合金鋁管凹輥的單側(cè)滾光區(qū)的導(dǎo)程

   為了簡化模型，減低計算代價，不考慮矯直輥與前后導(dǎo)向裝置對于合金鋁管的變形，將矯直輥建立為剛體模型，合金鋁管建立為彈塑性體，考慮合金鋁管的強化特性。對于構(gòu)件之間的接觸處理，必須考慮矯直輥與合金鋁管之間的摩擦屬性，設(shè)置摩擦因數(shù)為０．４；導(dǎo)向裝置與合金鋁管之間摩擦可以忽略。通過對上下輥耦合參考點施加旋轉(zhuǎn)位移確定矯直輥運動方式，合金鋁管依靠與矯直輥的摩擦力旋轉(zhuǎn)前進，這樣更接近于真實情況。網(wǎng)格劃分是有限元分析的關(guān)鍵，通過反復(fù)試驗，本文選取Ｃ３Ｄ８Ｒ型減縮積分單元生成網(wǎng)格，該單元適用于金屬接觸問題分析。合金鋁管最終劃分３５０００個六面體單元，如圖１所示，單元總體尺寸為８ｍｍ，可以滿足精度要求。本文的研究對象是１００ｍｍ厚壁合金鋁管，材料為２０Ｃｒ，材料屈服強度為５４０ＭＰａ    矯直原理獨特，二輥矯直機是短圓材高精度矯直的關(guān)鍵設(shè)備。利用凸凹輥組合形成輥縫對圓材進行連續(xù)旋轉(zhuǎn)矯直，對圓材表面有一定的滾光作用，可以提高圓材表面質(zhì)量［１］。據(jù)某廠實際應(yīng)用輥型反映：凹輥對合金鋁管表面滾制所成２條螺旋滾光帶存在過度重合與間隙。２條螺旋滾光帶在有限元中表現(xiàn)為兩條塑性應(yīng)變值螺旋帶，因此本文以２條螺旋滾光帶的銜接狀況為評判輥型指標(biāo)，對矯直機凹輥結(jié)構(gòu)進行改進與優(yōu)化。１二輥矯直滾光模型建模關(guān)鍵因素分析二輥矯直有限元模型主要構(gòu)件包括矯直輥、合金鋁管與前后導(dǎo)向裝置。徑厚比為１０，合金鋁管建模長度為２０００ｍｍ。２凹輥滾光區(qū)分析設(shè)計２．１改進輥型結(jié)構(gòu)對傳統(tǒng)凹輥輥型結(jié)構(gòu)改進如圖２所示，改進凹輥輥型結(jié)構(gòu)由矯直區(qū)、滾光區(qū)、反向圓弧與輥端倒角組成，相對于傳統(tǒng)輥型增加了滾光區(qū)與反向圓?。遥磧啥谓Y(jié)構(gòu)［３－５］。

合金鋁管的導(dǎo)程。其取值如下：ｔ＝πｄｔａｎα＝３．１４×１５０×０．１７６≈８３．０５ｍｍｔ取值為８５ｍｍ。２．３凹輥滾光區(qū)長度計算凹輥與合金鋁管的接觸區(qū)域即為矯直輥的滾光區(qū)，本文參照文獻(xiàn)［１］與文獻(xiàn)［４］，凹輥滾光區(qū)設(shè)計為左右對稱且與矯直區(qū)平滑相接的直線。 ，Ｏ為凹輥幾何中心，建立坐標(biāo)系ＯＸＹＺ，Ｘ為凹輥旋轉(zhuǎn)軸線，ｏｘｙｚ為合金鋁管坐標(biāo)系，ｘ軸為合金鋁管旋轉(zhuǎn)前進軸線。Ｚ軸和ｚ軸重合，Ｘ軸和ｘ軸夾角為凹輥軸線與合金鋁管軸線工作夾角α。設(shè)ＨＢ為凹輥的單側(cè)滾光區(qū)，合金鋁管表面滾壓形成寬度為０．５ｔ的單側(cè)螺旋滾光帶ＡＢ，則ｏｅ＝ＡＢ＝０．５ｔ，且ｏｇ∥ＨＢ，兩者長度相等。