□ 李 楊

江蘇正威新材料有限公司 江蘇如皋 226500

1 研究背景

纖維增強熱塑片材具有密度低、比強度及比模量高、抗沖擊、抗疲勞、耐腐蝕、易成型等優(yōu)點,在交通運輸、新能源、建筑、航空、航天等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用,成為目前復(fù)合材料領(lǐng)域研究的重點[1-2]。連續(xù)氈增強熱塑片材具有各向同性、抗移性好、浸潤性好、機械剛度高等其它片材難以代替的優(yōu)勢,成為當(dāng)今熱塑材料研發(fā)的熱點。連續(xù)氈增強熱塑片材是由連續(xù)氈與上下淋膜層在加熱、加壓的情況下,經(jīng)熱塑性樹脂與連續(xù)氈充分浸潤并冷卻定型生成的片材[3-4]。連續(xù)輥壓復(fù)合生產(chǎn)線因構(gòu)思獨特、結(jié)構(gòu)新穎、傳熱效率高、投資少等優(yōu)點,在熱塑片材復(fù)合領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。

加熱輥是連續(xù)輥壓復(fù)合生產(chǎn)線的關(guān)鍵部件,其性能直接關(guān)系到熱塑片材的生產(chǎn)質(zhì)量和整條生產(chǎn)線的運行速度。加熱輥的性能參數(shù)主要包括加熱輥的結(jié)構(gòu)強度、加熱能力、輥面溫度均勻度。加熱輥通過將加熱后的熱油循環(huán)輸送至加熱輥流道中對輥面進行加熱,通過鋼帶將熱量傳遞至復(fù)合片材。加熱輥的熱計算是加熱輥設(shè)計的關(guān)鍵步驟,良好的流道布置和充分的熱源供應(yīng)是輥壓生產(chǎn)線生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量的保證。

2 加熱輥流道設(shè)計

2.1 鉆孔流道

熱塑片材輥壓機加熱輥通常參照人造板輥壓機加熱輥的結(jié)構(gòu)進行設(shè)計,加熱輥采用芯軸+輻板的結(jié)構(gòu)設(shè)計,輥筒外徑為3 500 mm,輥筒壁厚為50 mm,輥面寬度為2 400 mm。輥筒采用Q345B鋼卷板,芯軸采用Q345B鋼鍛件,焊后去應(yīng)力退火,加工后校靜平衡。

加熱輥流道采用鉆深孔方式,鉆孔直徑為25 mm,鉆孔深度為2 400 mm。共有72個孔,在輥筒壁上沿圓周方向均布。流道孔的長徑比達到96,屬于特殊深孔,需要專用設(shè)備和專業(yè)人員進行加工。

深孔加工的難點有四方面[5-6]。

第一,刀桿受孔徑的限制,直徑小,長度長,導(dǎo)致剛性差,強度低,切削時易產(chǎn)生振動、波紋、錐度,影響深孔的直線度和表面粗糙度。

第二,在鉆孔和擴孔時,冷卻潤滑液難以到達切削區(qū),造成刀具耐用度降低,排屑困難。

第三,在深孔的加工過程中,不能直接觀察刀具切削情況,難以判斷切削過程是否正常。

第四,為了保證深孔在加工過程中順利進行,并達到設(shè)計要求的加工質(zhì)量,需要增加刀具內(nèi)或刀具外排屑裝置、刀具引導(dǎo)和支承裝置、高壓冷卻潤滑裝置,設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜。

流道的深孔加工是加熱輥加工工序中的難點,專業(yè)性強,若鉆孔廠家不具備其它工序生產(chǎn)和加工能力,則轉(zhuǎn)場及各銜接工序間的質(zhì)量控制會嚴(yán)重制約加熱輥的生產(chǎn)周期和質(zhì)量,給加熱輥的生產(chǎn)帶來很多困難。流道采用鉆深孔方式加工的加熱輥,總質(zhì)量約為25 t,總成本為120萬元,加工周期為3個月。

在實際工作中,連續(xù)氈增強熱塑片材的浸潤壓力一般小于5 MPa,遠小于人造板的成型壓力。熱塑性樹脂的熔融溫度一般在150～250 ℃之間,遠低于人造板的成型溫度。連續(xù)氈增強熱塑片材厚度薄,一般為0.2～1.0 mm,片材成型需要的熱量遠小于人造板的成型熱量?；谝陨锨闆r,筆者在充分了解加熱輥結(jié)構(gòu)原理的基礎(chǔ)上,提出采用螺旋流道代替鉆孔流道。

2.2 螺旋流道

加熱輥采用芯軸+輻板的結(jié)構(gòu),輥筒外徑為3 500 mm,壁厚為20 mm,輥面寬度為1 800 mm。輥筒內(nèi)壁沿螺旋方向均勻焊接八條流道,流道采用直徑為50 mm的半圓管,半圓管的壁厚為2.5 mm,螺距為1 200 mm。半圓管焊接在輥筒內(nèi)壁上,焊縫密實、均勻,經(jīng)過超聲波無損探傷。

輥筒芯軸的兩端連接中心回轉(zhuǎn)接頭,導(dǎo)熱油一端進油、一端回油,或采用兩端進油、兩端出油的方式。單條流道總長度約為16 m,輥面設(shè)計溫度為150～250 ℃,表面溫度均勻度不大于5 K。采用螺旋流道后,輥筒質(zhì)量減小25%～30%,成本降低30%,加工周期大大縮短。在使用過程中,由于輥筒的質(zhì)量大大減小,驅(qū)動電機的功率降低10 kW,加熱輥啟動、加速性能大大提高,避免輥面與鋼帶的磨損,延長鋼帶的使用壽命,減少加熱輥面的修磨次數(shù),產(chǎn)生較佳的經(jīng)濟效益。

