機械畢業(yè)設計（論文）CKM3型6×1500六輥矯直機矯直輥強度分析【】

內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設計說明書（論文）摘要本文在彈性理論基礎上，分析和研究了六輥管材矯直機的矯直原理，在此基礎上著重對六輥矯直機的力能參數(shù)進行了理論研究。本文還提出了考慮矯直輥對管材的補充壓緊作用的概念，據(jù)此對矯直力的計算體系作了必要修正，使較直力的理論計算精度得到提高，更符合實際情況。在研究完矯直力后，又分析了立柱的受力情況。通過分析建立立柱的力學模型，對其強度穩(wěn)定性進行了校核。最后應用ANSYS軟件對矯直機立柱進行受力分析，并通過圖形顯示出立柱在各方向的力能參數(shù)變化情況，更為直觀地了解立柱的承載能力。如上方面對六輥管材矯直所作的工作及由此得出的結論，對正確設計和使用六輥管材矯直機，深入研究矯直理論及矯直參數(shù)的精確確定具有一定的借鑒和參考價值。關鍵詞：六輥矯直機，矯直原理，矯直力能參數(shù)立柱，強度校核，有限元分析ABSTRACTOn the base of elastic-plastic theory,this thesis analized and explored the straighting principle of six-roller straighting machine thoronghly.Theoretic on mechanical parameters of six-roller straighting machine of tubes are carried out.Based on researching mechanical state of tube in the six-roller straighting machine,the thesis tells us how to establish the mechanical model and gets the calculating results of straighting mechanical parameters. Through the actual testing on the mechanical parameters of six-roller straighting machine of tubes,the thesis analyzed the state of tube in straighting.it proved that this treatment for mechanical model in the thesis is correct.by analyzing the testing record waves of straighting force,we can realize the all stages of tube straighting and it provided guarantee to grasp the status of equipment exactly.The thesis advanced the conception about posintive and regative packing effection of straighting roller to tube. According to this conception, some necessary amendments on the calculation system of straighting force are given. It makes the theoretic calculation be more fit for the actuality. Keywords：Six-roller straighting machine，Straighting principleStraighting mechanical parameters，Perpendicular columns，Strength CheckFinite element analysis目錄摘要IABSTRACTII第1章 緒論11.1 課題的提出與意義11.2 彎曲與矯直21.2.1 定義21.2.2 分類31.3 矯直理論41.3.1 發(fā)展概括41.3.2 研究方向61.4 ANSYS的特點功用7第2章 斜輥矯直機的結構分析及矯直原理的討論82.1 CKM-3型61500斜輥矯直機的結構82.1.1 矯直機的結構配置82.1.2 矯直機的工藝參數(shù)92.2 矯直原理112.2.1 彎曲變形與曲率112.2.2 斜輥矯直機工作原理16第3章 矯直機的力能參數(shù)計算193.1 管材的變形與彎矩193.2 受力分析233.3 力能參數(shù)的計算263.3.1 矯直力的計算273.3.2 立柱的力學模型及力能計算29第4章 立柱的校核334.1 強度校核334.2 穩(wěn)定性校核35第5章 用ANSYS軟件分析立柱的受力375.1 設定分析作業(yè)名和標題375.2 定義單元類型375.3 定義材料屬性385.4 建立立柱的三維實體模型395.5 劃分網(wǎng)格465.6 定義邊界條件并求解465.7 查看結果495.8 結論59參考文獻60結束語6163第1章 緒論1.1 課題的提出與意義管材矯直技術有很多類型，而其中以多斜輥矯直的應用范圍最廣，和其他矯直工藝相比，多斜輥矯直工藝具有矯直管材的規(guī)格和品種范圍廣，矯直速度高，矯直穩(wěn)定性好，矯直精度易于保證，調(diào)整方便等優(yōu)點。