電鎳導電棒斜輥矯直機設計

童　切，孫東明，吳　瓊，金　巖

(1.昆明理工大學 機電工程學院，云南 昆明 650500；2.金川集團股份有限公司 鎳冶煉廠，甘肅 金昌 737100)

?

電鎳導電棒斜輥矯直機設計

童切1，孫東明1，吳瓊2，金巖2

(1.昆明理工大學 機電工程學院，云南 昆明 650500；2.金川集團股份有限公司 鎳冶煉廠，甘肅 金昌 737100)

摘要：根據(jù)矯直理論，確定了電鎳導電棒斜輥矯直機的相關參數(shù)，著重研究了斜輥矯直機的輥系和輥型。應用DEFORM軟件進行了有限元數(shù)值模擬分析，比較了矯直前、后導電棒的波浪度，確定了較優(yōu)壓下量為0.5 mm。根據(jù)試驗所得矯直效果(導電棒矯后波浪度均<1%)，驗證了設計的可靠性。

關鍵詞：導電棒；矯直；斜輥；DEFORM

由于鎳的導電性比銅弱，某企業(yè)在鎳的電解精煉過程中，采用紫銅圓管(尺寸為φ36 mm×3 mm×1 350 mm)作為導電棒，有效加強了與吊耳的接觸。但是，導電棒會因為長期使用或受外力作用而變彎扭曲，從而直接影響鎳的實際生產(chǎn)。過去依靠人工對其進行矯正，效率低，效果差，噪聲大，勞動強度也大，并且大量的導電棒由于變形嚴重而被報廢處理，造成了經(jīng)濟上的損失。

針對導電棒采用紫銅圓管，決定采用斜輥矯直機。斜輥與平行輥相比，能矯直各方位的縱向剖面彎曲，避免了因導電棒自轉而產(chǎn)生的螺旋形彎曲[1]。設計適用的矯直機，不僅可以減小勞動強度，實現(xiàn)生產(chǎn)自動化，而且能提高導電棒重復利用率，產(chǎn)生一定的經(jīng)濟效益。

1矯直機設計

實際生產(chǎn)過程中導電棒的彎曲往往集中在中間部位，而且有可能是多方位彎曲，因此， 本文采用六輥輥系(見圖1a)。六輥同時繞OO′軸旋轉，可以實現(xiàn)導電棒各方位的交錯壓彎，達到矯直的目的；另外，六輥輥系克服了傳統(tǒng)輥系各輥之間存在的速度差缺陷。與老式222輥系相比， 采用中間對輥交錯布置可以適當延長塑性變形區(qū)。由于鎳電解精煉過程中對導電棒的精度要求并不是特別高，而新式222輥系中間凸凹輥用力大，易產(chǎn)生過載壓彎現(xiàn)象，也不予采用。

圖1　斜輥矯直機輥系

當矯直機各輥處于圖1a所示的位置時，矯直力作用模型如圖1b所示；而當矯直機各輥旋轉180°時，矯直力作用模型如圖1c所示。其中，p為輥距，b為固端區(qū)長度，S為等彎矩區(qū)長度。以圖1c為例，矯直力計算公式如下：

本文研究的紫銅圓管尺寸較小，故采用小規(guī)格的矯直機就能滿足要求。導電棒與斜輥的關系模型如圖2所示。輥腰直徑Dg、輥長L、輥子斜角α、輥距p、矯直速度v和壓下量y為矯直機的基本參數(shù)，對矯直效果、能耗和結構尺寸等均有影響(由于橢圓度對導電棒影響較小，先不重點考慮壓扁量的作用)。

圖2　導電棒與斜輥的關系模型

輥腰直徑Dg≥(2～3)D(D是導電棒直徑)，輥子全長L=(1.5～2.5)Dg；輥子工作部分長度Lg=(0.8～0.9)L；輥距p=(1.5～2.5)L；壓下量y=(0.64～0.77)σtl2/6ED[2-3](σt是規(guī)定總延伸強度；l是矯直輥的支承距離l=2p；E是彈性模量)。

