基于DEFORM 3D的雙旋轉(zhuǎn)轂式矯直機(jī)數(shù)值模擬研究

秦野秋，孫東明，王立錚

(昆明理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，云南 昆明 650500)

0 引 言

導(dǎo)電棒在電解過(guò)程中起導(dǎo)線及承載作用，使用彎曲的導(dǎo)電棒，導(dǎo)電棒與電解槽的接觸方式會(huì)由線接觸變?yōu)辄c(diǎn)接觸，對(duì)電解效率產(chǎn)生很大的影響。彎曲的導(dǎo)電棒在電解槽上排布后，會(huì)造成陰極板和陽(yáng)極板之間的距離不均勻甚至?xí)斐啥搪?，?duì)車間的電路以及工人的安全問(wèn)題會(huì)造成嚴(yán)重的影響，所以導(dǎo)電棒再次使用前必須進(jìn)行矯直。轉(zhuǎn)轂式斜輥矯直機(jī)是一種新型的矯直裝置，相對(duì)一般的矯直機(jī)，轉(zhuǎn)轂的直徑更大，使轉(zhuǎn)轂內(nèi)輥?zhàn)訃鴮?dǎo)電棒旋轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生離心力，此離心力有時(shí)比矯直力還要大，對(duì)矯直機(jī)的輥軸、軸承、壓緊螺栓會(huì)造成沖擊[1]。Rudolf Bruhl等[2]通過(guò)研究旋轉(zhuǎn)矯直機(jī)實(shí)現(xiàn)了對(duì)線材的矯直,對(duì)線材性能受矯直工藝的影響情況進(jìn)行了主要分析，發(fā)現(xiàn)矯直后的被矯件強(qiáng)度明顯降低、延伸率增大并且抗拉強(qiáng)度下降大約5%左右。東北大學(xué)的崔甫教授完成了國(guó)內(nèi)首本有關(guān)矯直理論的書籍,并且研制出了矯直F200復(fù)合轉(zhuǎn)轂式高精度棒材矯直機(jī)[3]。西安重型機(jī)械研究所設(shè)計(jì)、國(guó)營(yíng)江山機(jī)器廠制造的型號(hào)GGJ高精度銅管矯直機(jī),其矯直精度已超過(guò)了美國(guó)AETNA公司所保證的0.3的直線度,達(dá)到了0.08～0.25[4]。

本研究利用有限元分析軟件Deform 3D進(jìn)行模擬仿真，以矯直過(guò)程中導(dǎo)電棒的等效應(yīng)力分布和矯后導(dǎo)電棒平直度為分析依據(jù)，分別研究轉(zhuǎn)轂的旋向、拉料速度差對(duì)矯直效果的影響。

1 Deform 3D有限元模型的建立

轉(zhuǎn)轂式矯直機(jī)，最主要的是它可以通過(guò)旋轉(zhuǎn)反彎矯直使存在多方向彎曲的棒材達(dá)到理想的平直度；在矯直效率上，它比壓力矯直機(jī)提高了很多。轉(zhuǎn)轂式矯直機(jī)主要是通過(guò)轉(zhuǎn)轂內(nèi)的矯直工具使其繞工件旋轉(zhuǎn)，從而使工件在前進(jìn)過(guò)程中矯直。

本研究所采用的矯直機(jī)為雙向旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)轂式矯直機(jī)，是將滾動(dòng)模轉(zhuǎn)轂式矯直機(jī)內(nèi)的孔模換成斜輥，并且在轉(zhuǎn)轂內(nèi)按照傾斜交錯(cuò)的方式來(lái)布置，同時(shí)讓斜輥的轉(zhuǎn)向相反，就可以轉(zhuǎn)化為雙向旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)轂式矯直機(jī)。雙向旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)轂式矯直機(jī)的工作原理主要是通過(guò)讓圓材在夾送輥的作用下通過(guò)兩個(gè)轉(zhuǎn)向相反的轉(zhuǎn)轂從而來(lái)達(dá)到矯直。

