基于malabgi的七斜輥棒材矯直機(jī)輥形自動(dòng)繪制

基于malabgi的七斜輥棒材矯直機(jī)輥形自動(dòng)繪制

限制多斜輥矯直質(zhì)量的因素隨著我國棒材料產(chǎn)量大素的提高，尤其是鋼鋼棒的快速發(fā)展，自行車間直機(jī)在棒材料的后續(xù)過程中的地位尤為突出。大直徑棒材的矯直多采用斜輥矯直法,其原理是通過輥縫對(duì)棒材進(jìn)行全方位的旋轉(zhuǎn)反彎,使棒材產(chǎn)生均勻的塑性變形,達(dá)到矯直的目的。其中輥距、輥?zhàn)有苯?、壓下量和輥形曲線等參數(shù)是影響多斜輥矯直質(zhì)量的最主要因素,而且相互間既關(guān)聯(lián)又制約,受棒材直徑尺寸和材料力學(xué)性能的影響大,手工計(jì)算比較困難。在實(shí)際生產(chǎn)中,壓下量和輥?zhàn)有苯堑恼{(diào)定主要依靠生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),當(dāng)遇到新材料或材料直徑發(fā)生變化時(shí),往往需要花費(fèi)大量的時(shí)間和材料進(jìn)行試矯直。因此,若能夠提前計(jì)算所需要的工藝參數(shù)并預(yù)測(cè)該工藝參數(shù)下的矯直質(zhì)量,不僅可以節(jié)約成本,而且能使企業(yè)具有更強(qiáng)的產(chǎn)品適應(yīng)能力。1多斜輥矯直機(jī)組成2-2-2-1型七斜輥矯直機(jī)的空間布置如圖1所示,7個(gè)輥均為長輥,其中1～6輥為驅(qū)動(dòng)輥,第7輥無動(dòng)力輸入,在矯直過程中一般1、2、5、6輥固定,3、4、7輥向上抬起,形成如圖2所示的彎矩。多斜輥矯直機(jī)主要是利用交錯(cuò)傾斜布置的矯直輥產(chǎn)生塑性彎曲區(qū),矯直輥旋轉(zhuǎn)并依靠摩擦力帶動(dòng)棒材一邊旋轉(zhuǎn)一邊前進(jìn)通過等塑性彎曲區(qū)S。為了使棒材達(dá)到矯直的目的,在此種輥系布置條件下,需使棒材螺旋導(dǎo)程t≤S,即棒材在等塑性區(qū)內(nèi)需要至少旋轉(zhuǎn)一周,才能使棒材達(dá)到全方位矯直。其中,螺旋導(dǎo)程t主要受輥?zhàn)有苯堑挠绊?因此,在實(shí)際生產(chǎn)中輥?zhàn)有苯堑恼{(diào)定,對(duì)棒材矯直質(zhì)量有著十分重要的影響。而由于第7輥的存在,增大了第3對(duì)輥處等塑性彎曲區(qū)的長度保持不變,并在壓下量合適的條件下易于達(dá)到工件彈復(fù)變直的要求,這也使得2-2-2-1輥系真正成為了管棒材兩用的矯直輥系。2輥形曲線設(shè)計(jì)的數(shù)值模擬針對(duì)Φ60mm20Cr鋼,利用MATLAB軟件對(duì)2-2-2-1型七斜輥矯直機(jī)的工藝結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算,并根據(jù)計(jì)算所得結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行輥形曲線設(shè)計(jì)。文獻(xiàn)針對(duì)MATLABGUI的設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)過程作了詳細(xì)講解,表1為20Cr鋼的材料性能參數(shù),將材料參數(shù)輸入到如圖3所示的界面中進(jìn)行計(jì)算,并進(jìn)行人工適當(dāng)調(diào)整,點(diǎn)擊界面的保存計(jì)算數(shù)據(jù)按鈕以保存計(jì)算調(diào)整后的數(shù)據(jù),以便接下來進(jìn)行輥形曲線設(shè)計(jì)。由MATLAB計(jì)算所得到的工藝參數(shù)如表2所示,結(jié)構(gòu)參數(shù)如表3所示。由于等距雙曲線輥形能與棒材形成良好的接觸關(guān)系,并且加工方便,本文選擇等距雙曲線輥形作為設(shè)計(jì)目標(biāo)。