六輥薄壁管材矯直機參數設計與仿真分析

楊會林 黃開旺 周傳香

(東北大學機械工程與自動化學院 遼寧沈陽110819)

1 前言

六斜輥矯直機在國內矯直厚壁管材方面應用廣泛[1]。其中，六個輥子分上下各3個且成對排列。其輥型都是雙曲線輥型，但由于分布不同，主要起到的矯直作用也不同。第一對輥子主要起到咬入管材和圓整管材端面的作用，管材在經過第一對輥子時的彈塑性彎曲變形不是很大。當管材經過第二對輥子時，管材的反彎量會增大[2]。管材將發生較大變形，但管材的變形并不是連續的。也就是說會出現矯直盲區，即存在不能被矯直部分。這也是一般六斜輥矯直機的缺點，不能使被矯圓材實現全長矯直。常見的六斜輥矯直機能夠相對均勻矯直厚壁管材，但不能用來矯直薄壁管材。

將以原有的六斜輥矯直機為基礎進行了輥型的改進，將第二對的雙曲線輥型設計為凹凸輥[3]，實現管材的全長矯直，并針對薄壁管特性設計相應的輥型參數。同時通過在壓下系統中安裝伺服機構可以實現自動補償機架變形，保證機架能穩定工作，從而使被矯直的薄壁管材具有較高的矯直精度。

2 原理與參數設計

2.1 斜輥矯直原理[4]

2.1.1壓扁矯直原理

斜輥矯直機在矯直管材時，管材同時受到反復的縱向彎曲和橫斷面壓扁的綜合作用，同時在矯直輥的帶動下薄壁管材邊旋轉邊前進。管材的旋轉可以使薄壁管材同一個橫斷面處處得到壓扁，起到圓整橫斷面的作用。不僅可以獲得較好的矯直效果，還能對管材起到圓整效果。1處的管材外表面受拉應力，內表面受壓應力。區域2處發生塑性變形，外表面受到壓應力，內表面受到拉應力。區域3處同區域1處。

圖1 管材壓扁矯直時的受力狀態和壓扁力圖

由圖看出，管材處于矯直輥的輥腰處，并且輥子與輥子之間的距離即輥縫小于管材的外徑。由于管材在矯直過程中不停的旋轉，管材每一個圓斷面上的各個方向都會壓扁管材，使管材發生彈塑性變形。從而，起到圓整橢圓端面的作用。

2.1.2反彎矯直原理

多斜輥矯直機中，幾對輥子與管材共同構成幾個彈塑性彎曲矯直區，使管材每個斷面都能被多次反彎，在一定程度上起到矯直的目的。管材在輥子的作用下會旋轉，又使管材在不同方向上得到反彎，也就可以改變各個方向上的彎曲曲率，從而改變彎曲半徑。被矯直工件每旋轉一周就可以反彎兩次，矯直輥的個數不需太多就可以達到一定的矯直效果。一般矯直輥構成l～3個彈塑性彎曲單元即可達到想要的矯直精度。

圖2 管材彎曲矯直時的彎曲力矩與壓彎量圖

2.1.3輥系的選取

輥型采用雙曲線形式，一方面可以保證矯直輥與管材成線性接觸，保證矯直質量。另一方面，利用雙曲線形的輥子來約束管材，使其在矯直加工過程中正常旋轉前進并且不會偏離生產線。

輥系的安排對矯直精度有很重要的關系，需根據矯直材料的特性來安排輥系的布置，常見的輥系見圖3。

圖3 斜輥矯直機的典型輥系圖a-輥形凹凸扁化； b-橢圓變形； c-管材矯直專用輥系；d-全部驅動輥; e-輥子后加l輥； f-7輥薄壁矯直機；g-9輥高速矯直機

2.2 薄壁管材矯直機輥型設計

2.2.1輥子與管材的關系

下圖4顯示輥子與管材關系。

圖4 輥子與管材的關系圖

可得幾個速度關系：

矯直輥轉動的圓周速度：

(1)

管材前進速度，即矯直速度：

v3=v0sinα

(2)

管材轉動的圓周速度，即：

vn=v0cosα

(3)

矯直輥轉動速度：

(4)

管材轉動速度：

(5)

