組合矯直機(jī)的變形演化研究

組合矯直機(jī)的變形演化研究

輥式矯正機(jī)是中厚板的重要制造設(shè)備。主要用于消除彎曲、研磨后冷卻、加熱過程中產(chǎn)生的波浪和變形，確保板的線性精度，消除剩余力，滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，并滿足用戶要求。隨鋼結(jié)構(gòu)加工、造船、石油等工業(yè)的發(fā)展,對(duì)矯后板形提出了更高的要求。組合矯直機(jī)作為熱處理矯直機(jī),設(shè)在正火或回火熱處理線后,用于矯直熱處理后不平直的鋼板。組合矯直機(jī)作為第三代中厚板輥式矯直機(jī)重要分枝,各開發(fā)廠家的不同而具有不同的形式。目前,組合矯直機(jī)研究主要集中在機(jī)械結(jié)構(gòu)和輥系參數(shù)確定,對(duì)其變形理論研究較少。作者在板材矯直機(jī)理特征研究的基礎(chǔ)上,研究了一種組合矯直機(jī)的矯直模型,對(duì)制定中厚板組合矯直機(jī)的矯直方案具有指導(dǎo)意義。1矯直機(jī)輥系與工作輥系優(yōu)化技術(shù)十五輥組合矯直機(jī)針對(duì)高強(qiáng)度板設(shè)計(jì),用于熱處理線或冷狀態(tài)下的中厚板的矯直。其矯直的產(chǎn)品規(guī)格為6～40mm×1500～3000mm×3000～12000mm,屈服強(qiáng)度≤600MPa,矯直溫度≤150℃,矯直速度0.25～1m/s,單向矯直力>30000kN,機(jī)架剛度>10000kN/mm。矯直機(jī)輥系采用了變輥距變輥徑和輥系參數(shù)的優(yōu)化技術(shù)的技術(shù),它既保證了最小厚度板材的矯正質(zhì)量,又保證了矯正最大厚度板材時(shí)的矯正強(qiáng)度。如圖1所示,工作輥系由8個(gè)小直徑輥、6個(gè)大直徑輥和1個(gè)中間過渡輥組成。工作輥系下排工作輥前4個(gè)可整體微量調(diào)整,可根據(jù)不同板厚采用不同輥數(shù)參與矯直。當(dāng)矯正薄板時(shí),全部工作輥參與矯正,此時(shí)相當(dāng)于15輥矯正機(jī),當(dāng)矯正厚板時(shí),下排工作輥前4個(gè)調(diào)整到低位,此時(shí)相當(dāng)于7輥矯正機(jī)。本文主要研究十五輥組合矯直機(jī)對(duì)薄板的矯直。2矯直單元彎直過程輥式矯直機(jī)工作原理為通過交錯(cuò)布置的輥系使板材運(yùn)行過程中產(chǎn)生反復(fù)的彎曲。在這個(gè)過程中,板材的上下表面發(fā)生了局部的塑性變形,中心層為彈性變形區(qū)。由于這種獨(dú)特的變形過程有效的提高板形精度、消除殘余應(yīng)力。整個(gè)矯直過程可簡(jiǎn)化看作板材連續(xù)通過數(shù)個(gè)彎曲單元;為了便于分析計(jì)算,取一個(gè)矯直單元作為研究的對(duì)象。假定材料原始彎曲曲率為C0,材料經(jīng)過一個(gè)矯直單元,在矯直輥的作用下產(chǎn)生彎曲曲率Cw。在這個(gè)過程中,材料彎曲變形總變形為CΣ,為材料實(shí)際彎曲過程經(jīng)過的曲率變化即CΣ=Cw-C0。如圖2(a)所示,在這個(gè)過程中,如果材料處于彈性變形階段,在通過這個(gè)矯直單元后,材料的曲率即殘留曲率Cc,Cc=Cw-Cf;其中材料產(chǎn)生彈復(fù),彈復(fù)過程變化曲率Cf,由于過程為純彈性過程,Cf=CΣ,材料曲率將恢復(fù)到原始曲率C0,即Cc=C0。在這個(gè)過程中,如果材料彎曲出現(xiàn)塑性變形,如圖2(b)卸載后將不能恢復(fù)到原始曲率C0,只能彈復(fù)一部分變形,其余部分成為永久變形,在通過這個(gè)矯直單元后,材料的曲率即殘留曲率Cc,Cc=Cw-Cf;其中材料產(chǎn)生彈復(fù),彈復(fù)過程變化曲率Cf?Cf=MΣEICf?Cf=ΜΣEΙ,其中,MΣ為本矯直單元產(chǎn)生的彎距。矯直過程為一個(gè)連續(xù)彎曲的過程,每個(gè)矯直單元都可視為一個(gè)彎曲單元。每個(gè)矯直單元采用上述彎曲彈復(fù)理論計(jì)算矯直過程。計(jì)算過程如圖3所示,首先,根據(jù)壓下量計(jì)算每個(gè)矯直彎曲曲率Cwi;其次,把材料的原始曲率C0作為第一矯直單元原始曲率C01,計(jì)算第一矯直單元的CΣ1、Cf1、Cc1;再次,把上一矯直單元的殘留曲率Cci作為下一個(gè)矯直單元的原始曲率;循環(huán)計(jì)算,計(jì)算全部矯直單元;最后,把最后矯直單元的殘留曲率CcN即是整個(gè)矯直單元的殘留曲率Cc3研制高強(qiáng)矯直機(jī)通常輥式矯直過程采用矯直輥壓彎量遞減、軋件交替彎曲的矯直方案。采用這種矯直方案,在矯直過程中,隨著矯直板材彎曲曲率的減少,板材在各個(gè)矯直輥之間的運(yùn)動(dòng)速度將發(fā)生變化。