楊會(huì)林 黃開旺 周傳香

(東北大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院 遼寧沈陽110819)

1 前言

六斜輥矯直機(jī)在國內(nèi)矯直厚壁管材方面應(yīng)用廣泛[1]。其中，六個(gè)輥?zhàn)臃稚舷赂?個(gè)且成對(duì)排列。其輥型都是雙曲線輥型，但由于分布不同，主要起到的矯直作用也不同。第一對(duì)輥?zhàn)又饕鸬揭牍懿暮蛨A整管材端面的作用，管材在經(jīng)過第一對(duì)輥?zhàn)訒r(shí)的彈塑性彎曲變形不是很大。當(dāng)管材經(jīng)過第二對(duì)輥?zhàn)訒r(shí)，管材的反彎量會(huì)增大[2]。管材將發(fā)生較大變形，但管材的變形并不是連續(xù)的。也就是說會(huì)出現(xiàn)矯直盲區(qū)，即存在不能被矯直部分。這也是一般六斜輥矯直機(jī)的缺點(diǎn)，不能使被矯圓材實(shí)現(xiàn)全長矯直。常見的六斜輥矯直機(jī)能夠相對(duì)均勻矯直厚壁管材，但不能用來矯直薄壁管材。

將以原有的六斜輥矯直機(jī)為基礎(chǔ)進(jìn)行了輥型的改進(jìn)，將第二對(duì)的雙曲線輥型設(shè)計(jì)為凹凸輥[3]，實(shí)現(xiàn)管材的全長矯直，并針對(duì)薄壁管特性設(shè)計(jì)相應(yīng)的輥型參數(shù)。同時(shí)通過在壓下系統(tǒng)中安裝伺服機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)補(bǔ)償機(jī)架變形，保證機(jī)架能穩(wěn)定工作，從而使被矯直的薄壁管材具有較高的矯直精度。

2 原理與參數(shù)設(shè)計(jì)

2.1 斜輥矯直原理[4]

2.1.1壓扁矯直原理

斜輥矯直機(jī)在矯直管材時(shí)，管材同時(shí)受到反復(fù)的縱向彎曲和橫斷面壓扁的綜合作用，同時(shí)在矯直輥的帶動(dòng)下薄壁管材邊旋轉(zhuǎn)邊前進(jìn)。管材的旋轉(zhuǎn)可以使薄壁管材同一個(gè)橫斷面處處得到壓扁，起到圓整橫斷面的作用。不僅可以獲得較好的矯直效果，還能對(duì)管材起到圓整效果。1處的管材外表面受拉應(yīng)力，內(nèi)表面受壓應(yīng)力。區(qū)域2處發(fā)生塑性變形，外表面受到壓應(yīng)力，內(nèi)表面受到拉應(yīng)力。區(qū)域3處同區(qū)域1處。

圖1 管材壓扁矯直時(shí)的受力狀態(tài)和壓扁力圖

由圖看出，管材處于矯直輥的輥腰處，并且輥?zhàn)优c輥?zhàn)又g的距離即輥縫小于管材的外徑。由于管材在矯直過程中不停的旋轉(zhuǎn)，管材每一個(gè)圓斷面上的各個(gè)方向都會(huì)壓扁管材，使管材發(fā)生彈塑性變形。從而，起到圓整橢圓端面的作用。

2.1.2反彎矯直原理

多斜輥矯直機(jī)中，幾對(duì)輥?zhàn)优c管材共同構(gòu)成幾個(gè)彈塑性彎曲矯直區(qū)，使管材每個(gè)斷面都能被多次反彎，在一定程度上起到矯直的目的。管材在輥?zhàn)拥淖饔孟聲?huì)旋轉(zhuǎn)，又使管材在不同方向上得到反彎，也就可以改變各個(gè)方向上的彎曲曲率，從而改變彎曲半徑。被矯直工件每旋轉(zhuǎn)一周就可以反彎兩次，矯直輥的個(gè)數(shù)不需太多就可以達(dá)到一定的矯直效果。一般矯直輥構(gòu)成l～3個(gè)彈塑性彎曲單元即可達(dá)到想要的矯直精度。

圖2 管材彎曲矯直時(shí)的彎曲力矩與壓彎量圖

2.1.3輥系的選取

輥型采用雙曲線形式，一方面可以保證矯直輥與管材成線性接觸，保證矯直質(zhì)量。另一方面，利用雙曲線形的輥?zhàn)觼砑s束管材，使其在矯直加工過程中正常旋轉(zhuǎn)前進(jìn)并且不會(huì)偏離生產(chǎn)線。

