ra n dc a p i l l a r y , r e d u c t i o nd e f o r m a t i o nr e s i s t a n c eo fm e t a l ，p r o v i d et h ec o n d i t i o n s f o rd e v e l o p i n gh i g h e rp e r f o r m a n c es e a m l e s ss t e e lt u b e t op r o m o t et e c h n o l o g i c a lu p d a t i n go f r o l l i n ge q u i p m e n to f s e a m l e s ss t e e lt u b e k e yw o r d s ：s e a m l e s ss t e e lp i p e ，v i b r a t i o nr o l l i n g , m e c h a n i c sm o d e l ，c o n t a c ts t i f f n e s s ， c o n t a c tf r i c t i o n ，s t a b i l i t y 目录 第一章绪论1 1 1 无缝钢管工业的现状1 1 2 无缝钢管工业的发展水平1 1 3 无缝钢管生产中存在的问题1 1 3 1 产能过剩，装备更新难1 1 3 2 品种结构调整困难2 1 3 3 研发、技术创新滞后2 1 3 4 精炼能力差、管坯质量低3 1 3 5 精整工序不够重视3 1 3 6 节约能源，优化经济技术指标3 1 4 振动在节能和提高产品质量中的作用4 1 5 课题研究的目的和意义4 1 5 i 研究的目的5 i 5 2 研究的意义5 1 6 国内外研究现状分析5 1 6 1 国内振动加工现状分析6 1 6 2 国外振动加工现状分析7 1 7 本文研究的内容7 第二章振动轧机的机械系统简述9 2 1 传统轧机的机械系统的介绍9 2 1 1 轧辊9 2 1 2 轧辊轴承1 0 2 1 3 机架j 1 0 2 1 4 驱动系统1 0 2 1 5 轧辊的调整装置1 0 2 2 振动轧机1 1 2 2 1 施振频率的选择1 l 2 2 2 施振方式的选择1 3 2 3 纵轧几何学1 4 2 3 1 轧制区的几何关系1 4 2 3 2 轧制区的孔型参数1 5 2 4 本章小结1 6 第三章振动轧机在轧制变形区的力学分析1 7 3 1 振动作用下材料的应力一应变关系1 7 3 2 粘弹一塑性本构模型1 9 3 3 轧制变形区的力学模型2 0 3 4 轧制变形区的接触摩擦系数2 l 3 5 轧制变形区的接触刚度和接触阻尼2 1 3 5 1 轧制变形区的接触刚度2 2 3 5 2 轧制变形区的接触阻尼2 5 3 6 轧制过程中钢管的结构刚度和结构阻尼2 6 3 6 1 无缝钢管的结构刚度2 6 3 6 2 无缝钢管的结构阻尼2 7 3 7 钢管在圆孔型中轧制时的咬入条件2 8 3 8 轧辊作用于无缝钢管的轧制压力2 9 3 8 1 平均单位压力的计算2 9 3 8 2 投影面积2 9 3 8 3 平均单位压力的计算3 0 3 9 本章小结3 1 第四章单架轧机振动轧制时稳定性分析3 3 4 1 单架轧机的动力学模型3 4 4 2 单架轧机振动轧制系统的非线性特征3 5 4 3 单架轧机振动轧制的非线性项3 6 4 4 单架轧机轧制过程中的振动稳定性分析3 7 4 5 激振力作用下振动轧机的性能分析3 