何 潛，汪恩輝，張 超，黃維勇，張 亢，晏澤蘭，范晶君

(1.中國(guó)重型機(jī)械研究院股份公司，陜西 西安 710032;2.西南鋁業(yè)(集團(tuán))有限公司，重慶 401326)

0 前言

高強(qiáng)高韌的高性能鋁合金材料是現(xiàn)代航天、航空、船舶工業(yè)、武器裝備發(fā)展必不可少的關(guān)鍵材料，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展及制造業(yè)水平的不斷提高，鋁合金材料特別是大斷面、高品質(zhì)的鋁合金厚板市場(chǎng)需求快速增長(zhǎng)。國(guó)家“大飛機(jī)”項(xiàng)目的實(shí)施對(duì)大斷面、高品質(zhì)的鋁合金厚板的需求變得更加迫切。經(jīng)過(guò)預(yù)拉伸的航空級(jí)鋁合金厚板材在大飛機(jī)的制造中占有相當(dāng)大比重，是制造國(guó)產(chǎn)大飛機(jī)的主要材料，而且由于大斷面、高品質(zhì)鋁合金厚板及其生產(chǎn)所需的大型張力拉伸機(jī)均屬敏感產(chǎn)品，價(jià)格昂貴且難以引進(jìn)。

對(duì)于高強(qiáng)度鋁合金板材來(lái)講，在其前端制造工序(熔鑄、軋制、擠壓或淬火、鋸切等工藝)中，會(huì)產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力及彎曲變形，拉伸機(jī)主要用于消減鋁合金材料內(nèi)部殘余應(yīng)力、矯正材料的彎曲變形以及拉伸強(qiáng)化(提高材料的屈服強(qiáng)度)。用于生產(chǎn)鋁合金厚板所需的萬(wàn)噸級(jí)鋁合金板張力拉伸機(jī)的開(kāi)發(fā)研制對(duì)我國(guó)航空、軍事、民用工業(yè)以至國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展都具有十分重大的意義，開(kāi)發(fā)研制萬(wàn)噸級(jí)鋁合金板張力拉伸機(jī)，生產(chǎn)出滿足航空航天、國(guó)防軍工和國(guó)家經(jīng)濟(jì)建設(shè)需求的鋁及鋁合金厚板，大幅度提升我國(guó)鋁加工工業(yè)的發(fā)展水平，是目前我國(guó)機(jī)械工業(yè)和裝備制造業(yè)以及鋁加工業(yè)迫切的任務(wù)。

1 拉伸機(jī)工作原理

張力拉伸機(jī)消除板材內(nèi)部殘余應(yīng)力的機(jī)理是對(duì)淬火后的鋁合金板材在拉伸機(jī)上給予1%～4%的塑性變形，實(shí)質(zhì)就是使板材內(nèi)部的殘余應(yīng)力重新分布，趨向均勻。如圖1所示，其主要由帶有液壓緩沖功能的復(fù)位裝置1、固定夾頭2、壓梁3、主拉伸缸5、活動(dòng)夾頭6等部件組成，采用全浮動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，即固定夾頭、壓梁、主拉伸缸內(nèi)部柱塞、活動(dòng)夾頭等部件在拉伸時(shí)形成整體受力封閉框架，并沿拉伸力作用方向不做限位，可以沿該方向運(yùn)動(dòng)。

圖1 張力拉伸機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.1 Structure of tension-stretcher

拉伸時(shí)固定夾頭和活動(dòng)頭分別夾緊材料的一端，固定夾頭通過(guò)插銷與兩個(gè)壓梁固定連接在一起，主拉伸缸一端柱塞與活動(dòng)夾頭連接，另一端柱塞與壓梁固定。活動(dòng)夾頭由兩個(gè)主拉伸缸驅(qū)動(dòng)相對(duì)固定機(jī)頭產(chǎn)生位移以實(shí)現(xiàn)對(duì)材料的拉伸。固定夾頭2及拉伸夾頭6受力如圖1所示，其中T為拉伸材料對(duì)機(jī)頭的反作用力;T/2為液壓缸分別施加給拉伸機(jī)頭或通過(guò)壓梁施加給固定機(jī)頭的拉伸力;板材張力拉伸機(jī)的最大拉伸力T按如下公式計(jì)算

