二輥棒材矯直機(jī)的設(shè)計(jì)含5張CAD圖
二輥棒材矯直機(jī)的設(shè)計(jì)含5張CAD圖,二輥棒材,矯直機(jī),設(shè)計(jì),CAD
山西能源學(xué)院學(xué)士學(xué)位畢業(yè)設(shè)計(jì)外文翻譯
山 西 能 源 學(xué) 院
2021 屆 本 科 生 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論文）
外 文 翻 譯
中文題目： 二棍棒材矯直機(jī)的設(shè)計(jì)
姓 名： 蔣少偉 學(xué)號： 2017008126
系 部： 機(jī)電工程系
專 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及自動(dòng)化 班級： 機(jī)械1704
指導(dǎo)教師： 郭曉娥 職稱： 副教授
完成日期： 2021 年 6 月
18
二輥矯直過程中棒材中性層偏置的研究與驗(yàn)證
摘 要：金屬材料變形過程中必然存在中性層。傳統(tǒng)的二輥矯直理論忽略了中性層的遷移現(xiàn)象，特別是大截面棒材矯直過程中。中性層對矯直回彈影響較大，進(jìn)而影響輥形設(shè)計(jì)、工藝參數(shù)和棒材直線度精度?；谌c(diǎn)彎曲和彈塑性壓力，建立了棒材矯直過程中的中性層偏移模型。通過模型研究棒材矯直過程中的中性層遷移現(xiàn)象，并結(jié)合室溫拉伸試驗(yàn)和彎曲試驗(yàn)。得到了中性層偏移量與反向彎曲半徑和金屬塑性變形能力的關(guān)系。中性層偏移模型為棒材矯直機(jī)理和變形的進(jìn)一步研究提供了參考。
關(guān)鍵詞：中性層偏移；棒材矯直；回彈；三點(diǎn)彎曲；實(shí)驗(yàn)分析
1引言
高強(qiáng)度合金鋼在石油、汽車、造船、工程機(jī)械等領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛。矯直作為最后的精整工序，是保證生產(chǎn)棒材質(zhì)量的關(guān)鍵工序[1]。由于棒材的原始彎曲很可能存在于任何方向，特別適用于橫輥矯直機(jī)。兩輥矯直和多輥矯直是橫輥矯直機(jī)的兩種主要形式。然而，現(xiàn)有的多輥矯直機(jī)存在矯直盲區(qū)大、矯直全程和全程連續(xù)缺陷、矯直后需要去除頭端等問題。而且多輥矯直機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積大，造價(jià)高。多輥矯直機(jī)由于矯直精度低，無法實(shí)現(xiàn)棒材矯直的高精度。與多輥矯直機(jī)相比，雙輥矯直機(jī)不僅能消除棒材盲區(qū)，提高表面粗糙度，還能提高橢圓度，解決矯直后的縮口問題。更重要的是，其矯直后棒材的殘余撓度可達(dá)到0.1-0.5 mm/m，滿足當(dāng)前高精度棒材的精度要求。國產(chǎn)小型二輥矯直裝置已經(jīng)制造出來，但未能掌握輥型設(shè)計(jì)和自動(dòng)矯直過程的核心技術(shù)，大截面棒材二輥矯直機(jī)完全依賴進(jìn)口。因此，在設(shè)備國產(chǎn)化的基礎(chǔ)上，我們課題組與中國河北省某公司合作開發(fā)了高精度雙輥棒材矯直機(jī)。中性層偏移模型的偏差和建立是問題[2,3]，直接關(guān)系到輥形設(shè)計(jì)的精度和矯直精度。
