郭　勇，曹　巖，方　舟

(西安工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，西安 710021)

隨著生產(chǎn)發(fā)展的要求，許多新型的矯直機(jī)被人們開(kāi)發(fā)使用.目前所使用的矯直設(shè)備不同程度提升了矯直的性能與適用范圍，其中部分矯直機(jī)的生產(chǎn)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了系列化，標(biāo)準(zhǔn)化.根據(jù)被矯直材料的形狀主要分為管材矯直機(jī)和棒材矯直機(jī)，其中棒材矯直機(jī)又分為多輥矯直機(jī)和二輥矯直機(jī).管棒材矯直機(jī)都是采用反彎矯直原理，依靠管棒材在前進(jìn)中所受塑性彎曲連續(xù)變化實(shí)現(xiàn)矯直，但是輥系、輥數(shù)、輥距及下壓量等參數(shù)需根據(jù)實(shí)際情況確定[1].文獻(xiàn)[2-3]中提出影響線材矯直過(guò)程精度的主要影響因素，研究了主彎曲輥?zhàn)鳛槌C直工具的平行輥線材矯直模型，但未針對(duì)性的給出矯直關(guān)鍵工藝參數(shù).文獻(xiàn)[4]對(duì)有關(guān)矯直技術(shù)理論的研究做出了大量貢獻(xiàn)，在線材矯直方面，詳細(xì)闡述了旋轉(zhuǎn)反彎矯直的原理，但旋轉(zhuǎn)反彎矯直對(duì)材料自身?yè)p害較大，不適合微細(xì)鋁絲的矯直.文獻(xiàn)[5]給出一種鋼絲輥式矯直器的參數(shù)計(jì)算公式，可為文中鋁絲矯直相關(guān)參數(shù)計(jì)算提供依據(jù)，但文中沒(méi)有提供矯直裝置的結(jié)構(gòu)與詳細(xì)實(shí)驗(yàn)，且矯直材料的屬性不同，只可作為參考.文獻(xiàn)[6]通過(guò)計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)輥式矯直機(jī)的矯直過(guò)程進(jìn)行了仿真，可對(duì)矯直機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)際矯直起到指導(dǎo)作用.本文以微細(xì)鋁材的連續(xù)矯直為研究對(duì)象，根據(jù)矯直的基本原理，按照連續(xù)矯直、對(duì)材料損害較小的要求原則，對(duì)矯直的主要工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化.

1　輥式矯直原理

金屬矯直是利用其反彎、彈復(fù)與殘留三種曲率變化的內(nèi)在關(guān)系，通過(guò)彈復(fù)曲率與反彎曲率的合理匹配，使殘留曲率達(dá)到零值，其結(jié)果稱(chēng)為矯直[7].平行輥矯直機(jī)工作原理是根據(jù)材料原始彎曲程度，在一次彈復(fù)后殘留彎曲程度的減小，使殘留彎曲趨于一致，在后續(xù)各輥的矯直作用下，殘留彎曲逐漸減小趨于零值.輥式矯直原理如圖1所示，根據(jù)矯直目標(biāo)材料的不同，需得出相應(yīng)的輥徑D、輥距t、輥數(shù)n與合適的下壓量便可實(shí)現(xiàn)目標(biāo)材料矯直的效果.

圖1　輥式矯直原理示意圖

1.1　彈塑性彎曲曲率

如圖2所示，取單位長(zhǎng)為oa的圓弧，設(shè)原始狀態(tài)彎曲曲率半徑為ρ0，弧長(zhǎng)為oa=1，對(duì)應(yīng)的弧心角A0為

A0=oa/p0=1/p0

(1)

弧oa的曲率用1/ρ0表示，由式(1)可看出曲率在數(shù)值上也可以用A0表示，材料的原始曲率在數(shù)值上用原始曲率角A0表示.圖2所示對(duì)弧oa條材進(jìn)行反彎達(dá)到弧oa1狀態(tài)，形成的反彎曲率角為Aw，相應(yīng)的反彎曲率半徑為ρw.弧oa由彎到Aw成為弧oa1狀態(tài)，總的曲率角變化量為A∑=A0+Aw.當(dāng)外力撤銷(xiāo)后，條材將形進(jìn)行彈復(fù)，此時(shí)弧oa2所對(duì)應(yīng)的殘留曲率角為Ac.圖2中左側(cè)的ρ0與ρc兩個(gè)半徑線間的夾角，即條材的彈復(fù)曲率角Af=Aw-Ac.彈復(fù)后的材料與初始狀態(tài)之間的差別處于穩(wěn)定狀態(tài)，變形為永久變形，所對(duì)應(yīng)的變形曲率角為As=A0+Ac.從工件曲率的角度分析工件矯直所必需的條件，在工件的反彎過(guò)程中，當(dāng)工件反彎后彈復(fù)變直時(shí)，Ac=0，即為Aw-Af=0，即為矯直時(shí)的曲率方程式.因此，為使工件矯后變直，須選用一個(gè)與彈復(fù)曲率相等的反彎曲率.

