自动矫直机矫直修正量的精确计算方法

自动矫直机矫直修正量的精确计算方法

1高水平大夏日钢矫直机的发展方向近年来，管道产量在数量和品种上都显著增加。随着中国石油、化工、机械、汽车、建筑等行业的快速发展，国内管道产量不断提高，管道市场蓬勃发展。国内钢管厂在工艺技术、装备水平、产品质量等方面尚有较大的差距,要满足市场的需求,以适应我国国民经济发展的要求,还需要相应的配套设备。目前卧式大吨位钢管矫直机生产厂家还很少,生产水平也不高,但需求量很大。因此,研究、开发高水平大吨位钢管矫直机是非常必要的。矫直工艺方法广泛应用于金属加工业、机械制造业、仪器仪表制造业。矫直不仅影响到工件的宏观形状和尺寸,也会改变工件内部材料的组织结构以及材料内部的应力分布。矫直过程是一个相当复杂的弹塑性变形过程,现在人们还无法对各种矫直方法给出精确的描述。许多矫直机的操作还主要依赖于工人的经验来设定工艺参数,不同的操作工人设定的工艺参数不尽相同,产品质量十分不稳定。这也是造成每次矫直机调整占用时间长,生产效率低下的直接原因。目前,一些学者[1~3]从弹塑性力学的理论基础出发,进行一定的假设和简化,推导建立了一些计算矫直行程的数学模型,能够达到一定的计算精度。然而,由于理论计算所作的简化,以及实际情况的复杂性,理论计算的精度受到限制。随着自动矫直机的广泛应用,如何准确计算矫直行程显得尤为重要,要想准确地制定工艺参数,就必须了解矫直变形过程的原理,这是矫直设备向数控化、柔性化、自动化方向发展的关键技术。为了进一步完善管材的矫直精整过程和提高矫直速度,必须研究开发新的高效率管材矫直机。由于矫直过程中力的相互作用关系相当复杂,只有精确地确定矫直过程的力学变形规律,才能正确地评价矫直机矫直力能参数,从而正确设计和使用管材矫直机。2矫直过程模型f-模型压力矫直实际是一个弹塑性反弯的过程。矫直时,通过检测确定最大弯曲处为加压点,两端简支,一般两支点对称分布。假如零件的初始弯曲量为δ0,在中点施加集中载荷F,零件发生弹塑性变形,产生反向弯曲,反弯曲为δw;卸载后,零件有一部分发生永久塑性变形,还有一部分弹性回弹,若弹复量刚好等于反弯变形量δw,则零件被矫直。此时,总压下量即矫直行程为δΣ=δ0+δw。整个矫直过程中压点处的载荷F和挠度δ的变化关系,称之为矫直过程模型(简称F-δ模型),见图1所示。由图1可知,矫直过程可分为三个阶段:弹性变形阶段OA,发生的是纯弹性弯曲变形,A点为极限弹性弯曲;弹塑性变形阶段AC,继续加载进入弹塑性变形至C点后卸载;弹性回弹阶段CD,卸载后零件弹性回弹至D点。由于被认为是弹性回弹,材料的应力应变关系仍然满足虎克定律,所以弹性回弹阶段也是一段直线,其斜率与弹性加载阶段相同。若矫直前后零件的挠度变化OD段长度正好等于初始弯曲量δ0,则零件正好被矫直,此时,回弹量也就是反弯量,矫直行程为δΣ=δ0+δw,C点对应的载荷即为矫直载荷。对于不同初始弯曲程度的零件所需的矫直载荷或矫直行程是不同的,即C点的位置不确定,设B点载荷为单次矫直所允许的最大载荷。如果能建立矫直加载过程的F-δ模型,只需根据零件的初始弯曲量即可计算出所需的矫直行程或矫直载荷。3defig的简介本文采用DEFORM3D有限元分析软件对矫直钢管进行数值模拟。DEFORM是一套基于工艺模拟系统的有限元系统(FEM),专门设计用于分析各种金属成形过程中的三维(3D)流动,提供极有价值的工艺分析数据。模拟计算的结果可以直接分析出模型中对工件的工艺作用力。3.1钢管的直力作用钢管矫直机由压头和两支点组成,被矫直的钢管在压力机压头和两支点间施加的矫直力作用下,使被矫钢管成为一个受力简支梁。现以成品管720-120-1(外径720mm-壁厚120mm-长度1000mm)为例,建立力学模型(图2)。上下压模假设为刚体,材料屈服强度按1130MPa计算。3.2解决相关问题经模拟计算结果如图3所示。应用DEFORM软件可以解决许多问题,在这里只是应用它把矫直机载荷加载过程中能使钢管应力达到塑性状态时的平稳载荷求出即可,用它提供的数据应用于后续Marc分析中。4不同截面的钢管屈服分析前面DEFORM计算出了工件屈服的实际加载力,接着采用Marc进行加载和卸载计算。成品管按其尺寸分为325-55-1(外径325mm-壁厚55mm-长度1000mm),325-55-2,325-55-3,630-100-1,630-100-2,630-100-3,660-100-1,711-100-1,711-100-2,711-100-3,720-120-1,720-120-2,720-120-3。按照前面成品管的不同尺寸建立模型,通过分析不同直径、不同壁厚、不同支点间距的钢管在矫直时的矫直力、矫直行程,可以看出(图4)由于钢管矫直机受压弯曲产生的最大正应力位于最大弯矩所在截面上距中性轴最远的地方,故钢管屈服先从压头面和其对面的面开始屈服。先是克服拱形引起的拉压力,然后在反向拱的时候拉压反转,此时所需的加载力会突然减小,然后在屈服发生塑性变形的过程中会逐渐加大。加载面积的大小和支点面积的大小都会决定矫直管时用力的大小,在适当的力持续作用下,压头面和其对面的面屈服应力逐渐扩展最终形成塑性绞,这个时候在加载力变化很小的情况下,钢管会继续下弯。撤销载荷力后,钢管会留有残余变形。计算可以得出,各种截面特性在不同载荷情况下的数据,列表整理,从中可以看出数据的变化和前期理论推导的关系基本一致。由此可以说明它的前提研究理论正确,使用这些数据就可用于后续操作,能更进一步的总结出更精确的理论公式。5利用线图1选用前面计算的一组数据列表(表1),并采用曲线拟合得出曲线,见如图5所示。由图5,用多项式拟合可求出其矫直机修正量与初始弯曲量的函数关