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0 引言
三輥外螺紋斜軋機(jī)主要用來(lái)軋制各種規(guī)格的外螺紋鋼管,它們主要用做自鉆注漿式外螺紋錨管,可實(shí)現(xiàn)鉆孔、注漿、錨固等功能一體化,目前在國(guó)內(nèi)屬于一項(xiàng)新技術(shù)。外螺紋斜軋技術(shù)具有生產(chǎn)率高、材料利用率高、產(chǎn)品質(zhì)量好、成本低、無(wú)噪聲等優(yōu)點(diǎn),并得到日益廣泛的應(yīng)用。軋輥?zhàn)鳛樵撥垯C(jī)的主要部件,直接影響軋機(jī)的壽命以及產(chǎn)品的質(zhì)量、生產(chǎn)效率等方面,因此軋輥設(shè)計(jì)的好壞就顯得非常重要。傳統(tǒng)的軋輥設(shè)計(jì)過(guò)多地依賴(lài)于設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)與判斷,設(shè)計(jì)精度低,設(shè)計(jì)周期長(zhǎng),因此將數(shù)值模擬技術(shù)引入軋輥的設(shè)計(jì)已勢(shì)在必行。
有限單元法作為最常用的數(shù)值模擬技術(shù),具有精度高、適應(yīng)性強(qiáng)以及計(jì)算格式規(guī)范統(tǒng)一等優(yōu)點(diǎn),已成為 現(xiàn)代機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的一種重要工具。本文以WZ01型外螺紋鋼管軋機(jī)為研究對(duì)象,對(duì)軋輥進(jìn)行了應(yīng)力分析,為輥型優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。
1 有限元模擬方法分類(lèi)
1.1 本構(gòu)關(guān)系及其方程
根據(jù)金屬材料本構(gòu)方程的不同,可將有限元模擬方法分為兩類(lèi):
(1)彈塑性有限元法:彈塑性有限元法考慮了包括彈性變形的金屬變形全過(guò)程,它以 Prandlt-Mises本構(gòu)方程為基礎(chǔ)。在分析金屬成型問(wèn)題時(shí),不僅能按變形路徑得到塑性區(qū)的發(fā)展?fàn)顩r、工件中的應(yīng)力、應(yīng)變分布規(guī)律和幾何形狀的變化,而且還能有效地處理卸載問(wèn)題,計(jì)算殘余應(yīng)力。因此,彈塑性有限元法被用于彈性變形無(wú)法忽略的成型過(guò)程模擬。
(2)剛塑性有限元法:剛塑性有限元法忽略了金屬變形中的彈性效應(yīng),以速度場(chǎng)為基本量,形成有限元列式。剛塑性有限元法雖然無(wú)法考慮彈性變形問(wèn)題和殘余應(yīng)力問(wèn)題,但計(jì)算程序大大簡(jiǎn)化,在彈性變形較小甚至可以忽略時(shí),采用剛塑性有限元法可達(dá)到較高的計(jì)算效率。
1.2 有限元求解方法
有限元求解方法概括起來(lái)有以下兩種形式:
(1)隱式積分算法:算法中應(yīng)用最廣泛的方法是Newton-Raphson迭代方法。使用隱式求解方法時(shí),每一增量步迭代計(jì)算都需要形成大型的稀疏的剛度矩陣,進(jìn)行反復(fù)的迭代計(jì)算以達(dá)到收斂,這樣使得計(jì)算量大,占用存儲(chǔ)空間多,而且對(duì)于接觸問(wèn)題的處理經(jīng)常引起計(jì)算的發(fā)散,因此對(duì)于許多復(fù)雜工藝問(wèn)題難以進(jìn)行模擬計(jì)算。
(2)顯式積分算法:算法采用中心差分法進(jìn)行顯式時(shí)間積分,因此程序在求解時(shí)不需要形成剛度矩陣,雖然仍需形成方程組,然而每一步求解方程組在計(jì)算時(shí)不需要迭代,其計(jì)算步長(zhǎng)取決于整個(gè)變形體網(wǎng)格單元中最小單元的邊長(zhǎng)或?qū)蔷�(xiàn)長(zhǎng)度,網(wǎng)格劃分時(shí)要盡量均勻,并避免過(guò)小的網(wǎng)格出現(xiàn)。對(duì)于接觸問(wèn)題和其它一些非線(xiàn)性連續(xù)問(wèn)題在顯式積分算法中很容易表達(dá)清楚并且能夠一個(gè)節(jié)點(diǎn)一個(gè)節(jié)點(diǎn)地進(jìn)行求解而不必迭代。