二輥矯直是一個(gè)復(fù)雜的彈塑性變形過程。中性層偏移會(huì)改變棒材截面的應(yīng)力分布，影響彎矩比和計(jì)算的反彎曲率，最終影響輥型設(shè)計(jì)的精度。遺憾的是，現(xiàn)有的棒材矯直理論分析忽略了中性層偏移現(xiàn)象;因此，設(shè)計(jì)了軋輥形狀和工藝參數(shù)誤差較大。Guan等人的研究表明，在一定的相對拐角半徑下，中性層彎曲回彈的相對誤差可達(dá)70%以上[4]。目前，對于中性層偏移問題，許多學(xué)者做了大量的研究[5-8]。他們的研究主要集中在兩輥矯直過程中用板和管代替中性層偏移。因此，根據(jù)其矯直過程的特點(diǎn)，結(jié)合三點(diǎn)彎曲理論和彈塑性理論，建立了矯直過程中的中性層偏移模型。該工作為進(jìn)一步研究大截面高強(qiáng)鋼筋二輥矯直機(jī)理和研制裝置提供了重要參考。
2建立兩輥矯直過程中中性層偏移的理論模型
2.1矯直變形分析及基本假設(shè)
1. 鋼筋變形前后截面保持平坦，垂直于變形鋼筋的軸線[9]。兩個(gè)相鄰截面之間沒有反向和傾斜。
2. 材料是連續(xù)的、均勻的、各向同性的，中性層的應(yīng)力和應(yīng)變被認(rèn)為是一致的[10]。
3.忽略棒材矯直過程中直徑的變化。
4. 彎曲塑性變形過程符合等體積原理。
5. 等效應(yīng)力和等效應(yīng)變具有的硬化指數(shù)關(guān)系，當(dāng)B為塑性材料系數(shù)，n為材料硬化指數(shù)[11]。
二輥矯直機(jī)矯直棒材時(shí)，彎曲撓度由凹輥角和凹輥間隙決定。通過調(diào)整輥縫，實(shí)際彎曲撓度可以從0變化到最大彎曲撓度[12]。更合理的矯直狀態(tài)如圖1所示;在試驗(yàn)過程中，矯直變形近似于三點(diǎn)彎曲。
從棒材矯直變形區(qū)取一個(gè)ABCD單元，如圖2所示。圖中棒材彎曲中心為柱面坐標(biāo)系的原點(diǎn)。根據(jù)假設(shè)(3)，r方向的變形可以忽略不計(jì)，方向應(yīng)力要小得多，可以忽略不計(jì)，即。因此，棒材矯直變形區(qū)單元應(yīng)力狀態(tài)可簡化為平面應(yīng)變問題和，同時(shí)，假設(shè)(1)表示。
2.2矯直過程中的應(yīng)變關(guān)系
在進(jìn)入矯直機(jī)前，由加工或熱處理引起的棒材彎曲的原始形式在長度范圍內(nèi)有單彎、S彎、多峰彎和空間彎[13]，如圖3所示。在矯直輥中心段，將所有的彎曲方式統(tǒng)一成單一的彎曲方式。一般將原始彎曲形式簡化為單一彎曲形式，便于理論分析。
可以假設(shè)單元ABCD初始處于拉伸狀態(tài)，反向彎曲[14]后處于壓縮狀態(tài)。進(jìn)入矯直機(jī)棒材彎曲程度小?？紤]中性層與棒材幾何中心軸線重合，則棒材單位初始長度為:
（1）
式中，為單位原始彎曲半徑，為單位原始彎曲角。
單元ABCD原纖維長度：
（2）
式中為單位的原始彎曲半徑。
單元彎曲后，中性層長度為：
（3）
式中，ρ為反彎后中性層的半徑，為反彎角。此時(shí)，單元ABCD的光纖長度：
（4）
因此單位在切向上的真應(yīng)變?yōu)椋?