式中，F(xiàn)max為板材最大斷面面積(mm2);σs為板材屈服強(qiáng)度(MPa)。

在拉伸機(jī)的設(shè)計(jì)中，固定夾頭和活動(dòng)夾頭是最關(guān)鍵的，該兩個(gè)部件不僅需要承受巨大的拉伸力還要保持對(duì)鋁合金板材的均勻夾緊，也就是保證鋁合金板材的延伸率一致性，這些都是以?shī)A持的可靠性為前提。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，張力拉伸機(jī)的上、下橫梁內(nèi)成對(duì)裝有數(shù)組用于夾緊的鉗口組件，鉗口組件通過(guò)T型槽與上、下橫梁連接，鉗口組件中的上、下夾緊鉗體沿夾緊斜面上、下運(yùn)動(dòng)完成對(duì)拉伸板材的夾緊或松開(kāi)。

在板材拉伸前，必須先使用預(yù)推力推動(dòng)上、下鉗體沿斜面運(yùn)動(dòng)直到鉗體夾鐵與鋁板完全接觸并達(dá)到特定的咬合狀態(tài)，這樣就保證了在主拉伸缸的推動(dòng)下板材的拉伸不會(huì)導(dǎo)致鋁板從鉗口里滑落，這個(gè)過(guò)程就被稱作“預(yù)夾緊”過(guò)程。而在實(shí)際板材拉伸過(guò)程中，在拉伸過(guò)程的前期，通常為了保證夾持的可靠性，“預(yù)夾緊”的外載荷是繼續(xù)保持的，而到了拉伸過(guò)程的后期，往往為了避免板材斷裂造成夾緊機(jī)構(gòu)的損壞，“預(yù)夾緊”機(jī)構(gòu)已經(jīng)完全脫離，鋁板的夾緊就完全由依靠拉伸力產(chǎn)生的夾緊力來(lái)實(shí)現(xiàn)，也稱之為“自適應(yīng)夾緊”，這些過(guò)程中夾緊的力學(xué)模型是完全不同的，下面分別加以闡述。

2 預(yù)夾緊機(jī)理研究

在“預(yù)夾緊”過(guò)程中，工件在拉伸前須給予壓平等工序，但真正壓平達(dá)到理想程度是不可能的，或多或少有點(diǎn)彎曲，假設(shè)工件頭部呈弓星彎曲狀態(tài)，鉗口上、下斜塊夾鐵對(duì)工件頭部的作用可以看做是簡(jiǎn)支梁的彎曲并且是小變形問(wèn)題，如圖2所示，圖2a為夾頭最初受力;圖2b為預(yù)夾緊接近最好時(shí)的受力狀態(tài)。

（2）經(jīng)濟(jì)管理。長(zhǎng)期以來(lái)，由于水資源伸手即來(lái)，人們對(duì)水資源的價(jià)值缺乏進(jìn)一步的更深的認(rèn)識(shí)。所以在彌補(bǔ)行政手段不足的同時(shí)，我們每一個(gè)個(gè)體都應(yīng)重新確立水的意義和價(jià)值，與此同時(shí)政府建立以水權(quán)為操作的核心、以水價(jià)為操作的通用手段、有償使用水資源的社會(huì)主義市場(chǎng)機(jī)制。所以水權(quán)的初始分配必須通過(guò)政府機(jī)構(gòu)進(jìn)行并建立相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。

圖2 鉗口夾鐵受力圖Fig.2 Schematic of clamping workpiece

如圖2a所示是變形的初級(jí)階段，當(dāng)鉗口夾鐵逐漸靠攏時(shí)對(duì)工件的彎曲過(guò)程可按懸臂梁計(jì)算，隨著夾鐵逐漸靠攏對(duì)壓時(shí)，變形過(guò)程逐漸發(fā)生變化，類似于2b的情況，這是鉗口夾鐵受力可以認(rèn)為是受作用的簡(jiǎn)支梁，屬于超靜定問(wèn)題，當(dāng)鉗口夾鐵能夾住工件頭部并建立起拉伸過(guò)程。采用材料力學(xué)的知識(shí)，用變形疊加法，預(yù)夾緊變形與預(yù)夾緊力表達(dá)為，簡(jiǎn)支梁的變形和受作用變形分別為

