有色金屬壓延成型設(shè)備的設(shè)計和應(yīng)用

邵曉光

(中國瑞林工程技術(shù)股份有限公司,江西 南昌 330031)

隨著經(jīng)濟的發(fā)展,有色金屬在得到廣泛應(yīng)用的同時,市場對其產(chǎn)品的要求也不斷提高。通過壓延、擠壓等成型工藝得到的產(chǎn)品具有較高且多元化的力學(xué)性能[1-3]。目前市場上的有色金屬薄板通常使用擠壓式方法進行生產(chǎn)[4-5]?，F(xiàn)有的有關(guān)對壓延成型設(shè)備的研究主要是對壓延成型設(shè)備的局部穩(wěn)定性進行探討和改進,而對壓延設(shè)備整體穩(wěn)定性的研究不多,不能全面表述壓延機的整體情況,且忽視了壓延機工作時機架的穩(wěn)定對生產(chǎn)的影響[6-8]。為此,本文以傳統(tǒng)閉式橫壓延機為研究對象,將機架由閉式結(jié)構(gòu)改為開式結(jié)構(gòu),并在模擬分析過程中不斷優(yōu)化壓延機的參數(shù)。由此設(shè)計得到了一個新的壓延設(shè)備。

1 基于PLC和開式機架結(jié)構(gòu)的有色金屬壓延成型設(shè)備設(shè)計

1.1 壓延成型設(shè)備參數(shù)確定

壓延成型設(shè)備的輥筒形狀是其重要的特征。在有色金屬壓延加工過程中,輥筒長度與所制成的產(chǎn)品寬度呈正相關(guān),故在設(shè)計壓延成型設(shè)備時需要確定輥筒的外徑和有效長度。為使輥筒剛度能夠滿足最終生成產(chǎn)品的精度要求,輥筒的長度與直徑需要根據(jù)其所選用的金屬材料的特性來設(shè)置,本文根據(jù)實際情況設(shè)計的輥筒參數(shù)為φ300 mm×200 mm。想要提高壓延成型設(shè)備的生產(chǎn)效率,就需要提高輥筒的線速度,輥筒的線速度受設(shè)備的機械化、自動化水平影響[9-11]。為保證生產(chǎn)效率,本文將輥筒線速度設(shè)定為60 m/min,速度調(diào)整范圍設(shè)置為5～60 m/min。合適的速比能夠保證順利壓延成型。壓延工藝與材料性質(zhì)是影響輥筒速比的重要因素。如果速比太大,坯料就會貼附在一只輥筒上而不接觸另一只輥筒;如果速比太小,坯料在壓延時很可能夾帶空氣形成氣泡,坯料貼附能力就會較差,導(dǎo)致加工質(zhì)量降低。本文采用對輥式輥筒,并采用最簡單的速比,即1∶1。

壓延設(shè)備的關(guān)鍵參數(shù)是功率,壓延機傳動功率就是驅(qū)動壓延機輥筒的功率,為保證金屬壓延質(zhì)量與輥筒轉(zhuǎn)速,本文將壓延機的傳動功率設(shè)計得較大。根據(jù)以往的經(jīng)驗,對功率消耗進行計算,以輥筒線速度為依據(jù),計算公式為:

N=a·L·V

(1)

式中:N為功率消耗;a為計算系數(shù),是一個常數(shù);L為輥筒參與加工部分的長度;V為壓延輥筒的線速度。若以輥筒的數(shù)目作為計算依據(jù),則計算公式為:

N=K·L·n

(2)

式中:K為計算系數(shù),n為輥筒個數(shù)。結(jié)合式(1)和式(2)計算得到壓延機所需要的功率。為計算壓延工序中需要添加的潤滑油厚度,需要計算在沒有潤滑情況下的摩擦力。根據(jù)壓延理論得到兩個輥筒和坯料之間的摩擦力τb,計算公式為:

τb=μP

(3)

式中:μ為摩擦系數(shù),P為壓延力。在加入潤滑油之后,根據(jù)流體動力學(xué)中的滑動摩擦理論對產(chǎn)生的摩擦力進行計算,公式為:

(4)

式中:U為軋制的件數(shù)與軋制時間的比值,η為潤滑油的黏度,h為兩個輥筒之間的潤滑油油膜厚度。由于潤滑油是流動的,在壓延過程中油膜的厚度會不斷發(fā)生變化,因此產(chǎn)生的摩擦力值并不固定。根據(jù)雷諾方程得到摩擦力和油膜厚度的關(guān)系:

(5)

式中:u為軋件速度,h0為入口處的油膜厚度,p為在壓延工序中加入的潤滑油的壓力分布,v為軋輥的線速度,x為接觸弧長在水平方向的投影。其實在壓延加工過程中某一參數(shù)變化或某個條件變化時潤滑油膜的厚度變化有一定的規(guī)律,如式(6)。

