二輥矯直機(jī)矯直過(guò)程的有限元分析

二輥矯直機(jī)矯直過(guò)程的有限元分析

二頻沖程機(jī)廣泛應(yīng)用于我國(guó)的工農(nóng)業(yè)和桿材料生產(chǎn)中，主要用于棒材料和桿材料的精整過(guò)程。二輥矯直機(jī)在矯直理論方面有其獨(dú)特的特點(diǎn),它依靠一對(duì)凹輥和凸輥的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)工件螺旋前進(jìn)。工件在螺旋運(yùn)動(dòng)過(guò)程中承受徑向力和軸向力,使彎曲的工件發(fā)生多次連續(xù)的彈塑性變形,從而達(dá)到矯直工件的目的,同時(shí)降低了工件的圓度誤差和表面粗糙度,增加了表面強(qiáng)度。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的日益激烈,人們對(duì)圓棒材尺寸精度、表面粗糙度、力學(xué)性能等要求不斷提高。應(yīng)用計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)來(lái)仿真棒材的矯直過(guò)程,預(yù)報(bào)產(chǎn)品精度及驗(yàn)證輥形曲線(xiàn)的可行性、合理性已成為開(kāi)發(fā)新型矯直機(jī)的必需手段。通過(guò)此種計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和制造方法可以獲得優(yōu)化的矯直輥形參數(shù)、工藝參數(shù)和設(shè)備參數(shù),指導(dǎo)棒材的生產(chǎn)和設(shè)備設(shè)計(jì)加工,進(jìn)而減少因試生產(chǎn)造成的浪費(fèi),節(jié)約資源。借助有限元模擬仿真技術(shù)可對(duì)矯直過(guò)程中涉及的復(fù)雜的連續(xù)反彎、彈塑性變形進(jìn)行分析,同時(shí)還能考慮多種物理量間的相互影響,因此有限元模擬仿真技術(shù)是有效的研究矯直過(guò)程等金屬?gòu)椝苄宰冃螁?wèn)題的重要工具。本文應(yīng)用ANSYS軟件中的LS-DYNA(顯式動(dòng)力分析)模塊建立了二輥矯直機(jī)矯直過(guò)程模型,動(dòng)態(tài)模擬圓材的矯直過(guò)程,分析了矯直過(guò)程中金屬的應(yīng)力場(chǎng)、應(yīng)變場(chǎng)、速度場(chǎng)、變形場(chǎng)等相關(guān)重要參數(shù)。結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)工藝,通過(guò)調(diào)整斜輥的傾斜角度改變接觸線(xiàn)長(zhǎng)度和旋轉(zhuǎn)次數(shù),以便分析傾斜角度對(duì)矯直質(zhì)量和矯直力的影響,同時(shí)找到了該規(guī)格圓棒材的最佳傾斜角度,為實(shí)際生產(chǎn)和矯直機(jī)本體的設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。1分析模型的構(gòu)建1.1種新的矯直材料二輥矯直機(jī)的矯直過(guò)程是一個(gè)既有接觸非線(xiàn)性,又有幾何非線(xiàn)性和邊界非線(xiàn)性的多重非線(xiàn)性相互耦合問(wèn)題。矯直輥的輥形曲線(xiàn)如圖1所示,其輥形分為三段,即輥腰段(使圓材受到較大而且均勻的彎曲變形,達(dá)到統(tǒng)一殘留彎曲的目的)、輥腹段(要把已經(jīng)統(tǒng)一的殘留彎曲矯直,達(dá)到消除殘留彎曲的目的)和輥胸段(要把一些意外未被矯直或超差的部位進(jìn)行補(bǔ)充性的矯直,達(dá)到精矯的目的)。帶有原始彎曲曲率的工件在由一凸一凹兩輥組成的輥縫中,經(jīng)過(guò)曲率由小變大,保持一段等曲率,再由大到小的多次連續(xù)反彎、彈塑性變形而被矯直。根據(jù)虛功率原理建立考慮變形速度和加速度的有限元方程為:[M]{U??}+[C]{U˙}={P}?{F}(1)[Μ]{U??}+[C]{U˙}={Ρ}-{F}(1)式中,[M]——整體質(zhì)量矩陣[C]——整體阻尼矩陣{P}——外力節(jié)點(diǎn)力矩陣{F}——由內(nèi)應(yīng)力計(jì)算的整體節(jié)點(diǎn)力矩陣{U??}{U??