疊加 δμ及 δM0，

支反力

其中，δz為工件彎曲的最大變形量;E為彈性模量，對(duì)于鋁及鋁合金，E=69 GPa;J為工件彎曲時(shí)的慣性矩(每個(gè)夾塊作用下的工件寬度);如果已知板材端部的不平整度，代入(4)式，則可求出壓平鋁板所需的支反力Pμ。下面分析預(yù)夾緊過(guò)程中鉗體在預(yù)拉伸過(guò)程中的受力，這樣可以通過(guò)預(yù)夾緊力pμ計(jì)算出所需的預(yù)推力。

圖3 鉗口預(yù)推受力簡(jiǎn)圖Fig.3 Schematic of pre-thrust force

在預(yù)夾緊過(guò)程中，夾鐵與工件之間沒(méi)有緊貼或者已經(jīng)緊貼但是鉗體還存在往前滑動(dòng)的趨勢(shì)，故存在夾鐵與鋁板的摩擦力Fu2以及鉗體與斜面的摩擦力Fu1。按力的平衡三角形關(guān)系，忽略斜塊夾鐵重量Gc，經(jīng)整理得到推力Tμ，Pμ之間的關(guān)系。

式中，Tμ，Pμ分別為每個(gè)斜塊夾鐵預(yù)推力，預(yù)夾緊力;α為斜面夾角。μ1與μ2分別為鉗體與斜面，鉗口夾鐵與工件之間的摩擦系數(shù)。

3 拉伸過(guò)程中夾持機(jī)理研究

3.1 “自適應(yīng)夾緊”過(guò)程力學(xué)分析

如前文所述，在實(shí)際板材拉伸過(guò)程中，鋁板的夾緊就完全由依靠拉伸力產(chǎn)生的夾緊力來(lái)實(shí)現(xiàn)，也就是“自適應(yīng)夾緊”;在拉伸力上升的過(guò)程中，夾緊力顯然也會(huì)顯著的上升，同時(shí)由預(yù)推力產(chǎn)生的預(yù)夾緊力相比自適應(yīng)夾緊力是非常小的，所以在這個(gè)拉伸過(guò)程中的力學(xué)分析可忽略預(yù)夾緊力的影響。下面對(duì)這個(gè)過(guò)程的夾緊力進(jìn)行分析。圖4為組合梁式拉伸機(jī)鉗口受力分析圖。

圖4 梁式結(jié)構(gòu)夾頭受力簡(jiǎn)圖Fig.4 Load sketch of beam structure clamp

如圖4所示的輔助梁、主梁與主缸相聯(lián)，拉伸力由它傳遞，主梁、鉗口與工件相聯(lián)拉伸力由此傳遞給工件并夾住工件，因而產(chǎn)生了垂直夾緊力和正壓力，斜塊鉗口將沿輔助梁滑動(dòng)，產(chǎn)生PK，而夾鐵、鉗口組件隨工件移動(dòng)，假定夾緊可靠地前提下，兩者之間沒(méi)有滑動(dòng)，由此按力平衡關(guān)系有可推算得到式(6):

3.2 合理的斜面夾角α的選擇

為保證夾緊的可靠性，工件頭部受的夾緊力必須是很大的，因?yàn)楣ぜ粖A的頭部必須發(fā)生塑性變形，這樣夾鐵的牙齒才能壓入工件，保證在拉伸過(guò)程中不打滑，從式(6)可看出，從夾持可靠性的角度看，α角越小越好;但是從另一角度看，夾緊力也不宜過(guò)大，因?yàn)樘罅死焱瓿珊筱Q口難以打開(kāi)，并會(huì)壓碎工件頭部造成板帶斷裂，而且過(guò)大的夾緊力必然造成設(shè)備的龐大，設(shè)備成本增加?？刂茒A緊力的大小，關(guān)鍵問(wèn)題是確定合理的斜面夾角α。

為保證夾持的可靠性，對(duì)于板材拉伸，夾鐵與鋁板不產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)，必須滿足下式。

