對萬噸級板材張力拉伸機夾持機理的研究

何 潛，汪恩輝，張 超，黃維勇，張 亢，晏澤蘭，范晶君

(1.中國重型機械研究院股份公司，陜西 西安 710032;2.西南鋁業(集團)有限公司，重慶 401326)

0 前言

高強高韌的高性能鋁合金材料是現代航天、航空、船舶工業、武器裝備發展必不可少的關鍵材料，隨著我國經濟的發展及制造業水平的不斷提高，鋁合金材料特別是大斷面、高品質的鋁合金厚板市場需求快速增長。國家“大飛機”項目的實施對大斷面、高品質的鋁合金厚板的需求變得更加迫切。經過預拉伸的航空級鋁合金厚板材在大飛機的制造中占有相當大比重，是制造國產大飛機的主要材料，而且由于大斷面、高品質鋁合金厚板及其生產所需的大型張力拉伸機均屬敏感產品，價格昂貴且難以引進。

對于高強度鋁合金板材來講，在其前端制造工序(熔鑄、軋制、擠壓或淬火、鋸切等工藝)中，會產生較大的殘余應力及彎曲變形，拉伸機主要用于消減鋁合金材料內部殘余應力、矯正材料的彎曲變形以及拉伸強化(提高材料的屈服強度)。用于生產鋁合金厚板所需的萬噸級鋁合金板張力拉伸機的開發研制對我國航空、軍事、民用工業以至國民經濟發展都具有十分重大的意義，開發研制萬噸級鋁合金板張力拉伸機，生產出滿足航空航天、國防軍工和國家經濟建設需求的鋁及鋁合金厚板，大幅度提升我國鋁加工工業的發展水平，是目前我國機械工業和裝備制造業以及鋁加工業迫切的任務。

1 拉伸機工作原理

張力拉伸機消除板材內部殘余應力的機理是對淬火后的鋁合金板材在拉伸機上給予1%～4%的塑性變形，實質就是使板材內部的殘余應力重新分布，趨向均勻。如圖1所示，其主要由帶有液壓緩沖功能的復位裝置1、固定夾頭2、壓梁3、主拉伸缸5、活動夾頭6等部件組成，采用全浮動結構設計，即固定夾頭、壓梁、主拉伸缸內部柱塞、活動夾頭等部件在拉伸時形成整體受力封閉框架，并沿拉伸力作用方向不做限位，可以沿該方向運動。

圖1 張力拉伸機結構簡圖Fig.1 Structure of tension-stretcher

拉伸時固定夾頭和活動頭分別夾緊材料的一端，固定夾頭通過插銷與兩個壓梁固定連接在一起，主拉伸缸一端柱塞與活動夾頭連接，另一端柱塞與壓梁固定?；顒訆A頭由兩個主拉伸缸驅動相對固定機頭產生位移以實現對材料的拉伸。固定夾頭2及拉伸夾頭6受力如圖1所示，其中T為拉伸材料對機頭的反作用力;T/2為液壓缸分別施加給拉伸機頭或通過壓梁施加給固定機頭的拉伸力;板材張力拉伸機的最大拉伸力T按如下公式計算

式中，Fmax為板材最大斷面面積(mm2);σs為板材屈服強度(MPa)。

在拉伸機的設計中，固定夾頭和活動夾頭是最關鍵的，該兩個部件不僅需要承受巨大的拉伸力還要保持對鋁合金板材的均勻夾緊，也就是保證鋁合金板材的延伸率一致性，這些都是以夾持的可靠性為前提。在結構設計中，張力拉伸機的上、下橫梁內成對裝有數組用于夾緊的鉗口組件，鉗口組件通過T型槽與上、下橫梁連接，鉗口組件中的上、下夾緊鉗體沿夾緊斜面上、下運動完成對拉伸板材的夾緊或松開。