它可以減少和消除管材的縱向彎曲，還能有效的對管材端面的橢圓度實現(xiàn)其他矯直機無法完成的轎直。因此國內(nèi)外的大型鋼鐵企業(yè)大多采用多斜輥矯直機對管材進行矯直。其中包鋼無縫廠應用的是前蘇聯(lián)制造的司蒂菲爾400軋管機組的六輥立式管材矯直機。目前對六輥轎直機的研究，雖然取得了一些成果，但仍有很多問題：六輥轎直原理沒有得到明確，確定矯直機的結構參數(shù)是經(jīng)驗的內(nèi)容太多，而且沒有確定的計算六輥矯直機的力能參數(shù)的理論方法。特別是矯直力的確定，由于受到實際因素的影響較大，給準確地確定和計算矯直力帶來了很大困難。矯直力能參數(shù)的確定對在矯直生產(chǎn)的合理的工藝法案和準確地掌握和分析設備狀況有很大影響；反之，矯直生產(chǎn)工藝的實施，管理及矯直設備的利用等方面都帶有一定的盲目性。由于上述原因，導致了矯直管材質(zhì)量的不穩(wěn)定，設備的能力得不到充分發(fā)揮，并成為擴大矯直管材的品種和規(guī)格的障礙。本文通過對矯直機的轎直原理分析，計算并確定了矯直機的力能參數(shù)，對機架立柱的強度進行了理論分析和ANSYS分析，確定矯直機的承載能力，為擴大生產(chǎn)規(guī)模，增加矯直管材的規(guī)格和品種提供了依據(jù)。以上問題的解決，對設計和研制六輥管材矯直機，深入研究六輥轎直理論和技術具有一定的參考價值；對現(xiàn)有的矯直理論是有益的完善和補充。將本文的一些結論應用于實際矯直生產(chǎn)中，對其將起到一定的指導作用。1.2 彎曲與矯直1.2.1 定義我們平時見到的型、管、線、板、帶等長條狀的金屬型材統(tǒng)稱為金屬條材。這些材料在軋制、鍛造、擠壓、拉拔、運輸、冷卻及各種加工過程中常因外力作用，溫度變化及內(nèi)力消長而發(fā)生彎曲或扭曲變形。為了獲得平直的成品條材必須使其縱向纖維或縱向截面由曲變直，橫向纖維或橫向截面也由曲變直。實現(xiàn)這一要求的工藝過程稱為轎直。矯直和彎曲是兩個相反的工藝過程，但它們的變形機理是相同的。為了說明其內(nèi)涵，首先要了解金屬的彈性特性。古人從生產(chǎn)和生活實踐中早已認識到彈性的存在，并得出“矯枉必須過正”的理性結論。今人對金屬轎直理論的研究不僅從理論上驗證了“矯枉必須過正”的基本規(guī)律，而且找到了計算“過正量”的科學方法。指出在“過正量”與金屬彈復量相等時才可達轎直的目的。現(xiàn)在以圖1-1的簡單條材為設其原始彎曲狀態(tài)的曲率半徑為，矯直所用的反彎半徑為，反彎達到狀態(tài)。此時解除外力，條材將自由彈復到狀態(tài)。若為一直線，即達到矯直目的?？梢姺磸澋摹斑^正 圖1-1 反彎矯直過程量”及恰好與金屬的彈復量相等。將反彎的“過正量”用曲率半徑表示時，稱為矯直曲率半徑，只有時=時才能矯直。若金屬的彈復量也用曲率半徑來表示，即用表示時，自然有=。故又可以說，只有=時才能矯直。從直觀上可以看出，條材的原始曲率半徑越小，即原始彎曲越嚴重，矯直所需之也越小，即所用反彎量越大。不過反彎量與原始彎曲之間只有非線性關系，而且與條材的斷面形狀不同，其非線性關系的表現(xiàn)形式也不同。當原始彎曲十分嚴重，矯直時所需達到的反彎曲率半徑由于非線性關系的存在不必很小，但此時的反彎變形的總量卻已經(jīng)很大。當這種變形量大到足夠使條材斷面形狀發(fā)生畸變，仍然達不到矯直目的時，這種條材在矯前或矯后都屬于廢品。因此，能夠進行矯直的條材其反彎變形總量是有限的，不能太大，而且斷面高度越大，斷面形狀越復雜，這種限制越嚴格。1.2.2 分類如圖1.2所示，若條材縱軸為x軸，則沿x軸的彎曲可能呈現(xiàn)出多種形式的波浪彎。如水平面（x-y面）內(nèi)波浪彎、垂直面（x-z面）內(nèi)波浪彎，以及傾斜面（x-yz面）內(nèi)波浪彎等。如果把一個平面內(nèi)的波浪彎稱為一維彎曲，則同時在兩個平面內(nèi)都有的波浪彎稱為二維彎曲。至于斜面內(nèi)的波浪彎在沒有其他彎曲存在條件下也屬于一維彎曲。在有其他彎曲條件下可以將傾斜面內(nèi)波浪彎分解水平與準直兩面的彎曲，仍屬于二維彎曲。圖 1-2 二維彎曲圖扁材及窄帶材的二維彎曲常變現(xiàn)為彎曲面內(nèi)的波浪彎及水平面內(nèi)的鐮刀彎。薄板及寬帶材的二維彎曲常表現(xiàn)為縱向波浪彎與橫向波浪彎同時共存，如圖1-3所示。水平放置的薄板沿x軸在x-z面內(nèi)及沿也軸在y-z面內(nèi)都存在彎曲。這種雙向波浪彎使人看不清其波浪方向，只看到凸凹不平，人們常稱之為瓢曲?？梢钥闯銎肮炔糠值睦w維要比瓢緣部分的的長，瓢曲嚴重部分要比平坦部分的纖維長。如果板邊的波浪與瓢曲比中間部分嚴重，表明邊部纖維比中部的長，可稱之為邊長形波浪彎；反之，中間部分的波浪與瓢曲比邊部的嚴重，則稱為中長形波浪彎。此外薄板也常出現(xiàn)三維彎曲，即在縱向波浪彎與橫向波浪彎之外，從水平面即x-y面上看（俯視）也有彎曲。圖1-3 薄板的三維彎曲圖由于條材種類不同，彎曲形態(tài)不同，各自所要求的轎直方法也不盡相同。工業(yè)上人們已經(jīng)研制成功的矯直方法主要有壓力矯直法、平行輥矯直法、斜輥矯直法、轉轂矯直法、平動矯直法、拉伸矯直法、拉彎矯直法及其他一些特殊的轎直方法。壓力矯直法是將條材的彎曲部分放置在兩個支點之間用壓頭對彎曲部分進行反向壓彎。平行輥矯直法是吧間斷的壓力矯直法變成輥式連續(xù)矯直法，從入口到出口交錯布置若干個互相平行的轎直輥，按遞減壓彎規(guī)律進行多次反復壓彎以達到矯直目的。斜輥矯直法是專門用于圓端面條材的矯直法，輥子與圓材傾斜相交，輥子轉動時圓材既旋轉又前進，輥子對圓材的壓彎軌跡呈螺旋線形，即壓彎的方位是按螺旋形改變。