（5）
矯直前后棒材中性層長度為常數(shù)，即：
（6）
最后，
（7）
其中為桿的反向彎曲半徑。
2.3塑性變形區(qū)應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系
棒材的塑性變形面積符合相應(yīng)的塑性變形規(guī)律。根據(jù)假設(shè)(4)，。
在平面塑性變形中，r方向無變形，即。
根據(jù)增量理論[15]：
（8）
因此，等效應(yīng)變等效應(yīng)力銷塑性變形區(qū)分別為：
（9）
（10）
2.4外力與塑性變形區(qū)應(yīng)力的關(guān)系
半空間如圖4所示，在加載區(qū)域S的內(nèi)表面，而A(x, y, z)是固體中的一點(diǎn)[16]。所以距離是：
（11）
勢函數(shù)定義為：
（12）
當(dāng)
勢函數(shù)定義為：
（13）
定義為：
，
z方向位移函數(shù)為：
（14）
z方向的應(yīng)力函數(shù)為：
（15）
邊界條件是：
當(dāng)集中的力P垂直作用于原點(diǎn)表面時(shí)，，將定義的Boussinesq勢能函數(shù)簡化為：
（16）
z方向的應(yīng)力分量表示為：
（17）
2.5中性層偏移的數(shù)學(xué)模型
棒材在矯直過程中，除塑性變形區(qū)外，中性層附近還存在彈性變形區(qū)。在它們的邊界面上畫出的關(guān)系，即
（18）
根據(jù)假設(shè)(5)得出結(jié)論
（19）
即
（20）
用聯(lián)立方程消去r
（21）
理論推導(dǎo)中采用的半空間假設(shè)與桿件與凸輥的接觸條件不同，因此采用了修正系數(shù)η
（22）
這里，兩者都是與材料相關(guān)的系數(shù),d是棒材直徑,是指棒材的屈服強(qiáng)度，B為塑性硬化系數(shù)，n為硬化指數(shù)，而η是與材料和彎曲程度有關(guān)的修正系數(shù)，由模擬和實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)擬合確定。
因此，中性層偏移值的數(shù)學(xué)模型為
（23）
3兩輥矯直過程中中性層偏移的模擬
3.1彎曲的三維有限元模型
建立的有限元分析模型如圖5所示。棒子為瘧原蟲，壓頭為剛體。棒材長度為340 mm，原始最大撓度為10 mm/m。材料模型為雙線性運(yùn)動(dòng)硬化模型，屈服強(qiáng)度、彈性模量和泊松比見表2。棒材和壓頭采用六面體單元solid164和掃描[17]進(jìn)行網(wǎng)格劃分。在變形過程中，所有的接觸都定義為地對地自動(dòng)接觸，靜摩擦系數(shù)為0.25，動(dòng)摩擦系數(shù)為0.15。
3.2仿真結(jié)果
圖6為相同壓下量下40Cr和42CrMo的塑性變形深度圖。可以看出，兩種材料在相同還原度下的塑性變形層深度是不同的。40Cr和42CrMo的塑性變形深度和半徑比值分別約為0.91和0.74,40Cr的塑性變形深度大于42CrMo，拉伸側(cè)的塑性變形深度大于壓力側(cè)的塑性變形深度。40Cr和42CrMo的拉伸邊塑性變形深度比為1.077，壓力邊塑性變形深度比為1.094，間接證明中性層會(huì)向壓力邊移動(dòng)。
桿在軸向上分為兩半。取桿內(nèi)不同單元，得到它們在切線方向(X方向)的應(yīng)力曲線，從圖7a所示的應(yīng)力曲線中可以看出，第7號單元在切線方向(X方向)上的應(yīng)力曲線。104824在0.0402 s內(nèi)受拉應(yīng)力拉伸，單元號為104824。104710被壓應(yīng)力壓縮。同時(shí)，應(yīng)力中性層必須在兩者之間。元素沒有。104710在0.0804 s受拉應(yīng)力作用，104596受壓應(yīng)力;應(yīng)力中性層在它們之間轉(zhuǎn)移。在0.1474 s時(shí)，應(yīng)力中性層向單元號之間偏移。104596和元素編號104482. 同理，如圖7b所示，應(yīng)力中性層首先位于104824 ~ 104938號單元之間。
