二輥棒材矯直機的設計含5張CAD圖

二輥棒材矯直機的設計含5張CAD圖,二輥棒材,矯直機,設計,CAD 山西能源學院學士學位畢業(yè)設計外文翻譯山 西 能 源 學 院2021 屆 本 科 生 畢 業(yè) 設 計（論文）外 文 翻 譯中文題目：二棍棒材矯直機的設計姓名： 蔣少偉學號： 2017008126系部：機電工程系專業(yè)： 機械設計制造及自動化班級： 機械1704指導教師： 郭曉娥職稱： 副教授完成日期：2021 年 6 月18二輥矯直過程中棒材中性層偏置的研究與驗證摘 要：金屬材料變形過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程中。中性層對矯直回彈影響較大，進而影響輥形設計、工藝參數和棒材直線度精度。基于三點彎曲和彈塑性壓力，建立了棒材矯直過程中的中性層偏移模型。通過模型研究棒材矯直過程中的中性層遷移現(xiàn)象，并結合室溫拉伸試驗和彎曲試驗。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系。中性層偏移模型為棒材矯直機理和變形的進一步研究提供了參考。關鍵詞：中性層偏移；棒材矯直；回彈；三點彎曲；實驗分析1引言高強度合金鋼在石油、汽車、造船、工程機械等領域的應用日益廣泛。矯直作為最后的精整工序，是保證生產棒材質量的關鍵工序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。兩輥矯直和多輥矯直是橫輥矯直機的兩種主要形式。然而，現(xiàn)有的多輥矯直機存在矯直盲區(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題。而且多輥矯直機結構復雜，體積大，造價高。多輥矯直機由于矯直精度低，無法實現(xiàn)棒材矯直的高精度。與多輥矯直機相比，雙輥矯直機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題。更重要的是，其矯直后棒材的殘余撓度可達到0.1-0.5 mm/m，滿足當前高精度棒材的精度要求。國產小型二輥矯直裝置已經制造出來，但未能掌握輥型設計和自動矯直過程的核心技術，大截面棒材二輥矯直機完全依賴進口。因此，在設備國產化的基礎上，我們課題組與中國河北省某公司合作開發(fā)了高精度雙輥棒材矯直機。中性層偏移模型的偏差和建立是問題2,3，直接關系到輥形設計的精度和矯直精度。二輥矯直是一個復雜的彈塑性變形過程。中性層偏移會改變棒材截面的應力分布，影響彎矩比和計算的反彎曲率，最終影響輥型設計的精度。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，設計了軋輥形狀和工藝參數誤差較大。Guan等人的研究表明，在一定的相對拐角半徑下，中性層彎曲回彈的相對誤差可達70%以上4。目前，對于中性層偏移問題，許多學者做了大量的研究5-8。他們的研究主要集中在兩輥矯直過程中用板和管代替中性層偏移。因此，根據其矯直過程的特點，結合三點彎曲理論和彈塑性理論，建立了矯直過程中的中性層偏移模型。該工作為進一步研究大截面高強鋼筋二輥矯直機理和研制裝置提供了重要參考。2建立兩輥矯直過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。兩個相鄰截面之間沒有反向和傾斜。2. 材料是連續(xù)的、均勻的、各向同性的，中性層的應力和應變被認為是一致的10。3.忽略棒材矯直過程中直徑的變化。4. 彎曲塑性變形過程符合等體積原理。5. 等效應力和等效應變具有的硬化指數關系，當B為塑性材料系數，n為材料硬化指數11。二輥矯直機矯直棒材時，彎曲撓度由凹輥角和凹輥間隙決定。通過調整輥縫，實際彎曲撓度可以從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;在試驗過程中，矯直變形近似于三點彎曲。從棒材矯直變形區(qū)取一個ABCD單元，如圖2所示。圖中棒材彎曲中心為柱面坐標系的原點。根據假設(3)，r方向的變形可以忽略不計，方向應力要小得多，可以忽略不計，即。因此，棒材矯直變形區(qū)單元應力狀態(tài)可簡化為平面應變問題和，同時，假設(1)表示。2.2矯直過程中的應變關系在進入矯直機前，由加工或熱處理引起的棒材彎曲的原始形式在長度范圍內有單彎、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化為單一彎曲形式，便于理論分析。可以假設單元ABCD初始處于拉伸狀態(tài)，反向彎曲14后處于壓縮狀態(tài)。進入矯直機棒材彎曲程度小?？