1.3 矯直理論1.3.1 發(fā)展概括隨著工業(yè)領域中冶金技術的迅速發(fā)展和新技術的不斷涌現(xiàn)，新的生產(chǎn)設備及生產(chǎn)工藝相繼出現(xiàn)。特別是在鋼鐵產(chǎn)品方面，對鋼鐵材料的質(zhì)量和精度都提出了較高的要求。在鋼鐵產(chǎn)品的生產(chǎn)中，經(jīng)熱加工或冷加工的產(chǎn)品有的由于材料內(nèi)部缺陷或殘余應力的影響；有的由于外部機械的作業(yè)或外部環(huán)境的改變等，都產(chǎn)生一定程度的形狀缺陷。盡管隨著生產(chǎn)設備及工藝水平的不斷改進和提高，產(chǎn)品的形狀缺陷已經(jīng)大大減少，但仍需進一步減少或消除其形狀缺陷，使其質(zhì)量和精度得到進一步的提高。因此，矯直理論的研究有了必然。矯直理論就是對各種形狀缺陷的產(chǎn)生機理進行研究，消除各種形狀缺陷。一句話，矯直是與彎曲相反的工藝工程。它的目的就是正確地分析和描述矯直過程中呈現(xiàn)的一系列現(xiàn)象，尋求與實際相吻合的規(guī)律；確定矯直參數(shù)見的關系，用以指導生產(chǎn)；并研制和開發(fā)新型、高效、高精度的轎直設備，使產(chǎn)品的質(zhì)量和精度不斷得到提高。矯直技術的歷史可以追溯到人類勞動開始，先是感性認識，然后才產(chǎn)生了手工反彎矯直。隨著生產(chǎn)規(guī)模的日益擴大，提高矯直生產(chǎn)率和擴大矯直產(chǎn)品的規(guī)格和品種的要求愈高，這就出現(xiàn)了機械反彎矯直，它標志著連續(xù)矯直技術的誕生。隨著相關技術和工藝的進步，矯直技術和工藝設備得到了迅速發(fā)展，對矯直理論和技術的研究工作也逐漸開展并系統(tǒng)化。國外對矯直理論和技術的研究起步較早，具有相當?shù)膹V泛性，得到了許多已應用于實際生產(chǎn)中，產(chǎn)生了重大的經(jīng)濟效益。矯直技術較發(fā)達的國家如前蘇聯(lián)、德國、英國和日本等，從40年代起生產(chǎn)的矯直設備就形成了系列產(chǎn)品。在矯直理論、工藝和設備的研究方面也做了大量工作，并取得了大量的較有影響的成果。國內(nèi)的有關技術人員在矯直理論和技術的研究方面亦做出了很大的努力，使矯直理論和技術的研究工作得到了廣泛的重視；并取得了不少令人矚目的研究成果，其中部分成果的水平居世界領先地位。隨著我國科學技術水平的發(fā)展，各行業(yè)對矯直設備種類、數(shù)量、矯直精度的要求日益增加，我國目前已形成了自行設計和生產(chǎn)板、帶、線、型、管材的矯直設備的能力，設備的精度和控制水平也不斷提高。特別是改革開放以來，在引進和吸收國外先進矯直設備和技術的基礎上，不斷推動矯直理論和技術的研究工作向前發(fā)展。為適應眾多生產(chǎn)領域發(fā)展的需要，在矯直理論和技術研究成果的基礎上，國內(nèi)外目前已開發(fā)研制了許多新型矯直設備。這些矯直設備從不同角度加強了設備的能力，拓寬了應用范圍。其中有些設備突破了傳統(tǒng)的矯直概念，從而開拓了矯直理論和技術研究工作的新領域，使矯直技術得到了極大發(fā)展，如輥式矯直機的進一步發(fā)展，出現(xiàn)了超薄管材、高強度合金材、異形截面材等新的矯直方法；拉伸矯直的發(fā)展引起了對拉伸矯直方法的更大規(guī)模的理論研究；其他如液壓張力矯直機、行星多輥矯直機等高精度的矯直設備也相繼問世。除此以外，矯直理論和技術的發(fā)展正趨向于在機械機構方面和傳動方式方面向便于操作和維護、擴大設備適用性、降低能量消耗、改善工作條件等方面發(fā)展。如壓力量的數(shù)字顯示技術、無級調(diào)速技術、可變輥距矯直機等。1.3.2 研究方向隨著科學技術的發(fā)展進步，新的矯直設備和矯直技術的研究越來越深入，但在一些領域還不能滿足需求。如矯直基本參數(shù)的確定還要依靠許多經(jīng)驗算法和經(jīng)驗數(shù)據(jù)，如輥數(shù)、輥距、輥徑、壓彎量及矯直速度等；許多矯直技術現(xiàn)象如螺旋彎廢品、矯直縮尺、矯直噪聲、斜輥矯直特性、斜輥輥型特性、拉彎變形匹配特性等都缺乏相應的理論闡述。這些都嚴重影響了矯直理論和技術的發(fā)展，同時它們也是關于矯直理論的研究重點。目前，國內(nèi)外有關矯直理論技術的研究方向主要集中在以下幾個方面：（1）數(shù)學模型的精度及矯直設備結構參數(shù)的計算精度；（2）對矯直理論和技術的實驗方法的研究；（3）新型設備的研制、開發(fā)和改進；（4）產(chǎn)品精度的提高；改進現(xiàn)有的矯直設備、研制和開發(fā)新的設備；不斷地提高管材矯直的質(zhì)量和精度，一直是矯直研究工作者的一大目標。采用增加矯直輥數(shù)量，增多管（棒）材在矯直過程中反彎次數(shù)的方法即“綜合矯正” ，它克服了斜輥矯直機不能矯直管（棒）材的頭尾，及高速矯直時由于管（棒）材高速旋轉而產(chǎn)生的甩擺等缺點；使管（棒）在張緊的狀態(tài)下進行反復彎曲和壓扁成型矯正。這樣可以使多種矯正效果迭加和鞏固，互相補充，進而提高矯正效果。實踐證明“綜合矯正”使提高管（棒）材矯直質(zhì)量的途徑之一。矯直機的結構參數(shù)包括矯直輥的傾斜角度、反彎曲率、接觸長度、輥身長度及輥型曲線等，其中對矯直輥輥型的設計和研究是矯直機結構參數(shù)研究的重點。我國在70-80年代取得了一批研究成果。馬香峰在研究管（材）材矯直機的輥型時假定矯直過程中管（材）是理想圓柱體，有等距曲面的觀點出發(fā)，既研究了管（材）呈直線狀態(tài)下和呈彎曲狀態(tài)下的輥型曲面；還討論了直管輥如何進行角度調(diào)整而得到更好的接觸狀況，為多輥鋼管矯直機和二輥矯直機的輥型設計提出了統(tǒng)一的計算方法。