張保華 翟富兵

（①新疆有色集團(tuán)明苑置業(yè)管理有限公司 烏魯木齊 830000②新疆新鑫礦業(yè)股份有限公司阜康冶煉廠 阜康 831500）

本文主要針對在矯直過程中出現(xiàn)的小間距彎曲，即導(dǎo)電棒兩端的盲區(qū)，來進(jìn)行數(shù)值模擬分析，通過對雙旋轉(zhuǎn)轂式矯直機(jī)調(diào)整轉(zhuǎn)轂的轉(zhuǎn)向和送料-出料差，從而來分析導(dǎo)電棒在矯直過程中的應(yīng)力、應(yīng)變分布，并對矯完的導(dǎo)電棒進(jìn)行矯后平直度及表面熱分布，以此得出合理的矯直參數(shù)。

1 雙旋轉(zhuǎn)轂式矯直機(jī)的有限元模型建立

有限元分析方法依靠其物理概念清晰、數(shù)學(xué)邏輯嚴(yán)謹(jǐn)、能夠處理各種復(fù)雜問題而被廣泛應(yīng)用[1]。有限元分析法的基本思路是把結(jié)構(gòu)整體劃分為有限個(gè)小單元，從而以小單元內(nèi)的節(jié)點(diǎn)力和位移作為未知量來求解。

1.1 雙旋轉(zhuǎn)轂式矯直機(jī)模型簡化

利用DEFORM-3D軟件分析電鎳導(dǎo)電棒的矯直過程，主要為了研究導(dǎo)電棒在矯直過程中的應(yīng)力應(yīng)變變化情況。在明確目標(biāo)之后對雙旋轉(zhuǎn)轂式矯直機(jī)進(jìn)行模型簡化。本文中要矯直的導(dǎo)電棒的規(guī)格為Φ 36×3×1350，在矯直過程中以導(dǎo)電棒為研究對象，與導(dǎo)電棒接觸的矯直機(jī)零部件對導(dǎo)電棒進(jìn)行矯直作用，所以在簡化模型中需要設(shè)置送料輥、斜輥、出料輥，然后根據(jù)設(shè)計(jì)的矯直參數(shù)對導(dǎo)電棒、斜輥、送料-出料輥進(jìn)行位置固定。因?yàn)镈EFORM不能建立三維的幾何模型，則通過SolidWorks建立三維模型，并按照矯直參數(shù)裝配在一起，然后轉(zhuǎn)化為STL格式導(dǎo)入DEFORM軟件中。在查閱大量資料并進(jìn)行計(jì)算后，將矯直機(jī)的矯直速度定為30m/min；由導(dǎo)電棒的直徑為36mm，則在本文中近似取輥距P=380mm；而輥形中各參數(shù)為輥腰段S=4t、輥腹段S=t、輥胸段S=2t，輥?zhàn)拥膶?shí)際長度為L=6t+2R，且t為兩端矯直輥與導(dǎo)電棒的接觸區(qū)長度，R為導(dǎo)電棒的半徑。

圖1雙旋轉(zhuǎn)轂式矯直機(jī)簡化模型

圖1 所示即為雙旋轉(zhuǎn)轂式矯直機(jī)的簡化模型。為了達(dá)到與實(shí)際情況盡可能接近，實(shí)際矯直過程中導(dǎo)電棒是人為送進(jìn)矯直機(jī)，則在簡化模型布置中需要讓電鎳導(dǎo)電棒與送料輥有一段接觸，從而實(shí)現(xiàn)預(yù)作用。為了讓導(dǎo)電棒在矯直前后效果有明顯對比，現(xiàn)統(tǒng)一設(shè)置矯前導(dǎo)電棒平直度為15mm/m。

1.2 雙旋轉(zhuǎn)轂式矯直機(jī)模型處理

1.2.1 材料設(shè)置及網(wǎng)格劃分

在導(dǎo)電棒矯直的過程中，送料輥、斜輥、出料輥在其中的作用是矯直工具，不對其應(yīng)力和應(yīng)變進(jìn)行分析，則可以把出料輥、斜輥、送料輥設(shè)置為剛性材料，把研究對象-導(dǎo)電棒設(shè)置為塑性材料，溫度設(shè)置為常溫，材料設(shè)置為銅。