8 4 5 1 单架轧机振动轧制时稳态响应3 8 4 5 2 单架轧机振动轧制时性能分析4 0 4 6 本章小结4 1 第五章连轧机的振动轧制稳定性分析4 2 5 1 连轧机振动轧制时动力学模型4 2 5 1 1 连轧管机振动轧制系统的非线性特征4 3 5 1 2 连轧机振动轧制的非线性项4 4 5 1 3 轧机振动轧制的主振型和固有频率4 5 5 1 4 轧机振动轧制的主质量和主刚度4 6 5 2 连轧机振动轧制的稳定性分析4 7 5 3 激振力作用下振动连轧机的性能分析5 3 5 3 1 连轧机振动轧制的稳态响应5 3 5 3 2 连轧机在激振力作用下轧机的性能分析5 5 5 4 本章小结5 7 第六章结论与展望5 8 参考文献5 9 发表论文和科研情况说明6 2 致谢6 3 第一章绪论 1 1 无缝钢管工业的现状 第一章绪论 无缝钢管是一种经济断面钢材，在石油开采、管道输送、机械制造、锅炉制造以及 大型场馆建设等方面得到广泛应用。随着国际石油价格飞涨及我国经济快速发展，无缝 钢管的需求量快速增加，对质量的要求也非常高。为了适应市场对无缝钢管需求数量不 断增长和对品种质量越来越高的变化要求，近年来我国无缝钢管生产公司和企业都加大 了生产技术改造的力度，引进了多套先进的轧管生产机组，全国实际产能已超过了1 2 0 0 万吨，2 0 0 5 年产量达到1 0 4 7 万吨，成为全球无缝钢管生产的第一大国，约为全球无缝 钢管产量的4 0 。在国际无缝钢管市场上，随着产量的增加和质量的提高，我国生产的 无缝钢管已成为具有一定竞争力且为数不多的钢铁品种之一。2 0 0 5 年实现出口量达 1 3 9 2 4 万吨，占生产量的1 3 2 9 ，净出口量达到了7 1 4 1 万吨【l j 。 1 2 无缝钢管工业的发展水平 我国拥有世界上全部先进的新型连轧管机组。世界上第一套新型三辊式连轧管机组 诞生在天津钢管集团股份有限公司，其生产工艺具有自主知识产权。这种轧管机组的生 产优势明显，因此得到迅速的推广和发展，目前我国是世界上拥有这种连轧管机组最多 的国家。此外还有二辊式连轧管机、精密轧管机( a c c ur o l l ) 、三辊阿塞尔( a s s e l ) 轧 管机、新型顶管机( c p e ) 、立式挤压管机、自动轧管机、周期轧管机、卧式挤压管机、 大口径顶管机、扩管机等热轧管机组以及大型二辊式或多辊式冷轧管机、电动或液压式 冷拔管机等各种类型机组。我国现有能统计到的无缝钢管厂为1 0 8 家，各种无缝钢管机 组约1 5 0 多套，生产能力约1 6 5 0 万吨，其中冷拔( 轧) 管能力大约占2 1 。考虑其它未统 计到的生产能力，至2 0 1 0 年预计我国无缝钢管生产能力将可能在1 8 0 0 万吨【2 儿引。 1 3 无缝钢管生产中存在的问题 在我国无缝钢管行业飞速发展的同时，也出现了许多负面问题，例如产能过剩、品 种结构调整困难和技术创新能力不强等问题 2 1f 3 1 。 1 3 1 产能过剩，装备更新难 据估计，伴随着能源开采和经济发展，我国在未来几年无缝钢管的消费量将达到 1 0 0 0 力吨以上。而我国无缝钢管的产能已达到1 2 0 0 万吨以上，并且产能还在增加。如 第一章绪论 果不引起高度重视，继续盲目扩大产能，必然造成供求关系的失衡，不利于整个无缝钢 管行业的良性发展。依据钢铁产业发展政策的精神，在新连轧管机组建设的同时应 淘汰落后轧机机组。