姚中從輥型曲線理論公式出發(fā)，簡化了輥型曲線方程式，并證明計算精度是合適的。劉天明在國內(nèi)外有關學者對輥型研究成果的基礎上，對直圓材接觸雙曲線輥型的研究成果進行了系統(tǒng)的歸納和總結，提出了更為簡單的計算方法和輥型曲線的作圖方法。在管材矯直機的實驗研究方面，除優(yōu)化矯直機的結構參數(shù)外，對矯直機的力能參數(shù)的測定是一項很重要的內(nèi)容，其中二輥矯直機時重中之重。目前，國內(nèi)外對矯直理論、矯直工藝和矯直設備的研究正在進一步擴展和深化。如向大斷面型材、一機多用和提高矯直速度等方向發(fā)展。同時，研究領域也不斷地拓展，研究分支也越來越多。如進一步向提高矯直精度、提高數(shù)學模型精度、減少殘余應力、減少頭尾的損失、減少表面的損失及功率消耗等方面深入。1.4 ANSYS的特點功用 ANSYS軟件是美國ANSYS公司研制的大型通用有限元分析（FEA） 軟件，能夠進行包括結構、熱、聲、流體以及電磁場等學科的研究，在核工業(yè)、鐵道、石油化工、航空航天、機械制造、能源、汽車交通國防軍工、電子、土木工程、造船、生物醫(yī)學、輕工、地礦、水利、日用家電等領域有著廣泛的應有。 ANSYS程序是一個功能強大、設計分析靈活的軟件包。該軟件可浮動運行于PC機，NT工作站、UNIX工作站、巨型機等各類計算機及操作系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)文件在其所有的產(chǎn)品系列和工作站上均兼容。大多物理場耦合的功能，允許在同一模型上進行各式各樣的耦合計算。ANSYS軟件也是世界上第一個通過ISO9000認證的有限元軟件。該軟件具有下面三方面的特點：（1） 強大而廣泛的分析功能：可廣泛應用于結構、熱、電磁、聲學、，流體等多物理及多場相互耦合的線性、非線性問題。（2） 一體化的處理技術：主要包括集合模型的建立、自動網(wǎng)格劃分、加載、求解、后處理、優(yōu)化設計等許多功能及實用工具。（3） 豐富的產(chǎn)品系列和完善的開發(fā)體系：不同的產(chǎn)品配套，應用于各種工業(yè)領域如航空、航天、船舶、汽車、軍工、鐵道、土木、機械、電子、核工業(yè)、能源、建筑、醫(yī)療等。第2章 斜輥矯直機的結構分析及矯直原理的討論2.1 CKM-3型61500斜輥矯直機的結構包鋼無縫廠目前應用的無縫鋼管矯直機是由前蘇聯(lián)制造的CKM-3型61500六輥立式矯直機。該矯直機主要承擔100以下的無縫鋼管的矯直工作。矯直的鋼管外徑在219377mm之間。自91年又開始試矯426mm的鋼管。矯直鋼管的材料主要為20鋼、氣瓶鋼、J55接箍料等。2.1.1 矯直機的結構配置圖2-1 六輥管材矯直機的結構配置如圖2-1 所示。矯直機主要有傳動裝置回轉圓盤裝置上下輥調(diào)整裝置和機架幾部分組成。矯直機上裝有六個相同尺寸的雙曲面形矯直輥。六個矯直輥成“2-2-2”型布置。其中四個是傳動的，其余兩個是從動的；三個低于矯直中心線，三個高于矯直中心線。矯直輥相對矯直中心線均傾斜一定角度布置，這樣才能使管材獲得旋轉前進的運動，并能保證管材的所有表面都獲得矯直。矯直機的機架有上橫梁、機座、三根立柱、螺母組成。機架上裝有工作機構和各部件。其中包括四個棍子的升降調(diào)整機構，其中三個為上輥，一個為中間下輥。通過調(diào)整，可使上排三個輥子和中間下輥實現(xiàn)高度上的升降，以得到矯直中管材的反彎曲線。矯直輥除可沿高度方向調(diào)整外，全部六個輥子都可在水平面內(nèi)實現(xiàn)傾角調(diào)整，適應與不同規(guī)格的管材相接觸的要求。輥子的角度調(diào)整機構是有電動機經(jīng)渦輪減速機和扇形渦輪來構成的。矯直機上配置兩個傳動裝置，分別由兩個主電機經(jīng)齒輪減速器和萬向接軸來驅動上兩個端輥和下排的兩個端輥。而中間一對輥子的轉動時依靠它們與矯直管材表面間的摩擦而形成。該矯直機的主要技術性能和結構參數(shù)如下：矯直管材的直徑范圍 114529mm矯直管材的最小長度 6000mm輥距 1500mm輥長 900mm輥子傾角調(diào)整范圍 24153145管材的壁厚 114426mm 16mm 426529mm 12mm矯直速度 0.331.3主電機數(shù)量 2主電機轉速 3001500rpm2.1.2 矯直機的工藝參數(shù)對六輥矯直機而言，主要的工藝參數(shù)是指矯直輥的壓下量和傾角。矯直輥的壓下量是使被矯管材產(chǎn)生反彎所必須的條件。因此，壓下量選取和確定的合適與否，直徑關系到被矯直管材的矯直質(zhì)量。若壓下量過小，管材在矯直輥間所形成的反彎狀態(tài)不足以使管材產(chǎn)生足夠大的彈塑性變形，則矯直效果不明顯；反之，若壓下量過大，又容易造成管材被矯凹，甚至斷面被矯扁的現(xiàn)象。按該六輥矯直機目前應用的工藝方案，壓下量是根據(jù)被矯管材的外徑來確定的。通過本文的分析和研究，我們認為，為了確定合適的壓下量，在考慮管材外徑的同時，還必須考慮管材的材質(zhì)來確定。表2-1為該矯直機采用的壓下量的制度。表2-1 六輥矯直機的壓下量（mm） 壁厚管徑<66881010121215162029910.597.5653>2994267.51068.55745.5>42652986.55該矯直機的矯直工藝是經(jīng)冷卻的管材由輥道送入推料機的導料槽內(nèi)，此時電機帶動推料機的推桿將軋桿平穩(wěn)地推進到入口嘴孔時管材在第一對輥子處，第二隊輥子主要起壓下作用，再有第三隊輥子出料，從矯直機出來的管子由輸送輥道送走。