導電棒材料為紫銅，彈性模量E=125 GPa，規(guī)定總延伸強度σt=100 MPa，因此，取輥腰直徑Dg=2D=72 mm，輥長L=2Dg=144 mm，輥子工作部分長度Lg=0.85L=122.4 mm，輥距p=1.5L=216 mm，輥子斜角α=40°?？紤]到企業(yè)生產(chǎn)效率、矯直機工作穩(wěn)定性以及動載荷的影響，選取矯直速度v=1 000 mm/s。

在斜輥矯直機的設計中，矯直輥輥型曲線是重要參數(shù)，影響著矯直效果。合理的輥型能對導電棒具有良好的包裹性，實現(xiàn)近似的完全接觸，保證矯直過程中導電棒受力均勻、運轉穩(wěn)定。導電棒直徑D、輥腰直徑Dg和輥子斜角α決定了輥型曲線。當被矯件直徑發(fā)生變化時，通過調(diào)整輥子斜角α來實現(xiàn)更好的接觸。目前，國內(nèi)外學者對于輥型設計做了大量研究，其中，較為常見的一類設計思想是假設被矯件為理想的平直管材。另一種設計考慮了實際情況中被矯件存在彈塑性彎曲，這種設計方法得到的輥型更貼合實際，矯直效果更好；但是，過多依靠實踐經(jīng)驗，公式復雜，難以求證，在工程中運用較為困難[4]。考慮到該型矯直機壓彎量不大，決定采用基于理想條件下的解析法。趙炳利推導出的輥型計算公式為[5]：

(1)

式中，r0是管材半徑；c0=r0+R0；R0是輥腰半徑；ci=zitanα，zi是輥型曲線上某一點與矯直輥對稱中心的軸向距離，對應的矯直輥半徑為Ri。

式1經(jīng)過適當修正，得到輥型曲線坐標(見表1)。

表1　矯直輥輥型曲線坐標　(mm)

2數(shù)值模擬分析

由于紫銅沒有明顯的屈服平臺，存在加工硬化現(xiàn)象，故將導電棒視為理想的彈塑性材料。矯直輥相對導電棒剛度較大，將其視為理想的剛性材料。建模時，導電棒長度為1 350 mm，引入初始彎曲撓度為30 mm，即波浪度Δ=H/L×100%=30/1 350×100%=2.22%。按照上述結果設置矯直機參數(shù)，建立的模型如圖3所示，中間2輥分別引入0.5、0.75和1 mm等3種壓下量進行比較，其中，平行輥起到輸送和粗矯的作用。

圖3　有限元模型

以壓下量0.75 mm為例，斜輥對導電棒的咬入、穩(wěn)定矯直、拋出和矯后情況如圖4所示。從圖4可以看出，導電棒塑性變形主要發(fā)生在穩(wěn)定矯直階段，且變形區(qū)主要集中在導電棒中間部分，兩端存在矯直盲區(qū)，與實際相符，驗證了理論。通過對比導電棒矯前和矯后發(fā)現(xiàn)，彎曲程度得到明顯改善。

圖4　矯直各階段的等效應力圖和矯后效果圖

矯直后，橫向導電棒最上方均勻布置的10個節(jié)點的坐標如圖5所示。

圖5　不同壓下量時的節(jié)點坐標

根據(jù)波浪度Δ=(H/L)×100%=(L4/L1)×100%計算得到：當壓下量為0.5 mm時，Δ=0.093%；當壓下量為0.75 mm時，Δ=0.219%；當壓下量為1 mm時，Δ=0.239%；均滿足精度要求。其中當壓下量為0.5 mm時，矯直效果最好。

3實際矯直效果分析

通過矯直理論，設計出矯直機相關參數(shù)，再利用數(shù)值模擬分析，得到相對較優(yōu)壓下量；但工程實際情況相比理論更為復雜，能否在實際加工中獲得好的矯直質(zhì)量是設計的根本。在現(xiàn)有斜輥矯直機的基礎上，進行適當改造，使其符合設計要求。再對導電棒進行矯直試驗，對比分析矯直前、后的波浪度和表面壓痕、磨損，評估矯直效果，驗證設計是否可靠。