尽管有些企业和公司在这方面做了许多有益的工作，但对整个行业 来说，有些地区或单位受到经济利益的驱使，一些落后的轧机装备不但没有被淘汰， 而且被重复使用且比较严重。由此带来了生产产品的质量参差不齐，环境污染严重，能 源、资源消耗过大等一系列重大问题。从机组规格来看，我国中大口径无缝钢管机组 装备水平比较先进，虽然目前的供求矛盾不很突出，但中大口径无缝钢管生产机组的能 力得到完全释放，就会出现供大于求的状况。 1 3 2 品种结构调整困难 从总体上讲，我国无缝钢管的品种结构调整取得了巨大成绩，出口无缝钢管的品种 也在不断优化，油井钢管的国产化率和出口量迅速提高。但从有关部门了解到的情况看， 我国出口钢管量大而价低，进口钢管量小而价高。2 0 0 5 年出口无缝钢管的平均价格为 1 0 6 8 美_ 元吨，而进口无缝钢管的平均价格为2 5 0 9 美元吨。其中，进口的高压锅炉管 平均单价高达3 3 5 8 美元吨。由此说明，我国在高端、优质无缝钢管上还不得不依赖国 外进口，且这一部分产品的生产技术难度最大，质量要求相当高，可见品种结构调整进 入了难度攻关阶段。我国要成为无缝钢管生产强国，必须在超级钢、能满足特殊介质腐 蚀作用下使用的油井管、管线管和高参数大容量电站锅炉用管等高等级专用钢管的研发 上下功夫。这些专用无缝钢管是我国进口的主要品种，因此应广泛开展无缝钢管的钢种 研究，提高无缝钢管钢质的纯净度，开发或引进特殊丝扣，重视热处理和精整工序。从 2 0 0 5 年我国进口无缝钢管的两大专用管分析可知，就油井管而言，应注重研究开发q 1 2 5 以上具有高韧性的超高强套管、连续套管、膨胀套管和抗c 0 2 、h 2 s 、c 1 2 腐蚀套管以及 特殊丝扣套管；而在高压锅炉管研究中应进行6 0 万k w 及其以上超临界机组所需的 t 2 2 p 2 2 、t 2 3 p 2 3 、t 9 1 p 9 1 、t 9 2 p 9 2 、p 1 2 2 、w b 3 6 和不锈钢管的开发。从产品的规 格上看，大口径厚壁合金管的生产加工不能满足需求，是研究开发的重点。 1 3 3 研发、技术创新滞后 从2 0 世纪8 0 年代初宝钢引进第l 台连轧管机组以来，我国共引进了1 0 套连轧管 机组、2 套a s s e l 连轧管机组，参考国外的先进技术改造了部分落后的机组，自此我国 无缝钢管* l n 机组生产水平得到快速提高；但从另一角度说明我国无缝钢管生产装备技 术主要依赖国外技术，自主创新、集成创新和移植后再创新的能力滞后。这一现象与我 国处于无缝钢管产量大国的地位( 占世界总产量的4 0 左右) 不相协调。与r 本相比，我 国在消化、移植和自主开发方面存在显著的差距。同本自1 9 6 8 年从德国引进了1 套连 轧管机组之后，积极进行了相关的研究，随后在京滨和川崎引进的2 套连轧管机组中， 其主控设备均是由r 本国内制造的。客观地讲，我国开展连轧管技术、装备研究的时间 还是相当早的，1 9 7 6 年建设了1 条7 6 m m8 机架连轧管机组，但由于该机组存在一些 问题，最终没有达到预期效果。随后多年来，我国在连轧管技术的开发中进程缓慢。随 着学者对连轧管机的研究和探索，近年来我国的连轧管机设计制造水平得到了提高和发 第一章绪论 展。2 0 0 0 年在江苏省南通建成了1 套1 5 9 m m 连轧管机组，但该连轧管机水平与国外 引进机组相比，还是有一定的差距。2 0 0 3 - - , 2 0 0 5 年完成了0 2 7 3n l l n 连轧管机组的设计 制造工作，其效果还需要生产实际的验证。