圖2　彎曲時(shí)曲率變化

1.2　彈塑性彎曲與彎矩的關(guān)系

彎曲時(shí)，圓形斷面按理想金屬材料計(jì)算的彈塑性彎矩為[4]：

(2)

彎矩與曲率比的關(guān)系式：

(3)

(4)

2　矯直器選型及結(jié)構(gòu)參數(shù)確定

對(duì)于盤(pán)條材料的矯直，在生產(chǎn)中矯直的方法有反彎矯直、拉伸矯直、拉彎矯直和旋轉(zhuǎn)矯直等，而拉伸矯直和拉彎矯直法矯直效率偏低不太適合盤(pán)條材料的高效矯直，旋轉(zhuǎn)矯直雖然可以實(shí)現(xiàn)盤(pán)條料的矯直，但對(duì)微細(xì)線材自身?yè)p害嚴(yán)重且生產(chǎn)效率較低，文中選用反彎矯直法矯直.

平行輥矯直機(jī)為連續(xù)性反復(fù)彎曲的矯直設(shè)備，輥式矯直的理論基礎(chǔ)是金屬材料在較大彈塑性彎曲條件下，其原始彎曲在彈復(fù)后殘留的彎曲會(huì)顯著減小，甚至?xí)呌谝恢?隨著壓彎大程度減小其彈復(fù)后的殘留彎曲必然會(huì)一致趨近于零值而達(dá)到矯直的目的[8-9].平行輥矯直系統(tǒng)具備兩個(gè)基本特征，一是為實(shí)現(xiàn)反復(fù)壓彎需具有一定數(shù)量的交錯(cuò)配置的矯直輥；二是為實(shí)現(xiàn)所需要的壓下方案，壓彎量可進(jìn)行調(diào)節(jié)[10].為了對(duì)微細(xì)鋁絲進(jìn)行矯直，首先需要確定矯直器的選型，其次確定矯直器結(jié)構(gòu)參數(shù).

2.1　矯直器的選型

平行輥矯直輥系結(jié)構(gòu)主要與用途和矯直質(zhì)量有關(guān).主要有上輥組平行升降輥系用于矯直粗矯板材的，兩端輥單獨(dú)調(diào)整輥系用于熱矯板材，上輥可調(diào)成平行升降，單項(xiàng)傾斜和雙向傾斜的一種靈活多用途輥系等，由于材料直徑較小，在實(shí)際試驗(yàn)中需采用小變形逐步矯直方案確保更加完好的直線度，所以文中選用線性遞減的壓下的輥系.

由式(4)可得矯直曲率比方程為

(5)

當(dāng)材料經(jīng)過(guò)彎曲曲率Cw矯直后會(huì)出現(xiàn)彈復(fù)現(xiàn)象，彈復(fù)曲率為Cf，彈復(fù)后殘留曲率Cc為彎曲曲率Cw與彈復(fù)曲率為Cf之差，即：

(6)

計(jì)算時(shí)首先求出壓彎曲率；其次求出殘留曲率，通過(guò)式(5)與式(6)可定量計(jì)算出輥數(shù).選擇輥數(shù)為9的平行輥矯直器.

2.2　矯直器的結(jié)構(gòu)參數(shù)

輥徑選取的矯直輥，既需要能為工件提供足夠曲率的壓彎，又需要符合咬入條件并滿(mǎn)足強(qiáng)度上的需要.工作輥直徑為

(7)

式中:DW為工作輥直徑(取15)；CW為常量，通常取4～5.輥距可根據(jù)輥徑來(lái)確定.

t=αDW

(8)

式中:t為輥距(取17)；α=1.1～1.2，當(dāng)輥?zhàn)訂为?dú)調(diào)節(jié)壓彎量時(shí)輥距常數(shù)α取小值，當(dāng)輥系集體調(diào)節(jié)時(shí)輥距常數(shù)α取大值.

矯直輥間的鋁絲變形后的波峰與波谷之間的垂直距離為壓下量A.在矯直過(guò)程中,彎曲曲率半徑會(huì)逐漸減少,壓下量也應(yīng)逐漸減小,在一定范圍內(nèi)下壓量是可以調(diào)節(jié)的[11].為了滿(mǎn)足工藝要求,設(shè)計(jì)中采用螺紋調(diào)節(jié)方式.

