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        精整機(jī)組拉伸彎曲矯直機(jī)工藝參數(shù)預(yù)設(shè)定控制模型研究

        2022-08-30 08:56:38孫亞波李宏偉張康武馬蘭松靳恩輝
        重型機(jī)械 2022年4期
        關(guān)鍵詞:工藝

        孫亞波,李宏偉,張康武,馬蘭松,靳恩輝

        (中國重型機(jī)械研究院股份公司,陜西 西安 710018)

        0 前言

        經(jīng)冷軋機(jī)組軋制后的帶鋼,必須經(jīng)過精整處理加工,才能得到高質(zhì)量的合格產(chǎn)品。精整處理是成品帶鋼的最后一道工序,因此不得產(chǎn)生新的缺陷,帶鋼表面不準(zhǔn)產(chǎn)生擦劃傷和塑形變形。精整機(jī)組主要進(jìn)行剖分、拉矯、重卷、切邊、表面檢查、涂油等工序。

        精整機(jī)組在拉矯生產(chǎn)時,多采用拉伸彎曲矯直機(jī),主要用于消除帶材的不良板形,例如雙邊浪、單邊浪、中間浪、兩肋浪、翹曲及瓢曲和潛在板形不良等,從而使整個帶材表面平整、光潔。

        拉伸彎曲矯直機(jī)多為兩彎一矯結(jié)構(gòu),如圖1所示。根據(jù)材料的彈塑性延伸理論對帶材進(jìn)行矯直。矯直張力使帶材產(chǎn)生一定變形,該變形為彈性變形,帶材在矯直張力作用下連續(xù)通過兩個彎曲單元,使帶材沿長度方向產(chǎn)生塑性變形,并形成一定的延伸率,同時矯直單元用來補(bǔ)償由于張力和彎曲單元共同帶來的殘余彎曲,從而減少帶材內(nèi)部縱向內(nèi)應(yīng)力分布的不均勻性,改善帶材的平直度。

        通常,拉伸彎曲矯直機(jī)都采取延伸率閉環(huán)控制,為了提高閉環(huán)控制的收斂速度,進(jìn)而提高拉矯產(chǎn)品質(zhì)量及成材率,急需研發(fā)其工藝參數(shù)預(yù)設(shè)定控制模型。

        文獻(xiàn)[1-21]詳細(xì)分析了拉矯生產(chǎn)過程、拉矯機(jī)設(shè)備結(jié)構(gòu)和拉矯生產(chǎn)電控系統(tǒng)等,探討了拉矯工藝參數(shù)的確定方法,但并沒有提出快速、有效的拉矯工藝參數(shù)計(jì)算方法。

        帶鋼拉伸矯直生產(chǎn)過程是一個復(fù)雜的三維彈塑性變形行為。一直以來,拉伸彎曲矯直機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)使用工藝參數(shù)建立都主要依據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。文獻(xiàn)[14]提出先用MARC有限元軟件進(jìn)行數(shù)值仿真計(jì)算,再對計(jì)算結(jié)果運(yùn)用逐步回歸法建立描述帶鋼拉伸彎曲矯直過程的工藝參數(shù)與設(shè)備參數(shù)以及帶鋼規(guī)格材質(zhì)之間物理關(guān)系的數(shù)學(xué)表達(dá)式,但其精度嚴(yán)重依賴于有限元數(shù)值仿真精度、仿真計(jì)算工況的選擇合理性和逐步回歸精度,且得到的數(shù)學(xué)表達(dá)式不適應(yīng)于后期帶鋼規(guī)格、材質(zhì)和矯直能力的擴(kuò)展。

        本文在大量研究的基礎(chǔ)上[1-21],采用解析法研發(fā)了快速、有效的拉伸彎曲矯直機(jī)工藝參數(shù)預(yù)設(shè)定控制模型,能有效提高延伸率閉環(huán)控制的收斂速度和控制精度,大大提高拉矯產(chǎn)品質(zhì)量及成材率。

        1 延伸率與板形和性能的函數(shù)關(guān)系

        拉伸彎曲矯直機(jī)輥系如圖1所示。研究了拉矯延伸率與來料板形、成品板形、性能要求的延伸率之間的函數(shù)關(guān)系,保證拉矯板帶的最終板形、性能質(zhì)量。

        圖1 拉伸彎曲矯直機(jī)輥系簡圖

        來料板形Ir,單位I,為

        (1)

        式中,lr長為來料長纖維的長度,mm;l0r為來料基本纖維的長度,mm。

        矯正后產(chǎn)品的板形Ip,單位I,為

        (2)

        式中,lp長為矯正后板帶長纖維的長度,mm;l0p為矯正后板帶基本纖維的長度,mm。

        矯正來料板形所需要的延伸率εj為

        (3)

        為了保證矯正后板帶的機(jī)械性能,矯正來料需產(chǎn)生的延伸率為εx。拉矯延伸率ε的設(shè)定為

        (4)

        2 延伸率與彎曲單元插入量的函數(shù)關(guān)系

        板帶在拉彎矯直過程中,由于矯直張力使中性層相對平分層(中心線)移動了a的距離,從而使平分層產(chǎn)生了拉伸變形。如圖2所示,Z0為彈性區(qū)域的半寬度,如果Z0≥a,則平分層不能產(chǎn)生塑性變形,Z0