式中：D0-輥子與管材接觸處輥子直徑，mm；

n0-輥子的轉速，rad/min；

α-輥子傾角，度；

d-管材直徑，mm。

根據生產要求，設置矯直輥的轉速為2.8rad/min，管材的轉速為3.6rad/min，管材的前進速度為40m/min。

2.2.2輥子傾角α的選取

矯直輥與管材之間的夾角，對矯直質量和矯直速度都會有很大的影響。當傾角過小時，矯直速度小，能耗就大。當傾角過大時，管材和輥子的接觸線短，管材在被矯直過程中容易發生應力集中，影響矯直質量，甚至出現廢品。管材旋轉一周前進導程為[5]：

t=πDtanα

(6)

管材的彎曲次數為：

i=lp/t

(7)

式中：D—管材外徑，mm;

α—為輥子與管材之間傾角，度；

lp—為彈塑性變形區長度，mm。

從矯直次數方面考慮，若傾角過大，前進導程就大。從而矯直次數減少，使管材的彈塑性變形區面積減小，影響矯直質量。一般矯直機的傾斜角范圍為25°—35°，本文選取的矯直輥的傾斜角為α=30°。

2.2.3矯直輥輥腰半徑Rg的選取

矯直機的矯直速度為：

v=vgsinα=(2πRgngsinα)

(8)

式中：Rg-輥腰半徑，mm ；

ng-為輥子轉速，rad/min；

α-輥子傾角，度。

考慮到矯直速度，管材所受的約束力，加工制造成本等因素，基于以上原因，矯直輥的輥腰半徑Rg要滿足以下要求：

Rg≥(2～3)R

(9)

其中，R—管材外徑，mm。

據本文所矯直的管材直徑范圍φ12～φ35mm，求得Rg=(2～3)R=(2～3)*17.5=35～52.5mm，Rg取為50mm。

2.2.4輥子長度Lg的選取

參照統計數據，采用下式來確定輥子長度：

t≥πDtanα

(10)

Lg=(2～3)t

(11)

式中：D-管材外徑，為35mm；

t-為管材的螺旋導程，mm；

Lg-為輥子有效長度，mm。

經計算求得輥子有效長度127～354mm通過經驗分析和設計要求，輥子有效長度取200mm。

2.2.5輥距p的選取

輥距的設計對矯直的結構，強度，尺寸都會有很重要的影響。而且，輥距的大小也會對矯直力有影響。輥距越大，矯直力越小，機架的受力就越好。

輥系中各對輥子間的距離可通過下式計算：

p=(2～2.5)Lg

(12)

為考慮設備占地面積，設計的矯直機的整體尺寸不需太大，輥距p取400mm。

2.3 管材的彎曲變形與彎矩分析

判定矯直效果的標準是與管材的塑性變形面積有關，當塑性變形的面積占環形彈塑性變形面積的75%以上時就可達到很好的矯直效果。管材的彎矩比[6]為：

(13)

式中：r-管材內半徑，mm；

Rt-彈性核心半徑，mm；

ζ1-彈區比，ζ1=Rt/R，無量綱；

α-管材內外半徑比，α=r/R，無量綱。

圖5 管材的彎矩比和彈區比曲線圖

2.4 矯直力的計算

傳統的六輥矯直機六個輥子的輥型全是雙曲線形，而新六輥系統中間一對輥子設計為一凸一凹的形式。主要是考慮到凹凸輥可以實現管材的全長矯直的優點，然后進行了相應的改進設計。下面通過分析獲得了新輥系彎矩和矯直力，見圖6。并根據彎矩作用模型，進行的相應情況下3對輥子矯直力的計算。

圖6 新222輥系矯直彎矩模型圖

矯直力理論計算：

1)鋼管內外徑比α=r/R=0.77

其中R和r分別為鋼管的外半徑、內半徑，R=17.5mm，r=13.5mm。

2)鋼管彈性極限彎矩Mt為：

(14)

式中，σt管材的彈性極限，σt=σs=350MPa。

3)鋼管的彈區比ζ=a-0.1=0.67

(16)

得Mmax=1701348N

5)按圖8計算矯直力為，凹凸輥輥端彎矩M2由出入口的輥組來實現，力F3為兩側輥組的作用力，力臂為(ρ-Lg)/2。對于單向反彎輥形，在F3處增加一個壓緊力F3Y：

式中：t-中間凹凸輥導程，t=Sd=Lg/4=50mm(Sd為中間凹凸輥精矯區，mm) ；

δ-管材壁厚，δ為4mm；

R-管材外徑，R為17.5mm。

故F3求得：

(18)

