基于DEFORM 3D的雙旋轉轂式矯直機數值模擬研究

秦野秋，孫東明，王立錚

(昆明理工大學 機電工程學院，云南 昆明 650500)

0 引 言

導電棒在電解過程中起導線及承載作用，使用彎曲的導電棒，導電棒與電解槽的接觸方式會由線接觸變為點接觸，對電解效率產生很大的影響。彎曲的導電棒在電解槽上排布后，會造成陰極板和陽極板之間的距離不均勻甚至會造成短路，對車間的電路以及工人的安全問題會造成嚴重的影響，所以導電棒再次使用前必須進行矯直。轉轂式斜輥矯直機是一種新型的矯直裝置，相對一般的矯直機，轉轂的直徑更大，使轉轂內輥子圍著導電棒旋轉時會產生離心力，此離心力有時比矯直力還要大，對矯直機的輥軸、軸承、壓緊螺栓會造成沖擊[1]。Rudolf Bruhl等[2]通過研究旋轉矯直機實現了對線材的矯直,對線材性能受矯直工藝的影響情況進行了主要分析，發現矯直后的被矯件強度明顯降低、延伸率增大并且抗拉強度下降大約5%左右。東北大學的崔甫教授完成了國內首本有關矯直理論的書籍,并且研制出了矯直F200復合轉轂式高精度棒材矯直機[3]。西安重型機械研究所設計、國營江山機器廠制造的型號GGJ高精度銅管矯直機,其矯直精度已超過了美國AETNA公司所保證的0.3的直線度,達到了0.08～0.25[4]。

本研究利用有限元分析軟件Deform 3D進行模擬仿真，以矯直過程中導電棒的等效應力分布和矯后導電棒平直度為分析依據，分別研究轉轂的旋向、拉料速度差對矯直效果的影響。

1 Deform 3D有限元模型的建立

轉轂式矯直機，最主要的是它可以通過旋轉反彎矯直使存在多方向彎曲的棒材達到理想的平直度；在矯直效率上，它比壓力矯直機提高了很多。轉轂式矯直機主要是通過轉轂內的矯直工具使其繞工件旋轉，從而使工件在前進過程中矯直。

本研究所采用的矯直機為雙向旋轉轉轂式矯直機，是將滾動模轉轂式矯直機內的孔模換成斜輥，并且在轉轂內按照傾斜交錯的方式來布置，同時讓斜輥的轉向相反，就可以轉化為雙向旋轉轉轂式矯直機。雙向旋轉轉轂式矯直機的工作原理主要是通過讓圓材在夾送輥的作用下通過兩個轉向相反的轉轂從而來達到矯直。

雙向旋轉轉轂式矯直機的工作原理圖如圖1所示。

圖1 雙向旋轉轉轂式矯直機工作原理圖1—送料輥；2—皮帶輪；3，4—轉轂；5—皮帶輪；6—出料輥；7—工件

1.1 矯直速度的計算選取

矯直速度是指在矯直過程中導電棒在矯直機內的前進速度，矯直速度過快會影響矯直質量和矯直工作的穩定性，矯直速度過慢則會影響矯直效率，設定合理的矯直速度對矯直精度和效率有很大的影響。在轉轂式矯直機中，送料輥的作用為實現定、咬入、初矯，出料輥的作用為實現定心和導出，則其他的斜輥作用主要是使每個截面可以獲得足夠的塑性變形和矯直所需的反彎變形。在單位時間內導電棒可以達到的最長塑性變形區為(I-2)Jdn/(2×60)，則矯直速度的最大值為：

(1)

式中：Jd—等曲率塑性變形區長度；n—轉轂轉速；I—斜輥的數量。

在實際矯直過程中，為了保證進給導程和等效塑性區長度之間的關系t

(2)

式中：k—影響系數，k=3；p—輥距。

矯直速度是影響矯直質量的重要因素，在矯直輥數和等曲率塑性變形區確定的情況下，矯直速度的直接影響因素為轉轂轉速。

常見轉轂轉速如表1所示。

表1 常見轉轂轉速

表1給出的轉轂速度可以作為設計參考。在I和Jd都確定的情況下，要想提高矯直速度，則必須提高轉轂轉速，但不能盲目提高轉轂轉速，必須考慮到矯直機的結構和尺寸以及運轉是否會發生偏心。根據表1所提供的轉轂轉速，可以結合公式(2)得到，導電棒的直徑為36 mm，矯直工具為斜輥，則轉轂的轉速小于350v/r·min-1，將轉速值帶入公式(2)，可以得到在矯直過程中的最大值為150 m/min。根據工廠實際情況，初定的矯直速度為30 m/min。