雙向旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)轂式矯直機(jī)的工作原理圖如圖1所示。

圖1 雙向旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)轂式矯直機(jī)工作原理圖1—送料輥；2—皮帶輪；3，4—轉(zhuǎn)轂；5—皮帶輪；6—出料輥；7—工件

1.1 矯直速度的計(jì)算選取

矯直速度是指在矯直過(guò)程中導(dǎo)電棒在矯直機(jī)內(nèi)的前進(jìn)速度，矯直速度過(guò)快會(huì)影響矯直質(zhì)量和矯直工作的穩(wěn)定性，矯直速度過(guò)慢則會(huì)影響矯直效率，設(shè)定合理的矯直速度對(duì)矯直精度和效率有很大的影響。在轉(zhuǎn)轂式矯直機(jī)中，送料輥的作用為實(shí)現(xiàn)定、咬入、初矯，出料輥的作用為實(shí)現(xiàn)定心和導(dǎo)出，則其他的斜輥?zhàn)饔弥饕鞘姑總€(gè)截面可以獲得足夠的塑性變形和矯直所需的反彎變形。在單位時(shí)間內(nèi)導(dǎo)電棒可以達(dá)到的最長(zhǎng)塑性變形區(qū)為(I-2)Jdn/(2×60)，則矯直速度的最大值為：

(1)

式中：Jd—等曲率塑性變形區(qū)長(zhǎng)度；n—轉(zhuǎn)轂轉(zhuǎn)速；I—斜輥的數(shù)量。

在實(shí)際矯直過(guò)程中，為了保證進(jìn)給導(dǎo)程和等效塑性區(qū)長(zhǎng)度之間的關(guān)系t

(2)

式中：k—影響系數(shù)，k=3；p—輥距。

矯直速度是影響矯直質(zhì)量的重要因素，在矯直輥數(shù)和等曲率塑性變形區(qū)確定的情況下，矯直速度的直接影響因素為轉(zhuǎn)轂轉(zhuǎn)速。

常見轉(zhuǎn)轂轉(zhuǎn)速如表1所示。

表1 常見轉(zhuǎn)轂轉(zhuǎn)速

表1給出的轉(zhuǎn)轂速度可以作為設(shè)計(jì)參考。在I和Jd都確定的情況下，要想提高矯直速度，則必須提高轉(zhuǎn)轂轉(zhuǎn)速，但不能盲目提高轉(zhuǎn)轂轉(zhuǎn)速，必須考慮到矯直機(jī)的結(jié)構(gòu)和尺寸以及運(yùn)轉(zhuǎn)是否會(huì)發(fā)生偏心。根據(jù)表1所提供的轉(zhuǎn)轂轉(zhuǎn)速，可以結(jié)合公式(2)得到，導(dǎo)電棒的直徑為36 mm，矯直工具為斜輥，則轉(zhuǎn)轂的轉(zhuǎn)速小于350v/r·min-1，將轉(zhuǎn)速值帶入公式(2)，可以得到在矯直過(guò)程中的最大值為150 m/min。根據(jù)工廠實(shí)際情況，初定的矯直速度為30 m/min。

1.2 雙旋轉(zhuǎn)轂式矯直機(jī)模型簡(jiǎn)化

利用DEFORM 3D軟件分析電鎳導(dǎo)電棒的矯直過(guò)程，主要為了研究導(dǎo)電棒在矯直過(guò)程中的應(yīng)力應(yīng)變變化情況，則需對(duì)雙旋轉(zhuǎn)轂式矯直機(jī)進(jìn)行模型簡(jiǎn)化。本研究在矯直過(guò)程中以導(dǎo)電棒為研究對(duì)象，與導(dǎo)電棒接觸的矯直機(jī)零部件對(duì)導(dǎo)電棒進(jìn)行矯直作用，所以在簡(jiǎn)化模型中需要設(shè)置送料輥、斜輥、出料輥，然后根據(jù)設(shè)計(jì)的矯直參數(shù)對(duì)導(dǎo)電棒、斜輥、送料-出料輥進(jìn)行位置固定。因?yàn)镈EFORM不能建立三維的幾何模型，則通過(guò)SolidWorks建立三維模型，并按照矯直參數(shù)裝配在一起，然后轉(zhuǎn)化為STL格式導(dǎo)入DEFORM軟件中。雙旋轉(zhuǎn)轂式矯直機(jī)的簡(jiǎn)化模型如圖2所示。

