用于对圆环件轧制机的行为进行建模的方法

技术领域

本发明涉及对锻造(forgeage)方法进行建模的领域，特别地涉及对圆环件(circulaire)轧制方法进行建模的领域。

背景技术

目前，由于建模使得能够设计新的锻造序列(gamme de forge)或优化现有序列，因此对锻造方法进行建模是工业中的重要问题。锻造序列是成形操作的组，使得能够使用特定工具将杆状部段制成具有所需形状的无缺陷坯件。由于所有这些操作的可靠且真实的模型(特别是工具和杆状部段的行为的模型)还减少了为验证新的序列而必须制造的部件的数量，因此该模型使得能够减少新的锻造序列的设计时间。

因为压力机的控制原理很简单，因此使用液压机或更通常地使用立式锻造机的锻造方法易于整体建模。具体地，在锻造期间仅有压力机的一个平移移动。然而，这些锻造方法不太适合在没有焊接的情况下制造环或管部。为了使得能够最佳地使用材料，使用圆环件轧制方法以制造这种部件。

在圆环件轧制的情况下，因为有必要以同步的方式考虑不同工具的同时的平移移动和旋转移动，因此实现对工具的行为进行建模是复杂的。类似地，不同工具的移动需要杆状部段的必须被控制的参数的多个同时的变化。应当注意，圆环件轧制方法的原理通常是减小杆状部段的横截面和高度，从而以被控制的方式增大杆状部段的直径。

为了对这种类型的方法进行建模，有必要对构成圆环件轧制机的所有工具的移位进行控制。通常，工具命令作为输入由操作者给到辊子的控制系统，并且取决于被层压的部件。当操作者希望层压新的部件时，他必须事先确定输入数据，这些输入数据不仅是待获得的部件的最终尺寸，还是这些尺寸的关联变化。

轧制方法可以通过有限元计算来进行数字建模，而不需要考虑由控制系统管理的轧制机的工具的适应性操作。在这种情况下，通常有必要机加工至少一个部件，以检查锻造序列的质量并收集捕获的数据，特别是工具移位数据以及关于在部件的轧制期间施加在工具上的力的数据，以将这些数据结合到轧制方法的建模中。

然而，这种做法有多个限制。首先，需要制造部件来制作模型，这是费时的并且引起了高的成本。第二，制作的每个模型仅与来自特定工具的部件的特定形状相关，因此，如果待制造的圆筒形坯件的坯料不同，则不能预测不同工具的行为。最后，由于需要对捕获进行返工，因此这种模型转化成数据是复杂的。

存在如下的有限元计算模型：该有限元计算模型考虑了由控制系统管理的轧制机的工具的适应性操作。

目前，存在集成了计算机代码(例如Simufact)的机器伺服辅助模型。然而，使用的模型未考虑到圆环件轧制机1的机械方面。因此，模型预测的精度低，并且需要锻造真实部件以验证新的锻造序列。典型地，现有模型可能将锻造方法的持续时间极大地低估(例如10％)。现有的模型还可能模拟了不代表实际情况的径向力和轴向力F

发明内容

本发明的目的是至少部分地弥补上述缺点，提出一种考虑了圆环件轧制机的所有可移动工具的行为及所有可移动工具的相互作用的建模方法，从而使得能够可靠地且快速地确定锻造序列。

