電解銅導(dǎo)電棒矯直機(jī)壓下量計算及有限元分析

1、電解銅導(dǎo)電棒矯直機(jī)壓下量計算及有限元分析王瑞華1，姚輝1，李亮2，孫東明2 【摘 要】給出了電銅導(dǎo)電棒矯直機(jī)矯直工藝規(guī)程中各可調(diào)輥壓下量的精確理論解。采用MATLAB軟件編寫了輥數(shù)及壓彎撓度設(shè)計的計算機(jī)程序。通過有限元軟件ANSYS/LS-DYNA對導(dǎo)電棒矯直過程的動態(tài)模擬研究其各階段的等效應(yīng)力及矯后平直度。關(guān)鍵詞：電解銅；導(dǎo)電棒；矯直；壓下量；殘余應(yīng)力Design of Itermesh of the Straightening Machine for Conducting Bar and finite element simulationWang Rui-hua, Yao Hui, Li

2、Liang, Sun Dong-ming1. Jin Chuan Group Ltd., Jin chang 737100, Gansu, China 2. Faculty of Mechanical and Electrical Engineering, Kun Ming University of Science and Technology, Kunming 650093, Yunnan, China【Abstract】Accuracy answers to the adjustable intermesh of every roller, the key technical param

3、eters on conducting bar were put forward. MATLAB software was used to solve the roller number and the bending deflection of every roller. The straightening process of conducting bar was simulated and researched by finite element software of ANSYS/LS-DYNA. The stress of conducting bar of different pa

4、rts and the straightness after straightening were studied.Key words: Cathode Copper；conducting bar；straightening；Intermesh；Residual stress1 引言銅電解行業(yè)生產(chǎn)高純電解銅的過程是在電解槽內(nèi)進(jìn)行的，電解過程完成后，專用吊車將電銅從電解槽內(nèi)整槽吊出，運(yùn)至電解銅處理機(jī)組，經(jīng)受板、洗滌、導(dǎo)電棒抽取、堆垛、稱量及輸出等工序，成垛的電銅運(yùn)至成品庫，導(dǎo)電棒送往導(dǎo)電棒儲運(yùn)機(jī)組1。在此過程中，陰極板導(dǎo)電棒由于受重載、擊打等其它一些原因發(fā)生變形。目前國內(nèi)很多銅電解企業(yè)還沒有設(shè)置

5、對導(dǎo)電棒進(jìn)行矯直的設(shè)備，也沒有關(guān)于電銅導(dǎo)電棒矯直的系統(tǒng)研究。很多銅電解行業(yè)對導(dǎo)電棒的矯直仍采用人工矯直，用木榔頭在變形區(qū)域反復(fù)敲打，以達(dá)到矯直的目的。每年銅電解行業(yè)都有大量的導(dǎo)電棒由于變形嚴(yán)重而報廢處理，在一定程度上造成浪費(fèi)。銅電解行業(yè)有很多企業(yè)所使用的電銅導(dǎo)電棒是方型紫銅管。文中以某企業(yè)22mm22mm3mm方型紫銅管導(dǎo)電棒的矯直為研究對象，針對導(dǎo)電棒的結(jié)構(gòu)、材質(zhì)特點(diǎn)，綜合運(yùn)用彈塑性有限元理論及矯直理論設(shè)計電銅導(dǎo)電棒矯直機(jī)的矯直工藝規(guī)程中各可調(diào)輥的壓下量并進(jìn)行了矯直過程的動態(tài)有限元仿真。各輥壓彎撓度及輥數(shù)的計算采用MATLAB軟件編寫了相應(yīng)的計算機(jī)程序。2 可調(diào)輥壓下量的計算2.1矯直曲率比

