CN110303070A - 一种双金属复合板矫直工艺新方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种双金属复合板矫直工艺新方法，采用大变形矫直工艺方法，在大变形矫直工艺过程中，复合板从进入矫直辊到矫直完毕后会发生三种不同的应力应变状态，对应三种状态包括以下三个步骤：前期矫直力计算、中期矫直力计算和后期矫直力计算。本发明采用的方法根据双金属复合板在矫直过程不同的应力应变状态，考虑中性层偏移量对矫直精度的影响，建立更为精确的矫直力模型，提高矫直精度和产品质量。

Description

一种双金属复合板矫直工艺新方法

技术领域

本发明属于辊式矫直的技术领域，具体涉及一种双金属复合板矫直工艺的新方法。

背景技术

双金属复合板已广泛应用于传统行业和高新技术领域中。相比较于单一金属材料，双金属复合板具有两种金属材料的优异复合性能和较低的生产成本等优势。在双金属复合板矫直过程中矫直力模型的准确度决定了矫直效果的好坏和复合板的质量。但是在实际模拟计算和加工过程中，往往忽略了由于压下量不同，各个矫直单元的应力应变状态不同，复合板中不同矫直单元的中性层偏移对复合板矫直力的影响，进而降低了矫直力模型的准确度，导致矫直精度较低，不利于提高复合板的质量。

发明内容

为解决上述问题本发明提供一种可以有效提高矫直力模型建立的准确度，保证矫直精度和复合板质量的双金属复合板矫直工艺的新方法。

为达到上述目的，本发明采用的具体方案:

一种双金属复合板矫直工艺新方法，包括以下步骤：

1)前期矫直力计算：

所述前期复层材料发生弹塑性变形，其应力中性层偏移量为

n_c——复合板复层偏移系数，

h_c——复合板复层的厚度，

z_c2——复合板复层下半区域弹性应变高度；

所述前期复层材料受到的矫直力为

σ_sc——复合板复层材料的屈服强度，

ξ_c——复合板复层材料的弹区比；

所述前期基层材料发生弹塑性变形，其应力中性层偏移量为

n_b——复合板基层偏移系数，

h_b——复合板基层的厚度，

z_b2——复合板基层下半区域弹性应变高度；

所述前期基层材料受到的矫直力为

σ_sb——复合板复层材料的屈服强度，

ξ_b——复合板复层材料的弹区比；

所以前期复合板的应力中性层偏移量为

e＝α₁e_c+α₂e_b (5)

所述前期矫直力为

F＝α₃F_c+α₄F_b (6)

α₁，α₂，α₃，α₄——权重系数，取决于材料的厚度及屈服强度；

2)中期矫直力计算：

所述中期基层材料发生弹性变形，其几何中心层与应力中性层重合，中性层偏移为0；

所述中期基层材料受到的矫直力为

所述中期复层材料发生弹塑性变形，其应力中性层偏移量为

所述中期复层材料受到的矫直力为

所述中期复合板的应力中性层偏移量为

所述中期矫直力为

F＝α₅F_c+α₆F_b (11)

α₅，α₆——权重系数，取决于材料的厚度及屈服强度；

3)后期矫直力计算：

所述后期复层的应力中性层为所述后期复层只发生弹性变形，所述后期复层的应力中性层偏移为0；

所述后期复层材料受到的矫直力为

所述后期基层的应力中性层为所述后期基层只发生弹性变形，所述后期基层的应力中性层偏移为0；

所述后期基层材料受到的矫直力为

所述后期复合板的几何中心层为

所述后期矫直力为

F＝α₇F_c+α₈F_b (14)

α₇，α₈——权重系数，取决于材料的厚度及屈服强度。

与现有技术相比本发明的有益效果在于：

1、本发明采用的方法根据双金属复合板在矫直过程不同的应力应变状态，考虑中性层偏移量对矫直精度的影响，建立更为精确的矫直力模型，提高矫直精度和产品质量；

2、本发明采用公式先计算出偏移量后基于偏移量得出矫直力，对双金属复合板的偏移进行量化，使矫直更加精准。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1单一材料发生弹塑性变形的应力状态；

