基于局部连续塑性变形的新型辊压技术研究.pdf

2023年6 月第2 期焦作大学学报JOURNAL OF JIAOZUO UNIVERSITYNo.2June 2023基于局部连续塑性变形的新型辊压技术研究王海博博张建忠（黄河水利职业技术学院机械工程学院，河南开封47 5 0 0 4）摘要：基于局部连续塑性变形理论，设计了一种双对辊辊压装置来进行螺栓球毛坏的加工。理论分析、有限元仿真和试验验证表明，采用局部连续塑性变形理论制造球体毛坏优势明显。具体为：一是变面接触加工为线接触加工，降低了加工设备所需功率，减小了设备尺寸；二是在原理上消除了裂纹产生的可能，大幅提高了产品的安全性；三是易于实现自动控制。通过加入控制系统，可实现加工过程的自动化控制，消除对人工经验的依赖，使产品质量更加稳定，几何精度更高。关键词：螺栓球毛坏；连续塑性变形理论；有限元模型；辊压工艺中图分类号：TG335文献标志码：A文章编号：10 0 8-7 2 5 7(2 0 2 3)0 2-0 0 7 3-0 4空间网架结构以其自重轻、强度高、整体刚度大、抗震性能好和高次超静定结构带来的高安全穴余等优点，被广泛应用在体育馆、高铁站和机场等室外大跨度建筑结构上。螺栓球是空间网架结构的连接节点，安装形式如图1所示。随着我国基础设施建设的快速推进，空间网架结构需求巨大，而螺栓球毛坏的加工越来越成为制约行业发展的瓶颈!。目前，螺栓球毛坏的加工主要存在三个方面的问题：第一，产品几何精度低。目前的毛坏球几何精度主要依靠工人的加工经验保证，球度误差一般在13mm左右。随着数控加工技术应用于螺栓球加工领域，螺栓球毛坏几何精度问题随之凸显。在数控加工过程中，较大的误差使得螺栓球的定位基准不得不外移，以避免撞刀现象的发生，这增大了空走刀行程，降低了数控加工效率，且在加工中，由于球度误差大，出现加工表面大小不一的情况，造成了支撑面的受力不均。第二，存在裂纹产生的可能。目前的螺栓球球坏主要采用热锤锻工艺制造，该工艺造成的局部褶皱难以消除，毛坏球产生内部裂纹缺陷的问题无法避免，用于空间结构上可能引起裂纹扩展，造成安全隐患，阻碍网架产业的高质量发展。第三，自动化程度低，产品质量不稳定。目前，螺栓球毛坏的加工主要依靠人工锻造制造，锻造加工环境差，对技术和体力要求高，很多年轻人不愿从事这项工作，出现了技术人才断档现象，可以预见，未来这种趋势会愈加明显-。因此，行业迫切需要一种新的加工工艺，来解决目前螺栓球毛坏加工领域面临的问题。a)空间网架结构图1空间网架结构示意图1.螺栓球毛坏加工工艺目前，螺栓球毛坏的成形有模锻、斜轧等工艺，它们都有各自的局限。1.1模锻工艺模锻工艺是最常见的螺栓球毛坏加工方式。模锻方式制造螺栓球毛坏是采用45#钢棒料锯切下料，在电炉或者煤气炉中将其加热至单相奥氏体后，使用空气锤在上下均为半球形的模具内进行锤锻，先墩粗，b）螺栓球节点收稿日期：2 0 2 3-0 3-2 4作者简介：王海博(19 8 8 一)，男，河南南阳人，黄河水利职业技术学院机械工程学院讲师，硕士，研究方向：机械设计与制造。74然后不停翻动锻打，将圆柱形坏料逐步锻为球形。锻打过程中所受力为冲击力，在锤击边缘处，由于应力释放作用会产生褶皱，褶皱边缘与原始表面的夹角可形成锐角，进而产生局部裂纹 5-6 。这种缺陷产生的原因是锤击过程（冲击载荷）中毛坏受力区域边缘塑性变形的随机性造成的，无法通过改进工艺消除。另外，由于螺栓球坏最终形状是靠模具形状保证的，在锤打过程中模具与毛坏的接触区域受力不均匀，磨损率难以统一，且由于模具腔体不是完整的球，球度误差依靠锤打操作工根据经验控制，无法完全消除。因此，对模锻工艺进行自动化改造的方案不可行。1.2 斜轧工艺斜轧工艺是将轴承钢球轧机或者磨球钢球轧机进行扩展设计，从棒料直接生成球体。这种方法效率高，尺寸精确，表面质量高。但由于轧制过程中在球体内部形成三向拉应力状态，会造成内部疏松和裂纹，即曼氏效应，随着球体直径增大，这种内部疏松更加明显。螺栓球规格直径一般在8 5 35 0 mm之间，远大于一般的轴承用球，所以，将斜轧工艺用于大直径结构球体的生产，产品强度将不能保证 7。综上分析，解决螺栓球毛坏塑性加工的关键在于：一是新工艺应尽量避免出现冲击载荷，应施加连续力，消除局部褶皱和裂纹产生的根本原因；二是根据轧制工艺特点，采用连续局部变形方法，有效降低设备工作压力和电机功率，并能够保证产品精度，改善表面质量；三是增加控制算法，提高生产过程的自动化程度，使产品的加工精度由设备保证，减少对人工经验的依赖。