拉彎矯直機的設計與試驗

通常，鋁條的直度差是由于帶材料的縱向延伸不均勻，造成的。因此，額外的內應力不足，皮帶材料不穩定，出現了波浪狀、波浪和折疊等不平衡缺陷。拉彎矯直機的原理是通過給帶材施加縱向拉伸和連續反復彎曲應力,使帶材沿寬度方向上產生不同程度的縱向永久延伸,消除不均勻內應力,達到矯直帶材的目的。然而,來料的各項參數,如厚度、寬度、屈服強度、不平度等的變化,均會影響實際操作中各種參數的設定和最終矯直效果。因此,操作人員的經驗、操作技巧和判斷能力,往往在實際控制中起著關鍵作用,而對拉彎矯直原理的認識和對力能參數的正確理解,則是實現正確操作的基礎。1張力輥內壓張力變化與傳統設計相比,現代拉彎矯直機多設計成8輥張緊形式,這樣既增大了整個機組的張力調節范圍,減小了開卷/卷取張力,又降低了每根張力輥上的扭矩載荷,提高了張力調節精度,如圖1所示。帶材在較小的開卷張力情況下進入入口張力輥組,繞張力輥身形成包角,在帶材與輥面之間摩擦力的作用下,帶材張力逐級放大,在R1.4與R2.1之間達到最大值,然后再通過出口張力輥組逐級減小,在卷取段恢復到較小的張力值。在各段上的帶材張力分布如圖2所示。2帶材拉伸彎曲矯直過程所需歷史穩定性的控制拉彎矯直機列張力的設定值是以帶材伸長率設定值的大小為基礎的,而伸長率的選擇取決于輸入帶材的平直度狀況。圖3是來自設備設計廠家的一組試驗數據,圖中曲線表明,針對不同的來料平直度狀況,施加不同的延伸變形,可以獲得不同情況的帶材平直度。通常在冷軋機上生產的帶材,在沒有AFC系統自動控制的情況下,離線平直度值一般在50～200I單位;而在有AFC系統精確控制的情況下,冷軋帶材的離線平直度可控制在30I單位以內。理論上,對于平直度在200I單位以內的帶材,施加0.6%以下的伸長率,均可獲得理想板形甚至零缺陷。而實際上,帶材的來料情況千差萬別,伸長率的設定也不是一成不變的,帶材的拉伸彎曲矯直過程是一個十分復雜的力能轉變過程。在拉伸彎曲狀態下,帶材的延伸變形包括彈性變形和塑性變形兩部分。其中彈性變形量可根據虎克定律計算得出,即:ΔLL=σEΔLL=σE對于5×××合金,Rp0.2值最高可達300MPa,E為鋁的楊氏模量,一般取7×104MPa。計算可知,在極限情況下,拉伸鋁材的彈性變形量約為0.43%。而矯直帶材所需的塑性變形量可根據輸入帶材的平直度導出:對于100I單位的來料,即ΔLL×105=100ΔLL×105=100,矯直帶材所需的塑性變形量約為0.1%。實際經驗表明,施加0.3%～0.6%的伸長率可使大多數鋁帶材得到矯直。考慮到極限情況以及張力輥速度偏差、打滑等因素,伸長率設定值一般在0.8%以下。施加過大的伸長率會加大不必要的傳動載荷,增加機組能耗。同時過量的拉伸變形會導致帶材形成“舟”狀橫彎(圖4b)。雖經反向彎曲能部分消除,但操作不當會形成“弓”形缺陷,如圖4c所示。3列出各段張力的確定要使帶材產生需要的延伸,就必須在機列各段設定適當的張力值。3.1提高表面張力張力的設定取決于待加工的帶材的規格范圍和張力輥的數量。張力輥表面多涂有聚氨酯包敷層,以最大限度地提高表面摩擦力。相比而言,8輥張緊形式具有更大的張力放大能力,因此不需要過大的開卷張力,這既減少開卷電機負荷,又防止帶材因應力不均勻而局部屈服產生不均勻變形。一般開卷張應力取材料屈服極限的8%～20%,根據帶材橫截面積可計算出開卷絕對張力值。卷取張力一般為開卷張力的1.1～1.5倍。3.2張力輥面的彎曲變形從開卷段到彎曲矯直段的張力放大是通過幾組“S形”分布的張力輥來實現的,這也是帶材實現拉伸彎曲變形的前提。如圖5所示。在①和②張力輥之間分別施加入口張力T1和出口張力T2,并且T2>T1,對應的帶材速度V2>V1,那么,每一階段上帶材的拉伸變形量和速度變化可依據下列公式計算:V12=V1×(1+Δε1)V2=V12×(1+Δε2)式中Δε1=T12?T1E×t×wΔε1=Τ12-Τ1E×t×wΔε2=T2?T12E×t×wΔε2=Τ2-Τ12E×t×w假定原始長度為S=S0的一段帶材,連續經過兩次拉伸變形后,長度變成S1=S0+ΔS1,S2=S0+ΔS1+ΔS2。通過計算可知,實際上帶材在這一階段的拉伸變形量是非常小的,完全可以忽略不計。對于與張力輥面接觸部分的帶材,則是隨著張力遞增逐漸延伸的,這一微小變化完全可以通過張力輥面的彈性蠕動而確保帶材與輥面不會發生相對滑動。