CN111842547A - 一种具有拉压不对称性金属板材矫直工艺新方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种具有拉压不对称性金属板材矫直工艺新方法，在辊式矫直过程，金属板材处于连续的拉压状态，但由于一些材料(例：镁合金)的拉伸屈服强度和压缩屈服强度相差较大，即拉压不对称性较大，而拉压不对称性对中性层偏移有着重要的影响。因此，拉压不对称这一特性为建立精确的矫直模型带来严重的困扰，该发明基于CaBa2004拉压不对称屈服准则，考虑中性层偏移量对矫直力的影响，从而建立了更为精确的矫直模型，提高了矫直精度和板材质量。

Description

一种具有拉压不对称性金属板材矫直工艺新方法

技术领域

本发明属于辊式矫直的技术领域，具体涉及一种具有拉压不对称性金属板材矫直工艺新方法

背景技术

普通钢材中厚板在生产过程中由于各种因素的影响会造成板型缺陷，因此需要矫直设备对其进行矫直，为了提高钢材的矫直精度，在矫直力的计算中加入了中性层偏移理论，从而提高产品的质量。但由于一些材料(例:镁合金)的晶体结构不同于其它普通材料，在宏观下表现为拉压不对称性，在弹塑性变形中，Mises屈服准则不能满足拉压不对称性材料的特殊结构。而在辊式矫直中，板材处于连续的拉压状态，中性层偏移对金属板材的矫直起到至关重要的作用，而一般材料的矫直工艺并不能适用于具有拉压不对称特性的材料。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种具有拉压不对称性金属板材矫直工艺新方法从而提高这种金属板材的矫直精度，保证了板材的矫直质量。

为了达到上述发明目的，进而采取的技术方案如下：

一种具有拉压不对称性金属板材矫直工艺新方法，包括以下步骤：

步骤1：建立适合拉压不对称性材料的CaBa2004拉压不对称屈服准则，根据σ_c、σ_t计算出拉压不对称基本参数c；

CaBa2004拉压不对称屈服准则的函数形式为：f＝(J₂)^2/3-cJ₃

其中，

J₂——第二偏应力张量不变量，

J₃——第二偏应力张量不变量，

c——拉压不对称基本参数，

σ_c——单轴压缩时的屈服应力，

σ_t——为单轴拉伸时的屈服应力，

根据σ_c、σ_t计算出拉压不对称基本参数c；

步骤2：基于CaBa2004拉压不对称屈服准则推导出中性层偏移量计算公式，根据材料厚度2h、压缩区弹性高度y_m1、拉伸区弹性高度y_m2、上下表面塑性应变区应力比值N，计算出拉压不对称性金属板材在矫直过程中的中性层偏移量e_m；

取主轴坐标系，根据弹塑性力学理论，第二偏应力张量不变量J₂和第三偏应力张量不变量J₃的形式为：

J₃＝(σ₁-σ_m)(σ₂-σ_m)(σ₃-σ_m) (3)

σ₁、σ₂、σ₃——三个主应力，

σ_m——静水压力，

由于中厚板的矫直可以近似为平面问题，所以σ₃＝0，

上表面中性轴上点的主应力状态为：σ₁＝σ_a1，

σ₃＝0，

根据式(1)、(2)、(3)上表面达到屈服时关系式为：

σ_a1＝G(σ_s1,c) (5)

σ_a1——上表面塑性应变区应力，

σ_s1——上表面屈服应力；

下表面中性轴上点的主应力状态为：σ₁＝σ_a2，

σ₃＝0，

根据式(1)、(2)、(3)下表面达到屈服时关系式为：

σ_a2＝H(σ_s2,c) (7)

σ_a2——下表面塑性应变区应力，

σ_s2——下表面屈服应力，

其中，N——上下表面塑性应变区应力比值，N的计算是与σ_c、σ_t有关的常数；

根据受力平衡得：ΣF_z＝0(9)

根据式(8)、(10)得：

e_m——板材中性层偏移量，

y_m1——压缩区弹性高度，

y_m2——拉伸区弹性高度，

h——材料厚度的一半，

令

其中，m——为弹区比，

根据式(11)、(12)得：

步骤3：弯曲内力矩的计算

根据板材的宽度B、板材中性层偏移量e_m、上表面塑性应变区应力σ_a1、下表面塑性应变区应力σ_a2、压缩区弹性高度y_m1、拉伸区弹性高度y_m2确定弯曲内力矩M；

M——弯曲内力矩，

B——板材的宽度，

z——距中性层的距离，

σ_s1——上表面屈服应力，

σ_s2——下表面屈服应力，

σ_z1——压缩弹性区任一处的应力；

σ_z2——拉伸弹性区任一处的应力；

步骤4：矫直力的计算

根据弯曲内力矩M，计算出矫直力；

各辊与弯曲内力矩的关系为：

l——矫直辊辊距，

F_i——第i辊的矫直力。

与现有技术相比，发明的有益效果在于：

1、本发明采用的方法根据具有拉压不对称性的金属板材在矫直过程中塑性应变状态，基于CaBa2004拉压不对称屈服准则，得出这种特殊金属板材的中性层偏移计算方法；

2、本发明基于中性层偏移、材料的拉压不对称性，推导出符合拉压不对称性金属板材的矫直力计算公式，该矫直力更加优化了矫直精度，提高了这种具有拉压不对称特性金属板材的质量。

