帶材拉矯過程中張力和彎曲對延伸率的影響程度分析

傅玉勇

(重慶賽迪冶煉裝備系統(tǒng)集成工程技術(shù)研究中心有限公司 重慶401122)

帶材拉矯過程中張力和彎曲對延伸率的影響程度分析

傅玉勇①

(重慶賽迪冶煉裝備系統(tǒng)集成工程技術(shù)研究中心有限公司 重慶401122)

張力、彎曲半徑(壓下量)和延伸率是帶材拉矯時的主要工藝參數(shù)，張力和彎曲的增加都有利于延伸率的增加，但張力和彎曲對延伸率的貢獻(xiàn)率是有差異的。基于冷軋生產(chǎn)工藝參數(shù)，定量分析了兩種材料模型的帶材分別在最大張力和最大彎曲曲率條件下對延伸率的貢獻(xiàn)率，結(jié)果表明彎曲對延伸率的貢獻(xiàn)率最大可達(dá)77%～98%，最低也可達(dá)53%，而張力對延伸率的貢獻(xiàn)率最大則為8%～47%，最低約為2%，由此說明，帶材在拉矯過程中，彎曲對延伸率的影響起主要作用，而張力所起作用相對有限。

拉矯機 延伸率 張力 彎曲 貢獻(xiàn)率

1 前言

拉矯機廣泛應(yīng)用于鋼鐵行業(yè)后處理機組中，是帶鋼板形改善的關(guān)鍵設(shè)備。張力、彎曲半徑和延伸率是帶材拉矯時的三個主要工藝參數(shù)，而帶材所獲延伸率大小與所受張力和彎曲半徑密切相關(guān)，但張力和彎曲對延伸率的貢獻(xiàn)率是有差異的。本文基于理想彈塑性材料和線性強化材料對帶材在拉矯過程中張力和彎曲對延伸率的影響程度進(jìn)行了分析和對比。

2 帶材拉矯過程的力學(xué)分析[1][2]

2.1 分析假設(shè)

1)帶材拉矯過程進(jìn)行如下假設(shè)：

(1)平面假設(shè)；

(2)變形為平面應(yīng)變狀態(tài)；

(3)帶材厚度方向的應(yīng)力為0；

(4)拉伸過程中張力保持不變；

(5)材料為各向同性。

2)理想彈塑性材料和線性強化材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖1所示。

圖1 應(yīng)力應(yīng)變曲線

2.2 理想彈塑性帶材拉彎變形分析

圖2 拉矯時理想彈塑性帶材的5種應(yīng)力分布形式

如圖2所示，拉矯時理想彈塑性帶材可能出現(xiàn)的5種應(yīng)力應(yīng)變分布狀態(tài)。在實際生產(chǎn)中，帶材通過拉矯機彎曲輥時，通常處于(E)型應(yīng)力分布狀態(tài)[2]，即雙側(cè)彈塑性狀態(tài)，則在單個彎曲輥上帶材拉矯時中間層的變形—即延伸率εc可由下式表示：

(1)

中性層偏移量A為：

(2)

其中：

(3)

(4)

從(3)中可以看出，帶材拉矯時，在其延伸率保持不變的情況下，張力與彎曲半徑成正比關(guān)系，即張力增加時，彎曲半徑必然增加，并且延伸率εc的大小與帶材厚度h無關(guān)。

A—帶材中性層相對幾何中間層的絕對偏移量。

2.3 線性強化帶材拉彎變形分析

同樣，如圖3所示，拉矯時線性強化帶材可能出現(xiàn)的5種應(yīng)力應(yīng)變分布狀態(tài)。同樣在實際生產(chǎn)中，帶材通過拉矯機彎曲輥時，通常也處于雙側(cè)彈塑性的(E)型應(yīng)力分布狀態(tài)[2]，則在單個彎曲輥上帶材拉矯時中間層的延伸率可由下式表示：

(5)

同樣，中性層偏移量A為：

(6)

其中：

式中 λ—強化系數(shù)； E1—強化模量。

(7)

(8)

從(7)中可以看出，線性強化帶材拉矯時，其延伸率保持不變的情況下，張力與彎曲半徑近似成正比關(guān)系。

表達(dá)式(7)、(8)中其它數(shù)學(xué)符號的意義同前。

圖3 拉矯時線性強化帶材的5種應(yīng)力分布形式

2.4 計算結(jié)果及分析

1)帶材在拉矯過程中獲得的延伸率是拉應(yīng)力和彎曲應(yīng)力聯(lián)合作用的結(jié)果，它們對延伸率的影響不是簡單的代數(shù)疊加，而是一個綜合作用效果，要精確分析二者對延伸率的影響程度是困難的。現(xiàn)有的拉矯理論中[2][3]，分析帶材通過一個彎曲

輥時，沿厚度方向的變形都假設(shè)為線性變化，因此采用線性分解的方式來近似分析張力和彎曲對延伸率的影響是可行的。在分析二者對延伸率的影響時，按如下思路進(jìn)行：給定延伸率不變，再選定最小彎曲半徑，根據(jù)材料特性和拉矯相關(guān)理論獲得對應(yīng)的最小張力，再根據(jù)張力計算值可得相應(yīng)的拉應(yīng)力和拉應(yīng)變，由給定延伸率減去拉應(yīng)變，即可獲得彎曲所引起的最大變形，通過調(diào)整彎曲半徑大小，使張力達(dá)到0.5σs，相應(yīng)得到張力最大時的拉應(yīng)變。

