板單元焊接變形輥式矯平方案研究

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(武漢理工大學 交通學院，武漢 430063)

國內普遍采用火焰矯正方法來矯正板單元的變形，此方法存在工作效率低、成型質量差、工作環境惡劣、能耗較大、污染環境等缺點。所以，實現對板單元焊接變形的機械設備矯正至關重要。本文以U肋橋面板板單元為研究對象，對其焊接變形輥式矯平方案進行了研究。U肋橋面板板單元實體模型見圖1。母板寬2.4 m，長6 m，厚度為24 mm，U肋厚8 mm。

圖1 板單元實體模型

1 U肋橋面板板單元焊接變形現狀

1.1 板單元橫向變形的特點

①橫向變形以波浪變形為主且變形量較小；

②變形區域主要集中在相鄰U肋焊縫之間的母板上，同一U肋焊縫間的母板幾乎無變形；

③焊接時采取相應反變形措施后橫向變形量將很小。

1.2 板單元縱向變形的特點

①縱向變形以縱向翹曲為主，變形量大，長8 m的板單元縱向變形量最大可達170～200 mm；

②變形方向單一，即變形主要朝向母板無焊縫一側；

③距離焊槍起始端越遠變形越明顯。

2 平行輥式矯平方案設計

平行輥式矯平機是目前應用范圍最廣的矯平機，不僅能矯正縱向變形，還能矯正橫向變形，且容易實現自動化、成形質量高。輥式矯平機由上下兩排相互交錯排列的輥子、機架和傳動裝置等部件組成，被矯工件通過交錯排列的輥子，經過多次反復彎曲后變形得到矯正。

2.1 平行輥式矯平機的工作原理

輥式矯平機的理論基礎就是金屬材料在較大彈塑性彎曲條件下，不管其原始彎曲程度有多大差別，在彈復后所殘留的彎曲程度差別會顯著減小，甚至會趨于一致。其工作原理就是使工件在矯正輥壓力的作用下，進行純彎曲、發生彈塑性變形，當矯正力消除、工件彈性回復后，消除了一部分的原始曲率，而剩余的曲率則作為下一個矯正輥的原始曲率，經過多個輥子的反復作用，剩余曲率逐步減小，工件最終趨于平直[1]。

輥式矯平機必須具有兩個基本特征：①具有相當數量交錯配置的工作輥，以實現對工件的多次反復彎曲，這是為了將原始曲率的大小和方向均不同的工件在消除原始曲率不均的同時將工件矯平；②壓下量可以調整，能實現矯平所需要的壓下方案。采用適當的壓下量，調節工件在每根工作輥下的彎曲變形，獲得合適的壓彎曲率，以使得變形最終能得到矯正。

在實際生產中，工件的原始曲率不論大小和方向均是不相同的，輥式矯平機是在摩擦力作用下使工件多次通過交錯排列的轉動的輥子，利用多次反復彎曲而得到平直的工件，它是在消除原始曲率不均勻的同時將工件矯平。

2.2 平行輥式矯平機的矯平方案

平行輥式矯平機的矯平方案按照使待矯工件產生的變形程度和最終消除殘余曲率的方法，可分為大變形矯平方案和小變形矯平方案[2]。

1)大變形矯平方案。大變形矯平方案是在入口第二、三個工作輥上給待矯工件很大的反彎曲率，這樣工件經彈性回復后其殘余曲率將不均勻性迅速減小，甚至趨于一致。從第四工作輥開始壓下量逐漸減小，逐步消除工件的殘余曲率，最終實現矯平工件的目的。大變形矯平方案所需輥子數量較少，整機設計較靈活。但如果一開始給工件施加過大的反彎曲率，將增加大斷面系數以及有明顯加工硬化現象工件矯后的殘余應力，改變工件性能，增加設備能耗。

2)小變形矯平方案。這是一種理想狀態下的矯平方法，很難在現實中實現。使用這種矯平方案的矯平機的所有工作輥都必須能單獨調整壓下量，目的是使進入矯平機的工件的每次彎曲都足以矯平其最大原始曲率。也就是說，工件的每次彎曲變形都必須提前確定。在消除工件最大原始曲率時，必然會在較小曲率處產生新的變形，這些變形的最大彎曲曲率將在下個工作輥進行矯平。這樣，經過反復彈塑性變形過程，工件最終趨于平直。

