二輥棒材矯直機(jī)的設(shè)計(jì)含5張CAD圖
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山西能源學(xué)院學(xué)士學(xué)位畢業(yè)設(shè)計(jì)外文翻譯山 西 能 源 學(xué) 院2021 屆 本 科 生 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)(論文)外 文 翻 譯中文題目:二棍棒材矯直機(jī)的設(shè)計(jì)姓名: 蔣少偉學(xué)號(hào): 2017008126系部:機(jī)電工程系專業(yè): 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及自動(dòng)化班級(jí): 機(jī)械1704指導(dǎo)教師: 郭曉娥職稱: 副教授完成日期:2021 年 6 月18二輥矯直過(guò)程中棒材中性層偏置的研究與驗(yàn)證摘 要:金屬材料變形過(guò)程中必然存在中性層。傳統(tǒng)的二輥矯直理論忽略了中性層的遷移現(xiàn)象,特別是大截面棒材矯直過(guò)程中。中性層對(duì)矯直回彈影響較大,進(jìn)而影響輥形設(shè)計(jì)、工藝參數(shù)和棒材直線度精度?;谌c(diǎn)彎曲和彈塑性壓力,建立了棒材矯直過(guò)程中的中性層偏移模型。通過(guò)模型研究棒材矯直過(guò)程中的中性層遷移現(xiàn)象,并結(jié)合室溫拉伸試驗(yàn)和彎曲試驗(yàn)。得到了中性層偏移量與反向彎曲半徑和金屬塑性變形能力的關(guān)系。中性層偏移模型為棒材矯直機(jī)理和變形的進(jìn)一步研究提供了參考。關(guān)鍵詞:中性層偏移;棒材矯直;回彈;三點(diǎn)彎曲;實(shí)驗(yàn)分析1引言高強(qiáng)度合金鋼在石油、汽車、造船、工程機(jī)械等領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛。矯直作為最后的精整工序,是保證生產(chǎn)棒材質(zhì)量的關(guān)鍵工序1。由于棒材的原始彎曲很可能存在于任何方向,特別適用于橫輥矯直機(jī)。兩輥矯直和多輥矯直是橫輥矯直機(jī)的兩種主要形式。然而,現(xiàn)有的多輥矯直機(jī)存在矯直盲區(qū)大、矯直全程和全程連續(xù)缺陷、矯直后需要去除頭端等問(wèn)題。而且多輥矯直機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,體積大,造價(jià)高。多輥矯直機(jī)由于矯直精度低,無(wú)法實(shí)現(xiàn)棒材矯直的高精度。與多輥矯直機(jī)相比,雙輥矯直機(jī)不僅能消除棒材盲區(qū),提高表面粗糙度,還能提高橢圓度,解決矯直后的縮口問(wèn)題。更重要的是,其矯直后棒材的殘余撓度可達(dá)到0.1-0.5 mm/m,滿足當(dāng)前高精度棒材的精度要求。國(guó)產(chǎn)小型二輥矯直裝置已經(jīng)制造出來(lái),但未能掌握輥型設(shè)計(jì)和自動(dòng)矯直過(guò)程的核心技術(shù),大截面棒材二輥矯直機(jī)完全依賴進(jìn)口。因此,在設(shè)備國(guó)產(chǎn)化的基礎(chǔ)上,我們課題組與中國(guó)河北省某公司合作開(kāi)發(fā)了高精度雙輥棒材矯直機(jī)。中性層偏移模型的偏差和建立是問(wèn)題2,3,直接關(guān)系到輥形設(shè)計(jì)的精度和矯直精度。二輥矯直是一個(gè)復(fù)雜的彈塑性變形過(guò)程。中性層偏移會(huì)改變棒材截面的應(yīng)力分布,影響彎矩比和計(jì)算的反彎曲率,最終影響輥型設(shè)計(jì)的精度。遺憾的是,現(xiàn)有的棒材矯直理論分析忽略了中性層偏移現(xiàn)象;因此,設(shè)計(jì)了軋輥形狀和工藝參數(shù)誤差較大。Guan等人的研究表明,在一定的相對(duì)拐角半徑下,中性層彎曲回彈的相對(duì)誤差可達(dá)70%以上4。