隨機抽取100根導電棒，分10組進行試驗。利用直尺和工作平臺測量導電棒矯直前、后的弦高H和弦長L，計算得到彎曲曲率ρ=8H/(L2+H2)和波浪度Δ=H/L×100%。各組矯直前、后彎曲曲率和波浪度均值如圖6所示。

從圖6可以看出，矯直前、后導電棒彎曲曲率和波浪度存在明顯變化，矯后波浪度均<1%，能夠滿足生產(chǎn)需求。矯后導電棒的橢圓度改變不大，表面壓痕、磨損等對實際生產(chǎn)也影響甚微，證明該設計是合理的。而試驗得到的波浪度較模擬仿真結果大，主要有兩方面原因：1)導電棒使用時間長，已不是理想材料，彈性發(fā)生變化；2)機器精密度、施工條件存在差異性，測量也有一定誤差[6]。

圖6　矯直前、后彎曲曲率和波浪度均值

4結語

根據(jù)上述分析，可以得到下述結論。

1)根據(jù)實際導電棒的彎曲特點和生產(chǎn)中對其精度的要求，采用了新式矯直機輥系。與以往輥系相比，克服了存在速度差等缺陷，更符合電鎳導電棒實際矯直需求，更貼合實際。

2)針對矯直該型導電棒所需壓下量較小的情況，基于理想條件設計了矯直輥輥型曲線。但在實際生產(chǎn)中，使用該方法得到的輥型曲線過彎，在進行適當修正后，能與導電棒更好接觸。

3)在有限元數(shù)值模擬分析中，使用理論設計參數(shù)設置矯直機。當壓下量為0.5 mm時，矯后波浪度為0.093%；當壓下量為0.75 mm時，矯后波浪度為0.219%；當壓下量為1 mm時，矯后波浪度為0.239%。壓下量為0.5 mm時的矯直效果相對更佳。

4)通過試驗樣機得到導電棒矯后波浪度均<1%，證明設計可靠。但試驗得到的波浪度比數(shù)值模擬的大，主要是因為導電棒長期使用，彈性降低以及試驗條件與理論存在差異。

參考文獻

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

[2] 李連進.六輥斜軋無縫鋼管矯直機的壓下量研究[J].鍛壓技術, 2008,33(5):82-84.

[3] 楊曉臻,趙志毅,孫林. 8mm厚高強鋼板矯直策略的模擬仿真研究[J].新技術新工藝, 2015(7): 106-109.

[4] 鄭煥平.大口徑鋼管斜輥矯直的工藝理論及數(shù)值仿真研究[D].秦皇島:燕山大學, 2011.

[5] 趙炳利,徐燕,于敏之.管材矯直機的輥形設計[J].一重技術,1996(1):39-41.

[6] 潘東亮.電銅導電棒矯直工藝參數(shù)研究及矯直效果分析[D].昆明:昆明理工大學, 2014.

責任編輯鄭練

Design of Cross-roller Straightening Machine for Electrolytic Nickel Conducting Bar

TONG Qie1, SUN Dongming1, WU Qiong2, JIN Yan2

(1.Faculty of Mechanical and Electrical Engineering, Kunming University of Science and Technology, Kunming

650500, China; 2.Nickel Smelter, Jinchuan Group Co., Ltd., Jinchang 737100, China)

Abstract：Based on the straightening theory, design the relevant parameters of cross-roller straightening machine for electrolytic nickel conducting bar. It focuses on the roller system and roller shape. Take finite element numerical simulation analysis by using DEFORM software, get the wave of conducting bar after straightening, then determine the optimal reduction. Finally, verify the reliability of the design according to the straightening effect from experiments.

Key words:conducting bar, straightening, cross-roller, DEFORM

收稿日期：2015-08-31

作者簡介：童切(1988-)，男，碩士研究生，主要從事機電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新等方面的研究。

中圖分類號：TG 333.2+3；TH 12

文獻標志碼:A