最大彎矩出現在凹凸輥處，而且此處為2個等曲率反彎矩，所以最大矯直力出現在凹凸輥輥腰處為：

(19)

求得F∑=57988N。

軸承受力總和為：

(20)

其中，θ—軸承推角，θ=35°。

求得軸受力承總和即棍面法向受力總和F=24380 N。

2.5 壓下系統

在以往矯直機設計中，矯直輥的壓下行程和壓下量都是人工調整，這就大大降低了工作效率。壓下系統中增加了伺服驅動，可以自動補償機架工作過程中的變形量。從而保證機架工作中的穩定性，實現高精度的要求。

壓下過程可電動或手動控制實現。電機或手輪帶動蝸輪減速機傳動滾珠絲桿實現矯直輥的上下移動，壓下采用伺服電機控制，可根據預設參數自動調整壓下量，同時現場有位移量的指示表盤(指示精度0.1mm)及相關位移量參數的傳感機構，在板式工控機顯示壓下位移量(顯示精度0.01mm)，并可記憶。壓下行程為100mm。每個上輥壓下過程均為電動或手動單獨調整，其壓下過程是在非矯直

圖7 壓下系統圖1-壓下軸承座；2-壓下絲杠；3-壓下螺母；4-滑動套；5-矯直輥座；6-矯直輥

3 管材矯直過程仿真分析

驗證被矯直管材能否達到想要的矯直精度,利用有限元分析軟件模擬實際工作環境對管材矯直過程進行了動態仿真分析。本次仿真分析采用ANSYS/ Explicit STR顯示動力學模塊進行分析。

3.1 建立模型

在SolidWorks中建立矯直輥與管材的簡化模型，導入ANSYS Explicit STR顯示動力學模塊。將三維模型導入ANSYS/Workbench中對管材的變形進行仿真分析。矯直過程簡化模型，見圖8。

圖8 矯直過程簡化圖

3.2 材料屬性的定義

本文要矯直的薄壁管材屬于不銹鋼或合金管材，其材料特性相當于06Cr19Ni10的屬性。管材的基本規格參數為：外徑 為35mm，壁厚 為4mm，取管材長度為1000mm。該薄壁管材的材料屬性，見表1。矯直輥的材質Cr12MoV,輥面硬度為 HRC58-62，其屈服強度為1370MPa，抗拉強度為1620MPa。

表1 鈦合金管材的材料屬性

3.3 網格劃分

因矯直輥變形量小，為加快仿真速度，將矯直輥設為剛性體，將薄壁管設為變形體。采用自動網格劃分。劃分完網格后節點數為2512，單元數為11799。其網格劃分情況，見圖9。

3.4 其它定義

指接觸的處理，載荷、邊界條件和約束。通過壓下系統調整輥子的壓下行程和自轉速度，管材在輥子的摩擦作用下一邊旋轉一邊前進。同時，輥子給管材施加矯直力時管材被矯直。這里取動摩擦系數0.2，靜摩擦系數0.3。6個矯直輥的轉速都相同，都有驅動作用。管材矯直速度設為40m/min，轉速設為3.6rad/min。

圖9 矯直輥和管材網格圖

3.5 求解

考慮到仿真存在不收斂現象。分析時間步長取0.0001s。

3.5.1管材矯直穩定狀態分析

當矯直過程達到一個穩定狀態時，對薄壁管材的變形進行分析，同樣時間步長取0.0001s，通過分析最后獲得矯直過程中薄壁管材的變形云圖，見圖10。

圖10 薄壁管材變形云圖

通過對矯直輥矯直薄壁管材的仿真變形仿真分析，可以看出隨分析時間的變化薄壁管材的最大變形量為0.088264mm。本課題設計矯直精度要求≤0.3mm/m，說明管材在矯直過程中能正常運轉，而且也能達到要求的矯直精度。

3.5.2凹凸輥矯直管材變形分析

中間一對輥子主要起到反彎作用，兩邊的輥子的應力相對中間的凹凸輥子小。對薄壁管材的變形進行了相應的變形分析，同樣時間步長取0.0001s，通過對中間凹凸輥進行矯直過程的動態仿真分析，獲得該薄壁管材的變形云圖，見圖11。

圖11 薄壁管材變形云圖

由管材變形云圖可以看出管材在矯直過程中，變形主要在管材徑向方向。分析的管材的變形最大為0.085468mm。本文設計矯直精度要求≤0.3mm/m，說明管材在凹凸輥矯直過程中能正常運轉，也可達到一定矯直效果。