拉彎矯直機(jī)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

拉彎矯直機(jī)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

通常，鋁條的直度差是由于帶材料的縱向延伸不均勻，造成的。因此，額外的內(nèi)應(yīng)力不足，皮帶材料不穩(wěn)定，出現(xiàn)了波浪狀、波浪和折疊等不平衡缺陷。拉彎矯直機(jī)的原理是通過(guò)給帶材施加縱向拉伸和連續(xù)反復(fù)彎曲應(yīng)力,使帶材沿寬度方向上產(chǎn)生不同程度的縱向永久延伸,消除不均勻內(nèi)應(yīng)力,達(dá)到矯直帶材的目的。然而,來(lái)料的各項(xiàng)參數(shù),如厚度、寬度、屈服強(qiáng)度、不平度等的變化,均會(huì)影響實(shí)際操作中各種參數(shù)的設(shè)定和最終矯直效果。因此,操作人員的經(jīng)驗(yàn)、操作技巧和判斷能力,往往在實(shí)際控制中起著關(guān)鍵作用,而對(duì)拉彎矯直原理的認(rèn)識(shí)和對(duì)力能參數(shù)的正確理解,則是實(shí)現(xiàn)正確操作的基礎(chǔ)。1張力輥內(nèi)壓張力變化與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)相比,現(xiàn)代拉彎矯直機(jī)多設(shè)計(jì)成8輥張緊形式,這樣既增大了整個(gè)機(jī)組的張力調(diào)節(jié)范圍,減小了開(kāi)卷/卷取張力,又降低了每根張力輥上的扭矩載荷,提高了張力調(diào)節(jié)精度,如圖1所示。帶材在較小的開(kāi)卷張力情況下進(jìn)入入口張力輥組,繞張力輥身形成包角,在帶材與輥面之間摩擦力的作用下,帶材張力逐級(jí)放大,在R1.4與R2.1之間達(dá)到最大值,然后再通過(guò)出口張力輥組逐級(jí)減小,在卷取段恢復(fù)到較小的張力值。在各段上的帶材張力分布如圖2所示。2帶材拉伸彎曲矯直過(guò)程所需歷史穩(wěn)定性的控制拉彎矯直機(jī)列張力的設(shè)定值是以帶材伸長(zhǎng)率設(shè)定值的大小為基礎(chǔ)的,而伸長(zhǎng)率的選擇取決于輸入帶材的平直度狀況。圖3是來(lái)自設(shè)備設(shè)計(jì)廠家的一組試驗(yàn)數(shù)據(jù),圖中曲線表明,針對(duì)不同的來(lái)料平直度狀況,施加不同的延伸變形,可以獲得不同情況的帶材平直度。通常在冷軋機(jī)上生產(chǎn)的帶材,在沒(méi)有AFC系統(tǒng)自動(dòng)控制的情況下,離線平直度值一般在50～200I單位;而在有AFC系統(tǒng)精確控制的情況下,冷軋帶材的離線平直度可控制在30I單位以內(nèi)。理論上,對(duì)于平直度在200I單位以內(nèi)的帶材,施加0.6%以下的伸長(zhǎng)率,均可獲得理想板形甚至零缺陷。而實(shí)際上,帶材的來(lái)料情況千差萬(wàn)別,伸長(zhǎng)率的設(shè)定也不是一成不變的,帶材的拉伸彎曲矯直過(guò)程是一個(gè)十分復(fù)雜的力能轉(zhuǎn)變過(guò)程。在拉伸彎曲狀態(tài)下,帶材的延伸變形包括彈性變形和塑性變形兩部分。其中彈性變形量可根據(jù)虎克定律計(jì)算得出,即:ΔLL=σEΔLL=σE對(duì)于5×××合金,Rp0.2值最高可達(dá)300MPa,E為鋁的楊氏模量,一般取7×104MPa。計(jì)算可知,在極限情況下,拉伸鋁材的彈性變形量約為0.43%。而矯直帶材所需的塑性變形量可根據(jù)輸入帶材的平直度導(dǎo)出:對(duì)于100I單位的來(lái)料,即ΔLL×105=100ΔLL×105=100,矯直帶材所需的塑性變形量約為0.1%。實(shí)際經(jīng)驗(yàn)表明,施加0.3%～0.6%的伸長(zhǎng)率可使大多數(shù)鋁帶材得到矯直。考慮到極限情況以及張力輥速度偏差、打滑等因素,伸長(zhǎng)率設(shè)定值一般在0.8%以下。施加過(guò)大的伸長(zhǎng)率會(huì)加大不必要的傳動(dòng)載荷,增加機(jī)組能耗。