目前,對(duì)于中性層偏移問(wèn)題,許多學(xué)者做了大量的研究5-8。他們的研究主要集中在兩輥矯直過(guò)程中用板和管代替中性層偏移。因此,根據(jù)其矯直過(guò)程的特點(diǎn),結(jié)合三點(diǎn)彎曲理論和彈塑性理論,建立了矯直過(guò)程中的中性層偏移模型。該工作為進(jìn)一步研究大截面高強(qiáng)鋼筋二輥矯直機(jī)理和研制裝置提供了重要參考。2建立兩輥矯直過(guò)程中中性層偏移的理論模型2.1矯直變形分析及基本假設(shè)1. 鋼筋變形前后截面保持平坦,垂直于變形鋼筋的軸線9。兩個(gè)相鄰截面之間沒(méi)有反向和傾斜。2. 材料是連續(xù)的、均勻的、各向同性的,中性層的應(yīng)力和應(yīng)變被認(rèn)為是一致的10。3.忽略棒材矯直過(guò)程中直徑的變化。4. 彎曲塑性變形過(guò)程符合等體積原理。5. 等效應(yīng)力和等效應(yīng)變具有的硬化指數(shù)關(guān)系,當(dāng)B為塑性材料系數(shù),n為材料硬化指數(shù)11。二輥矯直機(jī)矯直棒材時(shí),彎曲撓度由凹輥角和凹輥間隙決定。通過(guò)調(diào)整輥縫,實(shí)際彎曲撓度可以從0變化到最大彎曲撓度12。更合理的矯直狀態(tài)如圖1所示;在試驗(yàn)過(guò)程中,矯直變形近似于三點(diǎn)彎曲。從棒材矯直變形區(qū)取一個(gè)ABCD單元,如圖2所示。圖中棒材彎曲中心為柱面坐標(biāo)系的原點(diǎn)。根據(jù)假設(shè)(3),r方向的變形可以忽略不計(jì),方向應(yīng)力要小得多,可以忽略不計(jì),即。因此,棒材矯直變形區(qū)單元應(yīng)力狀態(tài)可簡(jiǎn)化為平面應(yīng)變問(wèn)題和,同時(shí),假設(shè)(1)表示。2.2矯直過(guò)程中的應(yīng)變關(guān)系在進(jìn)入矯直機(jī)前,由加工或熱處理引起的棒材彎曲的原始形式在長(zhǎng)度范圍內(nèi)有單彎、S彎、多峰彎和空間彎13,如圖3所示。在矯直輥中心段,將所有的彎曲方式統(tǒng)一成單一的彎曲方式。一般將原始彎曲形式簡(jiǎn)化為單一彎曲形式,便于理論分析??梢约僭O(shè)單元ABCD初始處于拉伸狀態(tài),反向彎曲14后處于壓縮狀態(tài)。進(jìn)入矯直機(jī)棒材彎曲程度小。考慮中性層與棒材幾何中心軸線重合,則棒材單位初始長(zhǎng)度為:(1)式中,為單位原始彎曲半徑,為單位原始彎曲角。單元ABCD原纖維長(zhǎng)度:(2)式中為單位的原始彎曲半徑。單元彎曲后,中性層長(zhǎng)度為:(3)式中,為反彎后中性層的半徑,為反彎角。此時(shí),單元ABCD的光纖長(zhǎng)度:(4)因此單位在切向上的真應(yīng)變?yōu)椋海?)矯直前后棒材中性層長(zhǎng)度為常數(shù),即:(6)最后,(7)其中為桿的反向彎曲半徑。2.3塑性變形區(qū)應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系棒材的塑性變形面積符合相應(yīng)的塑性變形規(guī)律。根據(jù)假設(shè)(4),。在平面塑性變形中,r方向無(wú)變形,即。根據(jù)增量理論15:(8)因此,等效應(yīng)變等效應(yīng)力銷塑性變形區(qū)分別為:(9)(10)2.4外力與塑性變形區(qū)應(yīng)力的關(guān)系半空間如圖4所示,在加載區(qū)域S的內(nèi)表面,而A(x, y, z)是固體中的一點(diǎn)16。所以距離是:(11)勢(shì)函數(shù)定義為:(12)當(dāng)勢(shì)函數(shù)定義為:(13)定義為:,z方向位移函數(shù)為:(14)z方向的應(yīng)力函數(shù)為:(15)邊界條件是:當(dāng)集中的力P垂直作用于原點(diǎn)表面時(shí),將定義的Boussinesq勢(shì)能函數(shù)簡(jiǎn)化為: (16)z方向的應(yīng)力分量表示為:(17)2.5中性層偏移的數(shù)學(xué)模型棒材在矯直過(guò)程中,除塑性變形區(qū)外,中性層附近還存在彈性變形區(qū)。