在板材拉伸前，必須先使用預推力推動上、下鉗體沿斜面運動直到鉗體夾鐵與鋁板完全接觸并達到特定的咬合狀態，這樣就保證了在主拉伸缸的推動下板材的拉伸不會導致鋁板從鉗口里滑落，這個過程就被稱作“預夾緊”過程。而在實際板材拉伸過程中，在拉伸過程的前期，通常為了保證夾持的可靠性，“預夾緊”的外載荷是繼續保持的，而到了拉伸過程的后期，往往為了避免板材斷裂造成夾緊機構的損壞，“預夾緊”機構已經完全脫離，鋁板的夾緊就完全由依靠拉伸力產生的夾緊力來實現，也稱之為“自適應夾緊”，這些過程中夾緊的力學模型是完全不同的，下面分別加以闡述。

2 預夾緊機理研究

在“預夾緊”過程中，工件在拉伸前須給予壓平等工序，但真正壓平達到理想程度是不可能的，或多或少有點彎曲，假設工件頭部呈弓星彎曲狀態，鉗口上、下斜塊夾鐵對工件頭部的作用可以看做是簡支梁的彎曲并且是小變形問題，如圖2所示，圖2a為夾頭最初受力;圖2b為預夾緊接近最好時的受力狀態。

（2）經濟管理。長期以來，由于水資源伸手即來，人們對水資源的價值缺乏進一步的更深的認識。所以在彌補行政手段不足的同時，我們每一個個體都應重新確立水的意義和價值，與此同時政府建立以水權為操作的核心、以水價為操作的通用手段、有償使用水資源的社會主義市場機制。所以水權的初始分配必須通過政府機構進行并建立相應的標準。

圖2 鉗口夾鐵受力圖Fig.2 Schematic of clamping workpiece

如圖2a所示是變形的初級階段，當鉗口夾鐵逐漸靠攏時對工件的彎曲過程可按懸臂梁計算，隨著夾鐵逐漸靠攏對壓時，變形過程逐漸發生變化，類似于2b的情況，這是鉗口夾鐵受力可以認為是受作用的簡支梁，屬于超靜定問題，當鉗口夾鐵能夾住工件頭部并建立起拉伸過程。采用材料力學的知識，用變形疊加法，預夾緊變形與預夾緊力表達為，簡支梁的變形和受作用變形分別為

疊加 δμ及 δM0，

支反力

其中，δz為工件彎曲的最大變形量;E為彈性模量，對于鋁及鋁合金，E=69 GPa;J為工件彎曲時的慣性矩(每個夾塊作用下的工件寬度);如果已知板材端部的不平整度，代入(4)式，則可求出壓平鋁板所需的支反力Pμ。下面分析預夾緊過程中鉗體在預拉伸過程中的受力，這樣可以通過預夾緊力pμ計算出所需的預推力。

圖3 鉗口預推受力簡圖Fig.3 Schematic of pre-thrust force

在預夾緊過程中，夾鐵與工件之間沒有緊貼或者已經緊貼但是鉗體還存在往前滑動的趨勢，故存在夾鐵與鋁板的摩擦力Fu2以及鉗體與斜面的摩擦力Fu1。按力的平衡三角形關系，忽略斜塊夾鐵重量Gc，經整理得到推力Tμ，Pμ之間的關系。

式中，Tμ，Pμ分別為每個斜塊夾鐵預推力，預夾緊力;α為斜面夾角。μ1與μ2分別為鉗體與斜面，鉗口夾鐵與工件之間的摩擦系數。

3 拉伸過程中夾持機理研究

3.1 “自適應夾緊”過程力學分析

如前文所述，在實際板材拉伸過程中，鋁板的夾緊就完全由依靠拉伸力產生的夾緊力來實現，也就是“自適應夾緊”;在拉伸力上升的過程中，夾緊力顯然也會顯著的上升，同時由預推力產生的預夾緊力相比自適應夾緊力是非常小的，所以在這個拉伸過程中的力學分析可忽略預夾緊力的影響。下面對這個過程的夾緊力進行分析。圖4為組合梁式拉伸機鉗口受力分析圖。

圖4 梁式結構夾頭受力簡圖Fig.4 Load sketch of beam structure clamp

如圖4所示的輔助梁、主梁與主缸相聯，拉伸力由它傳遞，主梁、鉗口與工件相聯拉伸力由此傳遞給工件并夾住工件，因而產生了垂直夾緊力和正壓力，斜塊鉗口將沿輔助梁滑動，產生PK，而夾鐵、鉗口組件隨工件移動，假定夾緊可靠地前提下，兩者之間沒有滑動，由此按力平衡關系有可推算得到式(6):

