基于小矯直輥輥距的高強度鎢板輥式矯直方案研究

李樂毅

(四川建筑職業(yè)技術(shù)學院機電與信息工程系，四川618000)

鎢板具有很高的強度和硬度以及良好的力學綜合性能，對放射性元素也具有較高的吸收能力。在高強度鎢板的軋制成形過程中，輥式矯直是保證其平直度的關(guān)鍵工藝流程[1]，矯直機矯直輥之間的輥距是矯直過程中的重要工藝參數(shù)，輥距的取值直接影響高強度鎢板矯后平直度的大小[2-4]。傳統(tǒng)矯直機輥距參數(shù)的設計是針對普通鋼板的，在矯直高強度鎢板時，若其它工藝參數(shù)不變，存在矯直力和反彎曲曲率不足等缺陷，難以保證其平直度。針對此問題，提出了基于小矯直輥輥距的高強度鎢板輥式矯直方案，并分析了矯直輥輥距與矯直力之間的關(guān)系，以及對高強度鎢板矯后平直度的影響，進而驗證該方案的可行性。

1 輥距的確定

輥式矯直的實質(zhì)就是板材在連續(xù)交錯輥縫間發(fā)生彈塑性反彎的過程[5-6]，如圖1所示，相鄰矯直輥圓心之間的距離即為矯直輥輥距。一般情況下，根據(jù)矯直的咬入條件計算輥距的最大值tmax，而輥距的最小值tmin則由高強度鎢板與矯直輥之間的接觸應力和矯直輥的傳動軸強度共同確定，再依據(jù)其它相關(guān)矯直環(huán)境和參數(shù)最終確定輥距的準確值。

圖1 輥式矯直方案示意圖Figure 1 Roller straightening scheme

1.1 矯直輥距上限值tmax的計算

由于高強度鎢板的硬脆性，為了確保其矯后平直度，應采取小變形輥式矯直方案，再根據(jù)矯直過程中的咬入條件，可以得到矯直輥輥距上限值tmax的計算公式為：

(1)

式中，h是高強度鎢板的厚度值；E是高強度鎢板的彈性模量值；σs是高強度鎢板的屈服強度值；K是矯直輥直徑與矯直輥輥距之間的比值，K=0.7～0.94，其具體取值要根據(jù)高強度鎢板的厚度確定，板厚越小，取值越小，反之亦然。

如果被矯直高強度鎢板太薄，而此時矯直輥輥距上限值tmax又取得太小，則會出現(xiàn)纏輥的情況，從而造成矯直機一些零件的損壞，所以此時允許不以保證咬入條件為前提，適當增加tmax的取值，甚至有時可以取tmax=(190～200)h，因為當鎢板太薄時，通常可以使用夾送輥來輔助高強度鎢板的咬入，使矯直過程能夠連續(xù)順利地進行。

1.2 矯直輥距下限值tmin的計算

在高強度鎢板的矯直過程中，如果矯直輥輥距減小，會增大接觸壓力，接觸壓力過大會加劇矯直輥的磨損，從而影響高強度鎢板的表面質(zhì)量，所以矯直輥距必須有下限值tmin約束。理論上，由于輥距過小，接觸壓力太大會造成矯直輥彎曲，但矯直設備在矯直輥上方通常都有支撐輥，所以一般不根據(jù)矯直輥的彎曲強度來確定輥距的下限值tmin，而是依據(jù)矯直輥的傳動軸強度來確定。對于高強度鎢板這種硬而光的板材，經(jīng)過實踐證明，應該依據(jù)與矯直輥相連的傳動軸的抗扭強度來確定，根據(jù)經(jīng)驗公式，輥距的下限值tmin公式為：

tmin=(15～40)h

(2)

式中，h是高強度鎢板的厚度值；而輥距下限tmin的準確值則必須依照具體參數(shù)進行分析計算。

2 小矯直輥輥距矯直方案的可行性

高強度鎢板可以視為由N個連續(xù)纖維層組成的一個整體，在高強度鎢板矯直反彎的過程中，這些連續(xù)纖維有的受壓，有的受拉，但在同一截面上，所有纖維層總是保持一個動態(tài)的平衡。

假設在輥式矯直過程中鎢板沿矯直方向緩慢前進，當中心僅有中浪缺陷的鎢板進入某個矯直反彎單元且恰好被矯直到如圖2所示的位置時，由于高強度鎢板此時受到矯直輥的反彎作用影響，使鎢板中心浪形缺陷區(qū)域同時承受壓力和反彎力，而其它沒有浪形缺陷的區(qū)域則只承受反彎力，所以，中心浪形缺陷區(qū)域的纖維條理論上會同時向x和y兩個方向上拉伸，其拉伸的最大長度值主要由兩個因素決定：1)高強度鎢板在矯直過程中與矯直輥之間的摩擦力；2)鎢板是一個完整的整體，外側(cè)的金屬會對中部金屬的變形產(chǎn)生剛端效應。所以在分析計算前，必須對被矯直鎢板中心的中浪缺陷做出四個假設：