而如果矯直輥集中傳動(dòng),轉(zhuǎn)速相同,則在矯直板材的過程中產(chǎn)生負(fù)轉(zhuǎn)矩。負(fù)轉(zhuǎn)矩現(xiàn)象將造成板材在矯直輥面上打滑,引起噪音,從而降低了板材的矯直質(zhì)量。同時(shí)隨著中厚板軋后控冷等技術(shù)的采用和高強(qiáng)度合金鋼、管線鋼等鋼種的開發(fā),矯直輥的傳動(dòng)扭矩成為薄弱環(huán)節(jié),影響了矯直材料屈服強(qiáng)度的擴(kuò)大。十五輥矯直機(jī)根據(jù)輥系特點(diǎn),在高強(qiáng)薄板矯直時(shí),采用平行矯直方案和輥系間張力技術(shù),提高了矯直機(jī)的矯直精度,擴(kuò)大了矯直板材的材料強(qiáng)度范圍。當(dāng)采用平行矯直方案,相同的壓下量在不同的輥系中使板材的彎曲程度不同。如圖4(a)所示。組合矯直前面的小輥系使軋件得到大的彎曲曲率相同彎曲變形。由于金屬?gòu)澢冃沃?彎曲曲率與彈性曲率的非線性關(guān)系,連續(xù)的彎曲大變形,使殘余曲率的范圍快速減小。如圖4(b)所示,組合矯直后面的大輥系使軋件得到小的彎曲曲率相同彎曲變形,連續(xù)的彎曲小變形,逐步減小殘余曲率的數(shù)值。相對(duì)于通用矯直機(jī),組合輥系中小輥系大變形的程度大、大輥系中小變形的數(shù)量多,因此,組合矯直機(jī)可以得到更高的薄板矯直精度。組合矯直采用平行矯直方案,板材在各組輥系中各個(gè)彎曲單元彎曲程度相同,因此運(yùn)動(dòng)速度相同,避免了負(fù)扭矩。同時(shí)在大小輥系之間通過傳動(dòng)速度控制產(chǎn)生張力,張力不但可以使扭矩承載能力大的大輥系幫助小輥系減小扭矩負(fù)擔(dān);同時(shí)張力存在可進(jìn)一步改善薄板的板形。4輥系參數(shù)模型建立通過采用大型有限元軟件marc,模擬了中板在十五輥組合矯直機(jī)的矯直變形過程,分析板材組合矯直輥系中運(yùn)行狀況?？紤]計(jì)算成本和研究的內(nèi)容,如圖5所示,模型采用3D分析模型,矯直輥當(dāng)作剛性體,其模型中輥系參數(shù)按圖1所示建立。軋件模型尺寸為2400mm×2000mm×12mm(長(zhǎng)×寬×高),采用8節(jié)點(diǎn)縮減積分單元,軋件模型劃分為600×5×8(長(zhǎng)×寬×高),共計(jì)24000個(gè)單元。軋件與各輥的接觸采用庫(kù)侖摩擦模型,摩擦系數(shù)為0.15。分析過程為準(zhǔn)靜態(tài)分析,采用彈塑性模型,大變形、更新的拉格朗日算法。來料浪形50mm。5矯直力理論分析經(jīng)過十五輥矯直機(jī)矯直,模型中的板形得到了充分的矯直,如圖6所示。浪形高度從50mm降到小于1mm。這與現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)實(shí)踐相符。表1為幾組板材的矯直過程數(shù)據(jù)記錄和理論計(jì)算值、數(shù)值模擬的比較。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為某鋼廠在用十五輥組合矯正機(jī)的工藝數(shù)據(jù)和設(shè)備力能檢測(cè)歷史數(shù)據(jù)記錄。從表中可見,單向矯直力理論計(jì)算值、數(shù)值模擬和實(shí)測(cè)基本相符。其中實(shí)測(cè)矯直力表現(xiàn)為偏大,其原因可能為理論計(jì)算和數(shù)值模擬對(duì)材料加工硬化的計(jì)算量的不同。材料參數(shù)為厚度15mm、寬度2510mm、屈服強(qiáng)度250MPa、彈性模量1.80×105、壓下量為1.8mm,穩(wěn)態(tài)矯直時(shí)各矯直輥扭矩的模擬數(shù)值和理論計(jì)算如圖7所示。從圖可見,在大小輥系之間無速度差存在時(shí),各矯直輥扭矩存在負(fù)扭矩影響,輥系中各矯直輥扭矩分布不均,小輥系最大扭矩出現(xiàn)在第6根矯直輥達(dá)到5.4×106N·mm為理論計(jì)算值4.1×106N·mm的1.3倍;大輥系受小輥系影響扭矩為小正或負(fù)扭距。在速度差0.1%控制的情況下,小輥系最大扭矩出現(xiàn)在第4根矯直輥達(dá)到3.7×106N·mm小于理論計(jì)算值4.1×106N·mm。從此可見,由于平行矯直和張力矯直技術(shù),改善了矯直輥扭矩狀況,使組合矯直機(jī)的矯直能力得到了進(jìn)一提高。6中板矯直技術(shù)1)十五輥組合矯直機(jī)為高強(qiáng)度板矯直而設(shè)計(jì),其具有獨(dú)特的輥系結(jié)構(gòu),可擴(kuò)大矯直板材的厚度范圍。其中在對(duì)薄規(guī)格中板矯直時(shí),