焦作大学学报的两个控制压辊相对缓慢靠近，压力使工件在边缘处发生塑性变形，并且锐边受到水平辊的挤压消除了褶皱产生的可能性，在整个辊压过程完成后，圆柱体毛坏就被精整成一个球体，精整过程如图2。图2 精整过程接触区以上加工方法变面接触加工为线接触和点接触加工。根据计算，设备所需功率可减少2 0%以上，并且只需一个设备即可完成两道工序，属于高效短流程加工，产品几何精度容易控制，设备成本低，容易实现自动化生产，可有效减少对人工经验的依赖，大幅提高生产效率。因此，双对辊辊压方式是一种理想的螺栓球毛坏加工方法，该方法可有效解决当前螺栓球毛坏制造中裂纹、精度、自动化等问题，为螺栓球制造行业的转型升级提供高技术装备。2.1坏料受力变形过程的有限元仿真选定直径为10 0 mm的球体进行计算，按照等体积原则，选用相应的圆柱形坏料尺寸为6 3.5 mm*165mm。坏料为45#钢，在9 5 0 下，其弹性模量和泊松比分别为5 7 0 0 0 N/mm和0.3。辊压装置的结构尺寸如图3所示，此模型下，初始支撑角为141.5。852023年6 月2.基于连续塑性变形的新型辊压工艺本文在对上述加工方法分析的基础上，查阅相关文献和资料，设计出了一种由圆柱体直接变形至球体的新型辊压装备。设备工作时，首先将圆柱形工件放在两个水平支撑辊上，支撑辊在电机的带动下进行旋转，工件被支撑辊滚动的摩擦力带动发生滚动，上边结构直径长度支撑辊155控制辊160坏料63.5图3有限元仿真模型尺寸轧制直径为10 0 mm的球体时，设备所用辊子的具体几何参数和有限元模型分析假设条件列于表1。在计算过程中，考虑施加边界条件确定进给量，首先通表110 0 mm直径球体理想变形计算条件尺寸（mm)备注35075165假设条件（1）材质连续且为各向同性（2）小变形假设（4）Mi s e s 流动法则底面直径7 0（6）库伦摩擦摩擦系数f=0.025（3）弹塑性假设（5）体积恒定假设（7）无加工硬化V=0.3,O,=40 N/mm第2 期过移动控制辊产生接触面，然后控制辊旋转一周产生变形，提取计算结果中的x方向的力分量，利用支撑条件和平衡条件，计算支撑辊受力，并以此为条件计算支撑辊对坏料施加的塑形变形作用力，得到x方向的进给。圆柱体坏料单元格的划分以四面体和六面体为主，考虑接触问题，尽管毛坏每转一周的变形量很小，但是，整体变形巨大，过程复杂，因此，网格划分不宜过大，单元格尺寸控制在5 mm左右。为了控制单元的稳定性，在技术上采用ALE(自适应拉格朗日欧拉网格重画)技术，在一个载荷步中有效改善单元格的质量；在两个载荷步之间，根据理想回转体的形状特点，将结果网格节点等关键信息重新建立变形网格模型，在保持体积不变的条件下，使得畸变的网格重新规划模型。根据实际条件施加载荷并求解，得到了一个典型的计算过程，如图4所示。其中，(a)(d)为控制辊与坏料在行程为15 mm时的变形过程。(a)t=1-1(c)t=1-7王海博等：基于局部连续塑性变形的新型辊压技术研究/立式滑台横向滑台滑动辊动力电机固定辊(b)t=1-3支撑辊为了保证安全，使用铅金属棒料，按同体积原则在冷状态下进行辊压试验，来模拟低碳钢在热状态下(d)t=1-9的变形规律。试验表明:在高速下(10 0 0 rpm)，坏料呈现对称进给，最终形成一个完整的球体，和理论分析及仿真结果一致，试样的实际辊压效果如图6 所示。75域，其他部分为瞬时的弹性变形区域。塑性变形发生的区域主要在压辊作用于坏料的运动方向前端，依据辊压体的形状，在辊压体与坏料接触的边缘处发生最大的塑形变形。在变形过程1中，经过控制辊连续辊压后，基本形成了与廓形曲线相近的回转体表面；同样，在变形过程2 中，经过支撑辊辊压后，一部分坏料变形成为圆柱形，在两个过程完成后，在坏料接触区外缘部分来回挤压变形，形成了局部的锻压效果。金属流动主要发生在表面区域。随着压下位移的增加，接触区逐步增大，接触线的长度显著提高，在内部也发生了流动现象，结果达到了预期效果。2.2试验验证基于以上理论分析，设计了一种双对辊球体辊压试验机进行实际验证，试验机原型如图5 所示。试验机通过单支撑辊动力驱动方式进行动力传递，使用手工方法调节控制辊，并将一侧固定，在上面装备驱动电机，作为精整过程的动力装置来模拟整个辊压过程。图5 初期的人工调整试验机(e)t=2-1(g)t=2-7图4行程为15 mm时的变形过程图4中，深色部分为超过材料屈服极限的变形区(f)t=2-3(h)t=2-9(a)样品辊压初期形状图6 试样辊压效果3.