有色金属压延成型设备的设计和应用

邵晓光

(中国瑞林工程技术股份有限公司,江西 南昌 330031)

随着经济的发展,有色金属在得到广泛应用的同时,市场对其产品的要求也不断提高。通过压延、挤压等成型工艺得到的产品具有较高且多元化的力学性能[1-3]。目前市场上的有色金属薄板通常使用挤压式方法进行生产[4-5]。现有的有关对压延成型设备的研究主要是对压延成型设备的局部稳定性进行探讨和改进,而对压延设备整体稳定性的研究不多,不能全面表述压延机的整体情况,且忽视了压延机工作时机架的稳定对生产的影响[6-8]。为此,本文以传统闭式横压延机为研究对象,将机架由闭式结构改为开式结构,并在模拟分析过程中不断优化压延机的参数。由此设计得到了一个新的压延设备。

1 基于PLC和开式机架结构的有色金属压延成型设备设计

1.1 压延成型设备参数确定

压延成型设备的辊筒形状是其重要的特征。在有色金属压延加工过程中,辊筒长度与所制成的产品宽度呈正相关,故在设计压延成型设备时需要确定辊筒的外径和有效长度。为使辊筒刚度能够满足最终生成产品的精度要求,辊筒的长度与直径需要根据其所选用的金属材料的特性来设置,本文根据实际情况设计的辊筒参数为φ300 mm×200 mm。想要提高压延成型设备的生产效率,就需要提高辊筒的线速度,辊筒的线速度受设备的机械化、自动化水平影响[9-11]。为保证生产效率,本文将辊筒线速度设定为60 m/min,速度调整范围设置为5～60 m/min。合适的速比能够保证顺利压延成型。压延工艺与材料性质是影响辊筒速比的重要因素。如果速比太大,坯料就会贴附在一只辊筒上而不接触另一只辊筒;如果速比太小,坯料在压延时很可能夹带空气形成气泡,坯料贴附能力就会较差,导致加工质量降低。本文采用对辊式辊筒,并采用最简单的速比,即1∶1。

压延设备的关键参数是功率,压延机传动功率就是驱动压延机辊筒的功率,为保证金属压延质量与辊筒转速,本文将压延机的传动功率设计得较大。根据以往的经验,对功率消耗进行计算,以辊筒线速度为依据,计算公式为:

N=a·L·V

(1)

式中:N为功率消耗;a为计算系数,是一个常数;L为辊筒参与加工部分的长度;V为压延辊筒的线速度。若以辊筒的数目作为计算依据,则计算公式为:

N=K·L·n

(2)

式中:K为计算系数,n为辊筒个数。结合式(1)和式(2)计算得到压延机所需要的功率。为计算压延工序中需要添加的润滑油厚度,需要计算在没有润滑情况下的摩擦力。根据压延理论得到两个辊筒和坯料之间的摩擦力τb,计算公式为:

τb=μP

(3)

式中:μ为摩擦系数,P为压延力。在加入润滑油之后,根据流体动力学中的滑动摩擦理论对产生的摩擦力进行计算,公式为:

(4)

式中:U为轧制的件数与轧制时间的比值,η为润滑油的黏度,h为两个辊筒之间的润滑油油膜厚度。由于润滑油是流动的,在压延过程中油膜的厚度会不断发生变化,因此产生的摩擦力值并不固定。根据雷诺方程得到摩擦力和油膜厚度的关系:

(5)

式中:u为轧件速度,h0为入口处的油膜厚度,p为在压延工序中加入的润滑油的压力分布,v为轧辊的线速度,x为接触弧长在水平方向的投影。其实在压延加工过程中某一参数变化或某个条件变化时润滑油膜的厚度变化有一定的规律,如式(6)。

(6)

式中:R为辊筒的半径,l为所检测的两辊筒切点到压延辊筒中心的距离。该方程的边界条件有两个,一是入口应力,为轧件克服塑性变形时所需要的力,另一个是辊筒中心之间的应力,其极小可以忽略不计。压延润滑模型如图1所示。

图1 压延润滑模型示意

润滑油所承受压力产生的效应可表示为:

η=η0eαp

(7)

式中:η0为润滑油在标准大气压下的黏度,α为润滑油的压黏系数。联立式(6)和式(7)并进行积分和边界条件计算,得到在入口处的油膜厚度h0:

(8)

式中:σ0为轧件在辊筒入口处所产生的张力。加入润滑油后,两辊筒之间的摩擦状态由两个因素决定:一是压延辊筒表面和坯料的粗糙度,二是油膜的厚度。使用等效摩擦系数对辊筒之间的摩擦状态进行表示,等效摩擦系数τ的计算式为:

τ=Aτb+(1-A)τf

(9)