圖2 雙旋轉(zhuǎn)轂式矯直機(jī)簡(jiǎn)化模型

為了達(dá)到與實(shí)際情況盡可能接近，實(shí)際矯直過(guò)程中導(dǎo)電棒是人為送進(jìn)矯直機(jī)，則在簡(jiǎn)化模型布置中需要讓電鎳導(dǎo)電棒與送料輥有一段接觸，從而實(shí)現(xiàn)預(yù)作用。為了讓導(dǎo)電棒在矯直前后效果有明顯對(duì)比，現(xiàn)統(tǒng)一設(shè)置矯前導(dǎo)電棒平直度為15 mm/m。

1.3 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分的方法基本分為兩種：第一種為映射法(結(jié)構(gòu)化方法)，首先將需要?jiǎng)澐志W(wǎng)格的區(qū)域分解成為比較規(guī)則的子域，例如四邊形或者三角形，然后在每個(gè)子域上算出各邊的節(jié)點(diǎn)數(shù)量，依次生成與子域形狀相似的單元。這種方法較為復(fù)雜，且網(wǎng)格質(zhì)量不高。第二種方法為非結(jié)構(gòu)化的方法，可以自動(dòng)生成各個(gè)位置的網(wǎng)格，適用范圍比較廣。一般采用第二種。網(wǎng)格劃分的越細(xì)，計(jì)算的結(jié)果越精確，計(jì)算所需要的時(shí)間也越長(zhǎng)[5-6]。

本研究根據(jù)導(dǎo)電棒的性質(zhì)對(duì)其進(jìn)行劃分網(wǎng)格，將Number of Elements設(shè)置為150 000，即將導(dǎo)電棒劃分為150 000個(gè)單元進(jìn)行分散計(jì)算，同將Size Ratio設(shè)置為0.05，即將導(dǎo)電棒中容易發(fā)生嚴(yán)重彎曲的部位進(jìn)行局部細(xì)化，網(wǎng)格比調(diào)整為0.05。

1.4 摩擦與接觸設(shè)置

本研究中主要涉及到的接觸關(guān)系有導(dǎo)電棒和8個(gè)平輥的接觸，導(dǎo)電棒與4個(gè)斜輥的接觸，總共12個(gè)接觸關(guān)系。DEFORM系統(tǒng)提供的接觸關(guān)系主要有3中，分別為剪摩擦(Shear)、庫(kù)倫摩擦(Coulomb)、混合摩擦(Hybrid)[7]。本研究所定義的導(dǎo)電棒與平輥之間的摩擦、導(dǎo)電棒與斜輥之間的摩擦均為剪摩擦，但是導(dǎo)電棒與平輥之間的接觸和導(dǎo)電棒與斜輥之間的接觸面積、方式不同，根據(jù)材料屬性和相關(guān)文獻(xiàn)，設(shè)置導(dǎo)電棒與平輥之間的摩擦系數(shù)為0.12，導(dǎo)電棒與斜輥之間的摩擦系數(shù)為0.05[8]。

2 模擬結(jié)果分析

2.1 轉(zhuǎn)轂轉(zhuǎn)向?qū)ΤC直效果的影響

本研究設(shè)立2組轉(zhuǎn)轂轉(zhuǎn)向不同的矯直模型，第一組是兩個(gè)轉(zhuǎn)轂轉(zhuǎn)向相同(統(tǒng)一將轉(zhuǎn)轂轉(zhuǎn)向設(shè)置為正)，第二組為兩個(gè)轉(zhuǎn)轂轉(zhuǎn)向相反(第一對(duì)轉(zhuǎn)轂轉(zhuǎn)向設(shè)置為正，第二組轉(zhuǎn)轂轉(zhuǎn)向設(shè)置為負(fù))，其余參數(shù)均設(shè)置相同。

本研究在相同條件下對(duì)單旋轉(zhuǎn)轂式矯直機(jī)和雙旋轉(zhuǎn)轂式矯直機(jī)進(jìn)行了導(dǎo)電棒矯直模擬仿真，仿真過(guò)程中如圖3、圖4所示。

