雙旋轉轂式矯直機的參數研究及數值模擬

張保華 翟富兵

（①新疆有色集團明苑置業管理有限公司 烏魯木齊 830000②新疆新鑫礦業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的小間距彎曲，即導電棒兩端的盲區，來進行數值模擬分析，通過對雙旋轉轂式矯直機調整轉轂的轉向和送料-出料差，從而來分析導電棒在矯直過程中的應力、應變分布，并對矯完的導電棒進行矯后平直度及表面熱分布，以此得出合理的矯直參數。

1 雙旋轉轂式矯直機的有限元模型建立

有限元分析方法依靠其物理概念清晰、數學邏輯嚴謹、能夠處理各種復雜問題而被廣泛應用[1]。有限元分析法的基本思路是把結構整體劃分為有限個小單元，從而以小單元內的節點力和位移作為未知量來求解。

1.1 雙旋轉轂式矯直機模型簡化

利用DEFORM-3D軟件分析電鎳導電棒的矯直過程，主要為了研究導電棒在矯直過程中的應力應變變化情況。在明確目標之后對雙旋轉轂式矯直機進行模型簡化。本文中要矯直的導電棒的規格為Φ 36×3×1350，在矯直過程中以導電棒為研究對象，與導電棒接觸的矯直機零部件對導電棒進行矯直作用，所以在簡化模型中需要設置送料輥、斜輥、出料輥，然后根據設計的矯直參數對導電棒、斜輥、送料-出料輥進行位置固定。因為DEFORM不能建立三維的幾何模型，則通過SolidWorks建立三維模型，并按照矯直參數裝配在一起，然后轉化為STL格式導入DEFORM軟件中。在查閱大量資料并進行計算后，將矯直機的矯直速度定為30m/min；由導電棒的直徑為36mm，則在本文中近似取輥距P=380mm；而輥形中各參數為輥腰段S=4t、輥腹段S=t、輥胸段S=2t，輥子的實際長度為L=6t+2R，且t為兩端矯直輥與導電棒的接觸區長度，R為導電棒的半徑。

圖1雙旋轉轂式矯直機簡化模型

圖1 所示即為雙旋轉轂式矯直機的簡化模型。為了達到與實際情況盡可能接近，實際矯直過程中導電棒是人為送進矯直機，則在簡化模型布置中需要讓電鎳導電棒與送料輥有一段接觸，從而實現預作用。為了讓導電棒在矯直前后效果有明顯對比，現統一設置矯前導電棒平直度為15mm/m。

1.2 雙旋轉轂式矯直機模型處理

1.2.1 材料設置及網格劃分

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

同時，對導電棒進行網格劃分時，將導電棒劃分為150000個單元進行分散計算。將導電棒中容易發生嚴重彎曲的部位進行局部細化，網格比調整為0.05。

1.2.2 運動及體積補償設置

DEFORM中模型的運動控制主要分為兩部分：一個為直線運動設置，另一個為旋轉運動設置。導電棒在矯直的過程中是沒有初速度的，完全靠輥子的作用來移動，所以不對導電棒施加任何運動設置。8個平輥分別施加相同的角速度，且圍繞自身中心自轉。4個斜輥兩兩成對安裝在兩個不同的轉轂上被施加相反的角速度，使其圍繞導電棒進行公轉。

在運動設置完成后，需要對材料進行補償設置。一般而言極限應變率的值是平均應變率。極限應變率對仿真計算影響較大，如果極限應變率設置的過大會造成求解精度下降，設置的過小會使收斂困難。

1.2.3 摩擦與接觸設置

本文主要研究的是導電棒在輥子的作用下彎曲變形的過程，在彎曲過程中涉及到導電棒與輥子的接觸、作用、分離，并且接觸問題的設置也關系到整個仿真的真實性和成功率，是一個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系有導電棒和8個平輥的接觸，導電棒與4個斜輥的接觸，總共12個接觸關系。DEFORM系統提供的接觸關系主要有3種，分別為剪摩擦、庫倫摩擦、混合摩擦，本文所定義的導電棒與平輥和斜輥之間的摩擦均為剪摩擦，但是導電棒與平輥之間的接觸和導電棒與斜輥之間的接觸面積、方式不同，則設置導電棒與平輥和斜輥之間的摩擦系數也不同。表1為體積補償與摩擦系數的參數設置。

表1 主要參數設置

2 模擬結果與分析

2.1 轉轂轉向對矯直效果的影響

本文所研究的轉轂式矯直機除了在結構上有所改變外，最主要的調整是采用兩個轉轂結構，即可以保證兩組斜輥的旋轉方向不同，使導電棒經過有效矯直區時，接觸面積增大，接觸軌跡不重合，從而對導電棒的小變形彎曲起到很好的矯直效果。所以下面將對轉轂的轉向進行重點分析，在其余結構參數和工藝參數確定的情況下，對單旋式轉轂矯直過程和雙旋式轉轂矯直過程進行模擬仿真，單獨分析轉向對矯直效果的影響，在對比矯后導電棒的平直度的前提下，確定轉向對矯直效果的影響作用。

設立兩組轉轂轉向不同的矯直模型，第一組是兩個轉轂轉向相同（統一將轉轂轉向設置為正），第二組為兩個轉轂轉向相反（第一對轉轂轉向設置為正，第二組轉轂轉向設置為負），其余參數均設置相同。經過有限元模擬分析，兩組導電棒按設定參數均可以正常完成矯直工作，且在矯直過程中沒有出現導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

