拉螺旋叶片开料计算的酒风假想公式.doc

拉螺旋叶片开料计算的酒风假想公式一、前言 冷拉螺旋叶片开料问题已经存在很多年了，手册的理论公式在生产实践中有很大局限，太多资料手册大家抄来抄去，以讹传讹。这一问题不仅长时间困扰着我，相信也同样困扰着多数设计制作螺旋机的同行。二、理论计算公式 理论公式在各手册都有，只要有中学几何知识就可以推导出来，不必用微积分来虚张声势。我很早就怀疑过公式，因为公式的错误先例不是没有。几年前曾推导过一遍发现公式没有问题，又不想在机械行业深入，所以此事就不了了之。生产时靠工人的简易公式自己掌握开料的富余量，忍受其螺距误差，得过且过。 理论公式： S螺距 D螺旋体外径 d螺旋轴直径 一螺距的螺旋外径展开长 一螺距的螺旋内径展开长 螺旋叶片宽度 开料叶片内孔半径 R=b+r（公式5）开料叶片外圆半径 整圆开料理论上拉伸后的富裕角 手册上不仅给出了这些公式，还给出了不同规格螺旋机的叶片开料尺寸表格，都是理论值，可以说用在实践中就是错误的，根本没用。手册公式表格如果不能用于指导生产，那么它又有何价值？ 三、关于叶片下料切口(富裕角)的问题 上面的理论公式中有一项整圆开料理论上拉伸后的富裕角，这个问题是我耗费精力深入大论的引子。 手册上引出这样一个项目给了无数人误导，以为缺口应该开料切除，论坛帖子里甚至有人解释说“这么做一定有其道理，我们不用知道为什么，照做就行了”。有的说去缺口为了焊接时接缝整齐。还有一杂志上的一篇技术文章对不带缺口的叶片发现新大陆似的进行“理论计算”，结论是不开切口如何省料。这些观点都让我“忍无可忍”。 我在这里讲两点： 1、我们厂十几年来制作螺旋机，下料一直是不开缺口的整圆。 2、开缺口的叶片开料方法从理论上就是错误的。 一个圆环的缺口部分与其他部分性质上有区别吗？仅仅是占据的圆心角大小不同而已。 ，在理论上叶片开料内径及外径对应的富裕角相同，这一点手册上没有列出来，也没有必要列出来。公式里列出富裕角仅仅是表明，开料为一个整圆时，圆环拉伸后理论上对应的螺旋叶片大于一个整螺距，手册上画的带缺口的图是对应一个螺距的，是正确的，并没有说下料时要把长出部分切除呀。 所以，不开缺口的开料方法不单是为了省料，不单是为了错开焊缝，也不单是为了加工省事，而是因为这样做在理论上就是正确的。开料时去掉缺口真的是多此一举。 接口焊缝有V型口对不正是因为叶片拉伸时接口处的变形不充分造成，即使去掉切口，这一问题仍然存在。不过该问题在成形时可以忽略其影响。 四、螺旋叶片的加工分析及叶片开料假想公式 本人经过半个月大部分业余时间、部分上班时间，在车间、设备现场等进行了大量实测、分析计算，得到以下结果，希望能够更精确的指导生产。 实测数据见下表。其中D，d、2r是由我提供给车间生产的尺寸，序号4、5的2r是车间自己计算我从工人那里得来，序5的2r应该是记错了，S、l（内圆拉伸后螺旋长）以及序号8、9、x的叶片开料外圆278，其b都是我实测的。序号6、7本为d800螺旋，轴管是402管磨损已经不到400了。序号x是用序号8、9的半成品实测的，其S值取内外缘S均值。2r（计）是通过修正后的假想公式计算出来的开料孔径。表中=/360，=（l-l)/l，=(l-2r)/2r内孔伸长率，=arctg(S/d)内螺旋升角。 表一序 D d S b h l(计) 2r(计) 2r 2r(计) l (计) 测计 (计) 测计 0 300 89 295 105.5 6 406.45 147.58 135.2 135.22 460 46.54 8.3% 12.33% 11.64% 1 250 133 245 58.5 6 484.36 167.49 161 161.47 528 30.39 4.39% 7.95% 8.27% 2 250 133 250 58.5 6 486.91 168.89 161 162.46 533 30.89 5.38% 8.23% 8.65% 3 350 159 355 95.5 6 612.81 215.7 206 204.34 690 35.4 6.6% 9.57% 11.19% 4 300 108 225 96 6 407.12 139.12 135 134.78 435 33.55 2.57% 6.85% 6.4% 5 300 159 250 70.5 6 558.58 189.1 