}——整體節(jié)點(diǎn)加速度矩陣{U˙}{U˙}——整體節(jié)點(diǎn)速度矩陣式(1)中通常有隱式和顯式兩種算法,本文采用了ANSYS軟件的LS-DYNA模塊所提供的顯式算法。1.2棒材本構(gòu)模型二輥矯直機(jī)由凹輥(上輥),凸輥(下輥),左、右導(dǎo)板,入口、出口導(dǎo)套等零部件組成。利用ANSYS前處理器建立矯直過(guò)程的三維實(shí)體模型。選用具有顯式分析功能的SOLID164八節(jié)點(diǎn)有限元單元對(duì)實(shí)體模型劃分網(wǎng)格,為得到較為規(guī)則的網(wǎng)格分布,采用映射分網(wǎng)技術(shù),分網(wǎng)后的有限元模型如圖2所示。單元屬性的定義包括單元類(lèi)型(TYPE)、實(shí)常數(shù)(REAL)和材料模型(MAT)。在網(wǎng)格劃分前分別定義了棒材、矯直輥、導(dǎo)板、導(dǎo)套的單元屬性,以便模型各組成部分可以生成不同的PART進(jìn)行接觸分析。為了加快計(jì)算速度將上、下矯直輥,入口和出口導(dǎo)套,左、右導(dǎo)板都設(shè)為剛體,將棒材設(shè)為雙線(xiàn)性隨動(dòng)模型。棒材材質(zhì)為T(mén)C4鈦合金,其屬性如表1所示,直徑為?25mm,長(zhǎng)度為250mm,原始最大彎曲度為1/90mm.在棒材矯直的數(shù)值模擬中,棒材具有彈塑性屬性。材料強(qiáng)度很高沒(méi)有屈服平臺(tái),在彈性極限后很快產(chǎn)生加工硬化現(xiàn)象,屬于彈塑性線(xiàn)性強(qiáng)化材料。材料在彈性變形階段,應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系符合廣義胡克定律,在彈塑性變形階段,材料有硬化產(chǎn)生,強(qiáng)化程度由強(qiáng)化模量E′表示,在彈性階段和硬化階段的材料的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系分別為:εt=σtE(2)εb=εt+σb?σtE′(3)εt=σtE(2)εb=εt+σb-σtE′(3)強(qiáng)化模量E′由下式計(jì)算:E′=σb?σtδ5?δt=σb?σtδ5?σt/EE′=σb-σtδ5-δt=σb-σtδ5-σt/E結(jié)合表1和式(2)-式(3)可以計(jì)算出:εt=0.00728?εb=0.1εt=0.00728?εb=0.1由此可以得到棒材的變形抗力曲線(xiàn),如圖3所示。1.3導(dǎo)板及分段約束棒材與矯直輥、導(dǎo)套、導(dǎo)板間的接觸都定義為面面自動(dòng)接觸,其摩擦系數(shù)如表2所示。約束入口、出口導(dǎo)套,左、右導(dǎo)板的所有自由度,上下矯直輥約束除繞一矢量旋轉(zhuǎn)以外的所有自由度。為了使工件能順利咬入,選取工件上所有的節(jié)點(diǎn),將其建為組件,并在其上施加一定的初速度,給上、下矯直輥施加14.75rad/s的轉(zhuǎn)速。2矯直輥與棒材的接觸具有初速度的棒材,在凹、凸輥的摩擦力矩作用下做螺旋形運(yùn)動(dòng)。在矯直輥縫中,棒材經(jīng)過(guò)連續(xù)反彎變形而得到矯直。為了保證矯直質(zhì)量,在矯直過(guò)程中矯直輥應(yīng)與棒材保持線(xiàn)性接觸。二輥矯直時(shí)按照理想要求,在接觸區(qū)內(nèi)等曲率塑性區(qū)應(yīng)由凸輥的接觸來(lái)保證,支承區(qū)應(yīng)由凹輥的接觸來(lái)保證。從圖4可以看出,該輥形符合這個(gè)規(guī)律,可以有效的保證矯直質(zhì)量。在圖4中還可以看出,在棒材的矯直過(guò)程中接觸應(yīng)力集中在凹輥輥面,凸輥表面的接觸應(yīng)力相對(duì)較小,說(shuō)明在棒材的矯直過(guò)程中凹輥更易被磨損。2.1棒材反彎曲性能對(duì)矯直力的影響二輥矯直機(jī)矯直力隨時(shí)間的變化如圖5所示。從圖5中可以看出,在整個(gè)矯直過(guò)程中兩個(gè)矯直輥的矯直力基本上是相等的,因此符合軋件平衡條件。棒材咬入前矯直力為零,咬入后矯直力急劇增大;隨著棒材反彎曲率的增大,其矯直力在不斷增大,在等曲率區(qū)其矯直機(jī)力基本上保持平穩(wěn);隨著反彎曲率的逐步變小其矯直力逐步變?yōu)榱?。矯直輥的傾斜角度為10°、12°、15°、18°、20°時(shí)矯直力和導(dǎo)板力分別如圖6、如圖7所示。從圖中可以看出隨著矯直輥傾斜角度的不斷增大,矯直力和導(dǎo)板力的大小在逐步減小。