隨著彎曲程度的逐漸增加，它在104824 ~ 104710、104710 ~ 104596、104596 ~ 104824之間移動(dòng)。因此，根據(jù)表1所示的兩種材料的單元應(yīng)力曲線和模擬數(shù)據(jù)，可以確定應(yīng)力中性層相對于幾何中心軸的偏移量。
4 .兩輥矯直過程中的中性層偏移實(shí)驗(yàn)
4.1實(shí)驗(yàn)路線及目的
實(shí)驗(yàn)路線及目的如圖8所示。
4.2室溫單軸拉伸試驗(yàn)
拉伸試驗(yàn)是測量材料力學(xué)性能的最基本的實(shí)驗(yàn)之一。通過拉伸試驗(yàn)，可以得到材料的屈服強(qiáng)度、伸長率、抗拉強(qiáng)度等參數(shù)，這些參數(shù)是影響棒材彎曲變形的重要因素[18]。本文采用40Cr和42CrMo用于拉伸試驗(yàn)。對拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，為中性層偏移模型的構(gòu)建提供了參數(shù)支持。
拉伸試驗(yàn)是在WAW 1000萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行的。對得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到如圖9所示的應(yīng)力應(yīng)變曲線。
應(yīng)用Origin軟件對拉伸實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合。數(shù)據(jù)是從屈服點(diǎn)到抗拉強(qiáng)度。擬合結(jié)果表明，40Cr和42CrMo進(jìn)入后，冪函數(shù)擬合的測定校正系數(shù)分別為0.9539和0.9647塑性變形。冪函數(shù)調(diào)整后的決定系數(shù)接近于1。由于擬合結(jié)果很好，40Cr和42CrMo的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系可以用n的冪函數(shù)硬化關(guān)系有效描述。兩種材料的冪函數(shù)擬合結(jié)果見表2。
4.3彎曲測試
彎曲試驗(yàn)用于確定材料在彎曲載荷下的力學(xué)性能。它是力學(xué)性能測試的基本方法之一。鋼筋兩端簡支，中間施加集中荷載。負(fù)載由100千牛頓的液壓負(fù)載測試機(jī)器。液壓試驗(yàn)機(jī)由電液伺服壓力試驗(yàn)機(jī)測控系統(tǒng)控制。負(fù)載值可由電液伺服試驗(yàn)機(jī)壓力測控系統(tǒng)控制。
4.3.1壓力過程荷載-位移曲線
壓力過程的荷載-位移曲線如圖10所示。
4.3.2彎桿的后處理
首先，使用尼康S4150相機(jī)對橫截面進(jìn)行拍照，示意圖如圖11所示。使用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)軟件導(dǎo)入照片，然后放大10倍，進(jìn)行精確的尺寸測量，彎曲鋼筋截面網(wǎng)格如圖12所示。
以壓頭附近的哈希網(wǎng)格為重點(diǎn)進(jìn)行應(yīng)變分析。在本研究中，假設(shè)平面應(yīng)變，并且鋼筋彎曲變形主要是纖維的縱向變形。因此，本文僅對網(wǎng)格的縱向應(yīng)變狀態(tài)進(jìn)行分析。如圖12所示，選擇網(wǎng)格A、B、C三列，在CAD中繪制;對比變形前后網(wǎng)格形狀;測量前、后三列網(wǎng)格的縱向網(wǎng)格線的長度后彎曲;并對彎曲前后網(wǎng)格線的長度比取自然對數(shù)，求其值為桿體縱向應(yīng)變。設(shè)置桿纖維拉伸應(yīng)變?yōu)檎?，壓力?yīng)變?yōu)樨?fù)[19]。兩桿三列網(wǎng)格應(yīng)變數(shù)據(jù)如表3所示。
根據(jù)位于桿直徑方向的網(wǎng)格線位置分布，從下邊緣到上邊緣，在桿直徑方向上的位置應(yīng)變曲線如圖13所示。