该目的由本发明通过一种用于对圆环件轧制机的行为进行建模的方法来实现，圆环件轧制机旨在基于设置值来轧制圆筒形部件，圆环件轧制机包括至少一个锥形辊子和心轴，至少一个锥形辊子被构造成沿着第一方向进行平移移动，心轴被构造成沿着第二方向进行平移移动，设置值包括作为所述圆筒形部件的外直径的函数的、所述外直径的增大速度的设置值、以及作为圆筒形部件沿着第二方向的厚度的函数的、圆筒形部件沿着第一方向的高度的设置值，所述方法包括以下步骤：E1-通过控制方程获得圆环件轧制机的第一组行为特征参数，控制方程将心轴沿着平移的第二方向的平移速度与外直径的增大速度以及设置值的函数相关联；E2-基于第一组参数对施加在锥形辊子上的力的值进行有限元计算；E3-将施加在锥形辊子上的力的计算值与圆环件轧制机所允许的至少一个阈值力进行比较，并且如果施加在锥形辊子上的力的值大于允许的力阈值，则获取第二组参数，使得不遵循增大速度设置值，校正第二组参数以获得第三组参数；如果施加在锥形辊子上的力的计算值小于允许的力阈值，则通过考虑心轴的刚度来校正第一组参数，以获得第三组参数；所述第三组参数是圆环件轧制机对于给定设置值的行为特征。

本发明的其它特征、目标和优点将通过以下描述而变得明显，以下描述是纯说明性的且非限制性的并且必须参照附图来阅读，其中：

-通过控制方程获得的第一组参数包括锥形辊子的移位速度

-控制方程如下地给出：

其中，s为心轴的位置，

-在比较步骤E3期间，至少一个允许的力阈值取决于圆筒形部件的外直径；

-在校正步骤期间，考虑心轴的笼部的变形，使得通过圆环件轧制机的心轴的至少一个行为特征参数的偏移来获得第三组参数，心轴的笼部被建模为具有刚度常数k的弹簧。

附图说明

本发明的其它特征、目标以及优点通过以下描述将变得明显，以下描述是纯说明性和非限制性的并且必须参照附图阅读，在附图中：

图1示意性地示出了使得能够轧制圆筒形部件的圆环件轧制机。

图2a和图2b示意性地示出了根据本发明的用于对圆环件轧制机的行为进行建模的方法的步骤。

图3示意性地示出了可以通过圆环件轧制方法获得的圆筒形部件。

图4示出了圆环件轧制机的输入设置值的示例。

图5示意性地示出了用于对图1的圆环件轧制机的可移动工具的移动进行控制的系统。

图6示出了由轧制机的锥形辊子所允许的阈值力值限定的不同阶段(palier)。

图7是示出了通过根据本发明的方法获得的模型计算的、通过现有技术的模型计算的、以及通过实验测量的锥形辊子处的轴向力的变化的曲线图。

图8是示出了通过根据本发明的方法获得的模型计算的、通过现有技术的模型计算的、以及通过实验测量的心轴处的径向力的变化的曲线图。

图9是示出了通过根据本发明的方法获得的模型计算的、通过现有技术的模型计算的、以及通过实验测量的在轧制期间部件的外直径的变化的曲线图。

图10是示出了通过根据本发明的方法获得的模型计算的、通过现有技术的方法计算的、以及通过实验测量的在轧制期间部件的外直径的增大速度的变化的曲线图。

仅示出了理解本发明所必需的元件。为了简化附图的阅读，相似的元件在所有附图上用相同的附图标记表示。

具体实施方式

图1示意性地示出了在图2a和图2b中示出的圆环件轧制方法中用于制造圆筒形部件(被称为环5)的系统的移动工具。圆环件轧制机1包括至少一个锥形辊子3，该锥形辊子沿着第一方向Y平移并且沿着第二辊子方向X’旋转。在所示的示例性实施例中，圆环件轧制机1包括上锥形辊子3和下锥形辊子3’。

圆环件轧制机包括驱动筒部4，驱动筒部围绕与第一方向Y相切的、大致竖直的轴线旋转。驱动筒部4的旋转速度由在图5中示意性地示出的控制单元10控制。

轧制机1包括被称为心轴2的另一个圆柱形工具，该圆柱形工具也围绕沿着第一方向Y的轴线旋转。心轴2可以沿着与第一方向Y大致正交的第二方向X平移。心轴2的平移移动和旋转移动由控制单元10控制。