整個張力輥組的張力放大系數可由歐拉公式計算得出T2=T1efθ式中:θ—帶材繞入口張力輥組的包角之和,取弧度值;f—帶材與輥面間的摩擦因數。通常,將帶材繞每個張力輥的包角設計成230°,整個入口輥組的包角之和θ為920°,轉換成弧度為16.06。對于聚氨酯輥面,摩擦因數約為0.15～0.25,在輥面清潔和帶材為冷軋表面的條件下,可取f=0.18。計算入口輥組的張力放大倍數K:K=T2/T1=efθ=18由此可知,在正常生產條件下,開卷張力為8MPa時,經張力輥組放大后,理論上可在彎曲矯直段產生144MPa的拉伸應力,這足以保證帶材產生必要的拉伸彎曲變形。另外需要指出的是,張力輥直徑也是影響最終矯直效果的重要因素。首先受空間位置決定,輥徑不可能設計得過大,而決定最小輥徑的依據是必須能防止帶材產生由繞輥身彎曲所引起的縱向拱彎或使之保持最小程度。可依據下面的經驗公式計算:D=tx×E/Re式中:tx—加工帶材的最大厚度;Re—加工帶材的最小屈服極限。對于厚度最大、屈服極限最低的帶材,繞輥身彎曲時最容易產生屈服。例如:tx=0.8mm,Re=70MPa,E=7×104MPa時,計算可得到,需要的張力輥直徑最小為800mm,而輥徑D越大對帶材越有利。3.3拉彎矯直機如前面所述,在彎曲矯直段上帶材張力達到最大值(R1.4-R2.1段),該段也是帶材產生彈、塑性變形最集中的區域。帶材通過彎曲工作輥時的應力狀態可視為拉伸應力和彎曲應力的組合。見下面的表達式:R=Tt×w+E×td+tR=Τt×w+E×td+t式中:T—R1.4與R2.1之間的張力值;t×w—帶材的橫截面積;d—工作輥包角的曲率直徑,極限情況下等于工作輥直徑d0。從設計角度講,減小工作輥直徑d0也是增大彎曲應力的有效途徑。工作輥的尺寸和數量是帶材厚度范圍、屈服強度、生產線速度、拉伸張力、伸長率等諸因素的函數。對于給定的帶材材質而言,工作輥直徑取決于在帶材最小厚度時的最高屈服強度(最大直徑)和帶材最大厚度(最小直徑)。但對于同一機組而言,工作輥直徑卻不是適時可調的。如圖6所示,由張力分量T1產生的拉伸應力RT1是個常量,而由張力分量T2產生的彎曲應力RT2則是依帶材彎曲段的中心角α不同而不斷變化的,在進入0截面之前,帶材截面上僅有拉伸應力RT1;當帶材依次進入0、1、2、3、4、各點時,彎曲應力逐漸增大;在截面2處彎曲應力達到彈性極限狀態,之后開始出現塑性變形和加工硬化;而在截面4處,帶材的彎曲應力達到最大值,且塑性變形也最大。理論研究指出:塑性彎曲變形時帶材中性層要向曲率中心移動,而且彎曲半徑越小,中性層移動越大。當帶材離開第一個彎曲工作輥到達第二個工作輥時,又經受了和第一次相同的彎曲變形過程,但彎曲的方向相反,中性層更加靠近曲率中心。圖7a和7b所示為帶材經過第一和第二個彎曲工作輥時,在截面4處的彎曲應力。帶材受到兩次彎曲變形的結果相反,但變形量又不完全相等,所以還存在殘余彎曲,對此還需用第三個矯直輥來消除。圖7c表示為了消除殘余彎曲,由第三個矯直輥施加必需的變形。經過兩次彎曲變形和一次矯直變形后,帶材將留下對稱的而且是平衡的殘余應力,如圖7d所示。在帶材橫截面高度方向上的延伸變形也是對稱的,如圖7e所示。在現代拉彎矯直機上往往設有4組彎曲工作輥和多組矯直輥,這使得圖7e中所示的帶材高向各纖維層延伸變形更加接近于直線,帶材沿寬度方向分布的縱向延伸也更加均勻。經驗顯示,對于一定量的拉伸操作,如果工作輥的壓入深度很小,傳動電機的電流就會非常大。而這種大張力甚至純張力拉伸的帶材往往會產生表面條紋狀缺陷。此時若增大工作輥的壓入深度,在其他參數不變的情況下,傳動電機電流會迅速下降。可見,要使帶材實現設定的伸長率值,可以有2條途徑:①增大張力輥R1.4與R2.1之間的張力;②增大彎曲工作輥的壓入深度。拉彎矯直機的原理就是在預先設定伸長率的情況下,通過調節拉伸應力與彎曲應力的比值來達到最佳的矯直效果。這種調節是通過轉動矯直機頂部和底部的彎曲機架或單個移動頂部或底部的彎曲輥組而實現的。相比較而言,施加彎曲應力更容易實現伸長率的精確控制。而針對不同的帶材規格和來料狀況,合理分配二者的比例,就可以實現理想的平直度控制。4彎矯直機閉環控制現代鋁加工技術不斷向高效、節能、高精度、自動化的方向