圖13a為40Cr在半徑方向彎曲后的應(yīng)變分布圖。原始中立層坐標(biāo)為零(加載前幾何中立層與應(yīng)變中立層重合)。彎曲后，從中性層附近的局部放大圖可以看出，在原始應(yīng)變中性層位置產(chǎn)生了正應(yīng)變。根據(jù)連續(xù)變形原理，鋼筋下緣的應(yīng)變值為負(fù)。在t之間應(yīng)該有一個(gè)應(yīng)變?yōu)?的纖維層原始中性層(0 mm)和棒材下邊緣(?14 mm)的位置，該纖維層為彎曲后的應(yīng)變中性層位置。眾所周知，在的過程中塑性彎曲時(shí)，應(yīng)變中性層會(huì)向壓力側(cè)偏移。三柱網(wǎng)格應(yīng)變應(yīng)變中性層偏移量分別為0.6912、1.0496和0.8741 mm。
圖13b為42CrMo彎曲后在半徑方向上的應(yīng)變分布，其中原始中性層坐標(biāo)為零?？梢钥闯觯珹、B、C三列網(wǎng)格中性層的偏移量分別為0.8746、0.9937、0.9310 mm。通過比較兩種材料桿的偏置值，結(jié)合不同的加載情況可以看出，應(yīng)變中性層偏置由桿直徑、彎曲量和荷載等多種因素決定。反向半徑下棒材中性層偏移實(shí)驗(yàn)值如表4所示。
5討論
5.1反向彎曲半徑對中性層偏移的影響
三點(diǎn)彎曲的壓下量的變化是由外力來實(shí)現(xiàn)的。因此，反向彎曲半徑與外力P有關(guān)，采用原始彎曲半徑R0=12,505 mm的40Cr和42CrMo可以說明相關(guān)趨勢。圖14為40Cr和42CrMo的中性層偏移值隨反向彎曲半徑的變化。
從圖14可以看出，無論是40Cr還是42CrMo，其中性層的偏移量都隨著彎曲半徑的減小而增大;分析結(jié)果與相關(guān)文獻(xiàn)相似[5-8]。理論值與仿真值有較大偏差;究其原因，是仿真中使用的材料模型是雙線性運(yùn)動(dòng)硬化模型，而不是理論推導(dǎo)中使用的冪指數(shù)模型。實(shí)驗(yàn)值與理論值之間也存在一定的誤差，這主要是由于測試方法和測量過程中存在的數(shù)據(jù)誤差造成的。但誤差在0.1 mm以內(nèi)，變化趨勢相似。因此可以得出計(jì)算式(23)近似可以接受的結(jié)論。
5.2材料對中性層棒的影響
對比圖15中兩種材料的中性層偏移值，不同材料的中性層偏移值是不同的，它們之間的差異比較大。這意味著偏移值與材料[20]的力學(xué)性能有關(guān)。塑料材質(zhì)越好，中性層偏移的次數(shù)就越多。
從圖15中還可以看出，當(dāng)反向彎曲半徑值較大時(shí)，兩種材料的理論數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)差異較大。當(dāng)計(jì)算最大彎曲程度較小的棒材中性層的偏移量，說明公式(23)的精度不夠好。彎曲程度越小，中性層的偏移量越小[21]。公式計(jì)算誤差在計(jì)算結(jié)果中所占比例較大，影響計(jì)算精度。
由以上分析可知，式(23)僅適用于一般規(guī)格和最大彎曲撓度大于15mm / m的大截面桿件;不適用于彎曲程度小或直徑小的棒材矯直。
6結(jié)論
1.建立了棒材矯直過程中中性層的遷移模型。對彈塑性彎曲中性層進(jìn)行了理論估計(jì)和分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該模型基本適用，為今后棒材矯直及變形機(jī)理的持續(xù)研究提供了理論參考。
2.通過建立棒材矯直過程中性層遷移模型，得出了一些結(jié)論。中性層偏移量的大小不僅與反向彎曲半徑、材料力學(xué)性能、棒材規(guī)格有關(guān)，還與彎曲力和矯直力的初始程度有關(guān)。這在文獻(xiàn)中沒有得到反映[5-8]。
3.棒材矯直時(shí)中性層偏移不僅與工藝結(jié)構(gòu)參數(shù)Rw有關(guān)，還與棒材規(guī)格及材料力學(xué)性能有關(guān)。中性層偏移量隨反向彎曲半徑的減小而增大，隨塑性變形的增大而增大。
4.對于彎曲程度小、直徑小的棒材，矯直過程中中性層偏移量小，通?？梢院雎圆挥?jì)。但對于一般規(guī)格，尺寸較大，最大反向彎曲撓度大于15mm /m時(shí)，中性層偏移量較大，這就意味著必須考慮中性層偏移量。
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