图3示出了圆筒形环5的示例，该圆筒形环可以通过用圆环件轧制机1对杆状部段进行轧制来获得。为了形成具有沿着第一方向Y的高度a以及沿着第二方向X的厚度e和外直径D的环5，操作者可以将环5布置在至少一个锥形辊子3下方并且布置在心轴2与驱动筒部4之间。

锥形辊子3的旋转移动与锥形辊子3的平移移动同时进行使得能够改变环5的高度a。以相关的方式，驱动筒部4与心轴2的旋转移动与心轴2的平移移动同时进行使得能够改变环的厚度e。

同时，该组工具移动改变了环5的外直径或外部直径D。

为了获得具有期望尺寸的环5，建议将输入设置值作为输入来给到圆环件轧制机1的控制单元10(也被称为控制系统10)。输入设置值至少包括待轧制的圆筒形环5的期望尺寸。优选地，输入设置值还包括环5的尺寸的变化规律。

在示例性实施例中，设置值包括作为外直径D的函数的、圆筒形环5的外直径的增大速度

设置值可以包括作为环5的沿着第二方向X的厚度e的函数的、圆筒形环5的沿着第一方向Y的高度a(e)的设置值。这种输入设置值的示例在图4中示出。

基于作为输入给到控制单元10的设置值，控制单元10可以控制轧制机1的移动工具2、3、4的平移移动和旋转移动，如在图5中示意性地示出。每个锻造序列与特定的设置值相关联。特别地，一旦达到期望的外直径D

用于对圆环件轧制机1的行为进行建模的方法的第一步骤E1是确定控制方程，使得能够将输入设置值与辊子1的可移动工具2、3的至少一个移动相关联。控制方程使得能够获得圆环件轧制机1的第一组行为特征参数。

优选地，这是确定控制方程的问题，控制方程使得能够将输入设置值与轧制机1的可移动工具2、3的所有移动相关联。

在示例性实施例中，这是在环5的沿着第二方向X的厚度s的增大速度

优选地，外直径D的增大速度

为了确定对轧制机1的不同移动进行描述的控制方程，可以研究轧制机1的伺服辅助回路的原理，这使得能够基于由操作者输入的设置值来管理可移动工具2、3、4的所有移位。

在示例性实施例中，控制方程已经被确定为再现对轧制机1的一部分行为以及由操作者输入到轧制机1的控制单元10中的主要设置值，控制方程如下地给出：

其中，s为心轴的位置，心轴的位置与环的厚度e直接相关，

该非线性控制方程使得能够根据输入设置值获得具有理论厚度s的心轴的第一平移速度

还能够将待轧制的环5的外直径D的增大速度

优选地，外直径D的增大速度

用于获得圆环件轧制机1的第一组行为特征参数的控制方程可以被集成到有限元计算代码中。在示例性实施例中，控制方程可以通过Transvalor计算代码的编辑器来集成到Forge计算代码中。

有限元计算代码使得能够对轧制方法进行建模，并且特别地使得能够根据第一组参数来计算在轧制方法期间由锥形辊子3施加在环5上的力F

为了改进之前获得的控制模型，可以考虑圆环件轧制机1的机械特征。特别地，可以将第一机械模型和第二机械模型结合到建模中，第一机械模型表示锥形辊子3上的力的限制，第二机械模型转换心轴2的弹性。

还需要管理这两个机械模型与圆环件轧制机的伺服辅助回路的模型的相互作用。最后，有必要形成与圆环件轧制方法一致的假定以使模型彼此相互作用。这使得能够获得代表实际情况的最终控制模型。

结合到锥形辊子3中的力限制

为了避免损坏辊子1，施加在锥形辊子3上的力F

图6示出了如下的示例性实施例，在该示例性实施例中，限定了四个力阈值F

为了管理第一机械模型与圆环件轧制机1的伺服辅助回路的具有控制方程的模型的相互作用，可以限定两种不同的情况。

优选地，当锥形辊子3的径向力F

该建模方法包括将施加在锥形辊子3上的力F

如果施加在锥形辊子上的力F

在力限制期间，不再应用控制方程，例如之前提出的控制方程中的一个控制方程。由锥形辊子3向环5施加恒定的力。因此，第一机械模型将修改锥形辊子3的移位，以确保允许的最大力。由于施加到第一机械模型的力相对于通过有限元计算代码计算的理论力减小，这将导致外直径D的增大速度