針對矯直不同規(guī)格的管材來調(diào)整矯直輥的角度和壓下量。一般說來，矯直輥角度應保證圓材每個橫截面在各輥處的塑性變形不重復或保證各輥處的“等曲率”接觸區(qū)的長度不小于圓材的一個導程，矯直輥調(diào)整角度的范圍是24153145。等距雙曲面矯直輥形，當管材尺寸改變時，適當調(diào)整矯直輥的傾斜角度，即改變鋼管于矯直輥的接觸情況就可滿足生產(chǎn)上的要求。故矯直輥傾斜角度可調(diào)；同時工藝上要求隨著鋼管直徑的變化，每對矯直輥的距離也相應改變。調(diào)整安裝角時，應檢驗鋼管與矯直輥工作表面的接觸情況，當接觸線長度占矯直輥工作長度的時才正確，第一對輥可略短一些，但也必須超過矯直輥工作長度的，矯直輥的角度調(diào)整參考值如下表2-2。矯直輥的輥型是按照傾角為3145，矯直最大鋼管直徑529mm的條件下設計的。所以在矯直其它尺寸的鋼管時，必須對矯直輥的傾角進行調(diào)整，使被矯直輥的磨損比較均勻，以得到穩(wěn)定的矯直過程，獲得較高和較穩(wěn)定的矯直質(zhì)量。 表2-2 矯直輥的傾角鋼管外徑（mm）矯直輥角度鋼管外徑（mm）矯直輥角度114241524526461272430273271713324372992745140244632528141462453351284315925073772911168251840229361782530426300019425494503024219261952931452.2 矯直原理2.2.1 彎曲變形與曲率金屬條材在矯直加工中的受力狀態(tài)基本上屬于集中載荷作用。在斜輥矯直狀態(tài)下圓材與輥面間雖有一段接觸區(qū)，但受力并非均勻，存在駝峰狀受力區(qū)。圖2.-2所示，設此工件的原始狀態(tài)時彎的，具有原始彎曲半徑，此單位弧長=1，它對應的弧心角為它們之間的關系為：= 弧線的曲率也是用表示，只是單位量綱不再是rad，而是。它們的數(shù)值完全相同，故曲率也可用表示，但需寫為=（單位為）既是原始曲率，也可以理解為原始曲率角。由于按角度概念進行曲率運算會帶來很多方便，以后各種曲率皆按曲率角進行計算。 圖2-2 彎曲時的曲率變化 現(xiàn)在按圖2-2所示對具有原始曲率的工件進行反彎達到狀態(tài)。此時形成的反彎曲率為，其相應的曲率半徑為。故有工件由彎到成為狀態(tài)，總的曲率變化量就是總的曲率角變化量為 （2-1） 這個總曲率角在圖2-2上相當于一個三角形中角的外角，它相當于曲率角由變到零，再由零變到，總的變化當然是。在由的變化過程中曲率半徑由增到無窮大，再由無窮大減到。而新曲率半徑只能借助曲率角來計算，即 （2-2） 在撤銷外力后，工件必將釋放其彈性勢能形成彈性返回現(xiàn)象。由于上述彎曲包含著彈塑性變形，其塑性變形部分為永久性變形，故彈復動作不能回歸原狀，只能按其彈性勢能大小返回到狀態(tài)。此時所對應的弧心角為,稱之為殘余曲率（角），與其相對應得曲率半徑為，同理。工件由彈復到，其曲率角的變化由變到，其減小量即為彈復量，以表示，則 (2-3) 稱為彈復曲率（角），在圖2-2中表現(xiàn)為右側的與兩個半徑線間的夾角。 彈復后工件處于穩(wěn)定狀態(tài)，它與原始狀態(tài)之間的差別不會再改變，而形成為永久性差別，工件的不可恢復的變形稱為永久變形。它所對應的曲率變化稱為塑性彎曲曲率（角），即與兩個半徑線間的夾角： （2-4） 當原始彎曲方向與壓彎方向一致時，即同向壓彎時，式2-1及2-4中改為負值即可。當工件原始狀態(tài)無彎曲時，。 當工件反彎后變直時，式2-3變?yōu)?或 （2-5）此式即為矯直曲率方程式。為使工件矯后變直，必須選用一個正好與彈復曲率相等的反彎曲率對工件進行矯直。要把曲率變化與工件變形聯(lián)系起來，需要把工件的斷面厚度考慮在內(nèi)。首先參考圖2-3。仍以單位長度工件來分析，由于其斷面高度為，彎曲時除中性層不變形外，其上部產(chǎn)生拉伸變形，其下部產(chǎn)生壓縮變形，根據(jù)平截面原則，各層纖維的變形大小與該層至中性層的距離成正比。已知彎曲半徑為，曲率（角）為，在距中心層高度處纖維層的變形可由幾何關系寫為 （2-6）圖2-3 彎曲變形圖這個變形值相當于以為半徑按角大小所畫的弧長，即圖2-3中所畫出的弧。為更直接地反映在工件圖形上，可以先算出的正切角，即 （2-7） 再以為依據(jù)，在工件圖形上作斜截線，參看圖2-3。此斜線上各點與截面線的距離就是各點所處縱向纖維的變形值。如任意點處的變形，按圖2-3可寫成 （2-8）此結果與式2-6一致。同理，邊層纖維變形為 （2-9） 從上述結論中看出：彎曲變形不僅可以計算出來，而其也可以用作圖法求出。本文后面出現(xiàn)的彎曲變形圖，都是根據(jù)這個原理給出的。式2-9中的值加腳標后可以代表各該曲率（角），當用式2-1及式2-3來計算其邊層纖維變形時，則總變形量為 （2-10）塑性變形量為 （2-11）彈復變形量為 （2-12）殘余變形量為 （2-13）這些變形也可用作圖法，如圖2-4所示。圖2-4 彎曲與彈復變形的綜合圖總彎曲的作圖角，其中，。彈復量的作圖角。圖2-4中的彎曲應力是按理想金屬設定的，應力超過彈性極限后按屈服平臺變化，保持值不變。從這種應力應變圖中來解釋彈復變形狀態(tài)更易于理解。2.2.2 斜輥矯直機工作原理 斜輥矯直機可利用各輥的交錯配置并使各輥的壓彎點都轉到同一截面時呈現(xiàn)對稱關系，如圖2-5中各壓彎點均布在原材表面呈六角形。 圖2-5 斜輥矯直時三相對稱變形的疊加結果圖2-6 夾角為的兩相彎曲變形疊加結果圖2-7 夾角為兩相各有等曲率彎曲時變形疊加結果這種輥系的輥距（）為三分之一導程（）或為導程的整數(shù)倍再加三分之一導程。