6、方程式的推導(dǎo)導(dǎo)電棒的材料是紫銅，為強(qiáng)化性金屬材料，其強(qiáng)化系數(shù)為。管材的彎矩可以通過大斷面的彎矩減去小斷面的彎矩即粗細(xì)兩個棒材的彎矩之差來求得2。最后可推導(dǎo)出該斷面銅管矯直曲率比方程式： (1)式中：反彎曲率比；原始曲率比。由于，故(1)式可寫為 (2)式中：彈區(qū)比；彎矩比。已知導(dǎo)電棒的原始最大平直度為15mm/m，要求其在矯直后的平直度小于=1mm/m。平直度和曲率比存在如下關(guān)系3 (3)式中： 導(dǎo)電棒平直度，mm/m； 彎曲曲率比。將=15mm/m，=1000mm代入式(3)中，求出，即導(dǎo)電棒的最大原始曲率比為1.8，考慮到原始彎曲為雙向彎曲，取導(dǎo)電棒原始曲率比為。將=1mm/m，=1000

7、mm代入上式折算出矯直后允許的殘留曲率比為。2.2 各輥壓彎撓度及可調(diào)輥壓彎量的計算軋件的矯直方案有小變形原則及大變形原則。按小變形原則進(jìn)行矯直時壓彎量的計算比較容易，而且數(shù)值精確，但是壓彎量的調(diào)定卻不容易。不僅各輥的剛度不盡相同，而且輥系剛度互相干擾，很難調(diào)準(zhǔn)，調(diào)不準(zhǔn)就矯不直。采用大變形矯直方案，可以獲得較好的矯直質(zhì)量，但大變形矯直方案盡管能把被矯件矯直，但不可避免的出現(xiàn)非要求變形，造成損害4。尤其對于管材，更容易出現(xiàn)矯直缺陷。考慮到矯直對象導(dǎo)電棒為方型銅管，并吸取小變形矯直方案和大變形矯直方案各自的優(yōu)點(diǎn)，最后確定采用大變形-小變形混合矯直方案，即壓下方案盡量減小第三輥處殘留曲率差的方針，此

8、方案使得第三輥處殘留曲率差迅速減小，因此也允許第四輥以后的各輥壓下曲率迅速減小，使殘留曲率迅速減小到零，原理如圖1所示。圖1雙向彎曲軋件的大小混合變形矯直過程示意圖按大小變形混合矯直方案，各輥壓彎撓度及可調(diào)輥壓彎量的計算推導(dǎo)過程如下3：1) 二、三輥處采用大壓下量為防止矯直時管材受到塑性壓扁而畸變，一般采用來計算。將代入式(2)，求解方程式可以得到。根據(jù)大小變形混合矯直原則，取第二、三輥的壓彎曲率比為=31.2414=3.724。由于進(jìn)入第三輥的原始曲率為最大原始曲率，故第三輥處的總彎曲率比 1.8+3.724=5.524，彈復(fù)曲率比1.724，殘留曲率比=3.724231.742=1.982

9、，此時殘留曲率差已經(jīng)較小。2) 第四輥開始以后各輥均按小變形原則進(jìn)行第四輥處以第三輥處的殘留曲率比為原始曲率比，即；而壓彎曲率比根據(jù)矯直曲率比方程式(1)可以求得；則殘留曲率比為，而第五輥處原始曲率比；其余各輥類推，即 將=1.982代入曲率比方程式解得。表明用此可將的彎曲矯直，同時會把原來直的部位()壓彎，形成第四輥處的殘留彎曲，即，而，故，未達(dá)到矯直精度要求，繼續(xù)進(jìn)行計算。將代入曲率比方程式(1)解得，由于，故 ，滿足精度要求，停止計算。 通過以上計算說明經(jīng)第五輥壓彎后，導(dǎo)電棒已經(jīng)變直并達(dá)到精度要求，故輥數(shù)為5，但考慮到原始彎曲為雙向者或原始彎曲的復(fù)雜性，切實(shí)可行的輥數(shù)為6輥。由于曲率比等