圖8為傾斜角度為10度時(shí),導(dǎo)板受力情況的變化曲線(xiàn)。從圖8中可以看出在棒材咬入階段,其導(dǎo)板受力比較小,隨著棒材矯直過(guò)程的繼續(xù),在輥腰處棒材的反彎量達(dá)到最大值,其導(dǎo)板力也達(dá)到最大值,隨著反彎量的逐步減小導(dǎo)板力又逐步減小直到零。2.2輥腹表面應(yīng)力在棒材的矯直過(guò)程中,棒材表面分別與凹輥、凸輥接觸并形成了反彎。從圖9中可以看出在矯直過(guò)程中棒材上表面在輥?zhàn)佣瞬亢洼伕苟畏謩e受到較大的拉應(yīng)力和壓應(yīng)力,棒材下表面在輥?zhàn)又虚g接觸部位受到較大的拉應(yīng)力。選取棒材表面的某一單元,其z向應(yīng)力狀況如圖10所示。從圖10中可以看出該單元在矯直過(guò)程中不斷的受到拉應(yīng)力和壓應(yīng)力的作用,而且壓應(yīng)力始終要大于拉應(yīng)力,這說(shuō)明在矯直過(guò)程中棒材的中心線(xiàn)偏移了輥縫中心位置。2.3棒材等效塑性應(yīng)變變化規(guī)律從圖11可以看出棒材剛開(kāi)始咬入時(shí),棒材上表面產(chǎn)生拉應(yīng)變,下表面產(chǎn)生壓應(yīng)變。入口和出口導(dǎo)套對(duì)矯直過(guò)程有一定的影響,有預(yù)矯功能,與矯直輥一起作用于棒材,使棒材產(chǎn)生塑性變形;棒材在入口處受到較大的拉應(yīng)變,在出口處棒材受到較大的壓應(yīng)變,這與實(shí)際矯直過(guò)程一致。選取棒材上某一單元,其在矯直過(guò)程中的等效塑性應(yīng)變變化曲線(xiàn)如圖12所示,可以看出從棒材開(kāi)始進(jìn)入矯直輥縫到離開(kāi)輥縫過(guò)程中,該單元的等效塑性應(yīng)變不斷增加,后趨于平穩(wěn)。這說(shuō)明棒材在矯直過(guò)程中隨著反彎曲率的不斷增大,其塑性變形也在逐漸增大,在輥?zhàn)又虚g處達(dá)到最大值而趨于穩(wěn)定狀態(tài)。2.4棒材殘余應(yīng)力將棒材頭尾部分切除,研究中間穩(wěn)定矯直階段。矯直后棒材的表面和心部殘余等效應(yīng)力分布分別如圖13和圖14所示。從圖13、圖14中可以看出棒材表面等效應(yīng)力分布很不均勻,但表面應(yīng)力值較小,大部分區(qū)域都在20MPa～85MPa之間。矯直后等效應(yīng)力主要集中在棒材的心部,應(yīng)力變化范圍為280MPa～380MPa之間。棒材殘余應(yīng)力主要是其在矯直過(guò)程中表層和內(nèi)部的軸向纖維的塑性變形程度不一致而造成的。殘余應(yīng)力是影響棒材彎曲和使用性能的重要因素,殘余應(yīng)力值越小,棒材的使用可靠性越高。3時(shí)間-總位移曲線(xiàn)為了方便在LS-DYNA后處理中取出棒材中心節(jié)點(diǎn)坐標(biāo),將250mm長(zhǎng)的棒材劃分為6段,每段中心節(jié)點(diǎn)分別為圖15中的A、B、C、D、E、F點(diǎn)。在LS-DYNA軟件后處理中,畫(huà)出A、B、C、D、E、F六個(gè)節(jié)點(diǎn)的時(shí)間-總位移曲線(xiàn),如圖16所示。從圖16中可以看出六個(gè)節(jié)點(diǎn)的總位移曲線(xiàn)重合在一起,說(shuō)明所矯棒材的矯直效果挺好。不同傾斜角度下矯直精度的比較如圖17所示。從LS-DYNA軟件后處理中,找出棒材6個(gè)中心節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)值,用MATLAB軟件分別畫(huà)出傾斜角度為10°、12°、15°、18°、20°情況下矯后精度曲線(xiàn),如圖17所示。從圖17可以看出當(dāng)傾斜角度為10°時(shí)矯直精度最高,表面質(zhì)量最好,其矯后精度為0.6mm/m,現(xiàn)場(chǎng)矯直精度為≤1mm/m,這與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況比較吻合。4矯直精度的應(yīng)用(1)通過(guò)數(shù)值模擬方法得到了棒材矯直過(guò)程的應(yīng)力分布和應(yīng)變狀態(tài),與實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程一致,并分析了矯直后殘余應(yīng)力分布及其成因;(2)研究了矯直輥在不同傾斜角度下棒材的矯直精度,得出此輥形的最佳傾斜角為10°,