在示例性实施例中，第二组参数通过控制方程仅按照作为环5的沿着第二方向X的厚度s的函数的、环5的沿着第一方向Y的高度的输入设置值h(s)来计算，使得未遵循增大速度

所描述的模型使得能够在过渡区域中更可靠地考虑轧制机1的行为，在过渡区域中，由模型的锥形辊子3施加的力F

图7示出了通过所提出的建模方法来计算的轴向力F

在轧制方法期间，环5的计算直径D将增大到使力发生变化的直径值。如果施加在锥形辊子3上的力的计算值小于新的允许的力阈值，则该组参数根据正常操作下的控制方程来计算。

在所提出的建模方法的步骤E3期间，对第一组参数或者在适用的情况下对第二组参数进行校正以获得第三组校正参数，这使得能够对圆环件轧制机1的所有可移动工具(特别是心轴2)的动力学进行转换。因此，第三组参数是圆环件轧制机1对于给定设置值的行为特征。

考虑心轴2的刚度

为了改进建模方法，可以计算第三组参数以考虑心轴2的刚度。在第一步骤E1期间确定的控制方程使用了心轴2的理论位置。

在示例性实施例中，心轴2可以被容纳于在轧制方法期间弹性变形的笼部中，其结果是干扰了心轴2的位置。根据经验观察到，环5的实际厚度e通常大于理论厚度e。已经发现，圆环件轧制机1的控制单元10没有考虑在轧制方法期间被控制的心轴2的笼部的变形。

心轴笼部2的弹性变形可以简单地被建模为附接在心轴2与致动器21之间的弹簧的变形，该弹簧使得心轴2能够沿着第二方向X平移运动。

可以认为，心轴2的笼部表现为具有刚度k的弹簧，笼部根据心轴2沿着在第二方向X上的轴线的位置在环5上径向地施加力。在该示例性实施例中，第三组参数的值通过增加正的或负的偏移来获得。

作为校正被施加的偏移可以取决于通过有限元计算代码来计算的径向力。

特别地，在该组参数包括环5的厚度s的增大速度

优选地，该第二机械模型可以通过Transvalor完全集成在Forge计算代码中。

图8示出了通过所提出的建模方法来计算的径向力、通过现有技术的未考虑该第二机械模型的模型来计算的径向力以及实验的力测量值之间的比较。可以发现，所提出的建模方法更可靠地说明了在心轴2上的径向力。

因此，所描述的用于对圆环件轧制机1的行为进行建模的方法使得能够获得提供了圆环件轧制装置的行为的完整模型。

为了更充分地说明所开发的模型的贡献，可以对使用现有技术的轧制机的伺服辅助模型来建模的结果与使用新描述的模型来建模的结果进行比较，新描述的模型考虑了表示心轴2和锥形辊子3的机械特征的两个机械模型。

图9和图10示出了通过现有技术的模型计算的、通过所描述的模型计算的以及通过实验测量获得的环5的外直径D的变化之间的比较以及环5的外直径的增大速度

可以看到，所描述的建模方法使得能够获得更真实地遵循参数的真实变化的新模型。因此，对于与新的锻造序列对应的设置值，能够提供对轧制部件的变化以及轧制机1的行为进行表征的所有参数。

特别地，这使得能够对轧制操作进行优化而不需要制造真实部件。因此，能够降低锻造序列的设计成本。

最后，由于所提出的建模方法，能够提供轧制方法的持续时间，轧制方法的持续时间被认为是未知的并且取决于待轧制的部件。特别地，这使得能够获知是否存在冷锻造部件的风险。该控制方法还使得能够对生产部件报废的风险进行限制。