(6)

式中:R為輥筒的半徑,l為所檢測的兩輥筒切點到壓延輥筒中心的距離。該方程的邊界條件有兩個,一是入口應(yīng)力,為軋件克服塑性變形時所需要的力,另一個是輥筒中心之間的應(yīng)力,其極小可以忽略不計。壓延潤滑模型如圖1所示。

圖1 壓延潤滑模型示意

潤滑油所承受壓力產(chǎn)生的效應(yīng)可表示為:

η=η0eαp

(7)

式中:η0為潤滑油在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的黏度,α為潤滑油的壓黏系數(shù)。聯(lián)立式(6)和式(7)并進行積分和邊界條件計算,得到在入口處的油膜厚度h0:

(8)

式中:σ0為軋件在輥筒入口處所產(chǎn)生的張力。加入潤滑油后,兩輥筒之間的摩擦狀態(tài)由兩個因素決定:一是壓延輥筒表面和坯料的粗糙度,二是油膜的厚度。使用等效摩擦系數(shù)對輥筒之間的摩擦狀態(tài)進行表示,等效摩擦系數(shù)τ的計算式為:

τ=Aτb+(1-A)τf

(9)

式中:τf為潤滑液體的動壓摩擦力,A為潤滑摩擦在整個摩擦系數(shù)中所占的比例。綜上所述,根據(jù)實際情況計算得到壓延設(shè)備的各項參數(shù),為后續(xù)設(shè)計提供基礎(chǔ)保障。

1.2 有色金屬壓延成型設(shè)備主體結(jié)構(gòu)設(shè)計

本文設(shè)計的兩輥橫壓延設(shè)備的基本結(jié)構(gòu)分為三個部分,第一部分是壓延機械部分,主要包括機座、機架以及一些滾動軸承等,第二部分是為減小壓延過程中產(chǎn)生摩擦力的潤滑系統(tǒng),第三部分是保障加工過程安全的安全裝置。為了保證產(chǎn)品的質(zhì)量以及生產(chǎn)效率,需要選擇剛性大、承壓能力強且抗腐蝕的材料制作輥筒結(jié)構(gòu)[12-15]。本文選用9Cr2Mo作為輥筒材料,以保證其彎曲變形在可接受的范圍內(nèi)。在加工過程中輥筒需要承受極高的工作壓力,工作負(fù)荷主要集中在輥筒兩端的軸承上,因此將輥距調(diào)節(jié)裝置設(shè)于負(fù)荷較高的兩端軸承上,用以調(diào)節(jié)兩個輥筒的間距,從而提高金屬制品的制造精度。輥距調(diào)節(jié)裝置具有微調(diào)和粗調(diào)功能,為了防止操作者在操作中過量調(diào)節(jié),將裝置中的開關(guān)設(shè)置為有限位置移動,利用螺桿螺母轉(zhuǎn)動帶動軸承進而控制輥筒之間的距離。針對有色金屬硬度較大的特點,選用滑動軸承作為滾動軸承。本文所設(shè)計的壓延成型設(shè)備主要由兩個輥筒以及機架、輥距調(diào)節(jié)裝置、傳送裝置、潤滑系統(tǒng)和控制系統(tǒng)構(gòu)成,使用可編程邏輯控制器(programmable logic controller,PLC)進行動作控制。為保證后續(xù)設(shè)計的自動化送料傳送帶與壓延機建立良好聯(lián)系,采用開式結(jié)構(gòu)對機架進行設(shè)計。設(shè)計的機架如圖2所示。

圖2 機架設(shè)計示意圖

傳統(tǒng)的壓延機架為閉式結(jié)構(gòu),為直線型,在進行自動送料時,原料傳送帶或坯料很容易相撞。為此在機架上方設(shè)置了一個缺口,并將兩邊的支撐腳呈V字?jǐn)[放。有色金屬制品傳統(tǒng)制作工藝中采用壓力機和模具落料,人工送料會造成人力以及物力的浪費。為提高工作效率,本文利用PLC實現(xiàn)自動控制,并運用自動送料機將有色金屬坯料送往壓延機中進行加工。根據(jù)加工坯料的屬性及不同的生產(chǎn)要求,設(shè)置了三種不同的加工模式。模式一為正壓一次,反壓一次,卸料;模式二為正壓一次,反壓兩次,卸料;模式三為正壓一次,卸料。三種模式通過PLC根據(jù)坯料大小或工藝要求不同進行選取。上料機構(gòu)如圖3所示。

