短鋼棒矯直機矯直輥系動力學分析

張卓 牛野

北方重工集團有限公司 遼寧沈陽 110141

隨著國內(nèi)刀具制造企業(yè)的轉(zhuǎn)型和產(chǎn)品工藝的改進和升級，矯直技術(shù)的改進在整個過程中變得越來越重要，特別是在一些短圓柱合金工具鋼的矯直中。目前，短圓柱合金工具鋼在刀具生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用，如鉆頭、鉸刀、圓柱銑刀等。國內(nèi)生產(chǎn)廠家大多采用長直桿材料或卷桿材料對短鋼條進行拉直，然后對拉直后的鋼條材料進行切割，使鋼條達到長度要求。該方法矯直的短鋼筋精度較低，不能滿足質(zhì)量要求，在剪切過程中容易失去原有的矯直精度。新型自動短棒材矯直機的功能是在進入下一道工序前對柱狀棒材進行精密矯直，進一步提高產(chǎn)品的直線度和質(zhì)量，使經(jīng)過精密矯直后的產(chǎn)品質(zhì)量得到了很大的提高。通過理論分析輥之間的接觸力在新的自動短鋼筋矯直機，矯直輥系統(tǒng)的模型建立了基于ADAMS動力學仿真軟件，并結(jié)合實驗，每個接觸點的力15-roll矯直輥系統(tǒng)的進行了分析。

1 矯直原理和矯直輥系系統(tǒng)

國內(nèi)生產(chǎn)廠家大多采用孔式輪轂矯直機對棒材進行矯直。輪轂上的每個孔型相互交錯。在牽引輥和輪轂的驅(qū)動下，輪轂內(nèi)設(shè)置的幾個孔模具圍繞桿件旋轉(zhuǎn)，使桿件可以提前校直。

孔型輪轂矯直機采用旋轉(zhuǎn)反向彎曲矯直原理。旋轉(zhuǎn)矯直是一種全方位矯直。由于棒材的初始彎曲是多向的，棒材由多個彈塑性彎曲矯直單元組成，由交錯孔模具形成，使每個截面得到多個后彎，達到一定程度的矯直。同時，桿在輪轂旋轉(zhuǎn)過程中向不同方向彎曲，可以使原曲率向多個方向伸直。當棒材通過孔模時，每個孔模形成多個彈塑性彎曲元件，使棒材的彎曲程度不斷由大變小，從而達到所需的矯直精。

目前國內(nèi)短鋼條矯直，由于待矯直鋼條的長度和尺寸，不可能采用孔型輪轂矯直機矯直。根據(jù)旋轉(zhuǎn)彎曲矯直機的工作原理，采用了一種新型的自動短鋼條矯直機?？资捷嗇灣C直機與新型自動短鋼條矯直機的不同之處在于，前者在輪轂上設(shè)置多個孔，使輪轂繞棒材旋轉(zhuǎn)，而棒材不旋轉(zhuǎn)，而后者通過滾輪系統(tǒng)驅(qū)動棒材主動旋轉(zhuǎn)。當前者通過牽引輥使桿沿軸線移動時，旋轉(zhuǎn)輪轂內(nèi)的多個孔模具會旋轉(zhuǎn)并拉直桿，而后者則通過改變壓力輥的壓降量和壓力輥的位置來拉直桿。因此，新型自動短桿矯直機可以從矯直原理上解決輪轂轉(zhuǎn)動和彈塑性彎曲問題[1]。

自動短鋼條矯直機可以在線測量和識別參數(shù)，并將人工智能相關(guān)技術(shù)應(yīng)用于矯直過程的控制。檢測裝置安裝在機架上。當短鋼條旋轉(zhuǎn)時，傳感器測量多點彎曲脈沖量和對應(yīng)相位，然后用一定的算法對測量數(shù)據(jù)進行計算和處理，最終確定彎曲方向和最大彎曲位置。壓輥沿短鋼條軸向移動到最大彎曲位置，通過計算壓頭行程得到精確的壓量。每次彎曲后，對矯直效果進行跟蹤和測試，通過逐漸減少壓入量來實現(xiàn)短鋼條的矯直。

2 基于ADAMS的輥系動力學仿真

為了進一步驗證力學模型的準確性，采用SOLIDWORKS三維工程設(shè)計軟件對軋輥系統(tǒng)進行結(jié)構(gòu)設(shè)計和幾何模型的建立。在簡化幾何模型的基礎(chǔ)上，引入ad-ams進行動態(tài)仿真，研究了15輥矯直輥系統(tǒng)各輥間接觸點的受力情況。

2.1 仿真模型及參數(shù)

在模型參數(shù)中，軋輥材料為鋼材。對于普通材料的摩擦系數(shù)，在沒有潤滑的情況下，軋輥之間的靜摩擦系數(shù)為0.15，動摩擦系數(shù)為0.1。定義了各滾子之間的接觸，并利用ADAMS自動求解滾子系統(tǒng)各接觸點處的力。根據(jù)實際約束條件，在每個托輥上增加旋轉(zhuǎn)副，對壓力輥施加向下的壓力F，對兩端的主動托輥施加向下的預緊力F。在兩側(cè)的上、下主動滾輪上增加初轉(zhuǎn)速[2]。

2.2 仿真結(jié)果分析

輥系A(chǔ)對稱分布，接觸點B與C、D與G、E與F在輥系中對稱分布。仿真結(jié)果如圖6所示。從圖中可以看出，各接觸點處的力隨時間變化不大，逐漸趨于穩(wěn)定。輥系對稱點的接觸力差較小。由于ADAMS仿真中考慮了重力、軸承摩擦等因素的影響，各接觸力大小均偏離理論計算值，平均誤差為4。7%，內(nèi)部原因[3]。

3 實驗

為了驗證仿真結(jié)果的可靠性，在自動短桿矯直機上對矯直輥上的電阻應(yīng)變儀進行了測試。軋輥系統(tǒng)表面的應(yīng)變片在外力作用下產(chǎn)生應(yīng)變，通過無線傳輸將應(yīng)變轉(zhuǎn)化為電阻變化，再轉(zhuǎn)化為電壓變化，最后送入放大器。最后，用標定曲線計算了接觸力的大小。

4 結(jié)語

（1）以新型自動短棒材矯直機為基礎(chǔ)，介紹了15輥矯直輥系統(tǒng)的矯直原理和結(jié)構(gòu)。通過理論分析，以15輥矯直輥系統(tǒng)的接觸力、方向角、幾何角等參數(shù)為研究對象，建立了15輥矯直輥系統(tǒng)的力學模型。通過MATLAB編程，采用迭代計算方法，計算了矯直輥系統(tǒng)各輥間的接觸力。

（2）利用ADAMS動力學仿真軟件，建立了十五輥矯直輥系統(tǒng)的幾何模型，分析了各輥在輥系工作狀態(tài)下的接觸力。由于仿真中考慮了重力、摩擦力等因素，各滾子系統(tǒng)的接觸力與理論計算值存在偏差，平均誤差為4。在合理范圍內(nèi)，驗證了15輥矯直輥系統(tǒng)理論分析力學模型的可靠性。

（3）在自動短桿矯直機上對15輥矯直機之間的受力進行了試驗驗證。實驗結(jié)果與仿真結(jié)果一致，相對誤差小于7%，進一步驗證了理論分析和仿真結(jié)果的可靠性。分析15輥矯直輥系統(tǒng)中軋輥之間的接觸力，有利于軋輥系統(tǒng)的設(shè)計和強度校核，有利于軋輥系統(tǒng)的變形分析和優(yōu)化，為設(shè)備的改進提供理論依據(jù)。