將式(6)代入，則有

μ2為夾鐵對(duì)工件之間的摩擦系數(shù)，因夾鐵帶牙齒，μ2達(dá)到最大值等于0.4～0.6，可根據(jù)齒形情況選取;式(8)表達(dá)的條件從夾鐵與工件接觸表面摩擦力與拉力之間的平衡關(guān)系來(lái)考慮的，以下將分析夾鐵與工件頭部之間的壓力關(guān)系來(lái)分析工件能否被壓壞而造成斷帶，如圖5所示情況;可以看成是矩形坯墩問(wèn)題，其差別是摩擦力僅指向一方，兩側(cè)沒(méi)有變形，在x方向的b與δ方向的h之比一般為1.35，可以設(shè)為摩擦力對(duì)整個(gè)端面都有影響。

圖5 鋁板夾持端應(yīng)力簡(jiǎn)圖Fig.5 Stress diagram of Al-plate clamping end

現(xiàn)在來(lái)對(duì)鋁板夾持端進(jìn)行應(yīng)力分析，b為夾持長(zhǎng)度，h為鋁板厚度，σ3x為x斷面拉應(yīng)力，Pm為整個(gè)夾持長(zhǎng)度的平均夾持應(yīng)力，Pmx為端部BB到x斷面之間平均單位壓力，Px為x斷面的夾持應(yīng)力，鋁板壓潰的邊界條件是全斷面發(fā)生塑性變形，也就是說(shuō)Px|x=0=σs，根據(jù)屈雷斯加(H.Tresca)屈服條件，有

σ1用Px代入，σ3用σ3x代入，作為第三主應(yīng)力，考慮到應(yīng)力方向，則(9)式改寫成:

又考慮到端部(BB到x斷面之間)力平衡關(guān)系，σ3zhCb=2μ2PmxxCb

由此σ3x可以寫成

其中Pmx可簡(jiǎn)化計(jì)算

把(11)，(12)，代入(10)可整理得

另外也可以對(duì)式(11)進(jìn)行微分并精確的求得Px，但最終得到的Pm結(jié)果與式(13)結(jié)果很接近，這也說(shuō)明簡(jiǎn)化計(jì)算方法也很科學(xué)。從不夾壞鋁板的角度考慮必須滿足:

考慮到T=σshCb并將式(6)代入式(14)可得:

在設(shè)計(jì)中，b是按鋁板剪切強(qiáng)度計(jì)算設(shè)計(jì)，而h是按最厚的板材取的，以滿足最大的拉力，在拉伸其他小規(guī)格時(shí)，因夾鐵與工件頭部的同樣的接觸面積，而拉伸力較小，夾鐵的牙齒可能壓不進(jìn)工件內(nèi)，也就是說(shuō)并未全部發(fā)生塑性變形。但因摩擦力與接觸面積有關(guān)，雖然牙齒沒(méi)有壓入工件內(nèi)，其摩擦力仍能滿足要求。

綜合式(8)及式(15)，就可根據(jù)拉伸機(jī)的最大負(fù)載確定有效的斜角夾角的范圍，一般取值在16°～24°比較合理。

4 結(jié)論

在對(duì)板材預(yù)夾緊機(jī)理進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，建立了力學(xué)模型，并推算出了預(yù)夾緊所需的預(yù)夾緊力及預(yù)推力。在板材拉伸的后期，由預(yù)推力產(chǎn)生的預(yù)夾緊力相對(duì)于拉伸力產(chǎn)生的夾緊力已顯得微不足道，拉伸進(jìn)入了“自適應(yīng)夾緊”階段。

對(duì)于“自適應(yīng)夾緊”階段，主要研究了如何保證“自適應(yīng)夾緊”的可靠性并保證夾緊力不過(guò)大造成板帶斷裂，確定了合理的斜面夾角計(jì)算方法。

截止到目前，由中國(guó)重型機(jī)械研究院股份公司研制的12 000 t航空鋁合金板材拉伸機(jī)已投產(chǎn)兩年多，設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定可靠，已為國(guó)內(nèi)航空航天企業(yè)生產(chǎn)了大量合格的大斷面、高品質(zhì)鋁合金板材。在設(shè)備開(kāi)發(fā)研制過(guò)程中，對(duì)拉伸機(jī)夾持機(jī)理進(jìn)行了研究，為同類型設(shè)備的開(kāi)發(fā)積累了大量經(jīng)驗(yàn)。

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