從圖中剖面變形狀態(tài)可以看出其彈性心為六角形，其對角線長度與中心線的長度間差值更小，對角線方位上的矯直更易于達到要求。一般輥距都是既定的參數(shù)，而導程時可變的。在已知工作直徑的條件下改變導程的唯一變量就是輥子斜角。而輥子斜角的調(diào)整范圍不能與設計輥形時所用斜角差的太多。只能在較小范圍內(nèi)改變斜角使之與輥距之間盡量保持正確關系，但誤差又不可避免。從工件表面矯后留下的螺旋軌跡來看，由疏密不均現(xiàn)象，甚至出現(xiàn)重疊壓印，會嚴重影響矯直質(zhì)量。例如當相鄰2輥間距離為，即相鄰兩個壓彎點的相位差為，進行4次壓彎后的結果如圖2-6所示。兩個彎曲面的相位不垂直而是互相傾斜，結果彈性心為菱形，在其長對角線的相位面內(nèi)的彎曲便不容易被矯直而留有螺旋彎。又如在6次壓彎的矯直機上，當壓彎軌跡不成三角對稱時，若各軌跡的相面之間夾角也減小一半時，其矯直質(zhì)量會比圖2-6的有所提高，但肯定低于圖2-5的質(zhì)量，為了彌補這種不足而采用等曲率壓彎法可以明顯提高矯直質(zhì)量。如圖2-7所示，在兩相面的彎曲當中，都增加少量的等曲率彎曲區(qū)長度為。并仍按圖2-6 相面與相面的關系進行彎曲，則增加等曲率區(qū)后的變形便如圖2-7中上邊的兩個截面所示，變形面積明顯增加，而且兩個變形綜合在一起（圖中下面的圓截面）之后彈性心的對角線也如圖2-7中的明顯縮短。一般用長度較大的斜輥壓彎圓材時，在固定好輥子斜角條件下采用較大的壓彎量，都可獲得大小不等的等曲率區(qū)長度。歸納起來多斜輥矯直條件為，第一要彎曲區(qū)（點）數(shù)，最好是；第二是每個彎曲區(qū)等曲率區(qū)越長，矯直質(zhì)量越好；第三是輥子斜角必須與輥距之間保持合理的幾何關系：式中位整數(shù)當每個等曲率區(qū)長度大于一個導程時，便可能達到矯直目的。第3章 矯直機的力能參數(shù)計算3.1 管材的變形與彎矩管材矯直時塑性變形一般都需要深入到管內(nèi)徑處，但不需要深入過多。有些管材在塑性變形未深入到內(nèi)徑條件下也能矯直，其原因在于其原始彎曲程度比較輕微，塑性變形深度可以淺些，其次是看塑性變形面積所占比重。管材的彎矩實質(zhì)上式通過粗細兩個棒材的彎矩之差來求得的。設粗棒的塑性變形已經(jīng)深入到比細棒外徑還小的程度，其應力應變模型示與圖3-1。設定：粗棒半徑為，細棒半徑為；彈性核心半徑為；。則粗棒彎矩為圖3-1 管材彎曲應力應變圖 將代入積分后，并利用及的關系式進行整理，得到下式 細棒彎矩為 管材彎矩為。鑒于，及。代入上面兩式，相減后可得管材彎矩： 或 由于管材的彈性極限彎矩，故。代入上式可得 其彎矩比為 為防止矯直時管材受到塑性壓扁而畸變，不宜采用過小的值來確定最大值。本書推薦用來計算。而塑性極限彎矩比仍按來計算，可得常見管材的，現(xiàn)在取0.4，0.6，0.8及這4個典型管材作出4條曲線示于圖3-2。圖3-2 管材的曲線這4條曲線的最大彎矩比（用，按上式算出）及塑性極限彎矩比對比如下：值： 0.4 0.6 0.8 0.9值： 0.3 0.5 0.7 0.8值： 1.58 1.42 1.25 1.16值： 1.63 1.53 1.41 1.34在設計矯直機時要用最大彎矩來計算矯直力，而且要以可能遇到的最小值為依據(jù)。在實際調(diào)整壓彎程度時要避免過大的壓彎，應盡量采用的壓彎量?？紤]到壓扁矯直作用的參與，采用已經(jīng)足夠。因此，在進一步探討彎矩和彎曲變形在縱軸方向分布狀況之前，須給出的彎矩比，即 這是條件下管材全長度中的最大彎矩比。此時要了解塑性變形深度沿縱軸的變化情況，需給出其彎矩的一般表達式，即：將及代入上式可得由于管材的，用它可求出上式的彎矩比為在縱軸方向上任意一點處外力矩與內(nèi)力矩的平衡式為式中可由中求出。即代入式可得：此式中包含變量。為了討論與的關系，需給定值。仍按前面4個的數(shù)據(jù)給出4個典型的與關系式，作出曲線示于圖3-3中，每條曲線的左上部代表塑性變形區(qū)，右下部代表彈性變形區(qū)。值越大表示管壁越薄，并在既定的反彎條件()下其塑性變形區(qū)越短小。圖3-3 4種管材的曲線3.2 受力分析 六輥管材矯直機的輥系配置為“2-2-2”型。管材矯直時的彎矩及塑性區(qū)的分布如圖3-4圖3-4 六輥矯直機矯直管材管材在兩端輥中于輥的接觸線較短，管材在該接觸區(qū)內(nèi)產(chǎn)生的塑性變形區(qū)的長度分別為、。由于中間上輥的壓下，在中間一對輥中，管材的受力狀況近似于雙載簡支梁；中間一段為近似的等彎矩塑性變形區(qū)，而其兩邊的塑性變形區(qū)是逐漸變化的。因此，對應的塑性變形區(qū)深度也由小到大，再由大到小。管材在通過三隊矯直輥的輥縫時，將先后經(jīng)歷三個塑性變形區(qū)，產(chǎn)生三次塑性變形。管材的總塑性變形區(qū)的長度為。由此可見，只要適應地調(diào)整輥子的傾角，并選取適合的壓下量，就可以產(chǎn)生較大的塑性變形區(qū)：使管材在塑性區(qū)內(nèi)旋轉次數(shù)增加，進而達到較理想的矯直效果。為計算矯直力能參數(shù)，首先需要確定一個較符合實際的矯直力學模型。六輥矯直機在矯直管材時，管材與矯直輥間相互作用情況非常復雜，不僅牽涉到金屬彈塑性彎曲過程中復雜的物理因素，而且還有作用力間的相互關系。管材除受到矯直輥的彎曲作用外，還要受到其輾壓、扭轉和摩擦的作用。因此，為簡化計算過程，須對其受力狀況進行必要的簡化。如圖3-3所示，在矯直輥上除作用有垂直壓力外，還作用著使矯直輥在角平面中的轉動力偶、切向力和軸向力。其中；。