當把兩個轉轂的轉向設置為相同時，即可等同于傳統的轉轂式矯直機，根據仿真模擬結果來分析轉轂的轉向對矯直過程的應力分布情況以及矯后導電棒的平直度變化。

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

圖3 單旋轉轂式矯直導電棒應力分布情況

圖4 雙旋轉轂式矯直導電棒應力分布情況

為了更方便的對導電棒的矯后平直度進行分析，現在平均的在導電棒上標識10個點，先獲得這10個點的坐標，從而用線性回歸法獲得線性回歸圖得到矯后導電棒的平直度。兩種不同轉轂轉向分布的線性回歸圖5、圖6。

圖5 單旋轉轂式矯直導電棒節點分布圖

圖6 雙旋轉轂式矯直導電棒節點分布圖

圖7 導電棒測量數據示意圖

導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，直線度的計算公式如下：

根據圖5、圖6按比例的原則可以計算出單旋轉轂式矯直機和雙旋轉轂式矯直機下導電棒矯后的平直度，計算結果如下：

單旋：Δ=5.89mm/1.363m=4.32mm/m

雙旋：Δ=3.54mm/1.358m=2.60mm/m

由結果可知：兩種不同旋向的矯直機相比，雙旋轉轂式矯直機比單旋轉轂式矯直機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

送料速度指的是導電棒在矯直過程中，夾緊輥（送料輥）以多大的速度將導電棒送入轉轂內。拉料速度指的是導電棒在經過矯直后即將走出轉轂時，夾緊輥（拉料輥）以多大的速度將導電棒拉出轉轂。需要注意的是夾緊輥的作用主要是將導電棒能夠送入和拉出轉轂并防止其發生轉動，所以在連續工作時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實現無級調節。拉料速度差不僅對矯直精度能夠產生影響，設置的恰當可以使工件在矯直區內形成一定的張力。所以很有必要對拉料速度差進行模擬研究。在設定轉轂轉向、轉速等其余參數不變的情況下，設置送料-拉料速度差來進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生的影響。

分別設置3組不同的拉料速度來進行導電棒的矯直模擬仿真，三組參數分別設置為：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。經過有限元模擬分析，后兩組導電棒按設定參數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導電棒失真變形或其他情況，這兩組完成的情況見圖8。

第一組當送料速度大于拉料速度時，導電棒在出料輥出發生了應力集中，導致導電棒在模擬過程中出現失穩情況，使導電棒出現嚴重的彎曲變形并接近報廢，則應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電棒矯直情況

但是當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，即在其余兩組設定的參數下，在矯直過程中哪組的矯直應力分布的最均勻以及在矯直完成后哪種的導電棒平直度最小。圖9、圖10為后兩組在矯直過程中的應力分布情況。

圖9 第二組拉料速度差矯直導電棒應力分布情況

圖10 第三組拉料速度差矯直導電棒應力分布情況

在相同條件下對三組參數進行了導電棒矯直模擬仿真，第一組發生了矯直失穩現象，其余兩組的仿真過程如圖9和圖10所示，選取導電棒完全經過送料輥的節點來分析。當送料速度等于拉料速度時矯直機在此時刻受到的最小應力為0.982MPa，受到的最大應力為345MPa。而當拉料速度大于送料速度時，且在同一時刻所受到的最小應力為1.254MPa，受到的最大應力為425MPa，在應力分布圖中可以明顯看到，導電棒均受到了比較明顯的應力變化。在以上兩圖中，我們不難發現，當拉料速度大于送料速度時，導電棒內部所受的力更加均勻，并且應力集中在拉料輥和送料輥之間，使這段導電棒產生了一定的張力。綜上所述：對雙旋轉轂式矯直機而言，當拉料速度小于送料速度時，在一定程度上會造成導電棒失穩甚至產生事故。當拉料速度大于送料速度時對導電棒的表面應力并沒有多大影響，但是會在導電棒內部產生一定的張力，有利于提高導電棒的矯直質量。

為了更方便的對導電棒的矯后平直度進行分析，現在平均的在導電棒上標識10個點，先獲得這10個點的坐標，從而用線性回歸法獲得線性回歸圖得到矯后導電棒的平直度。兩組不同拉料速度差矯后導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電棒節點分布圖

圖12 第三組拉料速度差矯直導電棒節點分布圖

根據圖11、圖12按比例的原則可以計算出按兩種拉料速度差設置的導電棒矯后的平直度，計算結果如下：

第二組：Δ=3.54mm/1.358m=2.607mm/m

第三組：Δ=3.31mm/1.356m=2.441mm/m

由以上結果可知：此兩組速度設置，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 結論

通過之前的仿真分析，得到了主要矯直參數轉轂轉向、拉料速度差對導電棒矯直質量的影響規律，對這些參數的研究為我們提高矯直質量提供了很大的依據。

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

⑵從兩種速度差設置的模擬結果可以發現，雖然當拉料速度大于送料速度時，矯直效果沒有明顯的改善，但是觀察導電棒的內部應力可以發現，拉料速度大于送料速度時，導電棒內部產生一定的張力，更有利于提高導電棒的矯直效果。

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