除主轧管机外，连轧管机组的配套工具开发 工作比较滞后，连轧管机的芯棒主要依赖进口，价格在1 0 0 0 0 美元吨左右，而国内制造 的芯棒质量和技术要求还需要进一步的提高。与创新能力不强相比，专业人才和研发后 劲不足的问题显得更加突出。有些院校和研究设计院、所没有设置无缝钢管教学专业和 研究部门，造成从事无缝钢管生产工艺技术和装备研究、开发的专业人才稀少，有关无 缝钢管生产技术和装备研究的重大科研项目寥寥无几。因此，为了增强我国无缝钢管技 术创新能力，可以把国内几家有实力的钢管企业或公司的科技力量联合起来作为无缝钢 管研发的新主体，联合高等院校和科研院所成立国家级攻关队，重点研究连轧管机装备 技术及配套工具的突出问题，并围绕专用油井管、锅炉管等专用无缝钢管品种的研发进 行技术攻关。 1 3 4 精炼能力差、管坯质量低 随着我国先进连轧管机组的建成投产，通过这些连轧管机组生产的无缝钢管( 平均 每年7 0 0 万吨) ，其外径公差、壁厚公差和表面质量能够达到国际一般水平或国际先进 水平。目前，无缝钢管质量的差距主要表现在钢质纯净度和性能的稳定性两个方面，少 数几个生产规模较大的无缝钢管生产公司具有相当完备的供坯条件之外，许多规模较小 的生产厂商得从市场购买管坯。即使是自供管坯的企业，其精炼能力和钢中有害元素的 控制水平也很低，p 、s 含量与国外高质量管坯产品相比，水平相差1 个数量级，夹杂 物含量的差距就更大。那些管坯靠吃“百家饭 的无缝钢管生产厂家，其钢质问题就更 加明显。因此，必须提高冶炼的装备水平和精炼能力，再联合高水平的热处理装备技术， 提高无缝钢管的性能稳定性。 1 3 5 精整工序不够重视 精整工序是保证专用无缝钢管质量的重要工序之一。多年来，我国无缝钢管企业重 视钢管成型工序，而轻视钢管热处理工序、精整工序和探伤检查工序，且问题相当突出。 这些生产加工工序要么处理能力不足，要么就是工序流程不畅或者是装备配置较低，很 难满足生产加工高质量无缝钢管的要求，甚至在有些无缝钢管生产厂家使用的探伤设 备，其水平比用户验收所用的探伤机的水平还要低。正是这些看起来不重要，好像对提 高产量没有影响的工序，反而对无缝钢管质量起着十分重要的作用，高质量的专用无缝 钢管就是因为有了这些高水平后处理工序才生产出来的。这一现象也反映了我国无缝钢 管生产加工还处在一个粗放型的生产阶段。 1 3 6 节约能源，优化经济技术指标 我国无缝钢管生产企业或公司因生产机组的生产水平不同、管理水平的高低和对环 保认识的差异，对能源、资源利用上产生了的不同效果。提供钢管坯条件不配套而又采 第一章绪论 用冷轧( 拔) 生产工艺的企业，要经过多道次冷加工、退火、酸洗工序，造成了对能源、 资源的浪费和对环境的破坏，这些企业或公司应重视废酸的综合处理。到目前为止，没 有一家企业或公司能够大规模地实现连铸坯热送工艺。有些企业或公司的经济技术指标 落后，其主要原因是由于无缝钢管是高附加值产品。目前无缝钢管的市场广阔、价格较 高的情况下，企业把扩大生产规模，提高生产量作为获取利润的手段，认为提高技术经 济指标、节能降耗等方面对企业利润的影响没有增加生产量那样显著，使人们对节能降 耗的认识、重视程度不高。为响应国家提出的可持续发展的战略要求，各无缝钢管生产 公司应优化生产工艺，采用热处理方式来提高无缝钢管使用性能，而不是向无缝钢管中 添加合金元素，以节省合金用量；在热处理工艺选择上，应尽量采用余热淬火或在线常 化工艺来节省能源；条件较好的企业可以开展连铸坯热送工艺的研究与应用；电炉炼钢 供坯的公司应用废钢预热工艺，高炉加转炉供坯的公司应作好回收煤气，并应用蓄热式 加热炉加热钢管坯的新技术；对含量较高合金废钢进行分选，单独堆放，便于在冶炼专 用无缝钢管坯时使用；噪声污染在无缝钢管生产的厂房周围十分突出，应采取措施降噪， 使无缝钢管生产公司真正成为能源节约型、环境友好型企业。 