2 軋輥模型的建立及有限元分析
外螺紋錨管的斜軋工藝和變形非常復(fù)雜,軋件要在三個(gè)軋輥組成的三維空間中做螺旋運(yùn)動(dòng)。WZ01型外螺紋鋼管軋機(jī)的單個(gè)軋輥的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖 1,其主要包括兩個(gè)支撐端、輥體以及輥體上的輥齒。該輥輥齒采用圓角左旋螺紋,分為成形段和精整段。
WZ01型外螺紋鋼管軋機(jī)按輥徑不同分為 D150、D270兩個(gè)系列,分別對(duì)應(yīng)加工 Φ25～Φ45、Φ45～Φ70的鋼管。軋輥螺紋孔型與以下幾個(gè)參數(shù)有關(guān):螺紋螺距 P、軋件成形角 β1、輥齒牙型斜角 β2、螺牙高度 T、螺牙圓弧半徑 R、輥齒螺旋升角 γ。軋輥螺紋孔型結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖 2。為了滿(mǎn)足軋件外螺紋在工程使用中的自鎖要求,螺紋螺距 P必須滿(mǎn)足下式要求:
由以上分析可知,只要確定了軋件成形角 β1與牙形斜角 β2,其它與螺紋孔型有關(guān)的參數(shù)均可間接得到。這說(shuō)明軋件成形角 β1與牙形斜角 β2是與螺紋孔型有關(guān)的參數(shù)中最關(guān)鍵的兩個(gè)參數(shù)。
本文以 D150系列軋輥為例,確定 β1與 β2的取值范圍分別為:2°～6°、10°～50°,在 SolidWorks環(huán)境下建立 25組軋輥三維實(shí)體模型。然后利用 SolidWorks的有限元插件 COSMOS對(duì)軋輥進(jìn)行了有限元分析,軋輥有限元分析過(guò)程如下:
(1)添加材料屬性。軋輥材料為 Cr12,是各向同性線(xiàn)性彈性材料,彈性模量為 206GPa,泊松比為 0.3,質(zhì)量密度為 7.8×103kg/m3。
(2)載荷及邊界條件處理。通過(guò)對(duì)外螺紋斜軋機(jī)軋制過(guò)程分析,可知軋輥所受工作載荷主要是迫使軋件變形產(chǎn)生的壓力。根據(jù)普蘭德法計(jì)算公式,軋輥接觸面上壓力 p為 1210MPa。
(3)網(wǎng)格劃分。
(4)執(zhí)行運(yùn)算處理。
3 有限元結(jié)果分析
圖 3為軋輥有限元分析的應(yīng)力云圖。通過(guò)對(duì) 25組軋輥進(jìn)行分析,得出軋輥工作時(shí)的最大應(yīng)力,見(jiàn)表 1。為了更加直觀(guān)地反映最大應(yīng)力分布規(guī)律,采用 M文件方式,在 Matlab中將計(jì)算結(jié)果以圖形的方式顯示,見(jiàn)圖 4。
最大應(yīng)力的 M 文件為:
4結(jié)論
(1)利用 olidWorks的有限元插件 CO MO 對(duì)螺旋孔型斜軋問(wèn)題進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算,獲得了用常規(guī)方法難以得到的軋輥在軋件成型過(guò)程中應(yīng)力分布情況。
(2)通過(guò)對(duì)軋輥有限元結(jié)果分析,可知軋件成形角 β1與牙形斜角 β2的取值對(duì)軋輥所受最大應(yīng)力的影響規(guī)律:隨著 β1與 β2取值的不斷變化,軋輥所受最大應(yīng)力和應(yīng)變的波動(dòng)比較大;β1與 β2的取值對(duì)應(yīng)力和應(yīng)變的最大值均有影響,而且這種影響為一組合影響。
(3)為了使軋輥所受的應(yīng)力應(yīng)變值盡量小,對(duì)軋件成形角 β1與牙形斜角 β2的取值應(yīng)該采用以下原則:在取值范圍內(nèi),當(dāng)軋件成形角 β1取較小值時(shí),牙形斜角 β2應(yīng)取較大值;當(dāng)軋件成形角 β1取較大值時(shí),牙形斜角 β2應(yīng)取較小值;應(yīng)盡量避免 β1與 β2同時(shí)取較大值。
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