在它們的邊界面上畫出的關(guān)系,即(18)根據(jù)假設(shè)(5)得出結(jié)論(19)即(20)用聯(lián)立方程消去r(21)理論推導(dǎo)中采用的半空間假設(shè)與桿件與凸輥的接觸條件不同,因此采用了修正系數(shù)(22)這里,兩者都是與材料相關(guān)的系數(shù),d是棒材直徑,是指棒材的屈服強(qiáng)度,B為塑性硬化系數(shù),n為硬化指數(shù),而是與材料和彎曲程度有關(guān)的修正系數(shù),由模擬和實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)擬合確定。因此,中性層偏移值的數(shù)學(xué)模型為 (23)3兩輥矯直過(guò)程中中性層偏移的模擬3.1彎曲的三維有限元模型建立的有限元分析模型如圖5所示。棒子為瘧原蟲,壓頭為剛體。棒材長(zhǎng)度為340 mm,原始最大撓度為10 mm/m。材料模型為雙線性運(yùn)動(dòng)硬化模型,屈服強(qiáng)度、彈性模量和泊松比見(jiàn)表2。棒材和壓頭采用六面體單元solid164和掃描17進(jìn)行網(wǎng)格劃分。在變形過(guò)程中,所有的接觸都定義為地對(duì)地自動(dòng)接觸,靜摩擦系數(shù)為0.25,動(dòng)摩擦系數(shù)為0.15。3.2仿真結(jié)果圖6為相同壓下量下40Cr和42CrMo的塑性變形深度圖??梢钥闯觯瑑煞N材料在相同還原度下的塑性變形層深度是不同的。40Cr和42CrMo的塑性變形深度和半徑比值分別約為0.91和0.74,40Cr的塑性變形深度大于42CrMo,拉伸側(cè)的塑性變形深度大于壓力側(cè)的塑性變形深度。40Cr和42CrMo的拉伸邊塑性變形深度比為1.077,壓力邊塑性變形深度比為1.094,間接證明中性層會(huì)向壓力邊移動(dòng)。桿在軸向上分為兩半。取桿內(nèi)不同單元,得到它們?cè)谇芯€方向(X方向)的應(yīng)力曲線,從圖7a所示的應(yīng)力曲線中可以看出,第7號(hào)單元在切線方向(X方向)上的應(yīng)力曲線。104824在0.0402 s內(nèi)受拉應(yīng)力拉伸,單元號(hào)為104824。104710被壓應(yīng)力壓縮。同時(shí),應(yīng)力中性層必須在兩者之間。元素沒(méi)有。104710在0.0804 s受拉應(yīng)力作用,104596受壓應(yīng)力;應(yīng)力中性層在它們之間轉(zhuǎn)移。在0.1474 s時(shí),應(yīng)力中性層向單元號(hào)之間偏移。104596和元素編號(hào)104482. 同理,如圖7b所示,應(yīng)力中性層首先位于104824 104938號(hào)單元之間。隨著彎曲程度的逐漸增加,它在104824 104710、104710 104596、104596 104824之間移動(dòng)。因此,根據(jù)表1所示的兩種材料的單元應(yīng)力曲線和模擬數(shù)據(jù),可以確定應(yīng)力中性層相對(duì)于幾何中心軸的偏移量。4 .兩輥矯直過(guò)程中的中性層偏移實(shí)驗(yàn)4.1實(shí)驗(yàn)路線及目的實(shí)驗(yàn)路線及目的如圖8所示。4.2室溫單軸拉伸試驗(yàn)拉伸試驗(yàn)是測(cè)量材料力學(xué)性能的最基本的實(shí)驗(yàn)之一。通過(guò)拉伸試驗(yàn),可以得到材料的屈服強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率、抗拉強(qiáng)度等參數(shù),這些參數(shù)是影響棒材彎曲變形的重要因素18。本文采用40Cr和42CrMo用于拉伸試驗(yàn)。