圖3 上料機構(gòu)示意圖

壓延成型加工的流程為:首先將需要加工的有色金屬材料運送到上料裝置中,自動傳送到壓延機中壓延成型,然后由自動傳送帶傳送到下一步工序的停放點,并完成卸料操作。

2 基于有色金屬壓延成型設(shè)備性能分析

壓延設(shè)備工作時機架會產(chǎn)生振動,這是坯料在加工過程中不斷變換位置所致,所產(chǎn)生的振動會直接影響最終產(chǎn)品的精度。為檢驗所設(shè)計機架的穩(wěn)定性以及制品厚度是否達標(biāo),本文使用DEFORM-3D軟件來模擬機架的有效應(yīng)力,進行實驗分析。對輥筒的轉(zhuǎn)速以及壓延過程的各個參數(shù)進行設(shè)定,保證在實驗過程中各項參數(shù)一致。在機架上選擇5個受力點(P1～P5),計算這5個受力點的溫度、有效應(yīng)力、拉伸應(yīng)力、破壞變形隨時間的變化情況,如圖4所示。

圖4 機架穩(wěn)定性分析

由圖4(a)可以看出,機架的整體溫度只有細微變化,幅度不超過±1.2 ℃,基本保持在常溫狀態(tài)。由圖4(b)可以看出,在壓延開始階段有效應(yīng)力并不大,最大值不超過64 MPa。圖4(c)中5個點的拉伸應(yīng)力都較小,拉伸應(yīng)力較大的P2、P4點的拉伸應(yīng)力不大于0.24 MPa,而另外三點的拉伸應(yīng)力幾乎為0。圖4(d)中,5個點的破損形變都未超過0.008 4 mm,破損程度明顯較低。綜上所述,在有色金屬壓延成型過程中,機架具有較好的可行性與穩(wěn)定性,且各個部分的穩(wěn)定性都符合工藝要求。

為進一步驗證機架穩(wěn)定性以及壓延設(shè)備的性能,將本文設(shè)計的壓延設(shè)備(設(shè)備1)與傳統(tǒng)橫壓延設(shè)備(設(shè)備2)、全自動三輥壓延機(設(shè)備3)、基于大數(shù)據(jù)的PVC壓延機(設(shè)備4)、基于提高聚乙烯拉伸效率的超薄片壓延機(設(shè)備5)進行對比實驗。在模擬軟件中分別使用設(shè)備1～設(shè)備5對不同質(zhì)量的有色金屬坯料進行壓延加工,并記錄成型產(chǎn)品的相關(guān)數(shù)據(jù)。各設(shè)備在不同質(zhì)量規(guī)模的成型產(chǎn)品加工中滿足審核標(biāo)準(zhǔn)的通過率對比結(jié)果如圖5所示,具體數(shù)據(jù)見表1。

表1 不同設(shè)備對不同質(zhì)量金屬加工后通過率對比

由圖5可以看出,隨著坯料質(zhì)量的增加,設(shè)備加工的通過率也呈下降趨勢,但設(shè)備1的通過率曲線降幅最小。由表1可知,坯料質(zhì)量為50 kg與500 kg時相比,設(shè)備1的加工通過率僅降低了1.76%,而設(shè)備2、設(shè)備3、設(shè)備4、設(shè)備5分別降低了21.08%、21.71%、14.57%和19.41%。由此可知,設(shè)備1具有較高的穩(wěn)定性,受坯料質(zhì)量的影響較小。

為進一步驗證設(shè)備的運行效果,引入達標(biāo)率表示壓延后的產(chǎn)品滿足具體厚度要求的情況,并以達標(biāo)率及運行時間、報廢率作為評價指標(biāo)。利用5種設(shè)備對相同數(shù)量的有色金屬進行2次壓延成型實驗,實驗相關(guān)數(shù)據(jù)見表2。

由表2可知,設(shè)備1的平均達標(biāo)率為95.13%,運行時間為12.39 min,報廢率為1.72%;設(shè)備2～設(shè)備5的平均達標(biāo)率分別較設(shè)備1低2.71%、5.02%、5.41%和12.68%,運行時間較設(shè)備1多5.84、8.74、9.88、12.94 min,報廢率較設(shè)備1高2.46%、4.60%、6.56%和9.05%,表明設(shè)備1能夠更加高效地對有色金屬進行壓延成型加工。

3 結(jié)束語

為提高金屬壓延加工的生產(chǎn)效率,節(jié)約企業(yè)生產(chǎn)成本和提升企業(yè)效益,針對目前壓延加工技術(shù)存在質(zhì)量不高,效率較低等問題,本文基于閉式壓延機設(shè)計了開式結(jié)構(gòu)機架的壓延設(shè)備,并在模擬分析過程中對設(shè)備進行不斷優(yōu)化。本文所設(shè)計的有色金屬壓延成型設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)高效加工,為有色金屬行業(yè)的發(fā)展提供新的技術(shù)思路。在以后的研究中,將進一步完善設(shè)備細節(jié),如送料的配合角度、壓延機的供電系統(tǒng)同步問題等,以實現(xiàn)更高的加工效率與更好的加工質(zhì)量。