同時(shí)，對導(dǎo)電棒進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，將導(dǎo)電棒劃分為150000個(gè)單元進(jìn)行分散計(jì)算。將導(dǎo)電棒中容易發(fā)生嚴(yán)重彎曲的部位進(jìn)行局部細(xì)化，網(wǎng)格比調(diào)整為0.05。

1.2.2 運(yùn)動及體積補(bǔ)償設(shè)置

DEFORM中模型的運(yùn)動控制主要分為兩部分：一個(gè)為直線運(yùn)動設(shè)置，另一個(gè)為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動設(shè)置。導(dǎo)電棒在矯直的過程中是沒有初速度的，完全靠輥?zhàn)拥淖饔脕硪苿?，所以不對?dǎo)電棒施加任何運(yùn)動設(shè)置。8個(gè)平輥分別施加相同的角速度，且圍繞自身中心自轉(zhuǎn)。4個(gè)斜輥兩兩成對安裝在兩個(gè)不同的轉(zhuǎn)轂上被施加相反的角速度，使其圍繞導(dǎo)電棒進(jìn)行公轉(zhuǎn)。

在運(yùn)動設(shè)置完成后，需要對材料進(jìn)行補(bǔ)償設(shè)置。一般而言極限應(yīng)變率的值是平均應(yīng)變率。極限應(yīng)變率對仿真計(jì)算影響較大，如果極限應(yīng)變率設(shè)置的過大會造成求解精度下降，設(shè)置的過小會使收斂困難。

1.2.3 摩擦與接觸設(shè)置

本文主要研究的是導(dǎo)電棒在輥?zhàn)拥淖饔孟聫澢冃蔚倪^程，在彎曲過程中涉及到導(dǎo)電棒與輥?zhàn)拥慕佑|、作用、分離，并且接觸問題的設(shè)置也關(guān)系到整個(gè)仿真的真實(shí)性和成功率，是一個(gè)比較難解決的非線性問題[8]。

在本文中主要涉及到的接觸關(guān)系有導(dǎo)電棒和8個(gè)平輥的接觸，導(dǎo)電棒與4個(gè)斜輥的接觸，總共12個(gè)接觸關(guān)系。DEFORM系統(tǒng)提供的接觸關(guān)系主要有3種，分別為剪摩擦、庫倫摩擦、混合摩擦，本文所定義的導(dǎo)電棒與平輥和斜輥之間的摩擦均為剪摩擦，但是導(dǎo)電棒與平輥之間的接觸和導(dǎo)電棒與斜輥之間的接觸面積、方式不同，則設(shè)置導(dǎo)電棒與平輥和斜輥之間的摩擦系數(shù)也不同。表1為體積補(bǔ)償與摩擦系數(shù)的參數(shù)設(shè)置。

表1 主要參數(shù)設(shè)置

2 模擬結(jié)果與分析

2.1 轉(zhuǎn)轂轉(zhuǎn)向?qū)ΤC直效果的影響

本文所研究的轉(zhuǎn)轂式矯直機(jī)除了在結(jié)構(gòu)上有所改變外，最主要的調(diào)整是采用兩個(gè)轉(zhuǎn)轂結(jié)構(gòu)，即可以保證兩組斜輥的旋轉(zhuǎn)方向不同，使導(dǎo)電棒經(jīng)過有效矯直區(qū)時(shí)，接觸面積增大，接觸軌跡不重合，從而對導(dǎo)電棒的小變形彎曲起到很好的矯直效果。所以下面將對轉(zhuǎn)轂的轉(zhuǎn)向進(jìn)行重點(diǎn)分析，在其余結(jié)構(gòu)參數(shù)和工藝參數(shù)確定的情況下，對單旋式轉(zhuǎn)轂矯直過程和雙旋式轉(zhuǎn)轂矯直過程進(jìn)行模擬仿真，單獨(dú)分析轉(zhuǎn)向?qū)ΤC直效果的影響，在對比矯后導(dǎo)電棒的平直度的前提下，確定轉(zhuǎn)向?qū)ΤC直效果的影響作用。