        圖2 板帶平分層變形量計(jì)算簡圖

        根據(jù)平面變形假設(shè)[6],彎曲單元產(chǎn)生的平分層變形量即延伸率ε計(jì)算為

        (5)

        (6)

        彎曲輥半徑為R,板帶反彎曲率存在的約束:

        (7)

        將彎曲單元簡化為如圖3所示力學(xué)模型,彎曲單元插入量W,即板帶反方向彎曲撓度采用莫爾積分法計(jì)算。

        圖3 彎曲單元計(jì)算模型圖

        (8)

        式中,t為彎曲輥輥距。

        彎曲單元插入量計(jì)算流程如圖4所示。具體步驟如下:

        圖4 彎曲單元插入量計(jì)算流程圖

        (1)令矯直張應(yīng)力預(yù)設(shè)定值σL等于預(yù)設(shè)定初值σL0;

        (4)計(jì)算彎曲單元插入量W。

        3 彎曲單元引起的板帶彎曲曲率與矯直單元插入量的函數(shù)關(guān)系

        (9)

        矯直輥半徑為R0,矯直單元的反向彎曲曲率存在約束:

        (10)

        (11)

        將矯直單元簡化為如圖5所示力學(xué)模型,矯直單元插入量J,即板帶反方向彎曲撓度采用莫爾積分法計(jì)算。

        圖5 矯直單元計(jì)算模型圖

        (12)

        式中,tj為矯直輥輥距。

        4 工藝參數(shù)預(yù)設(shè)定計(jì)算方法

        為了保證拉矯生產(chǎn)效率和質(zhì)量,通常采用兩彎一矯模式,因此需要通過計(jì)算得到工藝參數(shù)預(yù)設(shè)定值,即矯直張應(yīng)力σL、1#彎曲單元插入量W1、2#彎曲單元插入量W2、矯直單元插入量J,應(yīng)用于延伸率閉環(huán)控制,能有效提高延伸率閉環(huán)控制的收斂速度,大大提高拉矯產(chǎn)品質(zhì)量及成材率。

        拉伸彎曲矯直機(jī)工藝參數(shù)預(yù)設(shè)定計(jì)算流程如圖6所示,具體步驟如下:

        圖6 拉伸彎曲矯直機(jī)工藝參數(shù)預(yù)設(shè)定計(jì)算流程圖

        (1)輸入已知參數(shù),包含:板帶厚度h,開卷張應(yīng)力σP,卷取張應(yīng)力σT,屈服強(qiáng)度σs,彈性模量E,彎曲輥半徑R,矯直輥半徑R0,強(qiáng)化系數(shù)η等;

        (2)設(shè)定延伸率目標(biāo)值εT,可以分為兩部分:

        εT=ξεT1+(1-ξ)εT2

        (13)

        式中,ξ為分配系數(shù);0≤ξ≤1;εT1為1#彎曲單元產(chǎn)生的延伸率;εT2為2#彎曲單元產(chǎn)生的延伸率。

        (3)計(jì)算矯直張應(yīng)力預(yù)設(shè)定初值σL0,

        σL0=α(σP+σT)

        (14)

        式中,α為系數(shù)。

        (4)令矯直張應(yīng)力預(yù)設(shè)定值σL等于預(yù)設(shè)定初值σL0;

        (7)得到矯直張應(yīng)力預(yù)設(shè)定值σL、1#彎曲單元插入量W1、2#彎曲單元插入量W2;

        (12)計(jì)算得到矯直單元插入量J;

        (13)工藝參數(shù)預(yù)設(shè)定計(jì)算結(jié)束。

        5 結(jié)束語

        本文所提出的拉伸彎曲矯直機(jī)工藝參數(shù)預(yù)設(shè)定控制模型成功應(yīng)用于某汽車板精整機(jī)組。帶鋼厚度h=1.5 mm,屈服強(qiáng)度σs=400 MPa,開卷張應(yīng)力σP=28 MPa,卷取張應(yīng)力σT=42 MPa,彎曲輥半徑R=15 mm,矯直輥半徑R0=25 mm,延伸率設(shè)定值εT=2%,εT1=εT2=1%。

        經(jīng)計(jì)算,得到拉伸彎曲矯直機(jī)工藝參數(shù)如下:矯直張應(yīng)力σL=80.5 MPa,1#彎曲單元插入量W1=8.398 mm,2#彎曲單元插入量W2=8.398 mm,矯直單元插入量J=2.864 mm。

        經(jīng)工程實(shí)踐,板帶拉矯效果良好,質(zhì)量完全合格。

        通常,拉伸彎曲矯直機(jī)都采取延伸率閉環(huán)控制,由于其工藝參數(shù)預(yù)設(shè)定值不合理,導(dǎo)致閉環(huán)控制的收斂速度緩慢,進(jìn)而導(dǎo)致了拉矯產(chǎn)品質(zhì)量及成材率的下降。本文提出的拉伸彎曲矯直機(jī)工藝參數(shù)預(yù)設(shè)定控制模型,能有效提高延伸率閉環(huán)控制的收斂速度和控制精度,大大提高拉矯產(chǎn)品質(zhì)量及成材率。

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