图2复层与基层都发生弹塑性变形的应力状态；

图3基层发生弹性变形、复层发生弹塑形变形的应力状态；

图4复层与基层都只发生弹性变形的应力状态。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

实施例1

如图1所示，为了更加清楚的描述本发明，先分析单一材料金属板中性层偏移

假定单一材料金属板上部受到矫直力，即沿着Z轴负方向受力，BC为板材的中心轴；

依据材料力学知识可知，Mises塑性等效应力公式为：

σ_x、σ_y、σ_z、τ_xy、τ_yz、τ_zx——材料的六向应力分量，

k——材料的剪切屈服强度；

若Mises塑性等效应力公式由主应力求得，则等式可化为：

σ₁、σ₂、σ₃——材料的主应力；

在一般平面应变问题中，取σ₁＞σ₂＞σ₃；由增量理论得知：

故把式(ⅲ)代入(ⅱ)中，可得

通过对单一材料的板材进行受力分析，板材上表面B点处的应力状态为σ_y＝σ_y1，σ_z＝0，τ_yz＝0；依据增量理论可得，τ_yz＝τ_xy＝τ_zx＝0；所以B 点的三个主应力为σ₁＝σ_y1，σ₃＝0，求得 C点的是三个主应力为σ₁＝σ_y2，σ₃＝0，求得

假设理想弹塑性材料在受到弯曲变形时，在中心轴BC处，由∑F_Z＝0，可知：

e——材料的应力中性层偏移量，

h——材料厚度的一半，

y₁——材料上半区域弹性应变高度，

y₂——材料下半区域弹性应变高度，

σ_y1——材料上表面应力，

σ_y2——材料下表面应力；

由于中间弹性区符合胡克定律，属于线性变化，设

n——偏移系数，

σ_s1——材料上表面等效应力，

σ_s2——材料下表面等效应力；

又因为故

把式(ⅶ)代入(ⅴ)中，求出单一材料应力中性层偏移量

定义ξ——弹区比，且为

所以此时板材受到的弯矩为：

在考虑到中性层偏移的影响下，式为：

基于单一材料金属板分析的理论基础，我们对复合板进行分析：

如图2-图4所示，本发明采用采用大变形矫直工艺方法，优点在于用较少的矫直辊就能达到理想的矫直效果。在大变形矫直工艺过程中，复合板从进入矫直辊到矫直完毕后会发生三种不同的应力应变状态：第一阶段——前期为复合板刚进入矫直机时，由于采取的是大压下量的矫直工艺，该阶段基层复层均发生弹塑性变形，断面应力图如图2所示；第二阶段——中期为复合板矫直过程中期，基层与复层中只有一层发生弹性变形，断面应力图如图3所示，另一层发弹塑性变形；第三阶段——后期为复合板经过矫直辊后期，此时基层复层均为弹性阶段，断面应力图如图4所示。

如图2所示，前期矫直力计算：

此阶段为复合板矫直过程前期，即矫直辊压弯量产生的矫直力达到复层材料和基层材料的屈服强度，复合板复层和基层都发生弹塑性变形。

所述前期复层材料发生弹塑性变形，其应力中性层偏移量为

n_c——复合板复层偏移系数，

h_c——复合板复层的厚度，

z_c2——复合板复层下半区域弹性应变高度；

所述前期复层材料受到的矫直力为

σ_sc——复合板复层材料的屈服强度，

ξ_c——复合板复层材料的弹区比；

所述前期基层材料发生弹塑性变形，其应力中性层偏移量为

n_b——复合板基层偏移系数，

h_b——复合板基层的厚度，

z_b2——复合板基层下半区域弹性应变高度；

所述前期基层材料受到的矫直力为

σ_sb——复合板复层材料的屈服强度，

ξ_b——复合板复层材料的弹区比；

所以前期复合板的应力中性层偏移量为

e＝α₁e_c+α₂e_b (5)

所述前期矫直力为

F＝α₃F_c+α₄F_b (6)

α₁，α₂，α₃，α₄——权重系数，取决于材料的厚度及屈服强度；

如图3所示，中期矫直力计算：

此阶段为复合板矫直过程中期。因为复合材料中基层材料比复层材料屈服强度大，即矫直辊压弯量产生的矫直力达到复层材料的屈服强度而未达到基层材料的屈服强度，所以复合板复层发生弹塑性变形，而基层只发生弹性变形。

所述中期基层材料发生弹性变形，其几何中心层与应力中性层重合，中性层偏移为0。

所述中期基层材料受到的矫直力为

所述中期复层材料发生弹塑性变形，其应力中性层偏移量为

所述中期复层材料受到的矫直力为

所述中期复合板的应力中性层偏移量为

所述中期矫直力为

F＝α₅F_c+α₆F_b (11)