對(duì)拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析,為中性層偏移模型的構(gòu)建提供了參數(shù)支持。拉伸試驗(yàn)是在WAW 1000萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行的。對(duì)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,得到如圖9所示的應(yīng)力應(yīng)變曲線。應(yīng)用Origin軟件對(duì)拉伸實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合。數(shù)據(jù)是從屈服點(diǎn)到抗拉強(qiáng)度。擬合結(jié)果表明,40Cr和42CrMo進(jìn)入后,冪函數(shù)擬合的測(cè)定校正系數(shù)分別為0.9539和0.9647塑性變形。冪函數(shù)調(diào)整后的決定系數(shù)接近于1。由于擬合結(jié)果很好,40Cr和42CrMo的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系可以用n的冪函數(shù)硬化關(guān)系有效描述。兩種材料的冪函數(shù)擬合結(jié)果見(jiàn)表2。4.3彎曲測(cè)試彎曲試驗(yàn)用于確定材料在彎曲載荷下的力學(xué)性能。它是力學(xué)性能測(cè)試的基本方法之一。鋼筋兩端簡(jiǎn)支,中間施加集中荷載。負(fù)載由100千牛頓的液壓負(fù)載測(cè)試機(jī)器。液壓試驗(yàn)機(jī)由電液伺服壓力試驗(yàn)機(jī)測(cè)控系統(tǒng)控制。負(fù)載值可由電液伺服試驗(yàn)機(jī)壓力測(cè)控系統(tǒng)控制。4.3.1壓力過(guò)程荷載-位移曲線壓力過(guò)程的荷載-位移曲線如圖10所示。4.3.2彎桿的后處理首先,使用尼康S4150相機(jī)對(duì)橫截面進(jìn)行拍照,示意圖如圖11所示。使用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)軟件導(dǎo)入照片,然后放大10倍,進(jìn)行精確的尺寸測(cè)量,彎曲鋼筋截面網(wǎng)格如圖12所示。以壓頭附近的哈希網(wǎng)格為重點(diǎn)進(jìn)行應(yīng)變分析。在本研究中,假設(shè)平面應(yīng)變,并且鋼筋彎曲變形主要是纖維的縱向變形。因此,本文僅對(duì)網(wǎng)格的縱向應(yīng)變狀態(tài)進(jìn)行分析。如圖12所示,選擇網(wǎng)格A、B、C三列,在CAD中繪制;對(duì)比變形前后網(wǎng)格形狀;測(cè)量前、后三列網(wǎng)格的縱向網(wǎng)格線的長(zhǎng)度后彎曲;并對(duì)彎曲前后網(wǎng)格線的長(zhǎng)度比取自然對(duì)數(shù),求其值為桿體縱向應(yīng)變。設(shè)置桿纖維拉伸應(yīng)變?yōu)檎瑝毫?yīng)變?yōu)樨?fù)19。兩桿三列網(wǎng)格應(yīng)變數(shù)據(jù)如表3所示。根據(jù)位于桿直徑方向的網(wǎng)格線位置分布,從下邊緣到上邊緣,在桿直徑方向上的位置應(yīng)變曲線如圖13所示。圖13a為40Cr在半徑方向彎曲后的應(yīng)變分布圖。原始中立層坐標(biāo)為零(加載前幾何中立層與應(yīng)變中立層重合)。彎曲后,從中性層附近的局部放大圖可以看出,在原始應(yīng)變中性層位置產(chǎn)生了正應(yīng)變。根據(jù)連續(xù)變形原理,鋼筋下緣的應(yīng)變值為負(fù)。在t之間應(yīng)該有一個(gè)應(yīng)變?yōu)?的纖維層原始中性層(0 mm)和棒材下邊緣(14 mm)的位置,該纖維層為彎曲后的應(yīng)變中性層位置。眾所周知,在的過(guò)程中塑性彎曲時(shí),應(yīng)變中性層會(huì)向壓力側(cè)偏移。