钛合金管材复合辊型矫直机辊型曲线及仿真研究

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1、钛合金管材复合辊型矫直机辊型曲线及仿真研究第1章绪论管材在轧制、热处理和运输过程中，由于受加工中设备施加的外力、加工冷却中温度的变化和变形时产生的内力等因素影响，在轴线方向呈现弯曲，这种弯曲一般是空间弯曲，在截面上其圆度也会发生变化[1]。所以，对于加工后的管材必须进行矫直以提高其直线度和圆度。对弯曲的工件先施加较大的反向弯曲，然后依靠工件弹复使原始弯曲减小，弹复后再次施加递减的反向反弯以求最终工件弹复到平直状态，其思想与现代矫直理论相符。1.1矫直机分类现代矫直设备种类繁多，为了研究矫直理论与装备，下面从结构特征进行分类。第一类为压力矫直机，主要适用于矩形、菱形条材、大锻件及钢坯；第二

2、类为平行辊矫直机，主要矫直板材，早期管材矫直机亦使用平行辊矫直机，但其不能矫直管棒材空间各方向弯曲且矫直中管材自转易产生麻花弯，因此对于管棒材矫直不再使用此种矫直机；第三类为斜辊矫直机，主要矫直棒材及管材，它能够使管材在矫直机中螺旋前进，从而能矫直管棒材空间个方向弯曲，斜辊矫直机具体分类如图1-1所示。压力矫直机与辊式矫直机都是利用施加一反向弯曲，使弹复后的残余曲率小于初始曲率，如此反复，当最后残余曲率接近零时，达到矫直目的[2]。第四类为转毂矫直机，其矫直原理与斜辊矫直机矫直原理相同。转毂矫直机工件固定而矫直工具旋转，后者相反；第五类为拉伸矫直机，初始弯曲的工件其纵向纤维的长度不等，在

3、工件纵向施加一外力使纵向纤维长度相等，卸掉外力后纵向纤维有基本相等的弹复量以恢复稳定状态使工件达到矫直目的。第六类是拉弯矫直机，它是拉伸矫直时附加弯曲，使拉伸变形不同时在一截面上达到最大值，避免拉伸矫直应力向薄弱部位的集中；第七类为拉胚矫直机，主要使连铸过程中钢坯由弯曲状态变成平直状态；第八类为特殊结构矫直机。.....1.2斜辊矫直机及理论发展斜辊矫直机矫直辊与圆材成一定角度，在矫直辊转动下带动管材边前进边旋转，实现在辊缝或者各辊之间的弯曲达到矫直的目的。斜辊矫直根据其对圆材的反弯方式不同分为多斜辊矫直机和二辊矫直机[3]。多斜辊矫直机依靠成对的矫直辊或者交错布置的矫直辊之间施加不同的

4、压弯量，使管材在矫直过程中实现不同程度的压弯和弹复达到矫直的目的。产业革命后，各国相继对多斜辊矫直机进行研究[4-9]。1914年，阿布拉姆森研发了交错布置的五斜辊矫直机，后又经改进成212型五斜辊矫直机。1920年，日本出现了2-2-2型六斜辊矫直机，提高了矫直速度和矫直质量。上世纪六十年代在六斜辊矫直机基础上添加一个斜辊用以增大塑性区，进一步提高矫直质量，另一种七斜辊矫直机为3-1-3型七斜辊矫直机，这种矫直机对薄壁管材有很好的矫直效果。同时期也出现九斜辊矫直机，前置两个对辊用以压扁咬入管材其后七个斜辊交错布置，这种结构布局大大提高矫直速度和质量。对于多斜辊矫直理论和设备的研究我国较

5、晚，早期主要借鉴苏联理论，取得相应成果，推动我国矫直技术的进步。二辊矫直机在辊长上分为多个反弯段，由于反弯曲率比从辊腰到辊端递减，所以管材在二辊辊缝中实现先增大后减小的反弯，最终使管材得到矫直。国外对其研究较早，英国布朗克斯公司生产了13个规格的二辊矫直机，矫直范围为Φ1.5~Φ250mm。比戈伍德公司生产了8个规格的二辊矫直机，能够矫直Φ4.5~Φ178mm直径的圆材。日本共和机械设计的F型二辊矫直机能矫直直径Φ200mm以下的圆材。此外，英国罗伯逊公司、日本川崎机械公司、法国DMS公司、美国梅达特公司、苏联基洛夫机床厂等都对二辊矫直机的发展做出

6、贡献。........第2章管材矫直原理轧制、焊接或热处理后的金属管材往往存在着一系列的缺陷，其中主要的缺陷是纵向弯曲和管材横断面直径不等。这些缺陷可以在辊式矫直机上消除。管材通过在斜辊式矫直机中，多次弹塑性弯曲来矫直管材。本文设计的复合辊型矫直机管材在前置六辊的辊座之间形成塑性弯曲区，亦可在后置二辊辊缝中按照所设计曲率的弯曲，以求残余曲率最小，达到更高的直线度。在各个矫直辊中施加一定压扁，使管材圆度提高。下面从弹塑性变形理论入手，阐述矫直基本原理。2.1弹塑性变形应力与应变的关系由于材料存在加工硬化现象，在塑性变形时，应力与应变呈现复杂的曲线关系如图2-1a)所示。为了简化对弹塑性弯曲

7、过程的分析，往往将材料看成理想的弹塑性体，忽略加工中的加工硬化，即塑性变形时的应力是常数且等于屈服极限σt，如图2-1b)所示。把实测具有加工硬化曲线的金属材料做理想金属进行简化，对于矫正热状态下的工件，其误差不大；对于矫正冷状态下的工件，其计算误差将会变大。故对于研究常温状态下的管材矫直时，不能视材料为理想金属进行简化，一般如图2-1c)所示，把强化阶段视为线性强化，以此进行理论推导，以求减小计算误差[39]。....