179 184.76 590 26.59 4.92% 5.98% 5.33% 6 798 400 350 199 12 1304.47 423.18 422 422.36 1330 15.56 0.32% 1.88% 1.92% 7 798 400 395 199 12 1317.25 429.49 427 427.88 1350 17.45 0.64% 2.37% 2.43% 8 245 70 220 87 8 311.06 111.22 104 104.35 342 45.01 4.67% 10.97% 9.05% 9 245 70 210 88 8 304.07 107.77 102 101.96 337 43.68 5.17% 10.19% 9.77% x 268 92 122 87.5 8 313.72 102.82 103 102.81 327 22.88 1.06% 2.88% 4.06% 实测数据存在着这样那样的测量误差，有时相差1mm伸长率结果就差百分之几十，对于经验总结很不利。有些螺距是取的测量均值，这样对于单个叶片误差很大。 1、理论公式计算下料尺寸出错的根源 我们使用的叶片一般是Q235、Q345（16Mn）等低碳钢塑性材料，叶片从圆环面拉伸变为螺旋面是一个弹性加塑性变形的过程，拉伸结束达到要求螺距后焊接，这两个变形同时保留下来。弹性变形形成的应力会因时效消失。根据虎克定律：=E，达到235MPa，或345MPa的屈服极限S就开始塑变，即使达到强度极限b（1.52S），因为E=200Gpa，线应变也仅千分之二，所以在以下讨论中弹性变形可以忽略不计。 塑性变形伸长率或断面收缩率对于低碳钢材料可以达到2030%，这是按理论公式计算下料尺寸后螺距变大的根本原因。经实测我厂近来加工的十几台各型号的螺旋机，或螺旋配件，发现所有叶片都不同程度的伸长了，小到百分之零点几，大到10%左右。 2、冷拉叶片的加工方法 我们采用的加工方法是将螺旋轴管一端套在固定的细轴上（该固定轴固定在车间某个立柱上），另一端用顶针顶住便于旋转螺旋体，又可以调节轴管长度。下料的整圆叶片气割割口后一端焊在轴管顶针端（或焊在已经拉伸的叶片一个端头上），另一端用螺丝夹具夹牢，套在钢丝绳上。钢丝绳通过地面的一个固定的90度改向滑轮连接到行吊上。点动行吊就可以提供数吨的拉力，比用手葫芦省力方便得多。 随着叶片S的变长，叶片内孔越来越贴近轴管，拉力也越来越大，一边行吊拉，同时还要用铁锤锤击辅助变形，使弹性变形部分变为实在的塑变，减少行吊一直紧绷的拉力，加工很快。 当叶片贴紧轴管时，拉伸仍然能够进行，此时如果还没有达到要求的螺距，可以继续拉伸，直到达到要求或拉伸太困难停止。如果已经超过要求的螺距叶片内孔还没贴紧轴管，那么只有继续拉伸，直到叶片基本上贴近轴管才停止拉伸。一边拉，一边锤击，达到要求还要一边点焊。 拉伸结束，叶片已经围绕轴管上升了S+S的距离，同时拉伸端也比焊接的固定端超出了360o，多转了的余角。 因为夹具固定部位以及另一端焊接部位无法象中间其它部分那样延伸变形，所以叶片接口部位显得有些直，不象螺旋线那么顺滑。以至于接口部位不能连贯的对齐，而且也影响螺距。连续冷拉叶片就比这种方法好些。不过这对输送物料影响很小，使用一段时间焊缝磨损后也看不出来了。 3、D、d、S、之间的变化关系 假设我们需要制作的螺旋体直径D，螺旋轴管直径d，螺距S。一个完整的叶片，开料外圆半径R，内孔半径r，拉伸过程结束测量的内孔线长为l,外圆线长L。上面关于L、l的理论公式仍然成立，但是r及余角公式变了，因为L、l都已经是塑性变形伸长了的，多出个变量：内孔伸长率 余角 叶片下料内孔半径用r表示，富裕角用表示，区分于理论公式的r，。从余角公式也可以推出： R=r+b（公式9）对于一个已经开好的叶片，R、r是定值。拉伸时叶片的螺距逐渐变大，对应的名义轴管直径逐渐变小，接近d。余角、伸长率也逐渐变大。当d，r固定，则螺距S只与、相关。 S与D、d的比值一定影响着、的大小。因为S/D（S/d）越大，叶片拉伸变形越大。 从公式8可以看出，如果d、S已知，求r，还有、两个未知变量。如果找不到、与D、d、R、r、S的关系式，那么就无法确定r，R。 4、确定、的假想公式（重点）既然理论上D、d、S已知，可以求出相应的R，r。那么我们可以假想一个开料的叶片R、r，该叶片拉伸后恰好放大到理论计算的R、r。