棒材二辊矫直过程及关键技术研究

论文摘要

随着机械工业和国民经济各部门，特别是汽车、航空等工业的迅速发展，对整个钢铁行业的要求越来越高，同时对棒材质量和精度也提出了更高的要求。矫直是在制造和生产棒材时非常重要而且很关键的一道工序，相比较多辊矫直，二辊矫直具有结构简单、矫直精度高、造价低等优点而得到越来越广泛的关注。但是现在矫直机和辊形设计远远落后于现场生产要求，实际生产中的工艺没有明确的指导，辊形的关键技术还都掌握在国外厂家手中，更换辊子只能依靠高价进口，这大大加大了国内的生产成本。因此发展研究具有自主知识产权的新式二辊矫直机，可以明显节约生产成本，提高矫直质量，二辊矫直理论及矫直机技术的发展，对国内的钢铁行业的发展有着重要的意义。本文结合实际生产情况，通过大型有限元软件ABAQUS建立了二辊矫直过程的有限元模型，分析了矫直过程中棒材与上下矫直辊和导板的主要接触区域，并得出了矫直过程中的矫直力、导板支撑力在矫直过程中随时间的变化曲线，分析了不同矫直时刻的棒材的应力应变情况。最后通过分析棒材中心节点的坐标分布情况得出了棒材平直度。通过与实际生产情况作对比，发现分析结果与实际情况相符，说明了该模型具有一定的参考价值。针对实际矫直过程中工艺参数没有明确理论指导，且矫直辊、导板等在矫直过程中磨损严重等问题，基于上述的有限元模型分析不同工艺参数下的矫直力、导板支撑力、成品棒材残余应力、最大挠度和塑性层深度等因素的变化规律，综合上面各个因素的影响给出合理的工艺参数，使其既能达到生产要求，又能降低能耗，减少矫直辊及导板的磨损。辊形的研究主要是从棒材的弹塑性弯曲理论入手，分析了各种曲率之间的关系，并得出了棒材的残余曲率在矫直过程中的变化规律，指出单曲率辊形可以达到矫直的目的。通过现有的辊形方法设计出相应辊形，发现并不能达到矫直效果，指出了其中的原因。本文通过分析矫直后的棒材的塑性变形及平直度，不断调整弯曲曲率，并不断通过有限元模型进行模拟，直到矫直后工件的平直度达到要求。设计出的辊形与刚引进的矫直机的辊形进行对比，基本一致，通过自己加工生产矫直辊，可避免依赖进口的情况，大大降低更换辊子的成本。同时该辊形的设计过程可为今后的辊形设计提供参考。随着对出厂棒材质量要求的提高，矫后棒材的残余应力情况也开始受到客户的关注，本文采用盲孔法对矫直后的棒材残余应力分布情况进行了测试，并与相应的有限元模拟的结果做了对比，二者结果相近。总之，本文理论与实际相结合，建立了与实际相符的有限元模型，通过该模型优化了现有的矫直机的工艺参数，大大提高了工作效率，并且降低能耗，减少磨损。而通过新的辊形设计过程设计出了与实际相符的辊形，解决了辊子需要进口的问题，大大降低了更换矫直辊的成本，该设计方法可为今后的设计提供一定参考。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究背景
• 1.2 二辊矫直设备发展现状
• 1.2.1 国外二辊矫直设备发展现状
• 1.2.2 国内二辊矫直设备发展现状
• 1.3 二辊矫直辊形研究现状
• 1.3.1 国外辊形研究现状
• 1.3.2 国内辊形研究现状
• 1.4 二辊矫直过程及工艺研究现状
• 1.5 课题来源及研究意义
• 1.6 本文的主要研究内容
• 第2章 棒材二辊矫直有限元模型建立
• 2.1 引言
• 2.2 弹塑性有限元理论
• 2.2.1 变形梯度与应变
• 2.2.2 速度梯度与应变率
• 2.2.3 基于增量理论的塑性应变及应力计算
• 2.2.4 应力率描述
• 2.2.5 有限单元离散
• 2.2.6 显示算法求解
• 2.3 基于 ABAQUS 建立二辊矫直有限元模型
• 2.3.1 ABAQUS 有限元软件简介
• 2.3.2 二辊矫直机介绍
• 2.3.3 几何模型
• 2.3.4 材料模型
• 2.3.5 单元选择
• 2.3.6 网格划分
• 2.3.7 接触设置
• 2.3.8 边界条件
• 2.3.9 变量输出及建立分析任务
• 2.4 本章小结
• 第3章 棒材二辊矫直过程分析
• 3.1 引言
• 3.2 接触区域分析
• 3.2.1 棒材与矫直辊主要接触区域分析
• 3.2.2 棒材与导板主要接触区域分析
• 3.3 矫直力分析
• 3.3.1 矫直力理论计算
• 3.3.2 矫直力有限元计算结果
• 3.4 导板支撑力分析
• 3.5 应力分析
• 3.6 应变分析
• 3.7 平直度分析
• 3.8 现场矫直情况
• 3.8.1 实际磨损情况
• 3.8.2 矫直后棒材直线度测量
• 3.9 本章小结
• 第4章 棒材二辊矫直过程工艺参数研究
• 4.1 引言
• 4.2 辊缝工艺参数研究
• 4.2.1 辊缝对矫直力影响分析
• 4.2.2 辊缝对导板支撑力影响分析
• 4.2.3 辊缝对残余应力影响分析
• 4.2.4 辊缝对塑性变形层深度影响分析
• 4.2.5 辊缝对矫直后平直度影响分析
• 4.3 导板间距工艺参数研究
• 4.3.1 导板间距对矫直力影响分析
• 4.3.2 导板间距对导板支撑力影响分析
• 4.3.3 导板间距对残余应力影响分析
• 4.3.4 导板间距对塑性变形层深度影响分析
• 4.3.5 导板间距对矫直后平直度影响分析
• 4.4 矫直辊倾角研究
• 4.4.1 凹辊倾角对其有效辊形的影响
• 4.4.2 凸辊倾角对其有效辊形的影响
• 4.4.3 凹辊倾角与辊缝的联合设置
• 4.5 本章小结
• 第5章 凹辊辊形设计
• 5.1 引言
• 5.2 棒材弹塑性弯曲分析
• 5.2.1 弯曲与应力
• 5.2.2 弯曲与变形
• 5.2.3 弯曲与弯矩
• 5.3 矫直过程中残余曲率变化分析
• 5.4 典型辊形设计过程
• 5.4.1 单圆弧辊形设计
• 5.4.2 三段式圆弧辊形设计
• 5.4.3 辊形设计结果分析
• 5.5 新的辊形设计方法
• 5.6 本章小结
• 第6章 二辊矫直后棒材表面残余应力测试
• 6.1 引言
• 6.2 盲孔法测量残余应力的原理
• 6.3 盲孔法测试残余应力实验
• 6.3.1 实验仪器及试件
• 6.3.2 实验过程
• 6.4 测试结果及与数值模拟结果比较
• 6.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间承担的科研任务与主要成果
• 致谢
• 作者简介