同時(shí)過(guò)量的拉伸變形會(huì)導(dǎo)致帶材形成“舟”狀橫彎(圖4b)。雖經(jīng)反向彎曲能部分消除,但操作不當(dāng)會(huì)形成“弓”形缺陷,如圖4c所示。3列出各段張力的確定要使帶材產(chǎn)生需要的延伸,就必須在機(jī)列各段設(shè)定適當(dāng)?shù)膹埩χ怠?.1提高表面張力張力的設(shè)定取決于待加工的帶材的規(guī)格范圍和張力輥的數(shù)量。張力輥表面多涂有聚氨酯包敷層,以最大限度地提高表面摩擦力。相比而言,8輥張緊形式具有更大的張力放大能力,因此不需要過(guò)大的開(kāi)卷張力,這既減少開(kāi)卷電機(jī)負(fù)荷,又防止帶材因應(yīng)力不均勻而局部屈服產(chǎn)生不均勻變形。一般開(kāi)卷張應(yīng)力取材料屈服極限的8%～20%,根據(jù)帶材橫截面積可計(jì)算出開(kāi)卷絕對(duì)張力值。卷取張力一般為開(kāi)卷張力的1.1～1.5倍。3.2張力輥面的彎曲變形從開(kāi)卷段到彎曲矯直段的張力放大是通過(guò)幾組“S形”分布的張力輥來(lái)實(shí)現(xiàn)的,這也是帶材實(shí)現(xiàn)拉伸彎曲變形的前提。如圖5所示。在①和②張力輥之間分別施加入口張力T1和出口張力T2,并且T2>T1,對(duì)應(yīng)的帶材速度V2>V1,那么,每一階段上帶材的拉伸變形量和速度變化可依據(jù)下列公式計(jì)算:V12=V1×(1+Δε1)V2=V12×(1+Δε2)式中Δε1=T12?T1E×t×wΔε1=Τ12-Τ1E×t×wΔε2=T2?T12E×t×wΔε2=Τ2-Τ12E×t×w假定原始長(zhǎng)度為S=S0的一段帶材,連續(xù)經(jīng)過(guò)兩次拉伸變形后,長(zhǎng)度變成S1=S0+ΔS1,S2=S0+ΔS1+ΔS2。通過(guò)計(jì)算可知,實(shí)際上帶材在這一階段的拉伸變形量是非常小的,完全可以忽略不計(jì)。對(duì)于與張力輥面接觸部分的帶材,則是隨著張力遞增逐漸延伸的,這一微小變化完全可以通過(guò)張力輥面的彈性蠕動(dòng)而確保帶材與輥面不會(huì)發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)。整個(gè)張力輥組的張力放大系數(shù)可由歐拉公式計(jì)算得出T2=T1efθ式中:θ—帶材繞入口張力輥組的包角之和,取弧度值;f—帶材與輥面間的摩擦因數(shù)。通常,將帶材繞每個(gè)張力輥的包角設(shè)計(jì)成230°,整個(gè)入口輥組的包角之和θ為920°,轉(zhuǎn)換成弧度為16.06。對(duì)于聚氨酯輥面,摩擦因數(shù)約為0.15～0.25,在輥面清潔和帶材為冷軋表面的條件下,可取f=0.18。計(jì)算入口輥組的張力放大倍數(shù)K:K=T2/T1=efθ=18由此可知,在正常生產(chǎn)條件下,開(kāi)卷張力為8MPa時(shí),經(jīng)張力輥組放大后,理論上可在彎曲矯直段產(chǎn)生144MPa的拉伸應(yīng)力,這足以保證帶材產(chǎn)生必要的拉伸彎曲變形。另外需要指出的是,張力輥直徑也是影響最終矯直效果的重要因素。首先受空間位置決定,輥徑不可能設(shè)計(jì)得過(guò)大,而決定最小輥徑的依據(jù)是必須能防止帶材產(chǎn)生由繞輥身彎曲所引起的縱向拱彎或使之保持最小程度。可依據(jù)下面的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算:D=tx×E/Re式中:tx—加工帶材的最大厚度;Re—加工帶材的最小屈服極限。對(duì)于厚度最大、屈服極限最低的帶材,繞輥身彎曲時(shí)最容易產(chǎn)生屈服。例如:tx=0.8mm,Re=70MPa,E=7×104MPa時(shí),計(jì)算可得到,需要的張力輥直徑最小為800mm,而輥徑D越大對(duì)帶材越有利。3.3拉彎矯直機(jī)如前面所述,在彎曲矯直段上帶材張力達(dá)到最大值(R1.4-R2.1段),該段也是帶材產(chǎn)生彈、塑性變形最集中的區(qū)域。帶材通過(guò)彎曲工作輥時(shí)的應(yīng)力狀態(tài)可視為拉伸應(yīng)力和彎曲應(yīng)力的組合。