劉 松，黃慶學(xué)，周存龍，竇 鋒，陳 璽，徐利璞

(1.中國(guó)重型機(jī)械研究院股份公司，西安 710032;2.太原科技大學(xué)，太原 030024)

帶鋼拉伸彎曲矯直機(jī)可以對(duì)產(chǎn)品的幾何精度、組織性能和表面質(zhì)量進(jìn)行有效的控制和提高，因而被廣泛應(yīng)用于精整機(jī)組、酸洗機(jī)組和鍍鋅機(jī)組等冷軋生產(chǎn)線上[1]。拉彎矯直機(jī)的輥徑、輥距等結(jié)構(gòu)參數(shù)是根據(jù)矯直工藝所需要的帶材彎曲曲率來(lái)設(shè)計(jì)的，而且?guī)Р牡膹澢蔬€直接決定了最終產(chǎn)品的質(zhì)量。不過(guò)在實(shí)際生產(chǎn)中無(wú)法對(duì)帶材的板形曲線和彎曲曲率進(jìn)行精確測(cè)量，因而彎曲曲率的調(diào)整主要是通過(guò)對(duì)壓彎量的改變來(lái)實(shí)現(xiàn)的[2]。

目前已有的壓彎解析模型均基于材料力學(xué)中的小變形理論而且無(wú)法反映拉彎矯直過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性，因而無(wú)法準(zhǔn)確描述壓彎量和彎曲曲率間的關(guān)系。這就造成了拉彎矯直機(jī)在研發(fā)時(shí)缺乏科學(xué)的參數(shù)選取標(biāo)準(zhǔn)以及在使用時(shí)無(wú)法對(duì)產(chǎn)品的最終質(zhì)量進(jìn)行預(yù)測(cè)和控制。上述問(wèn)題使得我國(guó)自主研發(fā)的拉伸彎曲矯直機(jī)在同國(guó)外進(jìn)口設(shè)備的競(jìng)爭(zhēng)中處于劣勢(shì)地位。因此建立符合工程實(shí)際的壓彎模型對(duì)于提高我國(guó)拉伸彎曲矯直機(jī)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力和自主創(chuàng)新能力具有深遠(yuǎn)的意義。

1 帶鋼拉伸彎曲矯直機(jī)結(jié)構(gòu)

拉伸彎曲矯直機(jī)由入、出口端的張力輥組和中間段的彎曲矯直輥組構(gòu)成。張力輥組的作用是通過(guò)帶鋼與張力輥之間的摩擦與纏繞實(shí)現(xiàn)張力的放大。彎曲矯直輥組的作用是使承受著巨大張力的帶材實(shí)現(xiàn)劇烈的反復(fù)彎曲以產(chǎn)生塑性延伸，從而消除帶鋼的三維板形缺陷。

本文的研究載體是某鋼廠一彎一矯的拉彎矯直機(jī)，該矯直機(jī)由入口張力輥組、出口張力輥組、彎曲輥組和矯直輥組構(gòu)成。入口張力輥組和出口張力輥組的作用是為矯直區(qū)提供巨大的張力。矯直輥組的作用是消除帶材最終的殘余曲率。相比于矯直輥組，彎曲輥組的輥徑和輥距更小，帶材在該區(qū)域發(fā)生的彎曲也更為劇烈。

為避免其他因素對(duì)帶材變形曲率的影響，本文研究的是恒張力狀態(tài)下延伸率為0.3%時(shí)的壓彎量與帶材變形曲率間的關(guān)系。

2 拉伸彎曲矯直過(guò)程的壓彎力學(xué)模型

拉彎矯直過(guò)程中帶材的變形基本滿足工程力學(xué)中金屬條材的梁彎曲理論[3-4]，根據(jù)各相關(guān)參數(shù)間的力學(xué)關(guān)系和幾何關(guān)系可得

式中 δ——壓彎量;

α——調(diào)整系數(shù);

K——總變形曲率;

l—— 輥距;

式(1)反映的壓彎量δ與帶材彎曲曲率K間的定性關(guān)系和該矯直機(jī)在現(xiàn)場(chǎng)的使用情況基本一致。但是由于解析法基于一定的理論假設(shè)，無(wú)法計(jì)算出調(diào)整系數(shù)α的精確數(shù)值。因而該模型在使用的過(guò)程中僅起參考的作用，無(wú)法以此公式對(duì)帶材的延伸率和設(shè)備承受的矯直力等參數(shù)進(jìn)行精確的計(jì)算。

3 拉彎矯直過(guò)程的有限元模擬

為了排除無(wú)關(guān)附屬零部件的影響并揭示拉彎矯直過(guò)程的本質(zhì)和變形機(jī)理，對(duì)實(shí)際的拉彎矯直機(jī)進(jìn)行了模型簡(jiǎn)化[5]。由于帶材沿寬度方向的變形是對(duì)稱的，因此簡(jiǎn)化后的模型為實(shí)際模型的一半，如圖1所示。

圖1 拉彎矯直機(jī)簡(jiǎn)化模型Fig.1 Simplified model of tension leveler

本模擬計(jì)算中所設(shè)定的摩擦系數(shù)均源自生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的直接反饋，如表1所示。