圖3 單旋轉(zhuǎn)轂式矯直導(dǎo)電棒應(yīng)力分布情況

圖4 雙旋轉(zhuǎn)轂式矯直導(dǎo)電棒應(yīng)力分布情況

本研究選取導(dǎo)電棒剛好經(jīng)過(guò)兩個(gè)轉(zhuǎn)轂的節(jié)點(diǎn)來(lái)分析。單旋轉(zhuǎn)轂式矯直機(jī)在此時(shí)刻受到的最小應(yīng)力為0.009 39 MPa，受到的最大應(yīng)力為484 MPa，面對(duì)小變形的彎曲，導(dǎo)電棒并未受到合適的應(yīng)力。而雙旋轉(zhuǎn)轂式矯直機(jī)在同一時(shí)刻所受到的最小應(yīng)力為20.2 MPa，受到的最大應(yīng)力為524 MPa，在應(yīng)力分布圖中可以明顯看到，導(dǎo)電棒受到了比較明顯的應(yīng)力變化。在以上兩圖中，可以輕易發(fā)現(xiàn)，雙旋轉(zhuǎn)轂式矯直機(jī)在矯直過(guò)程中使導(dǎo)電棒受到了比較均勻的應(yīng)力變化，并且較為全面的對(duì)導(dǎo)電棒進(jìn)行了應(yīng)力覆蓋。

為了更方便地對(duì)導(dǎo)電棒的矯后平直度進(jìn)行分析，現(xiàn)在本研究平均地在導(dǎo)電棒上標(biāo)識(shí)10個(gè)點(diǎn)，先獲得這10個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)，從而用線性回歸法獲得線性回歸圖得到矯后導(dǎo)電棒的平直度。兩種不同轉(zhuǎn)轂轉(zhuǎn)向分布的線性回歸圖如圖5、圖6所示。

圖5 單旋轉(zhuǎn)轂式矯直導(dǎo)電棒節(jié)點(diǎn)分布圖

圖6 雙旋轉(zhuǎn)轂式矯直導(dǎo)電棒節(jié)點(diǎn)分布圖

根據(jù)圖5、圖6，按比例的原則可以計(jì)算出單旋轉(zhuǎn)轂式矯直機(jī)和雙旋轉(zhuǎn)轂式矯直機(jī)下導(dǎo)電棒矯后的平直度，計(jì)算結(jié)果如下：

單旋：A1=5.89 mm/1.363 m=4.32 mm/m；

雙旋：A2=3.54 mm/1.358 m=2.60 mm/m。

從上面結(jié)果可知：兩種不同旋向的矯直機(jī)相比，雙旋轉(zhuǎn)轂式矯直機(jī)比單旋轉(zhuǎn)轂式矯直機(jī)在矯直小變形彎曲方面有更好的效果。

2.2 拉料速度差對(duì)矯直效果的影響

送料速度指的是導(dǎo)電棒在矯直過(guò)程中，夾緊輥(送料輥)以多大的速度將導(dǎo)電棒送入轉(zhuǎn)轂內(nèi)[9]。拉料速度指的是導(dǎo)電棒在經(jīng)過(guò)矯直后即將走出轉(zhuǎn)轂時(shí)，夾緊輥(拉料輥)以多大的速度將導(dǎo)電棒拉出轉(zhuǎn)轂。在設(shè)定轉(zhuǎn)轂轉(zhuǎn)向、轉(zhuǎn)速等其余參數(shù)不變的情況下，本研究設(shè)置送料-拉料速度差來(lái)進(jìn)行矯直過(guò)程的模擬仿真，從而分析拉料速度差對(duì)矯直效果所產(chǎn)生的影響。

本研究分別設(shè)置2組不同的拉料速度來(lái)進(jìn)行導(dǎo)電棒的矯直模擬仿真，2組參數(shù)分別設(shè)置為：①拉料速度=送料速度=30 m/min。②送料速度=30 m/min，拉料速度=32 m/min。經(jīng)過(guò)有限元模擬分析，在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(guò)程中沒有出現(xiàn)導(dǎo)電棒失真變形或其他情況，這兩組在矯直過(guò)程中的應(yīng)力分布情況如圖7、圖8所示。

