2022年电解铜导电棒矫直机压下量计算及有限元研究

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1、1 / 6 电解铜导电棒矫直机压下量计算及有限元分析王瑞华1，姚辉1，李亮2，孙东明2【摘要】给出了电铜导电棒矫直机矫直工艺规程中各可调辊压下量的精确理论解。采用MATLAB 软件编写了辊数及压弯挠度设计的计算机程序。通过有限元软件ANSYS/LS-DYNA对导电棒矫直过程的动态模拟研究其各阶段的等效应力及矫后平直度。关键词：电解铜；导电棒；矫直；压下量；残余应力Design of Itermesh of the Straightening Machine for Conducting Bar and finite element simulation Wang Rui-hua, Yao Hu

2、i, Li Liang, Sun Dong-ming 1. Jin Chuan Group Ltd., Jin chang 737100, Gansu, China 2. Faculty of Mechanical and ElectricalEngineering, KunMing University ofScience and Technology, Kunming 650093, Yunnan, China 【 Abstract 】 Accuracy answersto the adjustable intermesh of every roller, the key technica

3、l parameters on conducting bar were put forward. MATLAB software was used to solve the roller number and the bending deflection of every roller. The straightening process of conducting bar was simulated and researched by finite element software of ANSYS/LS-DYNA. The stress of conducting bar of diffe

4、rent parts and the straightness after straightening werestudied. Key words: Cathode Copper； conducting bar； straightening；Intermesh；Residual stress 1 引言铜电解行业生产高纯电解铜的过程是在电解槽内进行的，电解过程完成后，专用吊车将电铜从电解槽内整槽吊出，运至电解铜处理机组，经受板、洗涤、导电棒抽取、堆垛、称量及输出等工序，成垛的电铜运至成品库，导电棒送往导电棒储运机组1。在此过程中，阴极板导电棒由于受重载、击打等其它一些原因发生变形。目前国内很多

5、铜电解企业还没有设置对导电棒进行矫直的设备，也没有关于电铜导电棒矫直的系统研究。很多铜电解行业对导电棒的矫直仍采用人工矫直，用木榔头在变形区域反复敲打，以达到矫直的目的。每年铜电解行业都有大量的导电棒由于变形严重而报废处理，在一定程度上造成浪费。铜 电 解 行 业 有 很 多 企 业 所 使 用 的 电 铜 导 电 棒 是 方 型 紫 铜 管 。 文 中 以 某 企 业22mm 22mm 3mm 方型紫铜管导电棒的矫直为研究对象，针对导电棒的结构、材质特点，综合运用弹塑性有限元理论及矫直理论设计电铜导电棒矫直机的矫直工艺规程中各可调辊的压下量并进行了矫直过程的动态有限元仿真。各辊压弯挠度及辊数

6、的计算采用MA TLAB软件编写了相应的计算机程序。2 可调辊压下量的计算2.1 矫直曲率比方程式的推导导电棒的材料是紫铜，为强化性金属材料，其强化系数为。管材的弯矩可以精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页，共 6 页2 / 6 通过大断面的弯矩减去小断面的弯矩即粗细两个棒材的弯矩之差来求得2。最后可推导出该断面铜管矫直曲率比方程式： (1 式中：反弯曲率比；原始曲率比。由于，故 (1式可写为 (2 式中：弹区比；弯矩比。已 知 导 电 棒 的 原 始 最 大 平 直 度 为15mm/m ， 要 求 其 在 矫 直 后 的 平 直

7、 度 小 于=1mm/m 。平直度和曲率比存在如下关系3 (3 式中：导电棒平直度，mm/m；弯曲曲率比。将=15mm/m ，=1000mm 代入式 (3中，求出，即导电棒的最大原始曲率 比为1.8，考虑到原始弯曲 为双向 弯曲 ，取导电棒 原始曲 率比为。 将=1mm/m ，=1000mm 代入上式折算出矫直后允许的残留曲率比为。2.2 各辊压弯挠度及可调辊压弯量的计算轧件的矫直方案有小变形原则及大变形原则。按小变形原则进行矫直时压弯量的计算比较容易，而且数值精确，但是压弯量的调定却不容易。不仅各辊的刚度不尽相同，而且辊系刚度互相干扰，很难调准，调不准就矫不直。采用大变形矫直方案，可以获得较

8、好的矫直质量，但大变形矫直方案尽管能把被矫件矫直，但不可避免的出现非要求变形，造成损害4。尤其对于管材，更容易出现矫直缺陷。考虑到矫直对象导电棒为方型铜管，并吸取小变形矫直方案和大变形矫直方案各自的优点，最后确定采用大变形-小变形混合矫直方案，即压下方案尽量减小第三辊处残留曲率差的方针，此方案使得第三辊处残留曲率差迅速减小，因此也允许第四辊以后的各辊压下曲率迅速减小，使残留曲率迅速减小到零，原理如图1 所示。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页，共 6 页3 / 6 2wC2cCM2wCC4wC0C3cC3cC1BwC1A1Do2