軟件計(jì)算得到輥形曲線右半段30個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo),相當(dāng)于整個(gè)輥形有60個(gè)點(diǎn)組成,分段精度可以人為調(diào)整,計(jì)算所得到的坐標(biāo)點(diǎn)需按一定格式由軟件自動(dòng)保存到記事本文件中,以便VB軟件讀取數(shù)據(jù)點(diǎn),并調(diào)用CATIA繪制輥形。以上過程需要通過VBA技術(shù)對(duì)CATIA進(jìn)行二次開發(fā)實(shí)現(xiàn),二次開發(fā)是對(duì)軟件的用戶化和專業(yè)的有效手段,可以使軟件更好的為用戶服務(wù),輥形曲線坐標(biāo)點(diǎn)計(jì)算界面如圖4所示,VB調(diào)用CATIA繪制后的輥形如圖5所示。37斜軸彎曲過程的值模擬3.1矯直機(jī)程序選擇根據(jù)MATLAB軟件計(jì)算得到的工藝結(jié)構(gòu)參數(shù)和輥形,在ABAQUS軟件中建立有限元模型,棒材長度為6m,共有64636個(gè)C3D8R單元,矯直輥設(shè)為離散剛體,每個(gè)矯直輥由2232個(gè)R3D4單元組成,矯直輥與棒材之間摩擦系數(shù)為0.15。對(duì)于類似矯直這樣的準(zhǔn)靜態(tài)過程,數(shù)值模擬將涉及到幾何、材料和接觸等多重非線性,而且接觸邊界條件在矯直過程中時(shí)刻發(fā)生變化,用ABAQUSstandard求解器不僅占用內(nèi)存大,而且收斂困難,考慮到計(jì)算成本,選擇ABAQUS動(dòng)態(tài)顯式explicit求解器進(jìn)行求解。但使用explicit求解器將會(huì)遇到求解速度與結(jié)果合理性之間的矛盾,而求解速度主要取決于矯直速度和質(zhì)量放大系數(shù),為減小動(dòng)態(tài)效應(yīng)造成的誤差,經(jīng)過多次模擬選擇的矯直輥旋轉(zhuǎn)速度為0.5rad/s,質(zhì)量放大系數(shù)為500,最終建立的有限元模型如圖6所示。3.2矯直力變化對(duì)動(dòng)力特性的影響根據(jù)矯直輥的分布規(guī)律可知,從棒材進(jìn)入矯直輥開始到走出矯直輥的過程中,其縱向纖維要受到一次由小到大,再由大到小的彈塑性變形過程。其縱向應(yīng)力云圖結(jié)果如圖7所示,從圖中可以看出,其最大應(yīng)力主要集中在3、4輥處,最高應(yīng)力達(dá)到623MPa(也是等塑性彎曲區(qū)的位置),棒材主要在此處完成全方位塑性變形。圖8為矯直過程中的等效塑性應(yīng)變?cè)茍D,從圖中可以看出,棒材在走出第7輥后的等效塑性應(yīng)變基本均勻,彈性芯到表層形成了均勻的塑性層,其塑性層深度達(dá)到1/2左右。在矯直過程中各輥將受到相應(yīng)的作用反力,從圖9中可以看出,除了7輥處矯直力比較平穩(wěn)外,其余各輥矯直力都在波動(dòng),而且前20s波動(dòng)劇烈,與理論計(jì)算的矯直力有一定偏差,原因是用explicit求解器求解時(shí),前20s動(dòng)態(tài)效應(yīng)劇烈,動(dòng)能巨大,此時(shí)的矯直力已失真,在25s之后矯直力趨于平穩(wěn)波動(dòng),第1、4、5輥矯直力較大,與理論計(jì)算結(jié)果趨勢(shì)相近。另外,經(jīng)典矯直力計(jì)算是靜態(tài)下通過彎矩圖反求得到的,各處彎矩值由經(jīng)驗(yàn)設(shè)定,而且做了相應(yīng)簡化假設(shè)。但真實(shí)的矯直是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化過程,與棒材各處的曲率、材料的形變強(qiáng)化性質(zhì)、摩檫系數(shù)等因素密切相關(guān),所以求得的經(jīng)典矯直力一般較小。為研究棒材從矯直開始到矯直結(jié)束所受應(yīng)力的變化過程,選取棒材上表面一點(diǎn),得到了其縱向應(yīng)力隨時(shí)間變化曲線圖,由圖10中可以看出,縱向應(yīng)力先由小到大,保持一段時(shí)間再由大變小,最終殘余應(yīng)力維持在-200MPa～+200MPa左右。矯直結(jié)束后,選取了棒材軸線上一段大約長1m范圍內(nèi)的點(diǎn),在ABAQUS中量取其矯直后的坐標(biāo),并繪制成曲線,如圖11所示,可以看出縱向坐標(biāo)在14.1mm～16.2mm范圍波動(dòng),并維持在14mm左右,這是因?yàn)榈?