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为一般普通金属板材的中性层偏移示意图；

图2具有拉压不对称性金属板材的中性层偏移示意图；

图3一种具有拉压不对称性金属板材矫直工艺新方法的流程图。

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

与普通材料金属板相比，对具有拉压不对称性金属板材进行分析：

如图2所示，一种具有拉压不对称性金属板材矫直工艺新方法，包括以下步骤：

步骤1：建立适合拉压不对称性材料的CaBa2004拉压不对称屈服准则，根据σ_c、σ_t计算出拉压不对称基本参数c；

CaBa2004拉压不对称屈服准则的函数形式为：f＝(J₂)^2/3-cJ₃

其中，

J₂——第二偏应力张量不变量，

J₃——第二偏应力张量不变量，

c——拉压不对称基本参数，

σ_c——单轴压缩时的屈服应力，

σ_t——为单轴拉伸时的屈服应力，

根据σ_c、σ_t计算出拉压不对称基本参数c；

步骤2：基于CaBa2004拉压不对称屈服准则推导出中性层偏移量计算公式，根据材料厚度2h、压缩区弹性高度y_m1、拉伸区弹性高度y_m2、上下表面塑性应变区应力比值N，计算出拉压不对称性金属板材在矫直过程中的中性层偏移量e_m；

取主轴坐标系，根据弹塑性力学理论，第二偏应力张量不变量J₂和第三偏应力张量不变量J₃的形式为：

J₃＝(σ₁-σ_m)(σ₂-σ_m)(σ₃-σ_m) (3)

σ₁、σ₂、σ₃——三个主应力，

σ_m——静水压力，

由于中厚板的矫直可以近似为平面问题，所以σ₃＝0，

上表面中性轴上点的主应力状态为：σ₁＝σ_a1，

σ₃＝0，

根据式(1)、(2)、(3)上表面达到屈服时关系式为：

σ_a1＝G(σ_s1,c) (5)

σ_a1——上表面塑性应变区应力，

σ_s1——上表面屈服应力；

下表面中性轴上点的主应力状态为：σ₁＝σ_a2，

σ₃＝0，

根据式(1)、(2)、(3)下表面达到屈服时关系式为：

σ_a2＝H(σ_s2,c) (7)

σ_a2——下表面塑性应变区应力，

σ_s2——下表面屈服应力，

其中，N——上下表面塑性应变区应力比值，N的计算是与σ_c、σ_t有关的常数；

根据受力平衡得：ΣF_z＝0(9)

根据式(8)、(10)得：

e_m——板材中性层偏移量，

y_m1——压缩区弹性高度，

y_m2——拉伸区弹性高度，

h——材料厚度的一半，

令

其中，m——为弹区比，

根据式(11)、(12)得：

步骤3：弯曲内力矩的计算

根据板材的宽度B、板材中性层偏移量e_m、上表面塑性应变区应力σ_a1、下表面塑性应变区应力σ_a2、压缩区弹性高度y_m1、拉伸区弹性高度y_m2确定弯曲内力矩M；

M——弯曲内力矩，

B——板材的宽度，

z——距中性层的距离，

σ_s1——上表面屈服应力，

σ_s2——下表面屈服应力，

σ_z1——压缩弹性区任一处的应力；

σ_z2——拉伸弹性区任一处的应力；

步骤4：矫直力的计算

根据弯曲内力矩M，计算出矫直力；

各辊与弯曲内力矩的关系为：

l——矫直辊辊距，

F_i——第i辊的矫直力。

如图1-2所示，图1为普通金属板材的中性层偏移示意图，图2为具有拉压不对称性金属板材中性层偏移示意图，与普通板材的矫直相比，本发明在矫直过程中考虑了拉压不对称性。

实施例2

为了证实本发明，选用具有拉压不对称性材料的AZ31B镁合金为矫直板材，以实验室11辊矫直机作为矫直模型。其中，板材厚度为6mm，板宽为80mm，拉伸屈服强度为189MPa，压缩屈服强度为129MPa，弹性模量为44800MPa，泊松比为0.35，辊距为100mm；矫直机入、出口压弯量为-2.5mm/-0.5mm。

对于矫直力的计算，11辊矫直机结构上为上排5个辊，下排6个辊，需要计算的是上排5个辊的矫直力，本例中选取上排5辊中的第一个辊的矫直力进行计算，计算过程如下：

步骤1：根据公式(1)计算出拉压不对称基本参数c＝1.344，具体计算过程如下：

将σ_c＝129Mpa，σ_t＝189MPa代入公式(1)中得：

步骤2：根据公式(4)-(7)计算出上表面塑性应变区应力σ_a1、下表面塑性应变区应力σ_a2分别为21.4Mpa、25.8Mpa，具体计算过程如下：

将σ_s1＝129MPa，c＝1.344代入公式(4)中，解得上表面塑性应变区应力σ_a1＝21.4Mpa；将σ_s2＝189MPa，c＝1.344代入公式(6)中，解得下表面塑性应变区应力σ_a2＝25.8Mpa；