輥系的安排對(duì)矯直精度有很重要的關(guān)系，需根據(jù)矯直材料的特性來安排輥系的布置，常見的輥系見圖3。

圖3 斜輥矯直機(jī)的典型輥系圖a-輥形凹凸扁化； b-橢圓變形； c-管材矯直專用輥系；d-全部驅(qū)動(dòng)輥; e-輥?zhàn)雍蠹觢輥； f-7輥薄壁矯直機(jī)；g-9輥高速矯直機(jī)

2.2 薄壁管材矯直機(jī)輥型設(shè)計(jì)

2.2.1輥?zhàn)优c管材的關(guān)系

下圖4顯示輥?zhàn)优c管材關(guān)系。

圖4 輥?zhàn)优c管材的關(guān)系圖

可得幾個(gè)速度關(guān)系：

矯直輥轉(zhuǎn)動(dòng)的圓周速度：

(1)

管材前進(jìn)速度，即矯直速度：

v3=v0sinα

(2)

管材轉(zhuǎn)動(dòng)的圓周速度，即：

vn=v0cosα

(3)

矯直輥轉(zhuǎn)動(dòng)速度：

(4)

管材轉(zhuǎn)動(dòng)速度：

(5)

式中：D0-輥?zhàn)优c管材接觸處輥?zhàn)又睆?，mm；

n0-輥?zhàn)拥霓D(zhuǎn)速，rad/min；

α-輥?zhàn)觾A角，度；

d-管材直徑，mm。

根據(jù)生產(chǎn)要求，設(shè)置矯直輥的轉(zhuǎn)速為2.8rad/min，管材的轉(zhuǎn)速為3.6rad/min，管材的前進(jìn)速度為40m/min。

2.2.2輥?zhàn)觾A角α的選取

矯直輥與管材之間的夾角，對(duì)矯直質(zhì)量和矯直速度都會(huì)有很大的影響。當(dāng)傾角過小時(shí)，矯直速度小，能耗就大。當(dāng)傾角過大時(shí)，管材和輥?zhàn)拥慕佑|線短，管材在被矯直過程中容易發(fā)生應(yīng)力集中，影響矯直質(zhì)量，甚至出現(xiàn)廢品。管材旋轉(zhuǎn)一周前進(jìn)導(dǎo)程為[5]：

t=πDtanα

(6)

管材的彎曲次數(shù)為：

i=lp/t

(7)

式中：D—管材外徑，mm;

α—為輥?zhàn)优c管材之間傾角，度；

lp—為彈塑性變形區(qū)長度，mm。

從矯直次數(shù)方面考慮，若傾角過大，前進(jìn)導(dǎo)程就大。從而矯直次數(shù)減少，使管材的彈塑性變形區(qū)面積減小，影響矯直質(zhì)量。一般矯直機(jī)的傾斜角范圍為25°—35°，本文選取的矯直輥的傾斜角為α=30°。

2.2.3矯直輥輥腰半徑Rg的選取

矯直機(jī)的矯直速度為：

v=vgsinα=(2πRgngsinα)

(8)

式中：Rg-輥腰半徑，mm ；

ng-為輥?zhàn)愚D(zhuǎn)速，rad/min；

α-輥?zhàn)觾A角，度。

考慮到矯直速度，管材所受的約束力，加工制造成本等因素，基于以上原因，矯直輥的輥腰半徑Rg要滿足以下要求：

Rg≥(2～3)R

(9)

其中，R—管材外徑，mm。

據(jù)本文所矯直的管材直徑范圍φ12～φ35mm，求得Rg=(2～3)R=(2～3)*17.5=35～52.5mm，Rg取為50mm。

2.2.4輥?zhàn)娱L度Lg的選取

參照統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，采用下式來確定輥?zhàn)娱L度：

t≥πDtanα

(10)

Lg=(2～3)t

(11)

式中：D-管材外徑，為35mm；

t-為管材的螺旋導(dǎo)程，mm；

Lg-為輥?zhàn)佑行чL度，mm。

經(jīng)計(jì)算求得輥?zhàn)佑行чL度127～354mm通過經(jīng)驗(yàn)分析和設(shè)計(jì)要求，輥?zhàn)佑行чL度取200mm。

2.2.5輥距p的選取

輥距的設(shè)計(jì)對(duì)矯直的結(jié)構(gòu)，強(qiáng)度，尺寸都會(huì)有很重要的影響。而且，輥距的大小也會(huì)對(duì)矯直力有影響。輥距越大，矯直力越小，機(jī)架的受力就越好。