3 加熱輥熱力學(xué)仿真

應(yīng)用SolidWorks軟件對加熱輥進行建模,為了便于計算和劃分網(wǎng)格,只對輥筒外壁進行建模,并通過SolidWorks軟件自帶的Flow Simulation插件進行仿真分析,實現(xiàn)建模與仿真的無縫對接[7-8]。對模型進行封蓋處理,設(shè)定流道入口導(dǎo)熱油的速度為2.5 m/s,入口壓力為0.2 MPa,導(dǎo)熱油溫度為280 ℃,流道出口壓力為0.1 MPa,出口溫度為20 ℃。導(dǎo)熱油的牌號為HD-330,其密度為1 157.47 kg/m3,比熱容為2 240 J/(kg·K),黏度系數(shù)為2.6 MPa·s,導(dǎo)熱系數(shù)為0.113 0 W/(m·K)。輥筒的材質(zhì)為Q345B鋼,其密度為7 850 kg/m3,比熱容為460 J/(kg·K),導(dǎo)熱系數(shù)為49.8 W/(m·K)。加熱輥的初始溫度為20 ℃。

為保證計算精度,并適當(dāng)減小計算量,全局網(wǎng)格設(shè)置采用五級[9],封閉細孔縫,螺旋流道分布如圖1所示。螺旋流道分為八組,一端進入,另一端流出。加熱輥網(wǎng)格如圖2所示。

采用一端進油、一端出油,加熱輥輥面溫度分布云圖如圖3所示。由圖3可以看出,輥面溫度分布不均勻,導(dǎo)熱油進口區(qū)域輥面溫度較高,中間部分次之,出口區(qū)域輥面溫度最低,原因是輥面上相鄰流道的起始段間隔約為1 375 mm,間隔較大,熱傳導(dǎo)距離遠,造成輥面兩端溫度分布不均勻。輥面進口一端的溫度明顯高于出口一端,原因是導(dǎo)熱油從一端進入,一端流出,導(dǎo)熱油進口溫度明顯高于出口溫度。這樣的輥面溫度分布無法滿足設(shè)計要求。

將加熱輥改為兩端進油、兩端出油方式,進油口與出油口間隔分布,輥面溫度分布云圖如圖4所示。由圖4可知,輥筒中間熱量分布比較均勻,中間部分的溫度高于兩端,原因是中間部分流道集中,熱交換充分,兩端導(dǎo)熱油進出口間隔分布,溫度相對較低。輥筒的中間部分是工作區(qū)域,這樣的溫度分布符合預(yù)期,滿足使用要求。

根據(jù)加熱輥的使用和驗收要求,在加熱輥兩側(cè)距邊緣各200 mm位置、輥中間位置沿輥面圓周方向各取八個測量點、非均勻分布,這24個測量點中溫度最高值與最低值之差即為輥面溫度均勻度的測量值。加熱輥輥面溫度測量值見表1。由表1可知,輥面溫度最高為247.59 ℃,最低為243.16 ℃,輥面溫度均勻度為4.43 K,滿足設(shè)計要求。

表1 輥面溫度測量值

加熱輥在工作過程中,輥面會向周圍輻射散熱,造成周圍局部高溫。為有效減少熱量散失,改善周圍的工作環(huán)境,加熱輥外層需加防護罩。

4 加熱輥溫度影響因素

根據(jù)設(shè)計經(jīng)驗[10],導(dǎo)熱油流速、導(dǎo)熱油溫度、導(dǎo)熱油黏度、流道直徑都會對加熱輥輥面溫度產(chǎn)生影響,各參數(shù)對加熱輥輥面溫度的影響曲線如圖5所示。

由圖5可知,隨導(dǎo)熱油黏度的變化,輥面溫度變化很小,導(dǎo)熱油黏度對輥面溫度的影響較小。在其它條件不變的情況下,導(dǎo)熱油的過流面積對輥面溫度影響明顯,兩者之間呈線性關(guān)系。導(dǎo)熱油流速、導(dǎo)熱油溫度對輥面溫度的影響較大。在設(shè)計過程中,主要通過對流道直徑進行優(yōu)化,來控制輥面溫度。在實際生產(chǎn)中,主要通過模溫機比例積分微分閉環(huán)控制調(diào)節(jié)導(dǎo)熱油溫度和流道直徑,來達到控制輥面溫度的目的。

5 結(jié)束語

加熱輥是熱塑片材輥壓機的重要部件,其設(shè)計質(zhì)量直接關(guān)系到輥壓生產(chǎn)線的效率和產(chǎn)品質(zhì)量。傳統(tǒng)的導(dǎo)熱油流道主要采用鉆深孔加工,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,加工難度大,成本高。筆者對熱塑片材輥壓機加熱輥使用狀況進行具體分析,提出采用螺旋流道,大大降低加工難度和生產(chǎn)成本,縮短加工周期,具有廣闊的應(yīng)用前景。

通過對加熱輥三維建模,利用SolidWorks軟件自帶的Flow Simulation插件進行流體仿真,結(jié)果表明采用八組φ50 mm半圓管焊接流道,螺距為1 200 mm,兩端進油,兩端出油,在導(dǎo)熱油流速為2.5 m/s的情況下,加熱輥輥面溫度均勻度為4.43 K,滿足設(shè)計要求。在實際應(yīng)用中,通過對導(dǎo)熱油溫度和流量進行比例積分微分控制,可以實現(xiàn)加熱輥表面溫度的準(zhǔn)確控制。