结论针对目前螺栓球毛坏加工过程中存在的问题，设计了一种双对辊辊压装置来进行螺栓球毛坏加工。理(b)样品的最终形态76论分析、软件仿真和试验验证表明，采用局部连续塑性变形原理制造球体毛坏优势明显。具体如下：一是变面接触加工为线接触加工，可明显降低加工设备所需功率，减小加工装置尺寸；二是基于局部连续塑性变形加工方法，在原理上消除了裂纹产生的可能，大幅提高产品的安全性；三是易于实现自动控制。通过加人控制系统，可实现加工过程的自动化控制，消除了对人工经验的依赖，使产品质量更加稳定，几何精度更精确，生产效率更高。参考文献：1】王圣博,钱宁.常见空间结构节点综述 .中国住宅设施,2 0 19(7):98-99.Research on New Rolling Technology Based on Local Continuous(School of Mechanical Engineering,Yellow River Water Conservancy Technical Institute,Kaifeng,HenanAbstract:Based on the theory of local continuous plastic deformation,a dual roller rolling device was designed toprocess bolt ball blanks.Theoretical analysis,finite element simulation,and experimental verification show that using thetheory of local continuous plastic deformation to manufacture spherical blanks has obvious advantages.Specifically,firstly,changing surface contact processing to line contact processing reduces the power required for processingequipment and reduces equipment size;The second is to eliminate the possibility of cracks in principle,greatlyimproving the safety of the product;Thirdly,it is easy to achieve automatic control.By adding a control system,automatic control of the processing process can be achieved,eliminating the dependence on manual experience,makingproduct quality more stable and geometric accuracy more precise.Key Words:bolt ball blank;continuous plastic deformation theory;finite element model;rolling process焦作大学学报2刘红波,林思伟,张高青.高温下螺栓球节点螺栓连接抗拉性能试验研究 J.天津大学学报(自然科学与工程技术版),2 0 2 2,5 5(8):862-866.3李明锦.新型螺栓球节点设计研发及力学性能研究 D.济南:山东建筑大学,2 0 2 2.4丁北斗,王宁,徐娜娜,等.螺栓球节点受拉承载力数值模拟研究 徐州工程学院学报(自然科学版),2 0 2 2,37(3):7 9-9 1.5 喻晓晨,李会军,陈旭.螺栓球节点力学性能研究及弯矩-转角关系式的建立 J.建筑钢结构进展,2 0 2 2,2 4(4):5 7-6 5.6杨胜召,韦杰良.螺栓球节点力学性能研究进展 J.四川水泥,2 0 2 1(3):322-323.7】顾磊,胡菁宇.螺栓球节点网架的精细化有限元分析 空间结构,2018,24(4):3-10,29.(责任编辑张蓓)Plastic DeformationWANG Haibo ZHANG Jianzhong475004,China)2023年6 月