9、A2B2D0A0B0D2cC0C图 1 双向弯曲轧件的大小混合变形矫直过程示意图按大小变形混合矫直方案，各辊压弯挠度及可调辊压弯量的计算推导过程如下3：1 二、三辊处采用大压下量为防止矫直时管材受到塑性压扁而畸变，一般采用来计算。将代入式 (2，求解方程式可以得到。根据大小 变 形 混 合 矫 直 原 则 ， 取 第 二 、 三 辊 的 压 弯 曲 率 比 为=3 1.2414=3.724。由于进入第三辊的原始曲率为最大原始曲率，故第三辊处的总弯曲率比1.8+3.724=5.524，弹复曲率比1.724，残留曲率比=3.724231.742=1.982，此时残留曲率差已经较小。2 第四辊开始以

10、后各辊均按小变形原则进行第四辊处以第三辊处的残留曲率比为原始曲率比，即；而压弯曲率比根据矫直曲率比方程式(1可以求得；则残留曲率比为，而第五辊处原始曲率比；其余各辊类推，即将=1.982 代 入 曲 率 比 方 程 式 解 得。 表 明 用 此可 将的弯曲矫直，同时会把原来直的部位(压弯，形成第四辊处的残留弯曲，即，而精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页，共 6 页4 / 6 ，故，未达到矫直精度要求，继续进行计算。将代 入 曲 率 比 方 程 式 (1 解 得， 由 于，故，满足精度要求，停止计算。通过以上计算说明经第五辊压弯后

11、，导电棒已经变直并达到精度要求，故辊数为5，但考虑到原始弯曲为双向者或原始弯曲的复杂性，切实可行的辊数为6 辊。由于曲率比等于挠度比，即，算出各辊的原始曲率比及压弯挠度比。表 1 各辊原始曲率及压弯挠度比1.8 3.724 0.882 1.598 0.163 1.258 0.049 用表1 中各辊的压弯挠度比乘以方管的弹性极限挠度即可得到各辊的压弯挠度并进而求出各可调辊的压下量，计算过程略。计算得到各个可调辊的压下量如表2 所示。表 2 各可调辊的压下量(mm 1.02 0.61 0.27 矫直机的辊距、辊径及辊系设置如图2 所示。矫直机辊距300mm、辊径240mm，采用上辊为可调辊，下辊为

12、传动辊的方式进行矫直。图 2 辊式矫直示意图2 软件实现采用 MATLAB软件编程进行辊数及各辊压弯挠度比的计算，软件界面如图3 所示。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页，共 6 页5 / 6 图 3 辊数及压弯挠度比计算软件界面图 3 中计算结果分别为25 辊的压弯挠度比及矫直机所需辊数。4 矫直过程的显式动态有限元仿真导电棒的材料是T2 硬态紫铜，变形时没有明显的屈服平台，有加工硬化现象，故将材料模型简化为双线性等向强化弹塑性材料模型。矫直辊相对刚硬，没有塑性屈服部分，将矫直辊材料定义为刚性材料且根本不会影响计算精度。建模时

13、导电棒长度为1000mm，引入初始几何变形，原始平直度为15mm/m。按照图2 中矫直机辊距、辊径大小及表2 中数据设置各可调辊的压下量建立有限元模型。动态分析的结果如图4 所示，从矫直过程的应力云图可以看出，导电棒在3、4 号辊处有最大的应力，这也与理论研究相吻合。导电棒在3、4 号辊处的最大应力141Mpa，大于其材料的屈服极限100Mpa，说明导电棒在该辊处要经过很大的塑性变形，残留曲率迅速地趋向统一，然后经过剩下几辊的矫直逐渐地减小残留曲率而达到矫直效果。这与前面所叙述的大小变形混合矫直理论思想相一致。导电棒矫直后最大残余应力44.96Mpa，在允许范围内，残余应力分布较为均匀，说明多

14、辊矫直过程不但能起到矫直作用而且对导电棒内部应力的均匀分布有一定的效果，可以有效减小由于应力分布不均而引起的导电棒承载力下降。图 4 矫直初始阶段、咬入阶段、稳定矫直阶段、矫直完成后应力云图(Pa矫直后导电棒上表面中部路径等间距的九个节点的坐标如图7 所示。通过线性回归分析得到回归线图，从而可以测量并按比例计算出其上表面中部路径的直线度为0.8mm，即导电棒的平直度为0.8mm/m，满足平直度精度要求。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页，共 6 页6 / 6 图 5 导电棒平直度分析5 结论1 采用理论计算的各可调辊压下量，并考

15、虑到矫直机自身的制造精度如传动间隙、导电棒的高度公差，调定可调辊的压下量即可对该尺寸电铜导电棒进行矫直并达到平直度要求。2 辊数及各辊压弯挠度比的设计可采用MATLAB软件编写的计算机程序进行计算, 大大简化了计算工作量。该方法也可以应用到其它型材矫直机的设计计算中。3 导电棒在3、4 号辊处有最大的等效应力，这也与理论研究相吻合。导电棒在3、4号辊处的最大应力大于其材料的屈服极限，并且使残留曲率迅速地趋向统一。4 导电棒矫直后的最大等效残余应力分布在两端附近，且最大值不足材料屈服极限的1/2，不足以引起导电棒矫直后再次弯曲。参考文献1有色金属冶炼设备编委会. 有色金属冶炼设备. 冶金工业出版社，19942崔甫矫直原理与矫直机械北京：冶金工业出版社，2002 3崔甫矫直理论与参数计算( 第二版 北京：机械工业出版社，1992 4臧勇，王会刚等. 型钢辊式矫直压弯挠度的弹塑性解读.机械工程学报，200511）文章来源：中国冶金装备网 ）精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页，共 6 页