TA9管材十輥矯直過程仿真

王 昌 胡志鑫

（內(nèi)蒙古科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，包頭 014010）

鈦及鈦合金不僅具有熔點(diǎn)高、無磁性、熱膨脹系數(shù)低、比強(qiáng)度（材料的強(qiáng)度與其密度之比）和比剛度（材料的彈性模量與其密度的比值）高的綜合力學(xué)性能，還擁有耐腐性能好、耐生物侵蝕等許多優(yōu)異特性。TA9合金主要應(yīng)用于稀鹽酸、稀硫酸、稀磷酸環(huán)境，也廣泛用于鈦設(shè)備以防止縫隙腐蝕，如用作列管式換熱器和紡織的噴絲頭等部件。

1 矯直方法及矯直原理

1.1 斜輥矯直法

所謂斜輥矯直法，即上下兩個輥?zhàn)右砸欢ń嵌冉诲e分布，軋材從上下兩排相互交錯排列的輥?zhàn)又g通過時因受到多次反復(fù)彎曲而得到的對形狀缺陷的矯正，斜輥矯直機(jī)多用于管棒材的矯直。

1.2 矯直原理

矯直輥表面呈一定曲線形狀，并且與軋件成α角布置。在矯直輥的帶動下，軋件既轉(zhuǎn)動又軸向移動，作螺旋前進(jìn)運(yùn)動。軋件通過由交錯布置的矯直輥所構(gòu)成的幾個彈塑性彎曲矯直單元，各個斷面得到多次反彎，達(dá)到一定程度的矯直。同時，軋件在旋轉(zhuǎn)中得到不同方向的反彎，也就能夠矯直多方向的原始曲率。軋件通過矯直輥時，每轉(zhuǎn)半周彎曲一次，軋件容易得到多次彈塑性彎曲，所以一般斜輥矯直機(jī)的輥數(shù)不多，構(gòu)成l～3個彈塑性彎曲單元，就能達(dá)到所要求的矯直精度。對于管材，除沿長度方向上彎曲的曲率得到消除或減小外，斷面形狀也同時得到矯直[1]。

2 矯直參數(shù)的計(jì)算

2.1 輥?zhàn)拥妮佇卧O(shè)計(jì)

矯直機(jī)的輥?zhàn)硬糠纸Y(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，為了適應(yīng)有限元的模擬計(jì)算，根據(jù)矯直機(jī)輥?zhàn)颖旧淼奶攸c(diǎn)，對其進(jìn)行合理簡化，利用SOLIDWORKS建立矯直過程的三維模型，得出的矯直輥軸向的剖線方程如下：

式中，r0為管材半徑，mm；R0為矯直輥輥腰半徑，mm；c0為輥腰半徑與管材半徑之和，mm。

利用origin得出輥型曲線及輥?zhàn)幽Ｐ停鐖D1所示。

圖1 矯直輥輥形曲線及矯直輥模型

2.2 輥?zhàn)觾A角的選擇

輥?zhàn)觾A角的取值范圍為25°～43°。如果傾角過小，則會降低矯直速度，從而使生產(chǎn)效率下降；傾角過大，輥?zhàn)优c管材的接觸線長度過短，接觸應(yīng)力就會變大，越容易產(chǎn)生缺陷。隨著傾角的變大，管材旋轉(zhuǎn)一周前進(jìn)的導(dǎo)程也變大，彎曲矯直次數(shù)為彈塑性變形區(qū)長度就會減少，這會影響管材的最終矯直質(zhì)量[2-4]。綜合以上因素，筆者選取的輥?zhàn)咏嵌葹棣?30°。

2.3 輥長及輥距的選擇

其輥距為：

式中，L為輥?zhàn)尤L，L=Lg+2Rg；Rg是輥?zhàn)觾啥藞A角半徑。本文選用的管材直徑為7mm，故可得輥距為P=80mm。

2.4 矯直速度的選擇

矯直速度是一個影響產(chǎn)量的最直接的因素。但是，工件的轉(zhuǎn)速又要受到其原始的彎曲程度的限制。原始的彎曲過大，工件咬入后的甩擺嚴(yán)重，很容易損壞設(shè)備，甚至造成人員傷害。

本文中，速度v=0.36m/s，vg=0.5Dgωg，因Dg=7mm，故ωg=34.28rad/s。

3 有限元模型建立及矯直過程仿真

3.1 模型的建立

本文使用的薄壁細(xì)管模型長200mm，為了咬入的方便以及加快計(jì)算機(jī)的計(jì)算速度,將細(xì)管分為兩部分，即直管部分和彎管部分，設(shè)定為直管部分100mm，彎曲部分100mm，彎曲部分是通過螺旋線投影到基準(zhǔn)面上而建立的掃描路徑，彎管部分設(shè)計(jì)參照正余弦曲線，管材的原始軸線最大偏差為1.8mm。而管材在矯直過程中的變形都很復(fù)染，結(jié)合計(jì)算機(jī)的分析能力和網(wǎng)格的劃分情況，在建立十棍矯直過程的有限元模型時，必須進(jìn)行簡化為由五對上下對稱布置、呈一定傾斜角度的矯直輥，其模型如圖2所示。

圖2 十輥矯直機(jī)管材三維模型及輥?zhàn)尤S模型

3.2 矯直過程仿真

管材的整個矯直過程如圖3所示，管材在矯直開始階段，管材經(jīng)過外部作用進(jìn)入矯直輥中，矯直輥將管材咬住，此時通過等效應(yīng)力云圖可以看出，管材在咬入過程中，由于管材與矯直輥剛開始接觸產(chǎn)生了碰撞，管材受力不均勻，進(jìn)入矯直輥的端部局部發(fā)生了塑性變形，出現(xiàn)了應(yīng)力集中的現(xiàn)象，并且產(chǎn)生集中應(yīng)力的部位相對對稱，說明了管材很好地進(jìn)入矯直輥輥腔中。

管材經(jīng)過咬入階段，順利進(jìn)入矯直輥輥腔，由矯直輥與管材之間的摩擦力帶動管材前進(jìn)。此時，管材由咬入階段進(jìn)入穩(wěn)定矯直階段。管材的前部分矯直過程可以看出，管材與矯直輥進(jìn)行了良好的接觸，矯直輥系的第一對輥與第三對輥起到了很好的導(dǎo)向作用，使管材的矯直過程平穩(wěn)進(jìn)行，管材并未出現(xiàn)擺動、拋出等現(xiàn)象。在矯直過程中，輥?zhàn)优c管材之間接觸產(chǎn)生的最大壓力在420MPa以下，但大于400MPa，說明輥?zhàn)优c管材之間進(jìn)行接觸時，管材發(fā)生彈塑性變形，這符合管材矯直原理。

4 結(jié)論

根據(jù)斜輥矯直機(jī)矯直原理，本文所設(shè)計(jì)的矯直輥及各種參數(shù)符合矯直需求且可以很好地對管材進(jìn)行矯直。管材矯直過程是反復(fù)壓彎、壓扁，低速咬入、低速拋出，可使管材直線度保持在1.5mm以下。

圖3 管材矯直過程

[1]崔甫.矯直原理與矯直機(jī)械[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2002．

[2]薛艷杰.6+2復(fù)合管材矯直機(jī)輥型曲線設(shè)計(jì)及有限元仿真[D].秦皇島：燕山大學(xué)，2012：7.[3]A M 馬斯基列遜.管材矯直[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1978.

[4]連家創(chuàng).矯直理論與卷曲理論[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，

2011.