電鎳導電棒矯直機結構參數及矯直壓下量的設計

2015-04-19 03:00:58孫東明

機械制造 2015年12期

□ 童切 □ 孫東明 □ 姚輝 □ 金巖

1.昆明理工大學機電工程學院昆明 650500 2.金川集團股份有限公司鎳冶煉廠甘肅金昌 737100

國內某鎳冶煉廠，將尺寸為φ36 mm×3 mm×1 350 mm的紫銅圓管作為導電棒使用，與方管相比增加了導電棒與吊耳的接觸面積，管狀設計減少了導電棒上銅的消耗。但是，在粗鎳電解精煉過程中，陰極板導電棒易受外力作用發生彎曲變形，這容易使陰極板與陽極板在隔膜電解槽內發生短路，同時會導致電解槽內單位面積排板數量的下降，直接影響電鎳的質量和生產效率。其次，彎曲變形會影響其在拋光機和穿棒機中順利通過[1]。所以，在生產過程中應及時對彎曲導電棒進行矯直。

針對紫銅圓管的結構、尺寸等特點，決定采用一組U形矯直輥進行矯直，形狀如圖1所示。輥距P、輥徑D′、輥數n、輥速v、輥長L為矯直機的基本參數，對矯直質量、設備能耗和尺寸等均有影響。

1 矯直曲率比方程式

紫銅的應力應變模型如圖2所示。假設圓形棒材的斷面尺寸為φD，D=2R，根據圖2得其彎矩為：

式中：σ1=zσt/Rt=zσt/（Rζ）；σ2為強化后的應力；Rt為彈性核心半徑；σt為彈性極限；為圓形斷面任意高度z處的斷面寬度；彈區比ζ=Rt/R。

設σd、εd為表層的最大應力與應變，金屬的強化彈性模數為E′，強化因子為λ，則：

將式（2）代入式（3）得：

再將式（4）代入式（1）得：

圓棒的彈性極限彎矩為Mt=πR3σt/4，故：

▲圖1 U形矯直輥

▲圖2 彎曲應力應變圖

▲圖3 紫銅圓管尺寸

導電棒的尺寸如圖3所示，假設粗棒半徑為R，細棒半徑為r，粗棒彈區比ζ1=Rt/R；細棒彈區比ζ2=Rt/r；粗棒彈性極限彎矩 Mt1=πR3σt/4，細棒彈性極限彎矩Mt2=πr3σt/4=a3Mt1，a=r/R=ζ1/ζ2。

依據式（6）得粗

棒彎矩為：

管材的彎矩實質上是通過粗細兩個棒材的彎矩之差來求得的[2]，式（7）、式（8）兩式相減得圓管彎矩為：

將管材的彈性極限彎矩 Mt′=πR3（1-a2）σt/4=Mt1（1-a4）、λ=0.11、a=30/36 代入式（9），可得：

式中：CC為殘留曲率比；Cw為壓彎曲率比；Cf為彈復曲率比；C0為原始曲率比；C∑為總曲率比。

2 可調輥壓下量

平直度和曲率比滿足以下關系[3]：

式中：Δ為導電棒平直度，mm/m；C為彎曲曲率比；H為紫銅圓管的高度，mm；E為彈性模量，Pa；l為導電棒長度，mm。

紫銅圓管參數：屈服強度 σt=100 MPa，E=125 GPa，H=36 mm，l=1.35 m。導電棒原始平直度為Δ=15 mm/m，要求其在矯直后的平直度小于Δ=1 mm/m。因此，原始曲率比C0=±1.481，矯直后允許的殘留曲率比CC=±0.099。

考慮到矯直對象為紫銅圓管，決定采用大變形-小變形混合矯直方案，第二、三輥處采用大變形。為防止管材塑性壓扁，將 ξ1=a-1=0.733 3代入式（11），得Mmax=1.231 5，壓彎曲率比Cw2=Cw3=2Mmax=2×1.231 5=2.463。且 C03=Cmax=1.481，則 C∑3=C03+Cw3=1.481+2.463=3.944，代入式（12），得彈復曲率比 Cf3=M3=1.647 5，殘留曲率比Cc3=Cw3-Cf3=0.815 5。

第四輥以后采用小變形。C04-Cc3=0.815 5，代入式（13），解得 Cw4=1.425 69。原來直的部位（C04=0）被壓彎，則將 C∑4=Cw4代入式（12），得 Cf4=M4=1.2527，Cc4=Cw4-Cf4=0.172 99＞0.09 9，未滿足要求。 C05=Cc4=0.172 99，代入式（13），得 Cw5=1.252 74。 Cf5=M5=1.1858，Cc5=Cw5-Cf5=0.066 94＜0.099，滿足精度要求。考慮到原始彎曲為雙向，輥數取為6輥。