圖2 矯直過程示意圖Figure 2 Straightening process

(1)高強度鎢板在矯直反彎過程中應力和應變中性層位置始終不變，且互相重合；

(2)高強度鎢板中心浪形區(qū)纖維條長度是x方向總長的1/2；

(3)分析計算區(qū)域高強度鎢板的總長為l，而中心浪形區(qū)纖維條長度因受拉的拉伸增量為Δl；

(4)高強度鎢板因矯直反彎使鎢板的y方向與x方向都產(chǎn)生了拉伸，且導致的拉伸量比值為λ，即y方向的總拉伸長度值占總拉伸長度值的λ/(1+λ)。

高強度鎢板在被矯直過程中的變形會受到板內(nèi)各部分之間的互相影響，因此在鎢板內(nèi)存在著相互制約的平衡力，例如中心區(qū)域變長的纖維條會受到邊部纖維的約束被壓縮，同樣邊部的纖維條也會受到中心拉伸的影響而被拉長，如此一來，靠近中心的纖維條主要受壓，而邊部的纖維條主要受拉，兩者之間形成一種動態(tài)的平衡，根據(jù)上述推導，在某矯直反彎單元位置的高強度鎢板的中性層受壓處的應變值為：

(3)

同理，在某矯直反彎單元位置的高強度鎢板的中性層受拉處的應變值為：

(4)

高強度鎢板經(jīng)過矯直會在中性層內(nèi)形成的殘余應變?yōu)椋?/p>

(5)

由于高強度鎢板在矯直過程中各位置中性層處的應變值εe與應力值σe都在不停變化，因此各位置中性層處的殘余應變值也都有所不同，由于鎢板各位置受到不同的拉伸與壓縮，消除了鎢板的不同浪形。

總的來說，假如矯直過程中其余矯直參數(shù)完全相同，僅僅減小矯直輥輥距，就會顯著提高矯直力，而矯直力越高，高強度鎢板內(nèi)纖維條所承受的壓縮和拉伸程度也越劇烈，可以得到更好的浪形改善效果，如圖3所示。假如矯直輥輥距值過大，高強度鎢板承受反彎壓縮變形時，反而會產(chǎn)生很多較小的分浪，如果減小輥距，鎢板反彎矯直時所形成的分浪同樣會跟著減少，因此，基于小矯直輥輥距的高強度鎢板輥式矯直方案，可以增強不同浪形在壓縮和拉伸過程中的變形效果，使鎢板內(nèi)部的應變值εe和殘余應變值εe′增大，進而大幅度改善板形，提高矯直后的平直度。

圖3 不同輥距矯直示意圖Figure 3 Different roller spacing straightening

3 小矯直輥輥距矯直方案的有限元分析

3.1 輥式矯直有限元模擬概述

高強度鎢板的連續(xù)彎曲輥式矯直過程是一個完全非線性的過程，其原因有兩個：(1)因為實際被矯直的高強度鎢板并非理想材料，其力學性能實質(zhì)上是非線性的；(2)高強度鎢板在輥式矯直反彎的過程中，其運動狀態(tài)的實質(zhì)也是非線性的。用傳統(tǒng)數(shù)學方法計算非常復雜，所以目前通常采用有限元的方法來求解?；谛〕C直輥輥距的高強度鎢板的輥式矯直方案，選用的有限元動力學軟件為ANSYS/LS-DYNA，該軟件被廣泛地應用于許多三維和多維的非線性接觸類問題。

3.2 有限元模擬參數(shù)設定

ANSYS/LS-DYNA軟件中的材料屬性有兩百多種，由于模擬的是高強度鎢板的矯直，故選用非線性彈塑性模型來代替高強度鎢板，并輸入相關(guān)關(guān)鍵參數(shù)值。另一方面，由于矯直輥上方還有支撐輥，在輥式矯直過程中其變形量極小，為了減少模擬的計算時間，故選用剛體模型代替矯直輥。在矯直模擬過程中由于剛體沒有任何變形，為了減少有限元的網(wǎng)格劃分數(shù)，降低計算內(nèi)存，還可以把矯直輥設置為空心，矯直輥和高強度鎢板的網(wǎng)格劃分后的實體模型如圖4所示。

圖4 板材輥式矯直有限元網(wǎng)格模型Figure 4 Finite element mesh model of plate roll straightening