設(shè)立兩組轉(zhuǎn)轂轉(zhuǎn)向不同的矯直模型，第一組是兩個(gè)轉(zhuǎn)轂轉(zhuǎn)向相同（統(tǒng)一將轉(zhuǎn)轂轉(zhuǎn)向設(shè)置為正），第二組為兩個(gè)轉(zhuǎn)轂轉(zhuǎn)向相反（第一對轉(zhuǎn)轂轉(zhuǎn)向設(shè)置為正，第二組轉(zhuǎn)轂轉(zhuǎn)向設(shè)置為負(fù)），其余參數(shù)均設(shè)置相同。經(jīng)過有限元模擬分析，兩組導(dǎo)電棒按設(shè)定參數(shù)均可以正常完成矯直工作，且在矯直過程中沒有出現(xiàn)導(dǎo)電棒失真變形或其他情況，兩組完成的情況見圖2。

圖2 矯直完成情況

當(dāng)把兩個(gè)轉(zhuǎn)轂的轉(zhuǎn)向設(shè)置為相同時(shí)，即可等同于傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)轂式矯直機(jī)，根據(jù)仿真模擬結(jié)果來分析轉(zhuǎn)轂的轉(zhuǎn)向?qū)ΤC直過程的應(yīng)力分布情況以及矯后導(dǎo)電棒的平直度變化。

在相同條件下對單旋轉(zhuǎn)轂式矯直機(jī)和雙旋轉(zhuǎn)轂式矯直機(jī)進(jìn)行了導(dǎo)電棒矯直模擬仿真，仿真過程中如圖3和圖4所示，選取導(dǎo)電棒剛好經(jīng)過兩個(gè)轉(zhuǎn)轂的節(jié)點(diǎn)來分析。單旋轉(zhuǎn)轂式矯直機(jī)在此時(shí)刻受到的最小應(yīng)力為0.00939MPa，受到的最大應(yīng)力為484MPa，面對小變形的彎曲，導(dǎo)電棒并未受到合適的應(yīng)力。而雙旋轉(zhuǎn)轂式矯直機(jī)在同一時(shí)刻所受到的最小應(yīng)力為20.2MPa，受到的最大應(yīng)力為524MPa，在應(yīng)力分布圖中可以明顯看到，導(dǎo)電棒受到了比較明顯的應(yīng)力變化。在圖3、圖4中，我們可以發(fā)現(xiàn)，雙旋轉(zhuǎn)轂式矯直機(jī)在矯直過程中使導(dǎo)電棒受到了比較均勻的應(yīng)力變化，并且較為全面的對導(dǎo)電棒進(jìn)行了應(yīng)力覆蓋。綜上所述：雙旋轉(zhuǎn)轂式矯直機(jī)在矯直力分布以及接觸面積上較單旋轉(zhuǎn)轂式矯直機(jī)有很大的提高。

圖3 單旋轉(zhuǎn)轂式矯直導(dǎo)電棒應(yīng)力分布情況

圖4 雙旋轉(zhuǎn)轂式矯直導(dǎo)電棒應(yīng)力分布情況

為了更方便的對導(dǎo)電棒的矯后平直度進(jìn)行分析，現(xiàn)在平均的在導(dǎo)電棒上標(biāo)識10個(gè)點(diǎn)，先獲得這10個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)，從而用線性回歸法獲得線性回歸圖得到矯后導(dǎo)電棒的平直度。兩種不同轉(zhuǎn)轂轉(zhuǎn)向分布的線性回歸圖5、圖6。