輥系中各對(duì)輥?zhàn)娱g的距離可通過下式計(jì)算：

p=(2～2.5)Lg

(12)

為考慮設(shè)備占地面積，設(shè)計(jì)的矯直機(jī)的整體尺寸不需太大，輥距p取400mm。

2.3 管材的彎曲變形與彎矩分析

判定矯直效果的標(biāo)準(zhǔn)是與管材的塑性變形面積有關(guān)，當(dāng)塑性變形的面積占環(huán)形彈塑性變形面積的75%以上時(shí)就可達(dá)到很好的矯直效果。管材的彎矩比[6]為：

(13)

式中：r-管材內(nèi)半徑，mm；

Rt-彈性核心半徑，mm；

ζ1-彈區(qū)比，ζ1=Rt/R，無量綱；

α-管材內(nèi)外半徑比，α=r/R，無量綱。

圖5 管材的彎矩比和彈區(qū)比曲線圖

2.4 矯直力的計(jì)算

傳統(tǒng)的六輥矯直機(jī)六個(gè)輥?zhàn)拥妮佇腿请p曲線形，而新六輥系統(tǒng)中間一對(duì)輥?zhàn)釉O(shè)計(jì)為一凸一凹的形式。主要是考慮到凹凸輥可以實(shí)現(xiàn)管材的全長矯直的優(yōu)點(diǎn)，然后進(jìn)行了相應(yīng)的改進(jìn)設(shè)計(jì)。下面通過分析獲得了新輥系彎矩和矯直力，見圖6。并根據(jù)彎矩作用模型，進(jìn)行的相應(yīng)情況下3對(duì)輥?zhàn)映C直力的計(jì)算。

圖6 新222輥系矯直彎矩模型圖

矯直力理論計(jì)算：

1)鋼管內(nèi)外徑比α=r/R=0.77

其中R和r分別為鋼管的外半徑、內(nèi)半徑，R=17.5mm，r=13.5mm。

2)鋼管彈性極限彎矩Mt為：

(14)

式中，σt管材的彈性極限，σt=σs=350MPa。

3)鋼管的彈區(qū)比ζ=a-0.1=0.67

(16)

得Mmax=1701348N

5)按圖8計(jì)算矯直力為，凹凸輥輥端彎矩M2由出入口的輥組來實(shí)現(xiàn)，力F3為兩側(cè)輥組的作用力，力臂為(ρ-Lg)/2。對(duì)于單向反彎輥形，在F3處增加一個(gè)壓緊力F3Y：

式中：t-中間凹凸輥導(dǎo)程，t=Sd=Lg/4=50mm(Sd為中間凹凸輥精矯區(qū)，mm) ；

δ-管材壁厚，δ為4mm；

R-管材外徑，R為17.5mm。

故F3求得：

(18)

最大彎矩出現(xiàn)在凹凸輥處，而且此處為2個(gè)等曲率反彎矩，所以最大矯直力出現(xiàn)在凹凸輥輥腰處為：

(19)

求得F∑=57988N。

軸承受力總和為：

(20)

其中，θ—軸承推角，θ=35°。

求得軸受力承總和即棍面法向受力總和F=24380 N。

2.5 壓下系統(tǒng)

在以往矯直機(jī)設(shè)計(jì)中，矯直輥的壓下行程和壓下量都是人工調(diào)整，這就大大降低了工作效率。壓下系統(tǒng)中增加了伺服驅(qū)動(dòng)，可以自動(dòng)補(bǔ)償機(jī)架工作過程中的變形量。從而保證機(jī)架工作中的穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)高精度的要求。

壓下過程可電動(dòng)或手動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)。電機(jī)或手輪帶動(dòng)蝸輪減速機(jī)傳動(dòng)滾珠絲桿實(shí)現(xiàn)矯直輥的上下移動(dòng)，壓下采用伺服電機(jī)控制，可根據(jù)預(yù)設(shè)參數(shù)自動(dòng)調(diào)整壓下量，同時(shí)現(xiàn)場有位移量的指示表盤(指示精度0.1mm)及相關(guān)位移量參數(shù)的傳感機(jī)構(gòu)，在板式工控機(jī)顯示壓下位移量(顯示精度0.01mm)，并可記憶。壓下行程為100mm。每個(gè)上輥壓下過程均為電動(dòng)或手動(dòng)單獨(dú)調(diào)整，其壓下過程是在非矯直

