二辊矫直机矫直过程的有限元分析

二辊矫直机矫直过程的有限元分析

二频冲程机广泛应用于我国的工农业和杆材料生产中，主要用于棒材料和杆材料的精整过程。二辊矫直机在矫直理论方面有其独特的特点,它依靠一对凹辊和凸辊的旋转运动带动工件螺旋前进。工件在螺旋运动过程中承受径向力和轴向力,使弯曲的工件发生多次连续的弹塑性变形,从而达到矫直工件的目的,同时降低了工件的圆度误差和表面粗糙度,增加了表面强度。随着计算机技术的迅速发展和市场竞争的日益激烈,人们对圆棒材尺寸精度、表面粗糙度、力学性能等要求不断提高。应用计算机模拟技术来仿真棒材的矫直过程,预报产品精度及验证辊形曲线的可行性、合理性已成为开发新型矫直机的必需手段。通过此种计算机辅助设计和制造方法可以获得优化的矫直辊形参数、工艺参数和设备参数,指导棒材的生产和设备设计加工,进而减少因试生产造成的浪费,节约资源。借助有限元模拟仿真技术可对矫直过程中涉及的复杂的连续反弯、弹塑性变形进行分析,同时还能考虑多种物理量间的相互影响,因此有限元模拟仿真技术是有效的研究矫直过程等金属弹塑性变形问题的重要工具。本文应用ANSYS软件中的LS-DYNA(显式动力分析)模块建立了二辊矫直机矫直过程模型,动态模拟圆材的矫直过程,分析了矫直过程中金属的应力场、应变场、速度场、变形场等相关重要参数。结合实际生产工艺,通过调整斜辊的倾斜角度改变接触线长度和旋转次数,以便分析倾斜角度对矫直质量和矫直力的影响,同时找到了该规格圆棒材的最佳倾斜角度,为实际生产和矫直机本体的设计提供指导。1分析模型的构建1.1种新的矫直材料二辊矫直机的矫直过程是一个既有接触非线性,又有几何非线性和边界非线性的多重非线性相互耦合问题。矫直辊的辊形曲线如图1所示,其辊形分为三段,即辊腰段(使圆材受到较大而且均匀的弯曲变形,达到统一残留弯曲的目的)、辊腹段(要把已经统一的残留弯曲矫直,达到消除残留弯曲的目的)和辊胸段(要把一些意外未被矫直或超差的部位进行补充性的矫直,达到精矫的目的)。带有原始弯曲曲率的工件在由一凸一凹两辊组成的辊缝中,经过曲率由小变大,保持一段等曲率,再由大到小的多次连续反弯、弹塑性变形而被矫直。根据虚功率原理建立考虑变形速度和加速度的有限元方程为:[M]{U⋅⋅}+[C]{U˙}={P}−{F}(1)[Μ]{U⋅⋅}+[C]{U˙}={Ρ}-{F}(1)式中,[M]——整体质量矩阵[C]——整体阻尼矩阵{P}——外力节点力矩阵{F}——由内应力计算的整体节点力矩阵{U⋅⋅}{U⋅⋅}——整体节点加速度矩阵{U˙}{U˙}——整体节点速度矩阵式(1)中通常有隐式和显式两种算法,本文采用了ANSYS软件的LS-DYNA模块所提供的显式算法。1.2棒材本构模型二辊矫直机由凹辊(上辊),凸辊(下辊),左、右导板,入口、出口导套等零部件组成。利用ANSYS前处理器建立矫直过程的三维实体模型。选用具有显式分析功能的SOLID164八节点有限元单元对实体模型划分网格,为得到较为规则的网格分布,采用映射分网技术,分网后的有限元模型如图2所示。单元属性的定义包括单元类型(TYPE)、实常数(REAL)和材料模型(MAT)。在网格划分前分别定义了棒材、矫直辊、导板、导套的单元属性,以便模型各组成部分可以生成不同的PART进行接触分析。为了加快计算速度将上、下矫直辊,入口和出口导套,左、右导板都设为刚体,将棒材设为双线性随动模型。棒材材质为TC4钛合金,其属性如表1所示,直径为ϕ25mm,长度为250mm,原始最大弯曲度为1/90mm.在棒材矫直的数值模拟中,棒材具有弹塑性属性。材料强度很高没有屈服平台,在弹性极限后很快产生加工硬化现象,属于弹塑性线性强化材料。材料在弹性变形阶段,应力应变关系符合广义胡克定律,在弹塑性变形阶段,材料有硬化产生,强化程度由强化模量E′表示,在弹性阶段和硬化阶段的材料的应力应变关系分别为:εt=σtE(2)εb=εt+σb−σtE′(3)εt=σtE(2)εb=εt+σb-σtE′(3)强化模量E′由下式计算:E′=σb−σtδ5−δt=σb−σtδ5−σt/EE′=σb-σtδ5-δt=σb-σtδ5-σt/E结合表1和式(2)-式(3)可以计算出:εt=0.00728‚εb=0.1εt=0.00728‚εb=0.1由此可以得到棒材的变形抗力曲线,如图3所示。1.3导板及分段约束棒材与矫直辊、导套、导板间的接触都定义为面面自动接触,其摩擦系数如表2所示。