1 4 振动在节能和提高产品质量中的作用 振动是一种独特的传递能量的方式，在以前连轧管机的研究中都是将振动作为有 害，不利于轧制的因素。但是，近年来随着振动工程发展，恰当地利用振动可以有效地 完成许多工艺过程，提高机器的工作效率，降低能量消耗，提高产品质量。因此，在冶 金工业中广泛将振动运用到传统机械加工中以实现其高效、高质生产。目前，对振动成 型和振动拉拔的研究表明，振动可以减小材料的内摩擦力，增加其“流动性，降低材 料的变形杭力，使之易于产生塑性变形。例如，在耐火砖成型中，加入振动以后可以使 压力减少5 到1 0 倍左右，在拉拔细铜丝过程中，将振动加入后，可以大大降低拉拔力， 并且对细铜丝的表面质量有一定的改善。因此，如果把振动用于轧制无缝钢管，同样可 以达到降低轧制力，实现低轧制力、低能耗下的轧制工作【4 j 。 振动使金属内部金属晶体位错、细化，使加工金属表面的粗糙度降低，改善无缝钢 管表面的加工质量，同时振动使轧件与轧辊周期性的接触和分离，润滑剂容易进入轧制 变形区，降低无缝钢管的表面摩擦系数，减少摩擦热能的损耗，同时提高无缝钢管的尺 寸精度，也能改善表面质量的工艺效果【5 儿6 。 1 5 课题研究的目的和意义 随着高新技术的不断发展，人们利用振动技术解决了在车削、钻削、磨削、镗削、 拉伸等机械加工中的常规加工工艺的瓶颈问题，实现了精密、微细、难加工材料的加工。 如果在无缝钢管轧制中引入振动加工技术，即对轧机的轧件施加一定方向、频率及振幅 的振动，使金属内的动静态应力基于唯象力学的基本原理进行叠加，同时晶体位错促使 热致软化现象的发生以及轧辊与荒管之间的相对运动将会改善轧制润滑条件和改变材 第一章绪论 料的应力应变曲线。所以，在某种特定振动环境下，振动轧制能够使金属发生超塑性变 形，使荒管的变形抗力大为降低，从而降低加工能耗和改善设备使用环境，更适合于高 硬度、高强度及难成型的超级钢成型加工工艺，同时还可以提高加工精度和改善表面质 量【s 】【6 】【7 l 。 1 5 i 研究的目的 研究无缝钢管振动轧制条件下的应变与应力的变化规律，建立振动轧制的非线性运 动偏微分方程式，确立振动轧制加工过程的模型和理论，定量描述振动轧制加工过程， 从而降低轧制加工能耗和改善设备使用条件，开发更适合于高硬度、高强度及难成型的 超级钢成型加工工艺，同时提高加工精度和改善表面质量，促使无缝钢管的制造技术升 级。 1 5 2 研究的意义 提出无缝钢管振动轧制技术，并获得振动轧制过程模型，这一成果对促进我国高技 术含量无缝钢管轧制技术的自主开发，用现有设备轧制超级钢无缝钢管，提高设备加工 能力和降低能耗，提升产品质量和竞争能力，具有十分重要的实际意义。同时，开发的 振动轧制技术和理论可以满足现代轧制生产和轧制技术发展的迫切需要，解决现代轧制 理论相对滞后问题，为无缝钢管轧制技术的创新奠定理论基础，提升企业的技术水平和 名牌效应，推广高新技术在钢铁行业的应用，促进企业进行生产工艺改进，提高产品质 量和经济效益。 1 6 国内外研究现状分析 轧制是金属塑性变形加工的一种，因此其它塑性加工工艺中所得出的结论及研究方 法对轧制无缝无缝钢管具有借鉴作用。 