圖7 壓下系統(tǒng)圖1-壓下軸承座；2-壓下絲杠；3-壓下螺母；4-滑動(dòng)套；5-矯直輥?zhàn)?-矯直輥

3 管材矯直過程仿真分析

驗(yàn)證被矯直管材能否達(dá)到想要的矯直精度,利用有限元分析軟件模擬實(shí)際工作環(huán)境對(duì)管材矯直過程進(jìn)行了動(dòng)態(tài)仿真分析。本次仿真分析采用ANSYS/ Explicit STR顯示動(dòng)力學(xué)模塊進(jìn)行分析。

3.1 建立模型

在SolidWorks中建立矯直輥與管材的簡化模型，導(dǎo)入ANSYS Explicit STR顯示動(dòng)力學(xué)模塊。將三維模型導(dǎo)入ANSYS/Workbench中對(duì)管材的變形進(jìn)行仿真分析。矯直過程簡化模型，見圖8。

圖8 矯直過程簡化圖

3.2 材料屬性的定義

本文要矯直的薄壁管材屬于不銹鋼或合金管材，其材料特性相當(dāng)于06Cr19Ni10的屬性。管材的基本規(guī)格參數(shù)為：外徑 為35mm，壁厚 為4mm，取管材長度為1000mm。該薄壁管材的材料屬性，見表1。矯直輥的材質(zhì)Cr12MoV,輥面硬度為 HRC58-62，其屈服強(qiáng)度為1370MPa，抗拉強(qiáng)度為1620MPa。

表1 鈦合金管材的材料屬性

3.3 網(wǎng)格劃分

因矯直輥?zhàn)冃瘟啃。瑸榧涌旆抡嫠俣?，將矯直輥設(shè)為剛性體，將薄壁管設(shè)為變形體。采用自動(dòng)網(wǎng)格劃分。劃分完網(wǎng)格后節(jié)點(diǎn)數(shù)為2512，單元數(shù)為11799。其網(wǎng)格劃分情況，見圖9。

3.4 其它定義

指接觸的處理，載荷、邊界條件和約束。通過壓下系統(tǒng)調(diào)整輥?zhàn)拥膲合滦谐毯妥赞D(zhuǎn)速度，管材在輥?zhàn)拥哪Σ磷饔孟乱贿呅D(zhuǎn)一邊前進(jìn)。同時(shí)，輥?zhàn)咏o管材施加矯直力時(shí)管材被矯直。這里取動(dòng)摩擦系數(shù)0.2，靜摩擦系數(shù)0.3。6個(gè)矯直輥的轉(zhuǎn)速都相同，都有驅(qū)動(dòng)作用。管材矯直速度設(shè)為40m/min，轉(zhuǎn)速設(shè)為3.6rad/min。

圖9 矯直輥和管材網(wǎng)格圖

3.5 求解

考慮到仿真存在不收斂現(xiàn)象。分析時(shí)間步長取0.0001s。

3.5.1管材矯直穩(wěn)定狀態(tài)分析

當(dāng)矯直過程達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，對(duì)薄壁管材的變形進(jìn)行分析，同樣時(shí)間步長取0.0001s，通過分析最后獲得矯直過程中薄壁管材的變形云圖，見圖10。

圖10 薄壁管材變形云圖

通過對(duì)矯直輥矯直薄壁管材的仿真變形仿真分析，可以看出隨分析時(shí)間的變化薄壁管材的最大變形量為0.088264mm。本課題設(shè)計(jì)矯直精度要求≤0.3mm/m，說明管材在矯直過程中能正常運(yùn)轉(zhuǎn)，而且也能達(dá)到要求的矯直精度。

3.5.2凹凸輥矯直管材變形分析

中間一對(duì)輥?zhàn)又饕鸬椒磸澴饔?，兩邊的輥?zhàn)拥膽?yīng)力相對(duì)中間的凹凸輥?zhàn)有?。?duì)薄壁管材的變形進(jìn)行了相應(yīng)的變形分析，同樣時(shí)間步長取0.0001s，通過對(duì)中間凹凸輥進(jìn)行矯直過程的動(dòng)態(tài)仿真分析，獲得該薄壁管材的變形云圖，見圖11。

圖11 薄壁管材變形云圖

由管材變形云圖可以看出管材在矯直過程中，變形主要在管材徑向方向。分析的管材的變形最大為0.085468mm。本文設(shè)計(jì)矯直精度要求≤0.3mm/m，說明管材在凹凸輥矯直過程中能正常運(yùn)轉(zhuǎn)，也可達(dá)到一定矯直效果。