10、于撓度比，即，算出各輥的原始曲率比及壓彎撓度比。表1 各輥原始曲率及壓彎撓度比1.83.7240.8821.5980.1631.2580.049用表1中各輥的壓彎撓度比乘以方管的彈性極限撓度即可得到各輥的壓彎撓度并進(jìn)而求出各可調(diào)輥的壓下量，計算過程略。計算得到各個可調(diào)輥的壓下量如表2所示。表2 各可調(diào)輥的壓下量(mm)1.020.610.27矯直機(jī)的輥距、輥徑及輥系設(shè)置如圖2所示。矯直機(jī)輥距300mm、輥徑240mm，采用上輥為可調(diào)輥，下輥為傳動輥的方式進(jìn)行矯直。圖2 輥式矯直示意圖2軟件實(shí)現(xiàn)采用MATLAB軟件編程進(jìn)行輥數(shù)及各輥壓彎撓度比的計算，軟件界面如圖3所示。圖3輥數(shù)及壓彎撓度比計算軟

11、件界面圖3中計算結(jié)果分別為25輥的壓彎撓度比及矯直機(jī)所需輥數(shù)。4 矯直過程的顯式動態(tài)有限元仿真導(dǎo)電棒的材料是T2硬態(tài)紫銅，變形時沒有明顯的屈服平臺，有加工硬化現(xiàn)象，故將材料模型簡化為雙線性等向強(qiáng)化彈塑性材料模型。矯直輥相對剛硬，沒有塑性屈服部分，將矯直輥材料定義為剛性材料且根本不會影響計算精度。建模時導(dǎo)電棒長度為1000mm，引入初始幾何變形，原始平直度為15mm/m。按照圖2中矯直機(jī)輥距、輥徑大小及表2中數(shù)據(jù)設(shè)置各可調(diào)輥的壓下量建立有限元模型。動態(tài)分析的結(jié)果如圖4所示，從矯直過程的應(yīng)力云圖可以看出，導(dǎo)電棒在3、4號輥處有最大的應(yīng)力，這也與理論研究相吻合。導(dǎo)電棒在3、4號輥處的最大應(yīng)力141M

12、pa，大于其材料的屈服極限100Mpa，說明導(dǎo)電棒在該輥處要經(jīng)過很大的塑性變形，殘留曲率迅速地趨向統(tǒng)一，然后經(jīng)過剩下幾輥的矯直逐漸地減小殘留曲率而達(dá)到矯直效果。這與前面所敘述的大小變形混合矯直理論思想相一致。導(dǎo)電棒矯直后最大殘余應(yīng)力44.96Mpa，在允許范圍內(nèi)，殘余應(yīng)力分布較為均勻，說明多輥矯直過程不但能起到矯直作用而且對導(dǎo)電棒內(nèi)部應(yīng)力的均勻分布有一定的效果，可以有效減小由于應(yīng)力分布不均而引起的導(dǎo)電棒承載力下降。圖4 矯直初始階段、咬入階段、穩(wěn)定矯直階段、矯直完成后應(yīng)力云圖(Pa)矯直后導(dǎo)電棒上表面中部路徑等間距的九個節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)如圖7所示。通過線性回歸分析得到回歸線圖，從而可以測量并按比例計

13、算出其上表面中部路徑的直線度為0.8mm，即導(dǎo)電棒的平直度為0.8mm/m，滿足平直度精度要求。圖5 導(dǎo)電棒平直度分析5 結(jié)論1) 采用理論計算的各可調(diào)輥壓下量，并考慮到矯直機(jī)自身的制造精度如傳動間隙、導(dǎo)電棒的高度公差，調(diào)定可調(diào)輥的壓下量即可對該尺寸電銅導(dǎo)電棒進(jìn)行矯直并達(dá)到平直度要求。 2) 輥數(shù)及各輥壓彎撓度比的設(shè)計可采用MATLAB軟件編寫的計算機(jī)程序進(jìn)行計算, 大大簡化了計算工作量。該方法也可以應(yīng)用到其它型材矯直機(jī)的設(shè)計計算中。3) 導(dǎo)電棒在3、4號輥處有最大的等效應(yīng)力，這也與理論研究相吻合。導(dǎo)電棒在3、4號輥處的最大應(yīng)力大于其材料的屈服極限，并且使殘留曲率迅速地趨向統(tǒng)一 。4) 導(dǎo)電棒矯直