ｏｆ即為ｏｇ在ｏｅ水平面內(nèi)投影，則ｆｅ⊥ｏｅ，且ｏｆ平行于凹輥軸線，∠ｆｏｅ＝α，α取值為１０°～１５°，則：２．２滾光原理分析圖３中合金鋁管兩側(cè)箭頭表示凹輥與合金鋁管接觸區(qū)域。合金鋁管自Ａ１側(cè)咬入，左側(cè)接觸區(qū)域滾制所成單側(cè)滾光帶（陰影部分）寬度為０．５ｔ，螺距為ｔ；合金鋁管旋轉(zhuǎn)前進至Ａ２位置，右側(cè)接觸區(qū)域?qū)辖痄X管表層滾制成右側(cè)螺旋滾光帶，寬度也為０．５ｔ，若左右兩側(cè)螺旋滾光帶剛好錯開且相互銜接為一體，不造成脫節(jié)或過度重合，則認(rèn)為凹輥對合金鋁管滾光效果較理想［６］。通過上述分析：合金鋁管兩側(cè)滾光帶起始位置之間應(yīng)相距（ｎ＋０．５）ｔ，其中ｎ為整數(shù)，要保證矯直精度，ｎ至少取值為６［１］，參照實際應(yīng)用輥型取ｎ＝７；ｔ為式中：Ｋ為系數(shù)，取值大于１。通過反復(fù)驗算，Ｋ取１．５較合適，即滾光區(qū)長度?。埃梗?。圖５為凹輥兩側(cè)滾光區(qū)起始位置示意圖，設(shè)Ｏ１與Ｏ２為合金鋁管表層兩側(cè)螺旋滾光帶的起始位置，則兩側(cè)滾光區(qū)起始間距應(yīng)為ＡＢ，ＡＢ＝Ｏ１Ｏ２∕ｃｏｓα。以直徑為１００ｍｍ合金鋁管為例，則ＡＢ＝Ｏ１Ｏ２／ｃｏｓ１５°＝７．７６４８ｔ。３仿真結(jié)果分析及輥型曲線修正３．１試算模型結(jié)果分析表１為試算模型凹輥輥型參數(shù)，直管沿其軸向路徑各節(jié)點的Ｘ和Ｚ坐標(biāo)的值是相等的因此可以用軸向節(jié)點的Ｘ、Ｚ坐標(biāo)值分析矯直質(zhì)量［７］。試算模型中軸向Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ４條路徑的坐標(biāo)值曲線如圖６（ａ）與（ｂ）所示，曲線的直線度很高，以Ｘ坐標(biāo)值為例，最大波動量為０．９００５ｍｍ，即１ｍ長度的合金鋁管在Ｘ方向殘余彎曲量為１ｍｍ以下，矯直精度已經(jīng)很高；圖６（ｃ）為合金鋁管軸向路徑Ａ、Ｃ的半徑變，路徑Ｃ的半徑值介于４８～４９ｍｍ之間，外徑介于５０～５１ｍｍ之間；圖６（ｄ）為垂直于軸向斷面矯直后斷面的內(nèi)外徑，外徑均勻分布于５０ｍｍ左右，內(nèi)徑均勻分布于４０ｍｍ左右，接近初始內(nèi)外徑值。綜合軸向半徑與斷面半徑的變化狀況，可知合金鋁管有輕微壓扁現(xiàn)象，但未發(fā)生明顯的縮徑［８－１０］。圖７為合金鋁管滾光過程，圖７（ｄ）中殘余塑性應(yīng)變值峰值接近０．０８左右，波谷值只有０．０２左右，相差過大。明顯看到２條螺旋滾光帶存在一定程度的重疊，重合帶之間存在滾光的間隙。圖８（ａ）為沿合金鋁管表層４條軸向路徑的殘余塑性應(yīng)變值，結(jié)合圖７可得出：試算模型中合金鋁管表層滾光帶銜接狀況不理想，由于矯直過程中管輥復(fù)雜的接觸情況等原因，合金鋁管的２條螺旋滾光帶發(fā)生了重疊，圖８中峰值與峰谷值相差０．０６左右，即２條滾光帶之間存在重疊與間隙。圖８（ｂ）為斷面沿深度方向的塑性應(yīng)變值分布，外壁周向塑性應(yīng)變值波動較大，為滾光帶重疊所致。