因此，在計算矯直力時，、三力可忽略不計，而只將矯直力視為垂直壓力。圖3-5 作用在矯直輥上的力 由于矯直輥的壓下，輥縫小于管材外徑。管材通過三隊輥時，均受到縱向反復彎曲和橫向反復壓扁，管材的直度和圓度均可提高。六輥矯直機正是將反復彎曲矯直和反復壓扁矯直兩種矯直方法有機地結合在一起，才使管材表層金屬纖維進入彈性狀態(tài)而產(chǎn)生拉壓、應力獲得矯直的效果。圖3-6 222輥系矯直機作用模型222輥系矯直機的輥子都是長棍，輥子全部成對配置，輥子全部為驅動輥參看圖3-6，輥系中三隊輥子的各上輥均可升降調(diào)整，中間部分的下輥也可升降調(diào)整，各輥斜角可調(diào)。當輥子斜角較小并將工件抱緊時，在中間一對輥子向上抬起后工件內(nèi)看產(chǎn)生如圖3-6的彎矩，類似固端梁的彎矩圖。當輥子斜角較大對工件抱的不緊時，便可產(chǎn)生如圖3-6 所示的彎矩圖。為了達到矯直目的，這兩種彎曲的等彎矩區(qū)都不小于一個螺旋導程，即。兩個固端區(qū)可按來計算。這種輥系主要適合于管材矯直。用于矯直棒材時對于原始彎曲較重的棒材在一次矯直之后很難達到合格要求，往往要經(jīng)過兩次以上的矯直才能合格。為此，在計算矯直力時還是采用相應直徑的棒材所需之矯直彎矩，即或用來代入；或用代入。而為棒材的彎矩按圖3-6及兩種調(diào)整方式來考慮。圖3-6方式屬于簡支梁受力用于矯直管材，易于計算，故從略，按圖3-3方式并按計算如下。 即彈性極限彎矩 為管材內(nèi)徑，為管材外徑輥距 螺旋導程接觸線長度輥子長度其余各力可按，計算，故 此時中間上輥的壓緊力可有可無。但是，它的導向作用不可少。因此可以考慮具有輕微的壓緊力并按來計算。于是輥面法向壓力總和為3.3 力能參數(shù)的計算管材的矯直過程首先進入咬入階段，這是建立矯直狀態(tài)的過渡過程。在此階段中，管材頭部依次進入各對輥中，從管材頭部離開第三對輥到尾部離開第一對輥之前，各輥矯直力都趨于穩(wěn)定，屬于穩(wěn)定矯直階段。在此階段中，管材同時受到所有輥的作用。從管材尾部依次離開第三對輥，屬于拋出階段，是依次接觸彎曲的過程。管材全部拋出以后，達到基本平直，矯直過程全部結束。在矯直過程中，中間一對輥僅靠與鋼管間的摩擦力來轉動，其受載特性與管材的狀態(tài)有很大關系；兩端輥的振動可依靠萬象接軸的平衡裝置得到緩沖，而中間輥則不具備此條件。本文只研究穩(wěn)定矯直階段時矯直機立柱的受力情況。下面先對矯直力進行計算。3.3.1 矯直力的計算矯直機為型六輥立式矯直機。由其性能參數(shù)知矯直機輥距，輥全長。矯直工件，厚度，管長的無縫鋼管。取，。則。材料為20鋼的管材進行矯直力的計算。由機械設計手冊中無縫鋼管分類及機械性能（）中查得屈服極限，矯直輥角度查矯直原理與矯直機械得彈性極限彎矩故 螺旋導程輥子全長 去除圓角后工作部分長度 滿足，所以能得到矯直。查矯直原理與矯直機械 其余各力可按，計算。所以 此時中間上輥的壓緊力可有可無的，但是，它的導向作用不可少，因此可以考慮具有輕微的壓緊力并按來計算。所以中間上輥壓緊力 表3-1 矯直力的修正計算結果 在被矯直管材進入各對輥的輥縫中而建立了管材的反彎撓度后，兩端輥、將對管材有補充壓緊作用：考慮這種偏載壓緊作用，特將、輥的矯直力計算中引入偏載系數(shù)。為簡便起見，我們統(tǒng)一取，對兩端兩排輥的矯直力重新進行計算，所以得 結果列于上表3-1所示。3.3.2 立柱的力學模型及力能計算立柱1的力學模型及力能計算立柱1的受力模型其中根據(jù)受力平衡 代入數(shù)據(jù)得 代入數(shù)據(jù)得 立柱2的受力模型及力能計算立柱2的受力模型 根據(jù)對稱性，易知立柱2的受力與立柱1的受力相同，這里不再獒述。 立柱3的受力模型及力能計算 立柱3的受力模型根據(jù)受力平衡 代入數(shù)據(jù)得 第4章 立柱的校核圖4-1 立柱的實體模型 經(jīng)分析易知，立柱的中間截面為危險截面，只要該截面滿足了強度要求，其它的也必然都滿足，從而整根立柱也滿足強度要求。危險截面的面積 抗彎截面系數(shù) 4.1 強度校核立柱1的強度校核如前面對立柱1的受力分析，作立柱1的受力簡圖和彎矩圖如下所示立柱1的力學模型查新編機械設計手冊張黎驊 鄭嚴編得45鋼許用應力，故滿足強度要求。立柱2與立柱1的受力情況及受力值、彎矩大小相等，故校核省略。立柱3的強度校核作立柱3的受力簡圖和彎矩圖如下所示立柱3的力學模型同樣45鋼許用應力，故滿足強度要求。 由上分析可知，3根立柱都滿足強度要求，下面再校核立柱的穩(wěn)定性。4.2 穩(wěn)定性校核立柱由45鋼制成，屈服極限，比例極限，彈性模量，有效長度為，直徑?，F(xiàn)對個立柱進行穩(wěn)定性校核。因為每個立柱所受的壓力均為，所以僅需對一根立柱進行穩(wěn)定性校核即可。由材料力學中的歐拉公式求得 立柱可簡化成兩端鉸支桿，。截面為圓形，截面的慣性半徑。柔度為 所以不能用歐拉公式計算臨界壓力，根據(jù)經(jīng)驗公式 可見立柱桿的柔度介于和之間,是中等柔度壓桿。如用經(jīng)驗直線公式，由材料力學查得優(yōu)質(zhì)碳鋼的和分別是：，。由直線公式求出臨界應力為 臨界壓力是 壓力桿的穩(wěn)定性安全因數(shù)為 而一般規(guī)定的穩(wěn)定安全因數(shù)為，顯然故滿足穩(wěn)定要求。綜上所述，立柱既滿足強度要求也能滿足穩(wěn)定性要求！第5章 用ANSYS軟件分析立柱的受力5.1 設定分析作業(yè)名和標題（1）將數(shù)據(jù)庫文件名設定為“asix”。（2）將標題名設定為“static analysis of a asix”。（3）本課題劃為結構分析。