3.2 合理的斜面夾角α的選擇

為保證夾緊的可靠性，工件頭部受的夾緊力必須是很大的，因為工件被夾的頭部必須發生塑性變形，這樣夾鐵的牙齒才能壓入工件，保證在拉伸過程中不打滑，從式(6)可看出，從夾持可靠性的角度看，α角越小越好;但是從另一角度看，夾緊力也不宜過大，因為太大了拉伸完成后鉗口難以打開，并會壓碎工件頭部造成板帶斷裂，而且過大的夾緊力必然造成設備的龐大，設備成本增加?？刂茒A緊力的大小，關鍵問題是確定合理的斜面夾角α。

為保證夾持的可靠性，對于板材拉伸，夾鐵與鋁板不產生相對滑動，必須滿足下式。

將式(6)代入，則有

μ2為夾鐵對工件之間的摩擦系數，因夾鐵帶牙齒，μ2達到最大值等于0.4～0.6，可根據齒形情況選取;式(8)表達的條件從夾鐵與工件接觸表面摩擦力與拉力之間的平衡關系來考慮的，以下將分析夾鐵與工件頭部之間的壓力關系來分析工件能否被壓壞而造成斷帶，如圖5所示情況;可以看成是矩形坯墩問題，其差別是摩擦力僅指向一方，兩側沒有變形，在x方向的b與δ方向的h之比一般為1.35，可以設為摩擦力對整個端面都有影響。

圖5 鋁板夾持端應力簡圖Fig.5 Stress diagram of Al-plate clamping end

現在來對鋁板夾持端進行應力分析，b為夾持長度，h為鋁板厚度，σ3x為x斷面拉應力，Pm為整個夾持長度的平均夾持應力，Pmx為端部BB到x斷面之間平均單位壓力，Px為x斷面的夾持應力，鋁板壓潰的邊界條件是全斷面發生塑性變形，也就是說Px|x=0=σs，根據屈雷斯加(H.Tresca)屈服條件，有

σ1用Px代入，σ3用σ3x代入，作為第三主應力，考慮到應力方向，則(9)式改寫成:

又考慮到端部(BB到x斷面之間)力平衡關系，σ3zhCb=2μ2PmxxCb

由此σ3x可以寫成

其中Pmx可簡化計算

把(11)，(12)，代入(10)可整理得

另外也可以對式(11)進行微分并精確的求得Px，但最終得到的Pm結果與式(13)結果很接近，這也說明簡化計算方法也很科學。從不夾壞鋁板的角度考慮必須滿足:

考慮到T=σshCb并將式(6)代入式(14)可得:

在設計中，b是按鋁板剪切強度計算設計，而h是按最厚的板材取的，以滿足最大的拉力，在拉伸其他小規格時，因夾鐵與工件頭部的同樣的接觸面積，而拉伸力較小，夾鐵的牙齒可能壓不進工件內，也就是說并未全部發生塑性變形。但因摩擦力與接觸面積有關，雖然牙齒沒有壓入工件內，其摩擦力仍能滿足要求。

綜合式(8)及式(15)，就可根據拉伸機的最大負載確定有效的斜角夾角的范圍，一般取值在16°～24°比較合理。

4 結論

在對板材預夾緊機理進行分析的基礎上，建立了力學模型，并推算出了預夾緊所需的預夾緊力及預推力。在板材拉伸的后期，由預推力產生的預夾緊力相對于拉伸力產生的夾緊力已顯得微不足道，拉伸進入了“自適應夾緊”階段。

對于“自適應夾緊”階段，主要研究了如何保證“自適應夾緊”的可靠性并保證夾緊力不過大造成板帶斷裂，確定了合理的斜面夾角計算方法。

截止到目前，由中國重型機械研究院股份公司研制的12 000 t航空鋁合金板材拉伸機已投產兩年多，設備運行穩定可靠，已為國內航空航天企業生產了大量合格的大斷面、高品質鋁合金板材。在設備開發研制過程中，對拉伸機夾持機理進行了研究，為同類型設備的開發積累了大量經驗。

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