金属材料表层滚压设备的研制

论文摘要

金属材料表面经多次滚压可产生严重的塑性变形，进而有望使其获得亚微米甚至纳米尺度的超细小晶粒。本文着重研制出一种能够对金属材料表面实施较高速度、多道次滚压的金属材料表面滚压设备，为今后深入研究金属材料表面组织经滚压处理后有关组织的演变、性能特征及其应用等问题，提供必要的条件。本文主要工作如下：1．对设备的设计过程当中，始终本着运用现代设计理论及方法指导实践的思想。将设备所希望实现的功能分别独立成各个功能模块，并使各个功能模块分别具备各自独特的功能特色，在后期的方案制定中将这些功能模块进行合理组合，以形成不同结构布局的设备设计方案，之后再运用优化设计的方法，从各方案中选择最优的方案作为设备最终的设计方案；2．借助于ANSYS有限元分析软件，对滚压设备进行分析；3．对设备关键部件如上辊轴、试样支撑轴和下辊轴及其组合结构分别进行模态分析；4．将优化设计、设计方法学、计算机辅助设计、动态设计、有限元法、工业艺术造型设计、模块化设计、人机工程等新兴理论与方法融合进设备结构方案的确定和设计过程当中，同时指导后期设备的加工制作。整个工作中尽可能做到运用科学、准确的设计思想指导设备设计，从而提高设备生产效率，降低制作成本。本文的成果及设备主要实现的功能如下：1．设备能够提供0～40000N的输出压力载荷，对试样表面的滚压力恒定、平稳，同时可以通过数据记录系统读取输出压力的数值；2．设备能够提供0～1250r／mim的输出速度，对试样表面的滚压速度可以达到10km／h，最高可以达到12km／h，输出转速连续、可调，同时可以通过数据记录系统读取电机输出转速；3．设备在实验室运行表明，该设备运行平稳，输出压力稳定，输出速度均匀，为课题项目进一步深入、系统的研究提供了保证。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 材料整体晶粒细化技术的研究进展
• 1.2.1 热机械控制轧制技术
• 1.2.2 强烈塑性变形技术
• 1.2.3 材料的纳米化技术
• 1.3 材料表面晶粒细化技术的研究进展
• 1.4 现代设计理论与设计方法概论
• 1.5 课题来源及主要研究内容
• 1.6 课题研究意义
• 第二章 金属材料表层滚压设备的设计要求及方案
• 2.1 设备的性能指标要求
• 2.2 设计指导思想和基本设计思路
• 2.3 设备设计原理和功能模块的设计
• 2.3.1 轧制机械设计原理的启示
• 2.3.2 自行设计表面滚压设备的工作原理
• 2.3.3 功能模块1——设备施力系统
• 2.3.4 功能模块2——速度传动系统
• 2.3.5 功能模块3——试样夹持系统
• 2.4 设备结构方案的确定
• 2.4.1 设备结构方案一——单辊碾盘式滚压机
• 2.4.2 设备结构方案二——双辊碾盘式滚压机
• 2.4.3 设备结构方案三——双液压缸式滚压机
• 2.4.4 设备结构方案四——丝杠式滚压机
• 2.4.5 设备结构方案五——单液压缸式滚压机
• 2.4.6 设备各方案的对比及设备最终方案的确定
• 2.5 本章小结
• 第三章 金属材料表层滚压设备的设计
• 3.1 设备设计的参数确定
• 3.1.1 设备施力系统参数的确定
• 3.1.2 设备速度输出系统参数的确定
• 3.2 设备工作区设计
• 3.2.1 试样形状和尺寸的确定
• 3.2.2 试样支撑轴总成的设计
• 3.2.3 试样轴两端轴承处的滑座和压板的设计
• 3.2.4 上辊及上辊轴等结构的设计
• 3.2.5 下辊及下辊轴等结构的设计
• 3.2.6 上辊总成、试样支撑轴总成及下辊总成的总体设计
• 3.2.7 对于试样的油保护
• 3.2.8 工作台处进行密封箱体的设计
• 3.3 载荷施力系统设计
• 3.4 速度传动系统设计
• 3.4.1 电机的选择
• 3.4.2 选用V带传动传递电机输出的动力
• 3.4.3 减速机的选择
• 3.5 数据记录系统设计
• 3.6 设备电路控制系统设计
• 3.7 设备机架的设计
• 3.8 滚压设备的整体设计
• 3.9 本章小结
• 第四章 设备的静态强度及优化分析
• 4.1 设备关键部件模型的基本假设
• 4.2 模型的简化及建模方法
• 4.2.1 单元的选择
• 4.2.2 材料特性的定义
• 4.2.3 网格划分
• 4.3 上辊轴有限元模型的建立及有限元网格的划分
• 4.4 试样支撑轴有限元模型的建立及有限元网格的划分
• 4.5 下辊轴有限元模型的建立及有限元网格的划分
• 4.6 设备关键件的静力分析
• 4.7 上辊轴静力分析
• 4.7.1 上辊轴的工况
• 4.7.2 上辊轴静弯曲工况下的分析结果
• 4.8 试样支撑轴静力分析
• 4.8.1 试样支撑轴的工况
• 4.8.2 试样轴静弯曲工况下的分析结果
• 4.9 下辊轴静力分析
• 4.9.1 下辊轴的工况
• 4.9.2 下辊轴静弯曲工况下的分析结果
• 4.10 对轴体的优化分析
• 4.10.1 上辊轴的优化
• 4.10.2 下辊轴的优化
• 4.10.3 优化结果讨论
• 4.11 本章小结
• 第五章 设备关键件动态特性分析
• 5.1 设备动态性能参数
• 5.2 模态分析理论及分析方法
• 5.3 模态分析结果
• 5.3.1 上辊轴总成模态分析
• 5.3.2 试样轴总成模态分析
• 5.3.3 下辊轴总成模态分析
• 5.3.4 三辊总成体模态分析
• 5.3.5 轴件临界转速与轴件角速度的对比
• 5.4 本章小节
• 第六章 设备的选材与工艺
• 6.1 上、下轴辊的工艺
• 6.2 上辊轴的工艺
• 6.3 试样及试样支撑轴的工艺
• 6.4 下辊的工艺
• 6.5 机架的工艺
• 6.6 本章小结
• 第七章 设备的安装
• 7.1 安装要求
• 7.1.1 安装前准备工作
• 7.1.2 安装过程
• 7.2 设备的性能测试与分析
• 7.3 经济效益分析
• 7.3.1 设备投资成本
• 7.3.2 试样材料成本
• 7.3.3 试样实验效率
• 第八章 结论与展望
• 8.1 论文取得的成果
• 8.2 设备的特色及创新之处
• 8.3 论文不足之处
• 8.4 展望
• 参考文献
• 附录 设备电气控制原理图
• 致谢
• 攻读学位期间发表论文情况