自从1 9 9 5 年奥地利学者f b i a h a 和b l a n g e n e c k e r 8 】【9 】在研究单晶锌的超声拉伸试 验中发现流动应力降低了4 0 左右以后，各国学者对超声振动在金属塑性加工中的作用 及相应机理进行了广泛的研究，随后一些研究人员又对低频振动在金属塑性加工的影响 进行了一些试验研究和理论分析。从所查阅的文献来看，尽管一些学者在某些问题及结 果分析中的观点不尽相同，但所取得的共性认识却是相同的，下面是一些有益的结论归 纳： ( 1 ) 产生金属塑性变形所需的变形力即施加的外力变小了，降低程度从百分之几到 百分之七十以上不等。 ( 2 ) 金属塑性变形的流动应力降低了。 ( 3 ) 工件和工具之间的摩擦力减小了。 ( 4 ) 工件的表面质量提高了。 从研究方法上看，到目前为止试验研究较为广泛和成熟，而理论研究却相对滞后， 第一章绪论 这主要是由于振动塑性加工中的机理比较复杂，而且许多现象中包含着多种机理，交叉 性较大。要求研究人员和学者具有广博的知识面和分析应用能力，难度相当大。从研究 对象上看，人们对超声振动即超声波的应用及理论研究进行得比较为广泛，兴趣也较大， 取得了许多可观的成果，有些成果已应用于实际生产中，取得了很好的经济效益，而对 低频振动的研究及应用则较为少见，尽管低频振动据称可以取得与超声振动相同的机械 加工效果，这可能是因为超声振动的噪声污染较小，利于电气化，而低频振动却可能恶 化工作环境，而且还需要较好的隔振措施。从研究的范围来看，传统的金属塑性加工方 法都有研究人员研究过，如拉拔、挤压、轧制、剪切、深冲、锻压乃至粉末冶金等等， 其中研究最为广泛和深刻的是振动拉拔，振动挤压成型的研究也比较多，有些已经用于 实际生产加工中，像振动拉丝、振动拉管生产线在美国和日本都有，经济效益也相当可 观。从研究国家分布来看，欧洲国家和美国的学者研究的学者比较多，范围广泛，前苏 联的研究人员也进行过卓有成效的研究，而我国从事这方面的研究却相对较少。从研究 时间上看，国外主要集中在五十年代末至七十中期，国内则从七十年代末八十年代初才 开始这方面的研究，并且研究的深度及范围都不大，到现在从事这方面研究的文献也相 对不多。 1 6 1 国内振动加工现状分析 在国内，与本项目研究相关的研究工作主要有上海有色金属研究所的凌尔昌【i u j 等人 在八十年代初进行的超声波振动塑性变形，通过纵向激励、横向激励、扭转激励三种不 同的方式对钢丝进行振动塑性拉伸，得出了如下结论：一，在生产率方面，超声振动加 工可以降低拉伸力，提高拉伸速度，增加材料的压缩率。二，在加工材料方面，超声振 动塑性加工可以改善加工的材料的表面质量。三，在模具寿命方面，超声振动塑性加工 可以大大降低模具的磨损，延长模具的使用的寿命。郑金鑫【l l j 等探究了超高频振动下的 材料的本构关系，表明金属材料在高频振动作用下的屈服点，硬化率和延伸率都比常规 情况明显降低，建立了钢铁材料在超高频振动下的本构方程，同时在受超声激励韧性 金属的特殊力学行为分析一文中指出超声激励作用下韧性金属材料的特殊力学行为与 材料内部微观结构间相互影响密切相关，这种现象的机理是微缺陷为外部超声激励所激 化，从而材料的宏观表现为软化，理论上是基于微缺陷问影响的唯象力学方法。