圖7 第一組拉料速度差矯直導(dǎo)電棒應(yīng)力分布情況

圖8 第二組拉料速度差矯直導(dǎo)電棒應(yīng)力分布情況

當(dāng)送料速度等于拉料速度時(shí)矯直機(jī)在此時(shí)刻受到的最小應(yīng)力為0.982 MPa，受到的最大應(yīng)力為345 MPa。而當(dāng)拉料速度大于送料速度時(shí)，且在同一時(shí)刻所受到的最小應(yīng)力為1.254 MPa，受到的最大應(yīng)力為425 MPa，在應(yīng)力分布圖中可以明顯看到，導(dǎo)電棒均受到了比較明顯的應(yīng)力變化。在以上兩圖中，不難發(fā)現(xiàn)，當(dāng)拉料速度大于送料速度時(shí)，導(dǎo)電棒內(nèi)部所受的力更加均勻，并且應(yīng)力集中在拉料輥和送料輥之間，使這段導(dǎo)電棒產(chǎn)生了一定的張力。

為了更方便地對(duì)導(dǎo)電棒的矯后平直度進(jìn)行分析，現(xiàn)在本研究平均的在導(dǎo)電棒上標(biāo)識(shí)10個(gè)點(diǎn)，先獲得這10個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)，從而用線性回歸法獲得線性回歸圖得到矯后導(dǎo)電棒的平直度。兩組不同拉料速度差矯后導(dǎo)電棒的線性回歸圖如圖9、圖10所示。

圖9 第一組拉料速度差矯直導(dǎo)電棒節(jié)點(diǎn)分布圖

圖10 第二組拉料速度差矯直導(dǎo)電棒節(jié)點(diǎn)分布圖

根據(jù)圖9、圖10，按比例的原則可以計(jì)算出按兩種拉料速度差設(shè)置的導(dǎo)電棒矯后的平直度，計(jì)算結(jié)果如下：

A1=3.54 mm/1.358m=2.607 mm/m；

A2=3.31 mm/1.356m=2.441 mm/m。

從上面結(jié)果可知：

此兩組速度設(shè)置，即拉料速度等于送料速度和拉料速度大于送料速度對(duì)矯直效果的影響并不是很明顯。兩種速度差設(shè)置的模擬結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，雖然當(dāng)拉料速度大于送料速度時(shí)，矯直效果沒有明顯的改善，但是觀察導(dǎo)電棒的內(nèi)部應(yīng)力可以發(fā)現(xiàn)，拉料速度大于送料速度時(shí)，導(dǎo)電棒內(nèi)部產(chǎn)生一定的張力，更有利于提高導(dǎo)電棒的矯直效果。

3 結(jié)束語(yǔ)

本研究以規(guī)格為φ36×3×1 350的電鎳導(dǎo)電棒為

研究對(duì)象，通過(guò)Deform 3D軟件建立了雙旋轉(zhuǎn)轂式矯直機(jī)的有限元模型，分別對(duì)轉(zhuǎn)轂旋向和拉送料速度差這兩個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行了有限元分析。

研究結(jié)果表明：當(dāng)轉(zhuǎn)轂旋向?yàn)殡p旋時(shí)，矯后導(dǎo)電棒的平直度可達(dá)到2.60 mm/m，效果比單旋的好；拉送料速度差設(shè)置為送料速度小于拉料速度時(shí)，矯后平直度為2.441 mm/m，且在導(dǎo)電棒內(nèi)部產(chǎn)生張力，對(duì)小變形彎曲矯直效果好。其次，雙旋轉(zhuǎn)轂式矯直機(jī)在矯直過(guò)程中導(dǎo)電棒的應(yīng)力分布和矯后平直度方面都比單旋轉(zhuǎn)轂式矯直有更好的效果，說(shuō)明雙旋轉(zhuǎn)轂式在接觸軌跡和應(yīng)力分散等方面相比于單旋轉(zhuǎn)轂式都有了很大的改善。

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