根据公式(8)计算出上下表面塑性应变区应力比值N＝1.21，具体计算过程如下：

将计算得到σ_a1＝21.4Mpa，σ_a2＝25.8Mpa代入公式(8)中，解得N＝1.21；

根据公式(11)计算出AZ31B镁合金板中性层偏移量e_m＝0.124mm，具体计算过程如下：

将N＝1.21，h＝3mm代入公式(11)中，计算出e_m＝0.124mm；

步骤3：根据公式(14)计算出弯曲内力矩M＝106161.6mm/N，具体计算过程如下：

经测量得压缩区弹性高度y_m1为0.41mm，拉伸区弹性高度y_m2为0.93mm，将σ_a1＝21.4Mpa，σ_a2＝25.8Mpa，B＝80mm，h＝3mm，e_m＝0.124mm，y_m1＝0.41mm，y_m2＝0.93mm，σ_s1＝129MPa，σ_s2＝189MPa代入公式(14)中，计算出弯曲内力矩M＝106161.6mm/N；

步骤4：根据公式(15)计算出矫直力F＝157.942KN，具体计算过程如下：

将l＝100mm，M＝106161.6mm/N代入公式(15)中得：

通过计算得出的理论矫直力为2123.2N，而实测矫直力为1884.4N，误差为12.67％，比目前通用工艺误差30％精度提高了18个百分点，有效的改善了AZ31B镁合金板材的矫直精度。

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、改进或组合等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种具有拉压不对称性金属板材矫直工艺新方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：建立适合拉压不对称性材料的CaBa2004拉压不对称屈服准则，根据σ_c、σ_t计算出拉压不对称基本参数c；

CaBa2004拉压不对称屈服准则的函数形式为：f＝(J₂)^2/3-cJ₃

其中，

J₂——第二偏应力张量不变量，

J₃——第二偏应力张量不变量，

c——拉压不对称基本参数，

σ_c——单轴压缩时的屈服应力，

σ_t——为单轴拉伸时的屈服应力，

根据σ_c、σ_t计算出拉压不对称基本参数c；

步骤2：基于CaBa2004拉压不对称屈服准则推导出中性层偏移量计算公式，根据材料厚度2h、压缩区弹性高度y_m1、拉伸区弹性高度y_m2、上下表面塑性应变区应力比值N，计算出拉压不对称性金属板材在矫直过程中的中性层偏移量e_m；

取主轴坐标系，根据弹塑性力学理论，第二偏应力张量不变量J₂和第三偏应力张量不变量J₃的形式为：

J₃＝(σ₁-σ_m)(σ₂-σ_m)(σ₃-σ_m) (3)

σ₁、σ₂、σ₃——三个主应力，

σ_m——静水压力，

由于中厚板的矫直可以近似为平面问题，所以σ₃＝0，

上表面中性轴上点的主应力状态为：σ₁＝σ_a1，

σ₃＝0，

根据式(1)、(2)、(3)上表面达到屈服时关系式为：

σ_a1＝G(σ_s1,c) (5)

σ_a1——上表面塑性应变区应力，

σ_s1——上表面屈服应力；

下表面中性轴上点的主应力状态为：σ₁＝σ_a2，

σ₃＝0，

根据式(1)、(2)、(3)下表面达到屈服时关系式为：

σ_a2＝H(σ_s2,c) (7)

σ_a2——下表面塑性应变区应力，

σ_s2——下表面屈服应力，

其中，N——上下表面塑性应变区应力比值，N的计算是与σ_c、σ_t有关的常数；

根据受力平衡得：ΣF_z＝0 (9)

根据式(8)、(10)得：

e_m——板材中性层偏移量，

y_m1——压缩区弹性高度，

y_m2——拉伸区弹性高度，

h——材料厚度的一半，

令

其中，m——为弹区比，

根据式(11)、(12)得：

步骤3：弯曲内力矩的计算

根据板材的宽度B、板材中性层偏移量e_m、上表面塑性应变区应力σ_a1、下表面塑性应变区应力σ_a2、压缩区弹性高度y_m1、拉伸区弹性高度y_m2确定弯曲内力矩M；

M——弯曲内力矩，

B——板材的宽度，

z——距中性层的距离，

σ_s1——上表面屈服应力，

σ_s2——下表面屈服应力，

σ_z1——压缩弹性区任一处的应力；

σ_z2——拉伸弹性区任一处的应力；

步骤4：矫直力的计算

根据弯曲内力矩M，计算出矫直力；

各辊与弯曲内力矩的关系为：

l——矫直辊辊距，

F_i——第i辊的矫直力。

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