1.2 雙旋轉轂式矯直機模型簡化

利用DEFORM 3D軟件分析電鎳導電棒的矯直過程，主要為了研究導電棒在矯直過程中的應力應變變化情況，則需對雙旋轉轂式矯直機進行模型簡化。本研究在矯直過程中以導電棒為研究對象，與導電棒接觸的矯直機零部件對導電棒進行矯直作用，所以在簡化模型中需要設置送料輥、斜輥、出料輥，然后根據設計的矯直參數對導電棒、斜輥、送料-出料輥進行位置固定。因為DEFORM不能建立三維的幾何模型，則通過SolidWorks建立三維模型，并按照矯直參數裝配在一起，然后轉化為STL格式導入DEFORM軟件中。雙旋轉轂式矯直機的簡化模型如圖2所示。

圖2 雙旋轉轂式矯直機簡化模型

為了達到與實際情況盡可能接近，實際矯直過程中導電棒是人為送進矯直機，則在簡化模型布置中需要讓電鎳導電棒與送料輥有一段接觸，從而實現預作用。為了讓導電棒在矯直前后效果有明顯對比，現統一設置矯前導電棒平直度為15 mm/m。

1.3 網格劃分

網格劃分的方法基本分為兩種：第一種為映射法(結構化方法)，首先將需要劃分網格的區域分解成為比較規則的子域，例如四邊形或者三角形，然后在每個子域上算出各邊的節點數量，依次生成與子域形狀相似的單元。這種方法較為復雜，且網格質量不高。第二種方法為非結構化的方法，可以自動生成各個位置的網格，適用范圍比較廣。一般采用第二種。網格劃分的越細，計算的結果越精確，計算所需要的時間也越長[5-6]。

本研究根據導電棒的性質對其進行劃分網格，將Number of Elements設置為150 000，即將導電棒劃分為150 000個單元進行分散計算，同將Size Ratio設置為0.05，即將導電棒中容易發生嚴重彎曲的部位進行局部細化，網格比調整為0.05。

1.4 摩擦與接觸設置

本研究中主要涉及到的接觸關系有導電棒和8個平輥的接觸，導電棒與4個斜輥的接觸，總共12個接觸關系。DEFORM系統提供的接觸關系主要有3中，分別為剪摩擦(Shear)、庫倫摩擦(Coulomb)、混合摩擦(Hybrid)[7]。本研究所定義的導電棒與平輥之間的摩擦、導電棒與斜輥之間的摩擦均為剪摩擦，但是導電棒與平輥之間的接觸和導電棒與斜輥之間的接觸面積、方式不同，根據材料屬性和相關文獻，設置導電棒與平輥之間的摩擦系數為0.12，導電棒與斜輥之間的摩擦系數為0.05[8]。

2 模擬結果分析

2.1 轉轂轉向對矯直效果的影響

本研究設立2組轉轂轉向不同的矯直模型，第一組是兩個轉轂轉向相同(統一將轉轂轉向設置為正)，第二組為兩個轉轂轉向相反(第一對轉轂轉向設置為正，第二組轉轂轉向設置為負)，其余參數均設置相同。

本研究在相同條件下對單旋轉轂式矯直機和雙旋轉轂式矯直機進行了導電棒矯直模擬仿真，仿真過程中如圖3、圖4所示。

圖3 單旋轉轂式矯直導電棒應力分布情況

圖4 雙旋轉轂式矯直導電棒應力分布情況

本研究選取導電棒剛好經過兩個轉轂的節點來分析。單旋轉轂式矯直機在此時刻受到的最小應力為0.009 39 MPa，受到的最大應力為484 MPa，面對小變形的彎曲，導電棒并未受到合適的應力。而雙旋轉轂式矯直機在同一時刻所受到的最小應力為20.2 MPa，受到的最大應力為524 MPa，在應力分布圖中可以明顯看到，導電棒受到了比較明顯的應力變化。在以上兩圖中，可以輕易發現，雙旋轉轂式矯直機在矯直過程中使導電棒受到了比較均勻的應力變化，并且較為全面的對導電棒進行了應力覆蓋。

為了更方便地對導電棒的矯后平直度進行分析，現在本研究平均地在導電棒上標識10個點，先獲得這10個點的坐標，從而用線性回歸法獲得線性回歸圖得到矯后導電棒的平直度。兩種不同轉轂轉向分布的線性回歸圖如圖5、圖6所示。