3　實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證及分析

3.1　矯直器的結(jié)構(gòu)與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)及其他需求，設(shè)計(jì)出一組矯直器的結(jié)構(gòu)如圖3所示.該矯直器由調(diào)節(jié)螺栓、輥輪、固定螺母、底板、固定板、移動(dòng)快及固定塊7部分組成.設(shè)計(jì)核心在于在平面內(nèi)布置9個(gè)輥輪，上排4個(gè)輥輪，分別由對(duì)應(yīng)的調(diào)節(jié)螺栓固定位置，下排5個(gè)輥輪，位置固定于固定板上.當(dāng)鋁絲通過(guò)矯直器左端進(jìn)入，通過(guò)對(duì)調(diào)節(jié)螺栓1的調(diào)節(jié)帶動(dòng)移動(dòng)快6位置的改變，從而調(diào)節(jié)輥輪之間的下壓量，使上下兩排輥輪受力，調(diào)節(jié)過(guò)程保證下壓量逐漸減小，最終鋁絲從矯直器右端出來(lái)，完成鋁絲矯直.

矯直裝置只有在生產(chǎn)加工中滿(mǎn)足實(shí)際要求才能解決現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，因此以實(shí)際加工中常用的?0.35 mm的型材為例進(jìn)行矯直實(shí)驗(yàn)(工作中精度要求≤5 mm/20 cm)，矯直前后結(jié)果如圖4所示.通過(guò)對(duì)矯直后鋁絲抽樣200根進(jìn)行直線度檢測(cè)得出：材料在矯直前后直線度有明顯改變，其中矯直精度在最優(yōu)結(jié)果0～1.0 mm/20 cm之間，為5根占2.5%，精度在1.0～2.0 mm/20 cm之間，為40根占20%，精度在2.0～3.0 mm/20 cm之間，為100根占50%，精度在3.0～4.0 mm/20 cm之間，為50根占25%，剛好滿(mǎn)足加工精度4.0～5.0 mm/20 cm之間為5根占2.5%，矯直精度主要分布在1.0～4.0 mm/20 cm之間，為190根占95%，由于矯直器加工過(guò)程中的加工誤差及矯直過(guò)程中震動(dòng)的影響，雖不能保證所有結(jié)果為最優(yōu)結(jié)果，但完全可滿(mǎn)足加工要求≤5 mm/20 cm.

圖3　矯直器結(jié)構(gòu)

圖4　矯直前后對(duì)比

3.2　曲率的變化對(duì)矯直的影響

圓形條材的Cw-C0曲線圖與Cc-Cw曲線圖分別如圖5～6所示.根據(jù)材料原始曲率C0找到最小變形所需矯直曲率，由于各部位原始曲率不同，需最大的C0值矯直，同時(shí)將最小的C0值壓彎變成下一次矯直的對(duì)象即最大的C0值，逐步進(jìn)行，達(dá)到允許殘留彎曲時(shí)變完成矯直.

圖5　圓形條材的Cw-C0曲線Fig.5　Cw-C0 curve of round bar

圖6　圓形條材的Cc-Cw曲線Fig.6　Cc-Cw curve of round bar

該矯直材料的初始曲率為C0=±2，第一次反彎將其中-2矯直，+2在第二次反彎時(shí)矯直.兩次反彎所用Cw1=Cw2=1.63(由圖5曲線查知).此時(shí)殘留曲率Cc2=0.24(由圖6曲線查知)，則C03=Cc2=0.24.最終求得Cc6時(shí)可達(dá)到矯直要求(即反彎6次，輥數(shù)為9).

當(dāng)σt為材料彈性極限(σt取330 MPa)；E為材料的彈性模量(E取69 GPa)；H為斷面直徑0.35 mm.此時(shí)殘留曲率為Ac6=AtCc6=2σt/EH*0.01，可得到曲率為Ac6為0.000 27 mm，相應(yīng)的曲率半徑為pc6=4 982 mm，直線度約為0.01 mm/20 mm，輥數(shù)為9的平行輥矯直器時(shí)，采用逐步減小彎曲曲率的方法可滿(mǎn)足加工要求.

4　結(jié) 論

1) 根據(jù)矯直原理，分析輥式矯直中彎曲曲率的不同變化，得出殘留曲率與彎曲曲率隨著矯直次數(shù)的增加將逐漸減小，當(dāng)材料殘留曲率滿(mǎn)足加工精度要求時(shí)，此時(shí)矯直次數(shù)合理，可實(shí)現(xiàn)材料的矯直.

2) 試驗(yàn)中矯直斷面直徑為0.35 mm的鋁絲，利用平行輥式矯直中逐步減小彎曲曲率的方法，當(dāng)輥數(shù)為9，矯直輥直徑為15 mm，輥距為17 mm，下壓量依次調(diào)節(jié)為2.5 mm，2.2 mm，1.7 mm，1.0 mm，可進(jìn)行有效矯直，滿(mǎn)足對(duì)材料損害較小且連續(xù)矯直的要求.

3) 在微細(xì)鋁絲的矯直過(guò)程中，若在結(jié)果檢測(cè)環(huán)節(jié)使用在線檢測(cè)功能，則可針對(duì)出絲結(jié)果殘留曲率的狀態(tài)對(duì)下壓量進(jìn)行及時(shí)調(diào)節(jié)，可以提高矯直精度，減小矯直后直線度范圍.

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