约束入口、出口导套,左、右导板的所有自由度,上下矫直辊约束除绕一矢量旋转以外的所有自由度。为了使工件能顺利咬入,选取工件上所有的节点,将其建为组件,并在其上施加一定的初速度,给上、下矫直辊施加14.75rad/s的转速。2矫直辊与棒材的接触具有初速度的棒材,在凹、凸辊的摩擦力矩作用下做螺旋形运动。在矫直辊缝中,棒材经过连续反弯变形而得到矫直。为了保证矫直质量,在矫直过程中矫直辊应与棒材保持线性接触。二辊矫直时按照理想要求,在接触区内等曲率塑性区应由凸辊的接触来保证,支承区应由凹辊的接触来保证。从图4可以看出,该辊形符合这个规律,可以有效的保证矫直质量。在图4中还可以看出,在棒材的矫直过程中接触应力集中在凹辊辊面,凸辊表面的接触应力相对较小,说明在棒材的矫直过程中凹辊更易被磨损。2.1棒材反弯曲性能对矫直力的影响二辊矫直机矫直力随时间的变化如图5所示。从图5中可以看出,在整个矫直过程中两个矫直辊的矫直力基本上是相等的,因此符合轧件平衡条件。棒材咬入前矫直力为零,咬入后矫直力急剧增大;随着棒材反弯曲率的增大,其矫直力在不断增大,在等曲率区其矫直机力基本上保持平稳;随着反弯曲率的逐步变小其矫直力逐步变为零。矫直辊的倾斜角度为10°、12°、15°、18°、20°时矫直力和导板力分别如图6、如图7所示。从图中可以看出随着矫直辊倾斜角度的不断增大,矫直力和导板力的大小在逐步减小。图8为倾斜角度为10度时,导板受力情况的变化曲线。从图8中可以看出在棒材咬入阶段,其导板受力比较小,随着棒材矫直过程的继续,在辊腰处棒材的反弯量达到最大值,其导板力也达到最大值,随着反弯量的逐步减小导板力又逐步减小直到零。2.2辊腹表面应力在棒材的矫直过程中,棒材表面分别与凹辊、凸辊接触并形成了反弯。从图9中可以看出在矫直过程中棒材上表面在辊子端部和辊腹段分别受到较大的拉应力和压应力,棒材下表面在辊子中间接触部位受到较大的拉应力。选取棒材表面的某一单元,其z向应力状况如图10所示。从图10中可以看出该单元在矫直过程中不断的受到拉应力和压应力的作用,而且压应力始终要大于拉应力,这说明在矫直过程中棒材的中心线偏移了辊缝中心位置。2.3棒材等效塑性应变变化规律从图11可以看出棒材刚开始咬入时,棒材上表面产生拉应变,下表面产生压应变。入口和出口导套对矫直过程有一定的影响,有预矫功能,与矫直辊一起作用于棒材,使棒材产生塑性变形;棒材在入口处受到较大的拉应变,在出口处棒材受到较大的压应变,这与实际矫直过程一致。选取棒材上某一单元,其在矫直过程中的等效塑性应变变化曲线如图12所示,可以看出从棒材开始进入矫直辊缝到离开辊缝过程中,该单元的等效塑性应变不断增加,后趋于平稳。这说明棒材在矫直过程中随着反弯曲率的不断增大,其塑性变形也在逐渐增大,在辊子中间处达到最大值而趋于稳定状态。2.4棒材残余应力将棒材头尾部分切除,研究中间稳定矫直阶段。矫直后棒材的表面和心部残余等效应力分布分别如图13和图14所示。从图13、图14中可以看出棒材表面等效应力分布很不均匀,但表面应力值较小,大部分区域都在20MPa～85MPa之间。矫直后等效应力主要集中在棒材的心部,应力变化范围为280MPa～380MPa之间。棒材残余应力主要是其在矫直过程中表层和内部的轴向纤维的塑性变形程度不一致而造成的。残余应力是影响棒材弯曲和使用性能的重要因素,残余应力值越小,棒材的使用可靠性越高。3时间-总位移曲线为了方便在LS-DYNA后处理中取出棒材中心节点坐标,将250mm长的棒材划分为6段,每段中心节点分别为图15中的A、B、C、D、E、F点。在LS-DYNA软件后处理中,画出A、B、C、D、E、F六个节点的时间-总位移曲线,如图16所示。从图16中可以看出六个节点的总位移曲线重合在一起,说明所矫棒材的矫直效果挺好。不同倾斜角度下矫直精度的比较如图17所示。从LS-DYNA软件后处理中,找出棒材6个中心节点的坐标值,用MATLAB软件分别画出倾斜角度为10°、12°、15°、18°、20°情况下矫后精度曲线,如图17所示。从图17可以看出当倾斜角度为10°时矫直精度最高,表面质量最好,其矫后精度为0.6mm/m,现场矫直精度为≤1mm/m,这与现场实际情况比较吻合。4矫直精度的应用(1)通过数值模拟方法得到了棒材矫直过程的应力分布和应变状态,与实际生产过程一致,并分析了矫直后残余应力分布及其成因;(2)研究了矫直辊在不同倾斜角度下棒材的矫直精度,得出此辊形的最佳倾斜角为10°,