2)冷軋后處理機組中的拉矯機，一般為兩彎一矯型，所處理帶鋼厚度大部分在0.35mm～2mm，延伸率一般選取0.3%～2%，本文分析時，按上述范圍進(jìn)行分析。拉矯時的單位張力一般按(0.2～0.5)σs選取，即張力系數(shù)為0.2～0.5，本文分析時最大張力按張力系數(shù)0.5選取；通常后處理機組中拉矯機工作輥徑為φ30mm～φ40mm，本文選取R15mm作為最小彎曲半徑進(jìn)行計算。表1為線性強化帶材和理想彈塑性材料機械性能參數(shù)。

3)根據(jù)表2的單輥延伸率計算值，并結(jié)合公式(3)、(4)、(7)和(8)分別對理想彈塑性材料和線性強化材料在拉矯時的張力和彎曲對延伸率的影響情況進(jìn)行分析。本文在分析過程，略去了具體計算過程，僅給出相關(guān)計算結(jié)果。

表1 材料機械性能參數(shù)

表2 單輥延伸率計算

表2為單個彎曲輥上的延伸率計算值。將總塑性延伸率均勻分配到到4個彎曲輥上，并加上彈性延伸率，從而得到單個彎曲輥上的延伸率。

4)表3為兩種材料模型的計算結(jié)果，在最大張力系數(shù)為0.5條件下，當(dāng)總延伸率為0.3%時，張力對延伸率的最大貢獻(xiàn)率約為33%～47%,而總延伸率為2%時，張力的最大貢獻(xiàn)率則約為8%～18%。從表3中可看出：

表3 最大張力時張力對延伸率的最大貢獻(xiàn)率

(1)在保持延伸率不變的條件下，對于相同屈服強度的材料，無論是理想彈塑性還是線性強化材料，張力對延伸率的最大貢獻(xiàn)率是一樣的，此時對應(yīng)的彎曲曲率最小，其對延伸率的貢獻(xiàn)率也相應(yīng)最小。

(2)隨著帶材屈服強度的增加，張力對延伸率的貢獻(xiàn)率逐步增加，且與帶材厚度無關(guān)。

(3)隨著設(shè)定延伸率的增加，張力對延伸率的貢獻(xiàn)率逐步減小。

5)表4為兩種材料模型在最小彎曲半徑R=15mm的條件下彎曲對延伸率的最大貢獻(xiàn)率結(jié)果，低強度帶材拉矯時，彎曲對延伸率的最大貢獻(xiàn)率可達(dá)90%～98%，高強度帶材則可達(dá)77%～96%。從表4可看出：

表4 最大彎曲曲率時彎曲對延伸率的最大貢獻(xiàn)率

(1)對任意一種帶材，無論對于線性強化帶材還是理想彈塑性帶材，在選定的延伸率范圍內(nèi)，彎曲對帶材延伸率的貢獻(xiàn)率是不變的，這是由于給定的彎曲半徑都保持不變的緣故。

(2)兩種材料模型在相同強度和厚度條件下，彎曲對帶材延伸率的貢獻(xiàn)率很接近，總體上，理想彈塑性帶材略大于線性強化帶材，這是由于線性強化帶材獲得相同的延伸率時，需要更大的拉力，因而拉伸的貢獻(xiàn)率提高了。

(3)對任意一種帶材，隨著帶材厚度的增加，彎曲對延伸率的貢獻(xiàn)率會明顯增加。

(4)隨著材料屈服強度的增加，彎曲對延伸率的貢獻(xiàn)率會逐步減小。

3 結(jié)語

根據(jù)冷軋后處理機組中的實際拉矯生產(chǎn)工藝參數(shù)，在極限條件下，基于兩種材料模型，對拉矯過程中張力和彎曲對帶材延伸率的影響程度進(jìn)行了分析比較，計算結(jié)果表明：在極限條件下，彎曲對延伸率的貢獻(xiàn)率最大可達(dá)77%～98%，最低也可達(dá)53%；同樣，張力對延伸率的貢獻(xiàn)率最大則為8%～47%，最低約為2%。由此說明，帶材在拉矯過程中，彎曲對延伸率的影響起主要作用，而張力所起作用相對有限。因此，在生產(chǎn)中選擇拉矯工藝參數(shù)時，在保證帶材板形要求的情況下，盡量增大彎曲對延伸率的作用，這樣可以減小施加在帶材上的張力，從而降低對機組張力設(shè)備的能力要求，減少投資。

[1]肖林.彈塑性線性強化帶鋼的拉彎矯直過程分析.重型機械，1997(4):47～58.

[2]肖林.金屬帶材連續(xù)拉伸彎曲矯直變形機理研究.北京科技大學(xué)博士學(xué)位論文，1999.

[3]崔甫.矯直原理與矯直機械.北京:冶金工業(yè)出版社，2007.

Tension and Curvature Effect for Strip Specific Elongation During Stretcher-bender Levelling

Fu Yuyong

(CISDI R&D Co., Ltd, Chongqing 401122)

This paper introduces that the tension and the curvature are different effects on strip specific elongation during stretcher-bender leveling, and analyzes quantitatively the max efficiency of the tension and the curvature effects for the specific elongation. The result indicates the curvature his main effect on the specific elongation that maximum. efficiency can be 77%～98% and minimum value can be 53%, and the tension just has less effect on the elongation that max. efficiency is about 8%～47% and its min. value is about 2%.

Stretcher-bender leveller Specific elongation Tension Curvature Efficiency

傅玉勇，男，1975年出生，畢業(yè)于重慶大學(xué)機電工程專業(yè)，碩士，工程師，主要從事冶金設(shè)備設(shè)計

TG333.23

A

10.3969/j.issn.1001-1269.2015.01.003

2014-09-23)