綜合分析，選用以大變形矯平方案為基礎的工作輥整體傾斜壓下方案。這種方案中工作輥的壓下量是線性遞減的，工作輥的壓下方式符合工件在矯平過程中的變形特點，能獲得良好的矯平質量，而且矯平機在結構上也相對簡單些。

2.3 工作輥配置方案設計

由于板單元截面的異型，在選用輥式矯平方案時必須解決工作輥的配置問題，本文擬對如圖2所示的三種工作輥配置方案進行研究。

方案一，工作輥與板單元U肋直接接觸；方案二，工作輥與板單元母板直接接觸，在U肋處間斷；方案三，工作輥與板單元母板以及U肋都接觸，在U肋處以及相鄰U肋之間以小輥身長度的方式分別設置下工作輥。

選用傾斜調整方案作為本次設計矯平機的壓下方案，由于板單元剖面的異型，上下輥組的壓下方案必須分別進行設計。整個上輥組除在出/入口處設置可以單獨調整壓下量的導輥外，上工作輥的壓下量采用線性遞減原則確定，見圖3。考慮到進料的便利性、壓下方案實現簡單易行以及矯平機結構上的需要，板單元進料時U肋向下，下工作輥壓下量全部設置為零。

圖2 工作輥配置方案

圖3 工作輥調整壓下示意圖

3 臨界壓下量計算

平行輥式矯平機的工作原理為通過交錯布置的輥子使工件在行進過程中產生反復的彈塑性彎曲。在這個過程中，工件的上下表面發生了局部的塑性變形，而中心層為彈性變形區。這種獨特的變形過程，有效地提高了矯平精度，有利于消除殘余應力。工件的彎曲變形是依靠工作輥的壓下來實現的，所以，壓下量的準確設計是實現高質量矯平的必要條件。

工件的塑性變形深度必須適度才能滿足矯平工藝的要求。太大的變形容易在表面產生裂紋和畸形變形；太小的彎曲變形不能滿足矯平質量要求。同時隨著變形增加，輥系的負荷隨之增大。因此，在滿足矯平質量的前提下選擇小的彎曲變形程度。

要確定工作輥的壓下量,首先要計算使工件產生屈服的臨界壓下量。

如圖4所示，工件在矯平機內發生的彈塑性彎曲變形可看作兩端有支點的梁的彎曲，圖4中M、N為支點，分別代表工件彎曲時相鄰下工作輥，b為壓下量，為本次彎曲的上工作輥施加給待矯工件的反彎撓度。弧MHN代表變形的工件。

圖4 工件彎曲變形示意

(1)

I——慣性矩；

E——彈性模量，取為206 GPa；

Ms——屈服力矩，Ms=σsS；

其中：σs——屈服極限；

S——塑性剖面模數。

工件的慣性矩、剖面模數等可以利用CAD軟件確定，基本步驟見圖5。

圖5 板單元截面特性計算流程

按照以上步奏即可求得工件的慣性矩I，彈性剖面模數W等，塑性斷面系數S為

S=e·W

(2)

式中：e——斷面形狀因子，取為1.6。

帶入以上數據可求得b=0.35 mm

以上得出的壓下量為臨界壓下量，也就是使板單元產生塑性變形的最小壓下量。

4 板單元變形與受力數值模擬

在進行有限元數值模擬前，必須確定輥式矯平機的一些基本參數，包括輥徑D、輥距t、輥數n、輥身長度L和矯正速度v等。其中最主要的是輥徑D和輥距t。基本參數的正確選擇對工件的矯正質量、設備的結構尺寸和功率消耗等都有重要的影響，參考文獻[2]，參數選擇見表1。

表1 輥式矯平機主要參數

選用傾斜調整方案作為本次設計矯平機的壓下方案時，下工作輥壓下量全部設置為零，整個上輥組除導輥可以單獨調整壓下量外，其他上工作輥的壓下量采用線性遞減原則確定。所以只要確定上輥除導輥外的第一輥和最后一輥的壓下量后，其他上工作輥的壓下量即可確定。