圖5 單旋轉轂式矯直導電棒節點分布圖

圖6 雙旋轉轂式矯直導電棒節點分布圖

根據圖5、圖6，按比例的原則可以計算出單旋轉轂式矯直機和雙旋轉轂式矯直機下導電棒矯后的平直度，計算結果如下：

單旋：A1=5.89 mm/1.363 m=4.32 mm/m；

雙旋：A2=3.54 mm/1.358 m=2.60 mm/m。

從上面結果可知：兩種不同旋向的矯直機相比，雙旋轉轂式矯直機比單旋轉轂式矯直機在矯直小變形彎曲方面有更好的效果。

2.2 拉料速度差對矯直效果的影響

送料速度指的是導電棒在矯直過程中，夾緊輥(送料輥)以多大的速度將導電棒送入轉轂內[9]。拉料速度指的是導電棒在經過矯直后即將走出轉轂時，夾緊輥(拉料輥)以多大的速度將導電棒拉出轉轂。在設定轉轂轉向、轉速等其余參數不變的情況下，本研究設置送料-拉料速度差來進行矯直過程的模擬仿真，從而分析拉料速度差對矯直效果所產生的影響。

本研究分別設置2組不同的拉料速度來進行導電棒的矯直模擬仿真，2組參數分別設置為：①拉料速度=送料速度=30 m/min。②送料速度=30 m/min，拉料速度=32 m/min。經過有限元模擬分析，在送料速度等于拉料速度、送料速度小于拉料速度的情況，且在矯直過程中沒有出現導電棒失真變形或其他情況，這兩組在矯直過程中的應力分布情況如圖7、圖8所示。

圖7 第一組拉料速度差矯直導電棒應力分布情況

圖8 第二組拉料速度差矯直導電棒應力分布情況

當送料速度等于拉料速度時矯直機在此時刻受到的最小應力為0.982 MPa，受到的最大應力為345 MPa。而當拉料速度大于送料速度時，且在同一時刻所受到的最小應力為1.254 MPa，受到的最大應力為425 MPa，在應力分布圖中可以明顯看到，導電棒均受到了比較明顯的應力變化。在以上兩圖中，不難發現，當拉料速度大于送料速度時，導電棒內部所受的力更加均勻，并且應力集中在拉料輥和送料輥之間，使這段導電棒產生了一定的張力。

為了更方便地對導電棒的矯后平直度進行分析，現在本研究平均的在導電棒上標識10個點，先獲得這10個點的坐標，從而用線性回歸法獲得線性回歸圖得到矯后導電棒的平直度。兩組不同拉料速度差矯后導電棒的線性回歸圖如圖9、圖10所示。

圖9 第一組拉料速度差矯直導電棒節點分布圖

圖10 第二組拉料速度差矯直導電棒節點分布圖

根據圖9、圖10，按比例的原則可以計算出按兩種拉料速度差設置的導電棒矯后的平直度，計算結果如下：

A1=3.54 mm/1.358m=2.607 mm/m；

A2=3.31 mm/1.356m=2.441 mm/m。

從上面結果可知：

此兩組速度設置，即拉料速度等于送料速度和拉料速度大于送料速度對矯直效果的影響并不是很明顯。兩種速度差設置的模擬結果可以發現，雖然當拉料速度大于送料速度時，矯直效果沒有明顯的改善，但是觀察導電棒的內部應力可以發現，拉料速度大于送料速度時，導電棒內部產生一定的張力，更有利于提高導電棒的矯直效果。

3 結束語

本研究以規格為φ36×3×1 350的電鎳導電棒為

研究對象，通過Deform 3D軟件建立了雙旋轉轂式矯直機的有限元模型，分別對轉轂旋向和拉送料速度差這兩個設計參數進行了有限元分析。

研究結果表明：當轉轂旋向為雙旋時，矯后導電棒的平直度可達到2.60 mm/m，效果比單旋的好；拉送料速度差設置為送料速度小于拉料速度時，矯后平直度為2.441 mm/m，且在導電棒內部產生張力，對小變形彎曲矯直效果好。其次，雙旋轉轂式矯直機在矯直過程中導電棒的應力分布和矯后平直度方面都比單旋轉轂式矯直有更好的效果，說明雙旋轉轂式在接觸軌跡和應力分散等方面相比于單旋轉轂式都有了很大的改善。

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