紤]中性層與棒材幾何中心軸線重合，則棒材單位初始長度為:（1）式中，為單位原始彎曲半徑，為單位原始彎曲角。單元ABCD原纖維長度：（2）式中為單位的原始彎曲半徑。單元彎曲后，中性層長度為：（3）式中，為反彎后中性層的半徑，為反彎角。此時，單元ABCD的光纖長度：（4）因此單位在切向上的真應變?yōu)椋海?）矯直前后棒材中性層長度為常數，即：（6）最后，（7）其中為桿的反向彎曲半徑。2.3塑性變形區(qū)應力與應變關系棒材的塑性變形面積符合相應的塑性變形規(guī)律。根據假設(4)，。在平面塑性變形中，r方向無變形，即。根據增量理論15：（8）因此，等效應變等效應力銷塑性變形區(qū)分別為：（9）（10）2.4外力與塑性變形區(qū)應力的關系半空間如圖4所示，在加載區(qū)域S的內表面，而A(x, y, z)是固體中的一點16。所以距離是：（11）勢函數定義為：（12）當勢函數定義為：（13）定義為：，z方向位移函數為：（14）z方向的應力函數為：（15）邊界條件是：當集中的力P垂直作用于原點表面時，將定義的Boussinesq勢能函數簡化為： （16）z方向的應力分量表示為：（17）2.5中性層偏移的數學模型棒材在矯直過程中，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系，即（18）根據假設(5)得出結論（19）即（20）用聯(lián)立方程消去r（21）理論推導中采用的半空間假設與桿件與凸輥的接觸條件不同，因此采用了修正系數（22）這里，兩者都是與材料相關的系數,d是棒材直徑,是指棒材的屈服強度，B為塑性硬化系數，n為硬化指數，而是與材料和彎曲程度有關的修正系數，由模擬和實驗的數據擬合確定。因此，中性層偏移值的數學模型為 （23）3兩輥矯直過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。棒材長度為340 mm，原始最大撓度為10 mm/m。材料模型為雙線性運動硬化模型，屈服強度、彈性模量和泊松比見表2。棒材和壓頭采用六面體單元solid164和掃描17進行網格劃分。在變形過程中，所有的接觸都定義為地對地自動接觸，靜摩擦系數為0.25，動摩擦系數為0.15。3.2仿真結果圖6為相同壓下量下40Cr和42CrMo的塑性變形深度圖?？梢钥闯?，兩種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，拉伸側的塑性變形深度大于壓力側的塑性變形深度。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，間接證明中性層會向壓力邊移動。桿在軸向上分為兩半。取桿內不同單元，得到它們在切線方向(X方向)的應力曲線，從圖7a所示的應力曲線中可以看出，第7號單元在切線方向(X方向)上的應力曲線。104824在0.0402 s內受拉應力拉伸，單元號為104824。104710被壓應力壓縮。同時，應力中性層必須在兩者之間。元素沒有。104710在0.0804 s受拉應力作用，104596受壓應力;應力中性層在它們之間轉移。在0.1474 s時，應力中性層向單元號之間偏移。104596和元素編號104482. 同理，如圖7b所示，應力中性層首先位于104824 104938號單元之間。隨著彎曲程度的逐漸增加，它在104824 104710、104710 104596、104596 104824之間移動。因此，根據表1所示的兩種材料的單元應力曲線和模擬數據，可以確定應力中性層相對于幾何中心軸的偏移量。4 .兩輥矯直過程中的中性層偏移實驗4.1實驗路線及目的實驗路線及目的如圖8所示。4.2室溫單軸拉伸試驗拉伸試驗是測量材料力學性能的最基本的實驗之一。通過拉伸試驗，可以得到材料的屈服強度、伸長率、抗拉強度等參數，這些參數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。對拉伸試驗數據進行了分析，為中性層偏移模型的構建提供了參數支持。拉伸試驗是在WAW 1000萬能試驗機上進行的。對得到的數據進行處理，得到如圖9所示的應力應變曲線。應用Origin軟件對拉伸實驗數據進行擬合。數據是從屈服點到抗拉強度。擬合結果表明，40Cr和42CrMo進入后，冪函數擬合的測定校正系數分別為0.9539和0.9647塑性變形。冪函數調整后的決定系數接近于1。由于擬合結果很好，40Cr和42CrMo的應力應變關系可以用n的冪函數硬化關系有效描述。兩種材料的冪函數擬合結果見表2。4.3彎曲測試彎曲試驗用于確定材料在彎曲載荷下的力學性能。它是力學性能測試的基本方法之一。