圖5 單旋轉(zhuǎn)轂式矯直導(dǎo)電棒節(jié)點(diǎn)分布圖

圖6 雙旋轉(zhuǎn)轂式矯直導(dǎo)電棒節(jié)點(diǎn)分布圖

圖7 導(dǎo)電棒測量數(shù)據(jù)示意圖

導(dǎo)電棒的近似彎曲如圖7所示，其平直度與弦長L和撓度h有關(guān)，直線度的計(jì)算公式如下：

根據(jù)圖5、圖6按比例的原則可以計(jì)算出單旋轉(zhuǎn)轂式矯直機(jī)和雙旋轉(zhuǎn)轂式矯直機(jī)下導(dǎo)電棒矯后的平直度，計(jì)算結(jié)果如下：

單旋：Δ=5.89mm/1.363m=4.32mm/m

雙旋：Δ=3.54mm/1.358m=2.60mm/m

由結(jié)果可知：兩種不同旋向的矯直機(jī)相比，雙旋轉(zhuǎn)轂式矯直機(jī)比單旋轉(zhuǎn)轂式矯直機(jī)在矯直小變形彎曲方面有更好的效果。

2.2 拉料速度差對矯直效果的影響

送料速度指的是導(dǎo)電棒在矯直過程中，夾緊輥（送料輥）以多大的速度將導(dǎo)電棒送入轉(zhuǎn)轂內(nèi)。拉料速度指的是導(dǎo)電棒在經(jīng)過矯直后即將走出轉(zhuǎn)轂時(shí)，夾緊輥（拉料輥）以多大的速度將導(dǎo)電棒拉出轉(zhuǎn)轂。需要注意的是夾緊輥的作用主要是將導(dǎo)電棒能夠送入和拉出轉(zhuǎn)轂并防止其發(fā)生轉(zhuǎn)動，所以在連續(xù)工作時(shí)不需要很大的拉送力和夾緊力，并且送料速度和拉料速度必須能夠?qū)崿F(xiàn)無級調(diào)節(jié)。拉料速度差不僅對矯直精度能夠產(chǎn)生影響，設(shè)置的恰當(dāng)可以使工件在矯直區(qū)內(nèi)形成一定的張力。所以很有必要對拉料速度差進(jìn)行模擬研究。在設(shè)定轉(zhuǎn)轂轉(zhuǎn)向、轉(zhuǎn)速等其余參數(shù)不變的情況下，設(shè)置送料-拉料速度差來進(jìn)行矯直過程的模擬仿真，從而分析拉料速度差對矯直效果所產(chǎn)生的影響。

分別設(shè)置3組不同的拉料速度來進(jìn)行導(dǎo)電棒的矯直模擬仿真，三組參數(shù)分別設(shè)置為：⑴送料速度=32m/min，拉料速度=30m/min；⑵拉料速度=送料速度=30m/min。⑶送料速度=30m/min，拉料速度=32m/min。經(jīng)過有限元模擬分析，后兩組導(dǎo)電棒按設(shè)定參數(shù)均可以正常完成矯直工作，即送料速度等于拉料速度、送料速度小于拉料速度的情況，且在矯直過程中沒有出現(xiàn)導(dǎo)電棒失真變形或其他情況，這兩組完成的情況見圖8。

第一組當(dāng)送料速度大于拉料速度時(shí)，導(dǎo)電棒在出料輥出發(fā)生了應(yīng)力集中，導(dǎo)致導(dǎo)電棒在模擬過程中出現(xiàn)失穩(wěn)情況，使導(dǎo)電棒出現(xiàn)嚴(yán)重的彎曲變形并接近報(bào)廢，則應(yīng)力分布和直線度不予討論，情況見圖8。

圖8 第一組拉料速度差導(dǎo)電棒矯直情況

但是當(dāng)送料速度等于或小于拉料速度對矯直效果的情況并不清楚，即在其余兩組設(shè)定的參數(shù)下，在矯直過程中哪組的矯直應(yīng)力分布的最均勻以及在矯直完成后哪種的導(dǎo)電棒平直度最小。圖9、圖10為后兩組在矯直過程中的應(yīng)力分布情況。