式中:τf为润滑液体的动压摩擦力,A为润滑摩擦在整个摩擦系数中所占的比例。综上所述,根据实际情况计算得到压延设备的各项参数,为后续设计提供基础保障。

1.2 有色金属压延成型设备主体结构设计

本文设计的两辊横压延设备的基本结构分为三个部分,第一部分是压延机械部分,主要包括机座、机架以及一些滚动轴承等,第二部分是为减小压延过程中产生摩擦力的润滑系统,第三部分是保障加工过程安全的安全装置。为了保证产品的质量以及生产效率,需要选择刚性大、承压能力强且抗腐蚀的材料制作辊筒结构[12-15]。本文选用9Cr2Mo作为辊筒材料,以保证其弯曲变形在可接受的范围内。在加工过程中辊筒需要承受极高的工作压力,工作负荷主要集中在辊筒两端的轴承上,因此将辊距调节装置设于负荷较高的两端轴承上,用以调节两个辊筒的间距,从而提高金属制品的制造精度。辊距调节装置具有微调和粗调功能,为了防止操作者在操作中过量调节,将装置中的开关设置为有限位置移动,利用螺杆螺母转动带动轴承进而控制辊筒之间的距离。针对有色金属硬度较大的特点,选用滑动轴承作为滚动轴承。本文所设计的压延成型设备主要由两个辊筒以及机架、辊距调节装置、传送装置、润滑系统和控制系统构成,使用可编程逻辑控制器(programmable logic controller,PLC)进行动作控制。为保证后续设计的自动化送料传送带与压延机建立良好联系,采用开式结构对机架进行设计。设计的机架如图2所示。

图2 机架设计示意图

传统的压延机架为闭式结构,为直线型,在进行自动送料时,原料传送带或坯料很容易相撞。为此在机架上方设置了一个缺口,并将两边的支撑脚呈V字摆放。有色金属制品传统制作工艺中采用压力机和模具落料,人工送料会造成人力以及物力的浪费。为提高工作效率,本文利用PLC实现自动控制,并运用自动送料机将有色金属坯料送往压延机中进行加工。根据加工坯料的属性及不同的生产要求,设置了三种不同的加工模式。模式一为正压一次,反压一次,卸料;模式二为正压一次,反压两次,卸料;模式三为正压一次,卸料。三种模式通过PLC根据坯料大小或工艺要求不同进行选取。上料机构如图3所示。

图3 上料机构示意图

压延成型加工的流程为:首先将需要加工的有色金属材料运送到上料装置中,自动传送到压延机中压延成型,然后由自动传送带传送到下一步工序的停放点,并完成卸料操作。

2 基于有色金属压延成型设备性能分析

压延设备工作时机架会产生振动,这是坯料在加工过程中不断变换位置所致,所产生的振动会直接影响最终产品的精度。为检验所设计机架的稳定性以及制品厚度是否达标,本文使用DEFORM-3D软件来模拟机架的有效应力,进行实验分析。对辊筒的转速以及压延过程的各个参数进行设定,保证在实验过程中各项参数一致。在机架上选择5个受力点(P1～P5),计算这5个受力点的温度、有效应力、拉伸应力、破坏变形随时间的变化情况,如图4所示。

图4 机架稳定性分析

由图4(a)可以看出,机架的整体温度只有细微变化,幅度不超过±1.2 ℃,基本保持在常温状态。由图4(b)可以看出,在压延开始阶段有效应力并不大,最大值不超过64 MPa。图4(c)中5个点的拉伸应力都较小,拉伸应力较大的P2、P4点的拉伸应力不大于0.24 MPa,而另外三点的拉伸应力几乎为0。图4(d)中,5个点的破损形变都未超过0.008 4 mm,破损程度明显较低。综上所述,在有色金属压延成型过程中,机架具有较好的可行性与稳定性,且各个部分的稳定性都符合工艺要求。

为进一步验证机架稳定性以及压延设备的性能,将本文设计的压延设备(设备1)与传统横压延设备(设备2)、全自动三辊压延机(设备3)、基于大数据的PVC压延机(设备4)、基于提高聚乙烯拉伸效率的超薄片压延机(设备5)进行对比实验。在模拟软件中分别使用设备1～设备5对不同质量的有色金属坯料进行压延加工,并记录成型产品的相关数据。各设备在不同质量规模的成型产品加工中满足审核标准的通过率对比结果如图5所示,具体数据见表1。

表1 不同设备对不同质量金属加工后通过率对比

由图5可以看出,随着坯料质量的增加,设备加工的通过率也呈下降趋势,但设备1的通过率曲线降幅最小。由表1可知,坯料质量为50 kg与500 kg时相比,设备1的加工通过率仅降低了1.76%,而设备2、设备3、设备4、设备5分别降低了21.08%、21.71%、14.57%和19.41%。由此可知,设备1具有较高的稳定性,受坯料质量的影响较小。

为进一步验证设备的运行效果,引入达标率表示压延后的产品满足具体厚度要求的情况,并以达标率及运行时间、报废率作为评价指标。利用5种设备对相同数量的有色金属进行2次压延成型实验,实验相关数据见表2。

由表2可知,设备1的平均达标率为95.13%,运行时间为12.39 min,报废率为1.72%;设备2～设备5的平均达标率分别较设备1低2.71%、5.02%、5.41%和12.68%,运行时间较设备1多5.84、8.74、9.88、12.94 min,报废率较设备1高2.46%、4.60%、6.56%和9.05%,表明设备1能够更加高效地对有色金属进行压延成型加工。

3 结束语

为提高金属压延加工的生产效率,节约企业生产成本和提升企业效益,针对目前压延加工技术存在质量不高,效率较低等问题,本文基于闭式压延机设计了开式结构机架的压延设备,并在模拟分析过程中对设备进行不断优化。本文所设计的有色金属压延成型设备能够实现高效加工,为有色金属行业的发展提供新的技术思路。在以后的研究中,将进一步完善设备细节,如送料的配合角度、压延机的供电系统同步问题等,以实现更高的加工效率与更好的加工质量。