見(jiàn)下面的表達(dá)式:R=Tt×w+E×td+tR=Τt×w+E×td+t式中:T—R1.4與R2.1之間的張力值;t×w—帶材的橫截面積;d—工作輥包角的曲率直徑,極限情況下等于工作輥直徑d0。從設(shè)計(jì)角度講,減小工作輥直徑d0也是增大彎曲應(yīng)力的有效途徑。工作輥的尺寸和數(shù)量是帶材厚度范圍、屈服強(qiáng)度、生產(chǎn)線速度、拉伸張力、伸長(zhǎng)率等諸因素的函數(shù)。對(duì)于給定的帶材材質(zhì)而言,工作輥直徑取決于在帶材最小厚度時(shí)的最高屈服強(qiáng)度(最大直徑)和帶材最大厚度(最小直徑)。但對(duì)于同一機(jī)組而言,工作輥直徑卻不是適時(shí)可調(diào)的。如圖6所示,由張力分量T1產(chǎn)生的拉伸應(yīng)力RT1是個(gè)常量,而由張力分量T2產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力RT2則是依帶材彎曲段的中心角α不同而不斷變化的,在進(jìn)入0截面之前,帶材截面上僅有拉伸應(yīng)力RT1;當(dāng)帶材依次進(jìn)入0、1、2、3、4、各點(diǎn)時(shí),彎曲應(yīng)力逐漸增大;在截面2處彎曲應(yīng)力達(dá)到彈性極限狀態(tài),之后開(kāi)始出現(xiàn)塑性變形和加工硬化;而在截面4處,帶材的彎曲應(yīng)力達(dá)到最大值,且塑性變形也最大。理論研究指出:塑性彎曲變形時(shí)帶材中性層要向曲率中心移動(dòng),而且彎曲半徑越小,中性層移動(dòng)越大。當(dāng)帶材離開(kāi)第一個(gè)彎曲工作輥到達(dá)第二個(gè)工作輥時(shí),又經(jīng)受了和第一次相同的彎曲變形過(guò)程,但彎曲的方向相反,中性層更加靠近曲率中心。圖7a和7b所示為帶材經(jīng)過(guò)第一和第二個(gè)彎曲工作輥時(shí),在截面4處的彎曲應(yīng)力。帶材受到兩次彎曲變形的結(jié)果相反,但變形量又不完全相等,所以還存在殘余彎曲,對(duì)此還需用第三個(gè)矯直輥來(lái)消除。圖7c表示為了消除殘余彎曲,由第三個(gè)矯直輥施加必需的變形。經(jīng)過(guò)兩次彎曲變形和一次矯直變形后,帶材將留下對(duì)稱的而且是平衡的殘余應(yīng)力,如圖7d所示。在帶材橫截面高度方向上的延伸變形也是對(duì)稱的,如圖7e所示。在現(xiàn)代拉彎矯直機(jī)上往往設(shè)有4組彎曲工作輥和多組矯直輥,這使得圖7e中所示的帶材高向各纖維層延伸變形更加接近于直線,帶材沿寬度方向分布的縱向延伸也更加均勻。經(jīng)驗(yàn)顯示,對(duì)于一定量的拉伸操作,如果工作輥的壓入深度很小,傳動(dòng)電機(jī)的電流就會(huì)非常大。而這種大張力甚至純張力拉伸的帶材往往會(huì)產(chǎn)生表面條紋狀缺陷。此時(shí)若增大工作輥的壓入深度,在其他參數(shù)不變的情況下,傳動(dòng)電機(jī)電流會(huì)迅速下降?？梢?jiàn),要使帶材實(shí)現(xiàn)設(shè)定的伸長(zhǎng)率值,可以有2條途徑:①增大張力輥R1.4與R2.1之間的張力;②增大彎曲工作輥的壓入深度。拉彎矯直機(jī)的原理就是在預(yù)先設(shè)定伸長(zhǎng)率的情況下,通過(guò)調(diào)節(jié)拉伸應(yīng)力與彎曲應(yīng)力的比值來(lái)達(dá)到最佳的矯直效果。這種調(diào)節(jié)是通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)矯直機(jī)頂部和底部的彎曲機(jī)架或單個(gè)移動(dòng)頂部或底部的彎曲輥組而實(shí)現(xiàn)的。相比較而言,施加彎曲應(yīng)力更容易實(shí)現(xiàn)伸長(zhǎng)率的精確控制。而針對(duì)不同的帶材規(guī)格和來(lái)料狀況,合理分配二者的比例,就可以實(shí)現(xiàn)理想的平直度控制。4彎矯直機(jī)閉環(huán)控制現(xiàn)代鋁加工技術(shù)不斷向高效、節(jié)能、高精度、自動(dòng)化的方向