姜大志 【1 2 1 等讨论了振动切削的原理，指出振动切削是提高零件加工表面完整的重要方法；郭长 永【1 3 】等分析了振动切削机理和工艺特点，进而说明振动切削技术为- - f - 精密加工技术具 有普通切削所不可比拟的工艺效果，在不断的发展中必成为一门比较成熟的切削加工技 术，并且在精密和超精密加工方面发挥作用；何勃【1 4 】等基于应变叠加原理的基本思想， 阐述看金属振动塑性加工平均应力减少的原因，给出了体积效应机理的数学描述，提出 振动对金属的塑性加工的影响主要取决于频率、振幅及变形速度三个参量，基于弹粘塑 性本构关系，讨论了振动时金属的应力及应变的变化过程，其中振动塑性加工过程中应 力超调和平均应力均下降，并且建立了振动塑性加工系统的构成，给出了系统的非线性 动力学模型；蔡改贫【l5 j 【1 6 】等从非局部定理出发，建立了振动加工的力学平衡微分方程， 通过确定有关的非局部影响系数，并结合塑性变形应力应变假设，得到了方程的近似解 第一章绪论 以及非局部条件下振动拉拔摩擦力的解析表达式，通过数值计算得出表面的影响因素主 要是频率、振幅和非局部影响系数；韩清凯【1 7 】f 1 8 1 等提出了振动塑性加工在钢管轧制中的 应用，研究了振动加工下应力应变行为，理论计算得出了振动轧制可以使轧制力和轧制 力矩下降近5 0 ，同时对振动轧制的机理进行了详尽的探索，但还不能得出具体的结论。 1 6 2 国外振动加工现状分析 在国外，最早研究这方面工作的是奥地利学者f b l a h a 和b l a n g e n e c k e r 哺j 【叫揭示 了超声振动使单晶体锌塑性变形呈现软化现象，大大降低了金属的变形抗力，使拉伸力 降低约4 0 ，这种使金属变形抗力降低现象称为b l a h a 效应。随后英国b i r m i n g h a m 的 a s t o n 大学的c e w i n s p e r 、g r d a w s o n 、d h s a n s o m e 1 9 】【2 0 】三位学者对振动成形加工 进行了广泛而深入的试验和理论研究，提出了“体积效应 和“表面效应的概念运用 叠加原理和位错理论进行了理论分析，认为振动的介入并没有改变金属原有的机械性 能，提出在1 2 波长处施加超声振动最为有利，后又提出在i 4 波长处施加超声振动最 为有利，后者得到广泛的验证和接受；德国学者v o n k l a u s d i e t e rl i e t z m a n n 和g e o r g k e m p e 2 i 】对振动轧制的具体工艺进行了有益的归纳总结，给出了不同加振方式下进行轧 制所取得的结果，对于振动用于轧制的可行性进行了评估；a w y o u n g z 2 1 在研究超声轧 制加工过程中，超声振动加工后的试件的表面粗糙度、表面缺陷较少，表面质量得到了 提高，加工过程中的振颤也得到了抑制，而且许多以前很难加工的材料像钨合金等在振 动作用下却相对较容易进行加工了，并认为振动塑性加工在薄壁、难成形加工中应用将 会更有利，而且认为摩擦力的降低是振动引入的最大作用。前苏联的学者在高、低频振 动塑性加工的研究上也取得了相当的成果；m y a k a r n o v 和a a v o r o n i n 2 3 】认为低频作用 下金属的变形更均匀，接触面之间的摩擦降低了近6 0 ，轻金属的韧性提高了，工具的 工作压力减小了2 5 - 5 0 ，工具的工作寿命提高了，加工精度也得到了提高； h 0 k k i r c h n e 2 4 】等人在研究振动塑性加工机理过程中提出了应变叠加的研究方法，提 出几种应力一应变曲线形式，为这方面理论研究提供了一种新思路；h c m a e eb kl i 刈在研 究高频振动对塑性变形的影响时提出一种粘弹塑性的力学模型，对机理进行了分析。k s i e g e r t 2 5 】等人对超声