圖9 第二組拉料速度差矯直導(dǎo)電棒應(yīng)力分布情況

圖10 第三組拉料速度差矯直導(dǎo)電棒應(yīng)力分布情況

在相同條件下對三組參數(shù)進(jìn)行了導(dǎo)電棒矯直模擬仿真，第一組發(fā)生了矯直失穩(wěn)現(xiàn)象，其余兩組的仿真過程如圖9和圖10所示，選取導(dǎo)電棒完全經(jīng)過送料輥的節(jié)點(diǎn)來分析。當(dāng)送料速度等于拉料速度時(shí)矯直機(jī)在此時(shí)刻受到的最小應(yīng)力為0.982MPa，受到的最大應(yīng)力為345MPa。而當(dāng)拉料速度大于送料速度時(shí)，且在同一時(shí)刻所受到的最小應(yīng)力為1.254MPa，受到的最大應(yīng)力為425MPa，在應(yīng)力分布圖中可以明顯看到，導(dǎo)電棒均受到了比較明顯的應(yīng)力變化。在以上兩圖中，我們不難發(fā)現(xiàn)，當(dāng)拉料速度大于送料速度時(shí)，導(dǎo)電棒內(nèi)部所受的力更加均勻，并且應(yīng)力集中在拉料輥和送料輥之間，使這段導(dǎo)電棒產(chǎn)生了一定的張力。綜上所述：對雙旋轉(zhuǎn)轂式矯直機(jī)而言，當(dāng)拉料速度小于送料速度時(shí)，在一定程度上會造成導(dǎo)電棒失穩(wěn)甚至產(chǎn)生事故。當(dāng)拉料速度大于送料速度時(shí)對導(dǎo)電棒的表面應(yīng)力并沒有多大影響，但是會在導(dǎo)電棒內(nèi)部產(chǎn)生一定的張力，有利于提高導(dǎo)電棒的矯直質(zhì)量。

為了更方便的對導(dǎo)電棒的矯后平直度進(jìn)行分析，現(xiàn)在平均的在導(dǎo)電棒上標(biāo)識10個(gè)點(diǎn)，先獲得這10個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)，從而用線性回歸法獲得線性回歸圖得到矯后導(dǎo)電棒的平直度。兩組不同拉料速度差矯后導(dǎo)電棒的線性回歸見圖11、圖12。

圖11 第二組拉料速度差矯直導(dǎo)電棒節(jié)點(diǎn)分布圖

圖12 第三組拉料速度差矯直導(dǎo)電棒節(jié)點(diǎn)分布圖

根據(jù)圖11、圖12按比例的原則可以計(jì)算出按兩種拉料速度差設(shè)置的導(dǎo)電棒矯后的平直度，計(jì)算結(jié)果如下：

第二組：Δ=3.54mm/1.358m=2.607mm/m

第三組：Δ=3.31mm/1.356m=2.441mm/m

由以上結(jié)果可知：此兩組速度設(shè)置，即拉料速度等于送料速度和拉料速度大于送料速度對矯直效果的影響并不是很明顯。

3 結(jié)論

通過之前的仿真分析，得到了主要矯直參數(shù)轉(zhuǎn)轂轉(zhuǎn)向、拉料速度差對導(dǎo)電棒矯直質(zhì)量的影響規(guī)律，對這些參數(shù)的研究為我們提高矯直質(zhì)量提供了很大的依據(jù)。

⑴從兩種矯直方式的模擬結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，雙旋轉(zhuǎn)轂式矯直在矯直的應(yīng)力分布方面和導(dǎo)電棒的矯后平直度方面都比單旋轉(zhuǎn)轂式矯直有更好的效果，說明雙旋轉(zhuǎn)轂式在接觸軌跡和應(yīng)力分散等方面相比于單旋轉(zhuǎn)轂式都有了很大的改善。

⑵從兩種速度差設(shè)置的模擬結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，雖然當(dāng)拉料速度大于送料速度時(shí)，矯直效果沒有明顯的改善，但是觀察導(dǎo)電棒的內(nèi)部應(yīng)力可以發(fā)現(xiàn)，拉料速度大于送料速度時(shí)，導(dǎo)電棒內(nèi)部產(chǎn)生一定的張力，更有利于提高導(dǎo)電棒的矯直效果。

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