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拉矫应用基础理论的再认识 1 拉矫机在生产生产工艺中应用的现状及其不足 随着生产的发展和社会的进步，钢产量问题已成为影响产品竞争力的主要因素。为了从总体上提升带钢的质量水平,人们的研究眼光已逐步由轧制技术的本身而逐步扩展到轧机前后的相关工序。酸洗拉伸弯曲矫直机作为衔接热轧、冷轧生产的关键单体设备,在改善板形及除鳞方面起到极其重要的作用,但生产实践表明,如何适应来料状态的波动而对拉矫机工艺作出相应调控尚无理性依据。与此同时,拉矫机在使用过程中亦暴露出许多问题而难以解决,极大的影响了生产的顺行,而所有这些问题的实质归根结底仍在于人们对拉矫理论及其应用存在认识上的不足。 拉矫应用基础理论涉及拉弯变形的机理,拉矫变形过程力学行为描述,拉矫过程中拉应力与弯应力的相互影响以及拉矫机各工艺参数的调控机理等相关层面。拉弯矫直理论研究的首要问题便是拉弯矫直变形的机理,随着矫直机械的不断发展,人们对此的认识也在不断的深入。众所周知,拉矫机的根本特点便是能在张应力水平远低于材料屈服极限的情况下(Tf=0.1σs～ 0.3σs)而使带材产生了塑性延伸,因此如何合理的解释这一变形现象便成为拉矫理论研究的基础。 2 拉弯变形机的研究 2.1 拉矫矫直时板材剩余变形率的计算 弹塑性拉弯矫直理论是随着人们认识的不断的深化而逐步建立起来的,最初的研究结果着重指出弹塑性拉弯矫直理论是建立在一个定律和五条假设之上的。一个定律是虎克定律,五条假设分别是:弯曲变形前后的平面假设;弯曲变形的纤维间没有作用力假设;弯曲应力与到中性层的距离成正比假设;拉伸(压缩)变形率与弯曲变形率是线性函数可以相加减假设;材料的塑性变形按线性强化假设。图1所示为拉矫变形过程的解释,图2表明了各种相对变形率的关系,由此可计算带材的剩余相对变形率CA:CA=AlAl+h/2(CRq+Cl)(1) 式中h——带钢厚度; Al——中性层的偏移量; CRq——强制弯曲相对曲率,Cr0+Cρ; Cr0——带材原始相对曲率; Cl——相对伸长率,εl/εs。 张力卸去时,板带材各纵向纤维还要弹复缩短一个相对弹复率Clt,Clt按弹复内力等于拉伸外力的原理求得。拉弯矫直后,板带材的剩余相对伸长率Clc为: Clc=CA-Clt(2) 暂且不论其最终导出的带材剩余伸长率是否与带材实际获得的延伸率相符,该推导中一个致命的缺陷是其原始定义中曾明确表示: CRc=Cρ-Cρt(3) 式中CA——相对变形率; CRC——剩余相对曲率; Cρ——矫直弯曲相对曲率; Cρt——弹复相对曲率。 于是根据图2所示,便可直接推出Cl=CA,这样其随后的推导便已毫无意义了。由此可见,将拉弯过程考虑成弯曲变形与拉伸变形的简单线性迭加是行不通的。 2.2 中性层偏移量与其它变形结构的平衡关系 随着研究的深入,人们逐步认识到早期研究忽略弹塑性拉弯和纯弹性拉弯的区别导致计算存在较大的误差,于是在外力和内力的平衡关系中,考虑了弯曲半径变化所造成的影响,并抛弃了弯曲变形和拉伸变形简单迭加的方法,推导出了中性层偏移量及其变形量同外力、弯曲程度的相对关系。为推导方便及公式表述简单,特将本部分公式推导中带材厚度定义为2h。 2.2.1 带钢/钢拉伸应变应变计算 根据图3所示力学关系,由轴向力平衡导出中性层偏移量e并进而推导出中性层应力应变,即 σl=Fl2Bh=eR′-eE=εeE=σe(4) 式中B——带钢宽度; E——带钢弹性模量; R′——带钢实际弯曲半径。 εl=Fl/(2hBE)=e/(R′-e)=εe(5) 式中εl——张力拉伸应变。 最终结果表明,弹性拉弯时,原中性层的应力σe和应变εe分别与纯拉伸应力σl和纯拉伸应变εl相同。 2.2.2 中性层应变特征 同理据轴向力平衡导出中性层偏移量并进而求出图4,图5所示情况下中性层应变为: 由图4有: εe=8Ehσl+R′σ2tR′σt(6E+σt)-8Ehσl-R′σ2t(6) 由图5有: εe=FlBσt2R′-FlBσt(7) 2.2.3 待于参之分歧 如图6所示,据轴向力平衡推导,结果表明两侧塑性变形时,e、εe的计算式同图5所示情况相同。 上述研究尽管得到了一些有价值的结论,但其推导过程仍有待于商榷。事实上根本无须把问题搞得如此复杂化,以图4为例,可做简单推导如下: 由于εt=htR′-e 且ht=2h′=2(h-e) 所以εt(R′-e)=2(h-e) 由此可得e=2h-εtR′2-εt(8) 同理对于图5可得e=εtR′-hεt-1(9) 由此得出的结论与原来得出的结论相差甚远,因为此时中性层偏移量将与张力σl无关,进而中性层的变形量亦与σl无关,但这显然与实际情况不符,因此,上述对拉弯变形关系的假设尚需做进一步的探讨。 2.3 拉弯叠加后的力学性能 尽管上述研究并没有