鋼筋兩端簡支，中間施加集中荷載。負載由100千牛頓的液壓負載測試機器。液壓試驗機由電液伺服壓力試驗機測控系統(tǒng)控制。負載值可由電液伺服試驗機壓力測控系統(tǒng)控制。4.3.1壓力過程荷載-位移曲線壓力過程的荷載-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相機對橫截面進行拍照，示意圖如圖11所示。使用計算機輔助設計(CAD)軟件導入照片，然后放大10倍，進行精確的尺寸測量，彎曲鋼筋截面網格如圖12所示。以壓頭附近的哈希網格為重點進行應變分析。在本研究中，假設平面應變，并且鋼筋彎曲變形主要是纖維的縱向變形。因此，本文僅對網格的縱向應變狀態(tài)進行分析。如圖12所示，選擇網格A、B、C三列，在CAD中繪制;對比變形前后網格形狀;測量前、后三列網格的縱向網格線的長度后彎曲;并對彎曲前后網格線的長度比取自然對數，求其值為桿體縱向應變。設置桿纖維拉伸應變?yōu)檎?，壓力應變?yōu)樨?9。兩桿三列網格應變數據如表3所示。根據位于桿直徑方向的網格線位置分布，從下邊緣到上邊緣，在桿直徑方向上的位置應變曲線如圖13所示。圖13a為40Cr在半徑方向彎曲后的應變分布圖。原始中立層坐標為零(加載前幾何中立層與應變中立層重合)。彎曲后，從中性層附近的局部放大圖可以看出，在原始應變中性層位置產生了正應變。根據連續(xù)變形原理，鋼筋下緣的應變值為負。在t之間應該有一個應變?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變中性層位置。眾所周知，在的過程中塑性彎曲時，應變中性層會向壓力側偏移。三柱網格應變應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變分布，其中原始中性層坐標為零?？梢钥闯觯珹、B、C三列網格中性層的偏移量分別為0.8746、0.9937、0.9310 mm。通過比較兩種材料桿的偏置值，結合不同的加載情況可以看出，應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驗值如表4所示。5討論5.1反向彎曲半徑對中性層偏移的影響三點彎曲的壓下量的變化是由外力來實現(xiàn)的。因此，反向彎曲半徑與外力P有關，采用原始彎曲半徑R0=12,505 mm的40Cr和42CrMo可以說明相關趨勢。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;分析結果與相關文獻相似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動硬化模型，而不是理論推導中使用的冪指數模型。實驗值與理論值之間也存在一定的誤差，這主要是由于測試方法和測量過程中存在的數據誤差造成的。但誤差在0.1 mm以內，變化趨勢相似。因此可以得出計算式(23)近似可以接受的結論。5.2材料對中性層棒的影響對比圖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的力學性能有關。塑料材質越好，中性層偏移的次數就越多。從圖15中還可以看出，當反向彎曲半徑值較大時，兩種材料的理論數據與實驗數據差異較大。當計算最大彎曲程度較小的棒材中性層的偏移量，說明公式(23)的精度不夠好。彎曲程度越小，中性層的偏移量越小21。公式計算誤差在計算結果中所占比例較大，影響計算精度。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結論1.建立了棒材矯直過程中中性層的遷移模型。對彈塑性彎曲中性層進行了理論估計和分析。實驗結果表明，該模型基本適用，為今后棒材矯直及變形機理的持續(xù)研究提供了理論參考。2.通過建立棒材矯直過程中性層遷移模型，得出了一些結論。中性層偏移量的大小不僅與反向彎曲半徑、材料力學性能、棒材規(guī)格有關，還與彎曲力和矯直力的初始程度有關。這在文獻中沒有得到反映5-8。3.棒材矯直時中性層偏移不僅與工藝結構參數Rw有關，還與棒材規(guī)格及材料力學性能有關。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.對于彎曲程度小、直徑小的棒材，矯直過程中中性層偏移量小，通?？梢院雎圆挥?。但對于一般規(guī)格，尺寸較大，最大反向彎曲撓度大于15mm /m時，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1. 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