合金鋁管凹輥的單側滾光區的導程

   為了簡化模型，減低計算代價，不考慮矯直輥與前后導向裝置對于合金鋁管的變形，將矯直輥建立為剛體模型，合金鋁管建立為彈塑性體，考慮合金鋁管的強化特性。對于構件之間的接觸處理，必須考慮矯直輥與合金鋁管之間的摩擦屬性，設置摩擦因數為０．４；導向裝置與合金鋁管之間摩擦可以忽略。通過對上下輥耦合參考點施加旋轉位移確定矯直輥運動方式，合金鋁管依靠與矯直輥的摩擦力旋轉前進，這樣更接近于真實情況。網格劃分是有限元分析的關鍵，通過反復試驗，本文選取Ｃ３Ｄ８Ｒ型減縮積分單元生成網格，該單元適用于金屬接觸問題分析。合金鋁管最終劃分３５０００個六面體單元，如圖１所示，單元總體尺寸為８ｍｍ，可以滿足精度要求。本文的研究對象是１００ｍｍ厚壁合金鋁管，材料為２０Ｃｒ，材料屈服強度為５４０ＭＰａ    矯直原理獨特，二輥矯直機是短圓材高精度矯直的關鍵設備。利用凸凹輥組合形成輥縫對圓材進行連續旋轉矯直，對圓材表面有一定的滾光作用，可以提高圓材表面質量［１］。據某廠實際應用輥型反映：凹輥對合金鋁管表面滾制所成２條螺旋滾光帶存在過度重合與間隙。２條螺旋滾光帶在有限元中表現為兩條塑性應變值螺旋帶，因此本文以２條螺旋滾光帶的銜接狀況為評判輥型指標，對矯直機凹輥結構進行改進與優化。１二輥矯直滾光模型建模關鍵因素分析二輥矯直有限元模型主要構件包括矯直輥、合金鋁管與前后導向裝置。徑厚比為１０，合金鋁管建模長度為２０００ｍｍ。２凹輥滾光區分析設計２．１改進輥型結構對傳統凹輥輥型結構改進如圖２所示，改進凹輥輥型結構由矯直區、滾光區、反向圓弧與輥端倒角組成，相對于傳統輥型增加了滾光區與反向圓弧Ｒ４兩段結構［３－５］。

合金鋁管的導程。其取值如下：ｔ＝πｄｔａｎα＝３．１４×１５０×０．１７６≈８３．０５ｍｍｔ取值為８５ｍｍ。２．３凹輥滾光區長度計算凹輥與合金鋁管的接觸區域即為矯直輥的滾光區，本文參照文獻［１］與文獻［４］，凹輥滾光區設計為左右對稱且與矯直區平滑相接的直線。 ，Ｏ為凹輥幾何中心，建立坐標系ＯＸＹＺ，Ｘ為凹輥旋轉軸線，ｏｘｙｚ為合金鋁管坐標系，ｘ軸為合金鋁管旋轉前進軸線。Ｚ軸和ｚ軸重合，Ｘ軸和ｘ軸夾角為凹輥軸線與合金鋁管軸線工作夾角α。設ＨＢ為凹輥的單側滾光區，合金鋁管表面滾壓形成寬度為０．５ｔ的單側螺旋滾光帶ＡＢ，則ｏｅ＝ＡＢ＝０．５ｔ，且ｏｇ∥ＨＢ，兩者長度相等。ｏｆ即為ｏｇ在ｏｅ水平面內投影，則ｆｅ⊥ｏｅ，且ｏｆ平行于凹輥軸線，∠ｆｏｅ＝α，α取值為１０°～１５°，則：２．２滾光原理分析圖３中合金鋁管兩側箭頭表示凹輥與合金鋁管接觸區域。合金鋁管自Ａ１側咬入，左側接觸區域滾制所成單側滾光帶（陰影部分）寬度為０．５ｔ，螺距為ｔ；合金鋁管旋轉前進至Ａ２位置，右側接觸區域對合金鋁管表層滾制成右側螺旋滾光帶，寬度也為０．５ｔ，若左右兩側螺旋滾光帶剛好錯開且相互銜接為一體，不造成脫節或過度重合，則認為凹輥對合金鋁管滾光效果較理想［６］。通過上述分析：合金鋁管兩側滾光帶起始位置之間應相距（ｎ＋０．５）ｔ，其中ｎ為整數，要保證矯直精度，ｎ至少取值為６［１］，參照實際應用輥型取ｎ＝７；ｔ為式中：Ｋ為系數，取值大于１。通過反復驗算，Ｋ取１．５較合適，即滾光區長度取０．９ｔ。圖５為凹輥兩側滾光區起始位置示意圖，設Ｏ１與Ｏ２為合金鋁管表層兩側螺旋滾光帶的起始位置，則兩側滾光區起始間距應為ＡＢ，ＡＢ＝Ｏ１Ｏ２∕ｃｏｓα。以直徑為１００ｍｍ合金鋁管為例，則ＡＢ＝Ｏ１Ｏ２／ｃｏｓ１５°＝７．７６４８ｔ。３仿真結果分析及輥型曲線修正３．１試算模型結果分析表１為試算模型凹輥輥型參數，直管沿其軸向路徑各節點的Ｘ和Ｚ坐標的值是相等的因此可以用軸向節點的Ｘ、Ｚ坐標值分析矯直質量［７］。試算模型中軸向Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ４條路徑的坐標值曲線如圖６（ａ）與（ｂ）所示，曲線的直線度很高，以Ｘ坐標值為例，最大波動量為０．９００５ｍｍ，即１ｍ長度的合金鋁管在Ｘ方向殘余彎曲量為１ｍｍ以下，矯直精度已經很高；圖６（ｃ）為合金鋁管軸向路徑Ａ、Ｃ的半徑變，路徑Ｃ的半徑值介于４８～４９ｍｍ之間，外徑介于５０～５１ｍｍ之間；圖６（ｄ）為垂直于軸向斷面矯直后斷面的內外徑，外徑均勻分布于５０ｍｍ左右，內徑均勻分布于４０ｍｍ左右，接近初始內外徑值。綜合軸向半徑與斷面半徑的變化狀況，可知合金鋁管有輕微壓扁現象，但未發生明顯的縮徑［８－１０］。圖７為合金鋁管滾光過程，圖７（ｄ）中殘余塑性應變值峰值接近０．０８左右，波谷值只有０．０２左右，相差過大。明顯看到２條螺旋滾光帶存在一定程度的重疊，重合帶之間存在滾光的間隙。圖８（ａ）為沿合金鋁管表層４條軸向路徑的殘余塑性應變值，結合圖７可得出：試算模型中合金鋁管表層滾光帶銜接狀況不理想，由于矯直過程中管輥復雜的接觸情況等原因，合金鋁管的２條螺旋滾光帶發生了重疊，圖８中峰值與峰谷值相差０．０６左右，即２條滾光帶之間存在重疊與間隙。圖８（ｂ）為斷面沿深度方向的塑性應變值分布，外壁周向塑性應變值波動較大，為滾光帶重疊所致。