由于高強度鎢板的最大特征是屈服強度高，為了驗證小輥距矯直方案對于屈服強度高的板材矯直效果更加明顯，故進行了不同屈服強度情況下的矯直效果模擬，具體參數(shù)見表1。矯直過程中，矯直輥直徑為95 mm，而矯直輥輥距只有100 mm，屬于典型的小輥距矯直。

表1 有限元模擬條件Table 1 Finite element simulation analysis conditions

3.3 有限元模擬結(jié)果分析

如圖5所示為不同屈服強度且初始不平度都為12.6 mm/m的板材在經(jīng)過小輥距矯直后，不平度的有限元模擬分布情況。由圖可知，要想達到理想的矯直效果，矯直反彎量必須達到一定的值，模擬中，由于采用矯直輥傾斜壓下，入口壓下量達到2 mm即可得到很好的矯后不平度。另外，在實際高強度鎢板矯直生產(chǎn)過程中，矯直力不足往往是限制其矯直效果的核心原因，但小輥距矯直方案卻可以顯著提升矯直力。由圖6可知，在小矯直輥距的情況下，隨著被矯板材屈服強度的增大，矯直力會提升，而且矯直壓下量越大，提升效果就越顯著。所以，在矯直壓下量足夠的情況下，基于小矯直輥輥距的高強度鎢板輥式矯直方案是可行的。

圖5 不同屈服強度的矯后不平度Figure 5 Correction irregularity of different yield strength

圖6 矯直過程中屈服強度和矯直力的關(guān)系Figure 6 Relationship between straightening force and yield strength in straightening

4 小矯直輥輥距矯直方案的實驗研究

4.1 實驗設備和方案

小矯直輥輥距矯直方案的實驗采用全液壓實驗矯直設備。該設備是根據(jù)某廠11輥矯直機按3∶1比例縮小制造而成的，因為整體設備較小，所以方便調(diào)整矯直輥之間的間距。該設備主要參數(shù)為：共有11根矯直輥，上排5根，下排6根，矯直輥直徑為95 mm，最大矯直力為2500 kN，可矯板材厚度和寬度的上限值分別為10 mm和950 mm。

本次矯直試驗方案選用高強度鎢板W1，其力學性能見表2。為了研究不同輥距對矯直效果的影響，實驗中多次調(diào)整了輥距，具體方案見表3。為了方便收集矯直過程中的相關(guān)數(shù)據(jù)，所以選取的矯直速度很小，其值為0.12 m/min。

表2 高強度鎢板參數(shù)Table 2 Parameters of high strength tungsten plate

表3 矯直試驗方案Table 3 Straightening test program

4.2 實驗結(jié)果

根據(jù)上述實驗方案，高強度鎢板W1在不同矯直輥輥距和壓彎量的情況下經(jīng)過輥式矯直，得到矯直力分布圖，如圖7所示，矯直后不平度分布如圖8所示。由圖7可知，矯直輥輥距減小，隨著壓下量的增大，矯直力的提升效果就會顯著增強，而且矯直力越大，矯直板材的屈服強度也越大。由圖8可知，如果矯直輥的輥距值太大，要達到該輥距對應的最小矯直后不平度所需的壓下量也越大，而且，矯直輥輥距越小，所能達到的最小矯直后不平度也最小，即矯直效果越好。所以對于高強度鎢板，輥距太大，矯直效果受限，矯直輥輥距選取允許的最小值，可大幅提高矯直效果，因此基于小矯直輥輥距的高強度鎢板輥式矯直方案是可行性的。

圖7 不同輥距對矯直力的影響圖Figure 7 Straightening force influenced by different roll spacing

圖8 不同輥距值與矯后不平度的關(guān)系Figure 8 Relationship between different roll spacing value and straightening irregularity

5 總結(jié)

通過矯直輥輥距的選取范圍，對基于小矯直輥輥距的高強度鎢板輥式矯直方案進行有限元模擬和實驗驗證，得到如下結(jié)論：

(1)矯直類似于鎢板等屈服強度較高的板材時，矯直壓下量越大，矯后不平度越小，矯直效果越明顯。

(2)在小矯直輥距的情況下，隨著被矯板材屈服強度的增大，矯直力提升，而且矯直壓下量越大，提升效果就越顯著。

(3)小矯直輥輥距可大幅提升矯直力，增大可矯板材的屈服強度上限，并且矯直輥輥距越小，隨著壓下量的增大，矯直力的提升效果會越明顯。

(4)矯直輥的輥距值越大，該輥距對應的最小矯后不平度所需的壓下量也越大，矯直輥輥距越小，所能達到的最小矯后不平度也最小。