α₅，α₆——权重系数，取决于材料的厚度及屈服强度；

如图4所示，后期矫直力计算：

此阶段为复合板经过矫直辊后期，即矫直辊压弯量产生的矫直力达不到材料的屈服强度，

所述后期复层的应力中性层为后期复层只发生弹性变形，后期复层的应力中性层偏移为0；

所述后期复层材料受到的矫直力为

所述后期基层的应力中性层为后期基层只发生弹性变形，后期基层的应力中性层偏移为0；

所述后期基层材料受到的矫直力为

所述后期复合板的几何中心层为

所述后期矫直力为

F＝α₇F_c+α₈F_b (14)

α₇，α₈——权重系数，取决于材料的厚度及屈服强度。

上述“前期矫直力计算”为复合板矫直过程前期矫直力计算的简称，“中期矫直力计算”为复合板矫直过程中期矫直力计算的简称，“后期矫直力计算”为复合板经过矫直辊后期矫直力计算的简称。

实施例2

为了验证本方法，在此选用复层为S304不锈钢、基层为Q235碳钢的双金属复合板作为矫直件材料，以实验室11辊矫直机作为矫直机模型。矫直件厚度为6mm，复层基层比为1:5，宽度为50mm。S304不锈钢屈服强度为205MPa，弹性模量为200GPa，泊松比为0.247；Q235不锈钢屈服强度为235MPa，弹性模量为210GPa，泊松比为0.3。矫直机入、出口压弯量为-2.5mm/-0.5mm。实测矫直力为10.93KN，理论计算矫直力为11.47KN，误差为4.94％。

过程如下：

(1)根据产品规格，利用公式(1)得到复层发生中性层偏移量时的偏移量e_c为0.18mm，根据公式(2)求出对应的矫直力F_c为12.8KN；

(2)根据产品规格，利用公式(3)得到基层发生中性层偏移量时的偏移量e_b为0.23mm，根据公式(4)求出对应的矫直力F_b为10.9KN；

(3)根据公式(5)得到复合板应力中性层偏移量e为0.21mm，根据公式(6) 得到对应矫直力为11.47KN。

e＝α₁e_c+α₂e_b＝0.4×0.08+0.6×0.23＝0.21mm

F＝α₃F_c+α₄F_b＝0.3×12.8+0.7×10.9＝11.47KN

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进、部件拆分或组合等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种双金属复合板矫直工艺新方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)前期矫直力计算：

所述前期复层材料发生弹塑性变形，其应力中性层偏移量为

n_c——复合板复层偏移系数，

h_c——复合板复层的厚度，

z_c2——复合板复层下半区域弹性应变高度；

所述前期复层材料受到的矫直力为

σ_sc——复合板复层材料的屈服强度，

ξ_c——复合板复层材料的弹区比；

所述前期基层材料发生弹塑性变形，其应力中性层偏移量为

n_b——复合板基层偏移系数，

h_b——复合板基层的厚度，

z_b2——复合板基层下半区域弹性应变高度；

所述前期基层材料受到的矫直力为

σ_sb——复合板复层材料的屈服强度，

ξ_b——复合板复层材料的弹区比；

所以前期复合板的应力中性层偏移量为

e＝α₁e_c+α₂e_b (5)

所述前期矫直力为

F＝α₃F_c+α₄F_b (6)

α₁，α₂，α₃，α₄——权重系数，取决于材料的厚度及屈服强度；

2)中期矫直力计算：

所述中期基层材料发生弹性变形，其几何中心层与应力中性层重合，中性层偏移为0；

所述中期基层材料受到的矫直力为

所述中期复层材料发生弹塑性变形，其应力中性层偏移量为

所述中期复层材料受到的矫直力为

所述中期复合板的应力中性层偏移量为

所述中期矫直力为

F＝α₅F_c+α₆F_b (11)

α₅，α₆——权重系数，取决于材料的厚度及屈服强度；

3)后期矫直力计算：

所述后期复层的应力中性层为所述后期复层只发生弹性变形，所述后期复层的应力中性层偏移为0；

所述后期复层材料受到的矫直力为

所述后期基层的应力中性层为所述后期基层只发生弹性变形，所述后期基层的应力中性层偏移为0；

所述后期基层材料受到的矫直力为

所述后期复合板的几何中心层为

所述后期矫直力为

F＝α₇F_c+α₈F_b (14)

α₇，α₈——权重系数，取决于材料的厚度及屈服强度。