（假想一）这样我们就得到一个变量的确定值了，就是理论计算值，见公式6。这一设想与实测数据基本吻合（见表一的与）。 这假想存在一个问题，就是按照我们的加工方法，叶片沿着轴管的轴向受拉力。当螺旋升角很大时，甚至达到五六十度，叶片变形一定很严重，伸长率也很大。其伸长的部分应该是更多的体现在螺距的增加上，而没有按比例的在圆周方向延伸，也就是说达不到理论的富裕角。（该猜想尚未证实）由此修正一下的公式，使之随着的增大而减小，=（1-）。 还剩下一个延伸率变量。仍然从公式8看，在假定了r的情况下，是由S、d、决定的。我想沿着这样的思路一定可以找到他们的近似关系，只要这种近似产生的误差在实践中是可以接受的。 从实测数据看，越大，也越大，存在某种比例关系，但一时难以找到，尝试了多次系数范围都不理想。想到拉伸后的螺旋叶片，如果螺旋升角大，其变形也大。由此推想到用sin做系数（假想二），这就与实测数据比较吻合了。再引入两个中介变量：叶片的内螺旋升角=/360（公式11）叶片的富裕率于是有了以下假想公式：假想公式一：=（1-）（公式12）假想公式二： 公式10、11、13已经表达出是由S、d、决定的，通过以上两个假想，得到值及公式，变量问题已经解决。 已知D，d，S，通过理论公式16，再利用假想公式13，就可以通过公式8、9求出r，R。 5、叶片冷拉变形与板厚h、叶片宽度b和螺旋外径D的关系 叶片沿圆周方向的变形为纵向变形，在塑变理论里我们知道，从材料屈服后塑变到达到强度极限的强化阶段之前，其横向截面的两个横向量板厚及叶片宽度的变化相对于纵向变形是很小的，实践中可以忽略。 可是实践中板厚当然影响拉伸，因为叶片实体厚了（截面积A相对大了），=P/A，产生塑变的拉力P也大了，拉伸难度加大。尤其对于螺旋直径D比较小时，夹具夹紧位置对应的力臂也小，影响会更大。如果基管直径d也小，螺旋升角又大，过厚的板厚螺旋塑变时会引发板厚方向的扭曲，叶片内孔沿着基管的变形会有额外的阻力，那么公式中就必须引入板厚参数，此时应该将r加大。 在只给出D、d、S，没有给出开料尺寸R、r时，我们车间师傅是按以下简易公式计算开料尺寸的。 经验公式：（h是板厚） 此公式可以作为生产公式，在通用机型中误差相当小。但是在螺距较小时（小）其结果偏大，螺距大时（大）结果偏小。因为该公式既没有考虑富裕角、也没有考虑伸长率，更夸大了板厚的影响（1倍的系数！）。同样的，叶片宽度b如果相对于开料内孔2r比值较大，变形难度也较大。这会引发内孔比较大的伸长，内孔伸长率大了，对应的开料尺寸就小了，其影响已经体现在中，不必再引入修正参数。这一结果可以在我发布的计算小软件中验证。 有些人用下料直径2r减去板厚h得到一个偶然误差小的r值。还有一篇杂志发表的水泥建材行业螺旋机自制螺旋叶片下料的计算方法，竟然把圆环外径富裕量（周长量）加到下料叶片直径D（径向量）D=D+（L-D）。经过检验，按其计算方法开料有些情况下偶然相近，多数与我们加工的螺旋相去甚远。 在钣金展开放样里有一个中性层的概念，中性层就是材料弯曲变形后假想的没有发生变形的那个位置。那么是不是叶片变形在径向也有一个中性层呢？我说没有！因为整个叶片全部随着内径r在伸长，叶片的变形从里向外逐渐变小，但不会变到零，除非外径无穷大。 螺旋外径D是由b和d决定的，因为螺距S的变化被r和d限住，r贴紧d就决定了S。D是被动变化的，它对S影响很小。以上所谈、均是对内孔而言，内孔的定了则外圆的伸长率也就定了。6、公式的修正 从以上公式可以看出，所有参数与板厚h无关。又从上述分析得知必须引入板厚参数修正公式。板厚的影响也与螺旋升角有关，当板厚在2mm以下时忽略其影响，其影响系数还要大量实测检验。暂定为以下公式：修正公式： 还有几组测量数据因为仅测量了螺距S，没有测量内孔拉伸后的螺旋长l。序号到是我们以前的常规产品，按照经验公式14计算的，加工检验过，螺距基本正确。以下数据可用来检验假想公式。 D=250,d=89,S=232,h=8开料2r=122，2R=283。 D=250,d=60,S=265,h=8开料2r=108，2R=298。 D=160,d=50,S=160,h=3开料2r=73 D=200,d=60,S=200,h=3开料2r=90 D=250,d=60,S=250,h=3开料2r=102 D=320,d=76