三柱網(wǎng)格應(yīng)變應(yīng)變中性層偏移量分別為0.6912、1.0496和0.8741 mm。圖13b為42CrMo彎曲后在半徑方向上的應(yīng)變分布,其中原始中性層坐標(biāo)為零??梢钥闯觯珹、B、C三列網(wǎng)格中性層的偏移量分別為0.8746、0.9937、0.9310 mm。通過(guò)比較兩種材料桿的偏置值,結(jié)合不同的加載情況可以看出,應(yīng)變中性層偏置由桿直徑、彎曲量和荷載等多種因素決定。反向半徑下棒材中性層偏移實(shí)驗(yàn)值如表4所示。5討論5.1反向彎曲半徑對(duì)中性層偏移的影響三點(diǎn)彎曲的壓下量的變化是由外力來(lái)實(shí)現(xiàn)的。因此,反向彎曲半徑與外力P有關(guān),采用原始彎曲半徑R0=12,505 mm的40Cr和42CrMo可以說(shuō)明相關(guān)趨勢(shì)。圖14為40Cr和42CrMo的中性層偏移值隨反向彎曲半徑的變化。從圖14可以看出,無(wú)論是40Cr還是42CrMo,其中性層的偏移量都隨著彎曲半徑的減小而增大;分析結(jié)果與相關(guān)文獻(xiàn)相似5-8。理論值與仿真值有較大偏差;究其原因,是仿真中使用的材料模型是雙線性運(yùn)動(dòng)硬化模型,而不是理論推導(dǎo)中使用的冪指數(shù)模型。實(shí)驗(yàn)值與理論值之間也存在一定的誤差,這主要是由于測(cè)試方法和測(cè)量過(guò)程中存在的數(shù)據(jù)誤差造成的。但誤差在0.1 mm以內(nèi),變化趨勢(shì)相似。因此可以得出計(jì)算式(23)近似可以接受的結(jié)論。5.2材料對(duì)中性層棒的影響對(duì)比圖15中兩種材料的中性層偏移值,不同材料的中性層偏移值是不同的,它們之間的差異比較大。這意味著偏移值與材料20的力學(xué)性能有關(guān)。塑料材質(zhì)越好,中性層偏移的次數(shù)就越多。從圖15中還可以看出,當(dāng)反向彎曲半徑值較大時(shí),兩種材料的理論數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)差異較大。當(dāng)計(jì)算最大彎曲程度較小的棒材中性層的偏移量,說(shuō)明公式(23)的精度不夠好。彎曲程度越小,中性層的偏移量越小21。公式計(jì)算誤差在計(jì)算結(jié)果中所占比例較大,影響計(jì)算精度。由以上分析可知,式(23)僅適用于一般規(guī)格和最大彎曲撓度大于15mm / m的大截面桿件;不適用于彎曲程度小或直徑小的棒材矯直。6結(jié)論1.建立了棒材矯直過(guò)程中中性層的遷移模型。對(duì)彈塑性彎曲中性層進(jìn)行了理論估計(jì)和分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該模型基本適用,為今后棒材矯直及變形機(jī)理的持續(xù)研究提供了理論參考。2.通過(guò)建立棒材矯直過(guò)程中性層遷移模型,得出了一些結(jié)論。中性層偏移量的大小不僅與反向彎曲半徑、材料力學(xué)性能、棒材規(guī)格有關(guān),還與彎曲力和矯直力的初始程度有關(guān)。這在文獻(xiàn)中沒(méi)有得到反映5-8。3.棒材矯直時(shí)中性層偏移不僅與工藝結(jié)構(gòu)參數(shù)Rw有關(guān),還與棒材規(guī)格及材料力學(xué)性能有關(guān)。中性層偏移量隨反向彎曲半徑的減小而增大,隨塑性變形的增大而增大。4.對(duì)于彎曲程度小、直徑小的棒材,矯直過(guò)程中中性層偏移量小,通??梢院雎圆挥?jì)。但對(duì)于一般規(guī)格,尺寸較大,最大反向彎曲撓度大于15mm /m時(shí),中性層偏移量較大,這就意味著必須考慮中性層偏移量。參考文獻(xiàn)1. 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