表1 不同接觸表面間的摩擦系數(shù)Tab.1 Friction coefficients between different contact surfaces

計(jì)算完成后，將矯直區(qū)帶材表層沿長(zhǎng)度方向上的一列節(jié)點(diǎn)選出后，其Y向位移構(gòu)成的曲線即為帶材在穩(wěn)定矯直過(guò)程中的彎曲狀態(tài)，如圖2所示[6]。

圖2(a)為帶材在穩(wěn)定矯直過(guò)程中的Y向變形云圖;圖2(b)為帶材在該時(shí)刻表層一列節(jié)點(diǎn)的縱向位移分布，即帶材的板形曲線。

根據(jù)圖2(b)所示的曲線進(jìn)行分段擬合后由式(2)即可得到帶材在該壓彎量下的變形曲率。

4 拉彎矯直機(jī)壓彎模型的修正和完善

將壓彎力學(xué)模型的普遍適用性和有限元分析結(jié)果的精確性結(jié)合起來(lái)，利用有限元模擬的結(jié)果對(duì)壓彎力學(xué)模型進(jìn)行修正和完善，即可得到符合工程實(shí)際且非常精確的拉彎矯直機(jī)壓彎模型。相對(duì)于矯直輥，帶材在彎曲輥上的變形對(duì)產(chǎn)品的最終質(zhì)量影響更大，因此本文僅討論了彎曲輥的壓彎量與相應(yīng)的帶材變形曲率間的關(guān)系，矯直輥壓彎模型的研究方法與之相似。

圖3為帶材在不同壓彎量時(shí)所對(duì)應(yīng)的帶材彎曲狀態(tài)及其二次擬合曲線。

圖2 矯直區(qū)帶材的變形情況Fig.2 Deformation of strip in leveling zone

圖3 不同壓彎量時(shí)帶材縱向位移的擬合曲線Fig.3 Fitting curves of vertical displacements of different intermeshes

表2 不同壓彎量時(shí)的擬合方程和變形曲率Tab.2 Fitting equations and deformation curvatures of different intermeshes

將圖3中所示的擬合方程利用式(2)計(jì)算即可得到該壓彎量所對(duì)應(yīng)的最大彎曲曲率，如表2所示。而且在表2中將解析法計(jì)算得到的壓彎量和有限元模擬中實(shí)現(xiàn)的壓彎量進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果顯示模擬壓彎量與計(jì)算壓彎量的偏差在允許的范圍內(nèi)，計(jì)算結(jié)果可用。將表2中的壓彎量和與其對(duì)應(yīng)的變形曲率進(jìn)行線性擬合后即可得到二者之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，如圖4所示。

圖4 變形曲率與壓彎量的關(guān)系曲線Fig.4 Curve of deformation curvature and intermesh

由圖4可知，該工況下帶材的變形曲率與彎曲輥壓彎量之間的關(guān)系為:

將式(3)和該模擬下的材質(zhì)參數(shù)與幾何尺寸帶入到式(1)中可得，

將計(jì)算后的調(diào)整系數(shù)式(4)回代到式(1)中即可得到該彎曲單元適用于各種材質(zhì)和幾何尺寸的壓彎量與總變形曲率的關(guān)系，由式(5)即可根據(jù)矯直工藝所要求的總變形曲率求得精確的矯直輥壓彎量。

5 分析與討論

綜合利用解析法和有限元技術(shù)對(duì)帶鋼拉彎矯直過(guò)程的壓彎力學(xué)模型進(jìn)行了修正和完善，建立了較為符合工程實(shí)際的壓彎模型。該模型被應(yīng)用到現(xiàn)場(chǎng)后，壓彎量的設(shè)定比原來(lái)基于經(jīng)驗(yàn)的給定更為科學(xué)與精準(zhǔn)，而且?guī)Р牡某C后質(zhì)量得以明顯提高，事實(shí)證明該壓彎模型較為符合此鋼廠拉彎矯直機(jī)的實(shí)際工況。需要說(shuō)明的是，該壓彎模型是在恒張力狀態(tài)下基于4種情況的分析和計(jì)算，因此當(dāng)張力發(fā)生波動(dòng)時(shí)該模型的精度會(huì)受到影響，這些情況需在現(xiàn)場(chǎng)使用中充分的考慮和避免。

[1]ZHOU CUNLONG，JIANG ZHENGYI，WANG GUODONG，et al.Deformation Work in Strip Tension Leveling[J].Advanced Materials Research，2011，145:482-487.

[2]汪建春.拉彎矯直過(guò)程中變形機(jī)理的探討[J].武漢科技大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2008，31(2):210-213.

[3]崔甫.矯直原理與矯直機(jī)械[M]第2版.北京:冶金工業(yè)出版社，2007.

[4]周存龍.輥式矯直過(guò)程中板帶彎曲撓度的確定[J].太原科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，30(1):48-50.

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[6]劉勇.基于ANSYS/LS-DYNA的二輥矯直過(guò)程數(shù)值模擬[J].太原科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，32(2):111-116.