在計算臨界壓下量時忽略了相鄰工作輥的相互影響，其結果是不夠準確的。由于工件在矯平過程中的變形非常復雜，以及各種規格的矯平機自身的不同情況,難以通過一個簡單的理論公式確定出符合實際情況的壓下量,通常情況下都是利用解析計算值結合實驗以及矯平機結構特點得到符合實際的壓下量。

數值模擬旨在分析以上方案的可行性，尤其是研究三種工作輥配置方案在壓下量下的變形以及矯平力情況。選取壓下量方案見表2。

表2 壓下量方案 mm

本文在數值模擬時，選用SHELL63板單元，由于板單元在矯平過程中將發生彈塑性變形，故其材料采用各向同性雙線性隨動強化材料，在輸入相關材料參數定義完材料屬性后，在有限元軟件ANSYS中建立板單元三維模型，并進行網格劃分，劃分網格后的有限元模型見圖6。

圖6 板單元有限元模型

工件在輥式矯平機中僅受到垂直方向上的矯平力，它造成工件豎直方向上的變形即位移，這個位移對應于工作輥的壓下量。在矯平機中是通過各工作輥的壓下量來依次調節工件的曲率變化的，故可在工件與工作輥接觸處同時施加位移載荷(即壓下量)，由節點豎直方向上的應力計算出工件受到各工作輥的矯平力。

以工件與工作輥的接觸為線，劃分網格之后將位移載荷施加在單元節點上。上排輥與工件的上表面接觸，下排輥與工件下表面接觸，加載時將各壓下量對應于相應表面。加載效果見圖7。

圖7 加載效果圖

5 有限元結果分析

由于U肋與母板在剛度上的不同以及各種方案工作輥布置上的差異，在矯正板單元焊接變形的過程中，最基本的要求就是U肋與母板不能產生過大相對變形。選用壓下量較大的第五種壓下方案(由于此時相對變形是最大的)比較分析可知，工作輥配置方案一中U肋與母板相對變形較大，不能滿足需要。見圖8。

圖8 方案一中板單元的變形示意

將數值模擬結果中各輥輥心位置處所有節點的節點反力求和即可得到相應工作輥的矯平力。本文采用的壓下方案中下工作輥壓下量全部設置為零，除導輥可單獨調整壓下量外，其余上工作輥的壓下量按照線性遞減原則確定。因此，上工作輥的壓下量是決定矯平力大小的主要因素之一。所以以上工作輥總矯平力為研究對象，有限元結果見表3。

表3 矯平力的有限元結果 kN

隨著壓下量的增大，矯平力也相應增大，符合板單元彎曲變形規律。選用壓下方案五的三種工作輥配置方案有限元結果進行對比分析可知：工作輥配置方案一的上排輥總矯平力與方案二、方案三結果誤差較大，比方案二小49.82%，比方案三小54.12%，究其原因，主要是因為方案一中由于壓力直接作用在下輥U肋上，造成U肋產生過大變形(如圖8所示)，事實上U肋結構已經被些許破壞，最終導致結果嚴重失真。

工作輥配置方案二上排輥總矯平力比方案三小8.57%，主要原因是在采用工作輥布置方案二時由于下工作輥在U肋處間斷，這樣造成了板單元在壓下量下的不完全變形，也就是說，采用方案二時，板單元在焊接U肋處不能完全按照壓下量的設置進行變形，最終導致計算結果較小，但誤差較小，能夠滿足矯平力需要。

6 結論

工作輥配置方案一中，U肋由于承受不起矯平板單元焊接變形所需的矯平力而變形破壞，方案一難以滿足需要。而方案二和三能滿足矯正板單元焊接變形的矯平力需要。但方案三結構較復雜，方案二結構相對簡單易行。

[1] 鄒家祥．軋鋼機械[M].3版.北京：冶金工業出版社，2003．

[2] 崔 甫．矯直理論與矯直機械[M]．北京：冶金工業出版社，2002．

[3] 楊 云．板帶輥式矯正機力能參數計算模型研究[D].武漢：武漢科技大學，2009．