輥一直是抬起的,矯直結(jié)束后并沒有將各輥回到起始位置。根據(jù)有限元模擬結(jié)果,經(jīng)計(jì)算棒材矯直后直線度約為2‰。為驗(yàn)證矯直速度和質(zhì)量放大系數(shù)造成的動(dòng)態(tài)效應(yīng)對(duì)矯直結(jié)果合理性的影響,提取了動(dòng)能與內(nèi)能隨時(shí)間變化的比值曲線,結(jié)果如圖12所示,由圖中看以看出,前20s的動(dòng)態(tài)效應(yīng)確實(shí)比較大,由此進(jìn)一步驗(yàn)證了矯直力在前20s波動(dòng)的劇烈。20s之后動(dòng)能與內(nèi)能的比值基本維持在2%左右,低于文獻(xiàn)中的5%,說明矯直過程所設(shè)定的矯直速度與質(zhì)量放大系數(shù)較為合理。4cr鋼的matlab應(yīng)用試驗(yàn)研究目前,在實(shí)際矯直生產(chǎn)中主要依賴于操作人員的技巧,即通過觀察矯直過程中棒材的運(yùn)行狀態(tài)和矯直后棒材的矯直質(zhì)量,憑借經(jīng)驗(yàn)調(diào)節(jié)壓下量和輥?zhàn)有苯堑葏?shù),需要花費(fèi)一定的時(shí)間和精力才能達(dá)到預(yù)期的矯直效果。為了改變現(xiàn)狀,使操作者在矯直之前對(duì)所需要調(diào)節(jié)的參數(shù)做到心中有數(shù),本文利用現(xiàn)有的矯直理論,并將矯直理論中繁多的公式編寫成簡單易用的操作程序,使用者只需輸入相關(guān)的參數(shù),即可獲得所需的矯直工藝參數(shù)。為驗(yàn)證MATLAB應(yīng)用程序計(jì)算結(jié)果的合理性和ABAQUS軟件數(shù)值模擬的可靠性,對(duì)Φ60mm的20Cr鋼進(jìn)行了實(shí)際矯直試驗(yàn),試驗(yàn)件長度為6m,試驗(yàn)基礎(chǔ)平臺(tái)為某公司的立式LGJ100七斜輥矯直機(jī),其基本參數(shù)如表4所示。試驗(yàn)方案為,先利用經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行矯直,以最終矯直后棒材的直線度達(dá)到1‰為目標(biāo)。當(dāng)在平臺(tái)上用塞尺測(cè)量到直線度誤差符合要求后,對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行測(cè)量并記錄,為簡化操作,將輥?zhàn)有苯钦{(diào)節(jié)并固定在30°,在實(shí)際矯直過程中僅調(diào)節(jié)壓下量(現(xiàn)場(chǎng)矯直試驗(yàn)過程如圖13所示)。表5為最終工藝參數(shù)和MATLAB應(yīng)用程序設(shè)計(jì)參數(shù)的對(duì)比,從表中可以看出,MATLAB計(jì)算所得到的壓下量偏小,但與實(shí)際工藝參數(shù)偏差并不是很大,原因可能是在編程計(jì)算過程對(duì)材料力學(xué)模型的簡化等因素有關(guān),另外,機(jī)床剛度也對(duì)實(shí)際壓下量有一定的影響。雖然應(yīng)用程序計(jì)算結(jié)果與實(shí)際矯直所用的參數(shù)存在一定的誤差,但其趨勢(shì)是正確合理的,這將為矯直生產(chǎn)提供一定的指導(dǎo),但目前也存在一定的不足,如盡量使計(jì)算過程中材料的力學(xué)模型更加準(zhǔn)確,在壓下量的編程計(jì)算過程中改用更加精確的算法等。5輥形矯直力分析1)利用MATLAB軟件平臺(tái)方便快捷的實(shí)現(xiàn)了矯直工藝結(jié)構(gòu)參數(shù)的定量計(jì)算和輥形設(shè)計(jì),并通過數(shù)值模擬方法和實(shí)際矯直試驗(yàn),驗(yàn)證了MATLAB應(yīng)用程序計(jì)算結(jié)果的合理性。2)利用VBA技術(shù)實(shí)現(xiàn)了輥形在CATIA軟件中的自動(dòng)繪制,由此方法畫出的輥形在實(shí)際矯直時(shí)與棒材接觸關(guān)系良好,機(jī)器運(yùn)行平穩(wěn)。3)經(jīng)典矯直力的計(jì)算提出了若干