因此，從主菜單中選擇MainMenu：Preference命令，將打開Preference of GUI Filtering（菜單過濾參數(shù)選擇）對話框，選中Structural復選框，單擊“OK”按鈕確定。如圖4-1所示。圖4-1 優(yōu)選對話框5.2 定義單元類型根據(jù)分析問題的幾何結構、分析類型和所分析的問題精度要求等，本分析選用Brick 20 node 95實體結構單元。（1） 從主菜單中選擇Main Menu：Preprocessor->-Mlement Type->-Add/Edit/Delete 命令，將打開Element Type（單元類型）對話框。（2） 單擊Add按鈕，將打開Library Of Element Type（單元類型庫），如圖4-2所示。（3） 后在左邊的列表框中選擇Solid選項，選擇實體單元類型。（4） 在右邊的列表框中選擇Brick 20 node 95選項。（5） 單擊OK按鈕，將Brick 20 node 95單元添加，并關閉單元類型對話框，同時返回到第（1）步打開的單元類型對話框。（6） 該單元不需要進行單元選項設置，單擊Close按鈕，關閉單元類型對話框，結束單元類型的添加架。圖4-2 單元類型庫對話框5.3 定義材料屬性立柱材料為HT250（灰鑄鐵），經(jīng)查得灰鑄鐵的彈性模量E為118126GPa，為0.3。（1） 主菜單中選擇Main Menu：Preprocessor->-Mateial Props ->-Mateeria Model命令，將打開Define Material Model Behavior（定義材料模型屬性）窗口。（2） 依次雙擊Structural->-Linear->-Elastic->-Isotropic，展開材料的樹形結構。將打開材料的彈性模量EX和泊松比PRXY的定義對話框，如圖所示。（3） 在對話框的EX文本框中輸入彈性模量1.26e11，在PRXY文本框中輸入泊松比0.3。（4） 單擊OK按鈕，關閉對話框，并返回到定義材料模型屬性窗口，在此窗口的左邊一欄出現(xiàn)剛剛定義的參考號為1的材料屬性。（5） 在Define Material Model Behavior 窗口中，從采單選擇Material->-Exit命令，退出定義材料模型屬性窗口，完成對材料模型屬性的定義。圖4-3 線性各向同性材料的彈性模量和泊松比5.4 建立立柱的三維實體模型（1）創(chuàng)建倒圓錐臺創(chuàng)建四個關鍵點從主菜單中選擇Main Menu：Preprocessor ->- Modeling->-Creat->-Keypoints->-In Active CS在Keypoints Number 文本框中輸入1，在Location In Active CS 文本框中輸入0，562.5，0創(chuàng)建關鍵點，點擊Apply。如圖4-4所示。再用同樣的方法創(chuàng)建關鍵點2，（195，562.5，0），3（270，1162.5，0），4（0，1162.5，0）。在創(chuàng)建完關鍵點4后，點擊OK退出。在圖形輸出窗口中將會出現(xiàn)四個關鍵點。圖4-4 創(chuàng)建關鍵點顯示關鍵點的編號從下拉菜單中選擇 Utility Menu ->-Plotctrls ->-Numbering命令執(zhí)行后，將出現(xiàn)一個Plot Numbering Controls對話框，選擇Keypoint Numbers 為ON，單擊OK按鈕，關閉該對話框，這時在圖形輸出窗口中，每個關鍵點都會顯示一個編號。創(chuàng)建直線從主菜單中選擇Main Menu：Preprocessor ->-Modeling->-Creat->-Lines->-Straight Line命令執(zhí)行后將出現(xiàn)名為Creat Straight Line 的圖形窗口，在圖形窗口中依次點擊剛才所創(chuàng)建的關鍵點1、2，2、3，3、4，4、1，然后單擊Creat Straight Line圖形拾取窗口中的OK按鈕，即可生成四條直線，如圖4-5所示。顯示直線的編號從下拉菜單中選擇 Utility Menu ->-Plotctrls ->-Numbering命令執(zhí)行后，將出現(xiàn)一個Plot Numbering Controls對話框，選擇Line Numbers 為on，單擊OK按鈕，關閉該對話框，這時在圖形輸出窗口中，每條直線都會顯示一個編號。圖4-5 創(chuàng)建直線創(chuàng)建面從主菜單中選擇Main Menu：Preprocessor ->-Modeling->-Creat->-Areas->-Arbitrary->-By Lines命令執(zhí)行后將出現(xiàn)名為Creat Area 的圖形窗口，在圖形窗口中依次點擊剛才所創(chuàng)建的直線L1、L2、L3、L4，然后單擊Creat Area圖形拾取窗口中的OK按鈕，即可生成一個四條線圍成的平面，如圖4-6所示。創(chuàng)建體從主菜單中選擇Main Menu：Preprocessor->-Modeling->-Operate->-Extrude->-Areas->-About Axis命令執(zhí)行后將出現(xiàn)名為Sweep Area About Axis的圖形拾取窗口，在圖形窗口中先點擊剛才所創(chuàng)建的面，然后單擊圖形拾取窗口中的Apply按鈕，再拾取1、4兩個關鍵點，單擊圖形拾取窗口中的OK按鈕，彈出Sweep Area About Axis的對話框，在Arc Length In Degrees文本框中輸入360，點擊OK按鈕，