彈塑性變形在合金芯線包裝過(guò)程中的分析控制

石志君

(黑龍江省冶金研究所，哈爾濱150040)

隨著后工業(yè)化時(shí)代的到來(lái)，人們對(duì)各種具有特殊性能的鋼材需求量越來(lái)越大。在特殊鋼的冶煉生產(chǎn)中，喂線(絲)過(guò)程對(duì)調(diào)節(jié)鋼液成份起著重要的作用。其中，喂線(絲)過(guò)程中所用的線(絲)即為合金芯線。

包芯機(jī)是生產(chǎn)合金芯線的主要設(shè)備，它由生產(chǎn)合金芯線的主機(jī)和完成包裝的收排線機(jī)兩部分組成。收排線機(jī)將主機(jī)生產(chǎn)出來(lái)呈直線狀態(tài)的合金芯線，通過(guò)卷曲、排線、捆扎形成芯線卷，以達(dá)到節(jié)省空間，便于運(yùn)輸?shù)哪康摹?/p>

其中，卷曲過(guò)程以交流力矩電機(jī)為動(dòng)力，由減速機(jī)傳動(dòng)帶動(dòng)卷筒的旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)芯線的卷曲。排線過(guò)程以普通交流電機(jī)為動(dòng)力，通過(guò)鏈傳動(dòng)，附加變頻調(diào)速及傳感器等信號(hào)控制，實(shí)現(xiàn)排線機(jī)構(gòu)的往復(fù)運(yùn)動(dòng)完成芯線的排布。捆扎過(guò)程則主要分為捆扎與斷線兩個(gè)環(huán)節(jié)。

當(dāng)完成捆扎進(jìn)行斷線時(shí)，在斷線瞬間整個(gè)收排線機(jī)會(huì)出現(xiàn)明顯的振動(dòng)。另外，對(duì)于捆扎完的芯線卷，由于捆扎力控制的差異會(huì)造成部分芯線卷線頭回旋，存在一定的安全隱患，并且影響了芯線卷的外觀。究其原因是，沒(méi)有控制好卷曲過(guò)程中芯線的彈塑性變形。

1 卷曲過(guò)程芯線的形變受力分析

卷曲過(guò)程其執(zhí)行機(jī)構(gòu)為卷筒，由卷曲收排線示意圖(圖1)及局部放大縱切面變形示意圖(圖2)可知，在收排線卷曲階段，包芯線在外力矩作用下，其外表面受拉力，產(chǎn)生拉伸變形，而其內(nèi)表面受壓，產(chǎn)生壓縮變形。由于內(nèi)外表面受力及變形情況的差異，最終使得包芯線在卷曲階段發(fā)生了彎曲變形。

由生產(chǎn)實(shí)踐可知，卷曲過(guò)程對(duì)芯線造成的彎曲變形影響，隨著外載荷的消失，合金芯線會(huì)產(chǎn)生一定的回復(fù)形變，但這種回復(fù)形變量相對(duì)較小，并不能使合金芯線完全恢復(fù)成原有的直線狀態(tài)，所以該過(guò)程使芯線發(fā)生了明顯的彈塑性變形。因合金芯線外表面受拉、內(nèi)表面受壓，其形變過(guò)程遵循材料的拉伸－壓縮應(yīng)力、應(yīng)變規(guī)律。

圖1 收排線機(jī)收排線示意圖

圖2 局部放大縱切面變形示意圖

根據(jù)材料應(yīng)力－應(yīng)變曲線圖(圖3)，并結(jié)合芯線生產(chǎn)過(guò)程中，捆扎時(shí)芯線的機(jī)械性能表現(xiàn)可知，芯線在卷曲階段受外力矩作用發(fā)生的形變，其狀態(tài)處于圖中d點(diǎn)的位置。當(dāng)捆扎斷線卸載時(shí)，儲(chǔ)存在芯線卷中的彈性勢(shì)能被部分釋放，伴隨著整個(gè)收排線機(jī)的振動(dòng)，芯線的形變產(chǎn)生一定的回復(fù)量(g－g’)。由于捆扎力的作用，剩余的彈性勢(shì)能仍被儲(chǔ)存在芯線卷中，當(dāng)捆扎力不足，芯線間的摩擦力不足以約束芯線上的回復(fù)力時(shí)，芯線頭就會(huì)產(chǎn)生回旋，并最終維持在d’的形變狀態(tài)。由此可見，芯線未達(dá)到要求的形變量g，是導(dǎo)致斷線后產(chǎn)生諸多不利現(xiàn)象的根本原因。

2 控制利用材料的彈塑性變形

圖3 材料應(yīng)力－應(yīng)變曲線

由圖3可知，材料在強(qiáng)化階段時(shí)，都同時(shí)存在著彈塑性變形，即加載時(shí)形變?cè)龃?，卸載時(shí)具有一定的回復(fù)量，并最終維持在恒定的形變狀態(tài)下。根據(jù)這一原理，可先將芯線做過(guò)載處理，即使芯線處于h點(diǎn)狀態(tài)，然后去掉外載荷，經(jīng)過(guò)回復(fù)后芯線的形變量恒定為h’。通過(guò)調(diào)整加載形變狀態(tài)，使h’=g，即可保證芯線卸載時(shí)，其回復(fù)形變正好與要求形變一致。

由于收排線機(jī)采用力矩電機(jī)作為動(dòng)力，可保證輸出應(yīng)力可調(diào)并定量輸出。所以只需保證有足夠的應(yīng)變，即可滿足上述分析狀態(tài)。在實(shí)際應(yīng)用中，可在主機(jī)之后，收排線機(jī)之前，放置一個(gè)預(yù)變形卷筒，為使芯線產(chǎn)生足夠的形變，該預(yù)變形卷筒的直徑RP必須小于收排線機(jī)卷筒直徑RR，即RP＜RR。

假設(shè)芯線發(fā)生彎曲時(shí)，其形變均勻，即其形變中性層與幾何中心層重合，由圖2可知，發(fā)生形變的芯線曲率半徑為ρ，則ρ=R+r。當(dāng)發(fā)生角度大小為θ的形變時(shí)，其中性層弧長(zhǎng)為S，其外表面的弧長(zhǎng)為S1。根據(jù)角度與弧長(zhǎng)的關(guān)系可知:

根據(jù)伸長(zhǎng)率公式可知:

將等式(1)、(2)帶入等式(3)，則

因?yàn)榘緳C(jī)生產(chǎn)的芯線，其半徑r多為定值(r=6.5～7mm)。根據(jù)等式(4)可知，δ由R決定，R越小，δ越大。因?yàn)镽P＜RR，所以當(dāng)R=RP時(shí)，δ取最大值，即:

由于芯線外表多采用厚度為0.35mm～0.5mm的普通鋼帶，其材質(zhì)多為Q235，其延展率為20%～26%。在芯線的形變時(shí)，需滿足:

才可保證芯線不因鋼帶拉伸破裂而失效，根據(jù)等式(5)、(6)可知RP＞4r。

3 結(jié)論

通過(guò)分析合金芯線的彈塑性變形特性，可以更好的對(duì)其加以控制利用。由于增加了預(yù)變形卷筒，并保證預(yù)變形卷筒半徑RP∈(4r，RR)為某一值時(shí)，可令芯線在收排線過(guò)程中，提高芯線卷外觀平整度，消除斷線時(shí)收排線機(jī)體的振動(dòng)。

［1］鄒家祥.軋鋼機(jī)械.北京:冶金工業(yè)出版社，2007.8

［2］劉鴻文.材料力學(xué)Ⅰ.北京:高等教育出版社，2004.1