二輥矯直滾光機(jī)的輥形設(shè)計(jì)

趙西韓，王仕杰，盧 星，馬 強(qiáng)，劉 磊，周文浩，陳 燦

(1．中國(guó)重型機(jī)械研究院有限公司，陜西 西安710032;2．陜西省冶金設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西 西安710032)

二輥矯直滾光機(jī)的輥形設(shè)計(jì)

趙西韓1，王仕杰1，盧 星2，馬 強(qiáng)1，劉 磊1，周文浩1，陳 燦1

(1．中國(guó)重型機(jī)械研究院有限公司，陜西 西安710032;2．陜西省冶金設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西 西安710032)

針對(duì)傳統(tǒng)的二輥滾光機(jī)只有滾光作用，且矯直作用不明顯的問(wèn)題，提出了一種新的二輥矯直滾光機(jī)矯直輥的設(shè)計(jì)方法，通過(guò)改進(jìn)矯直輥?zhàn)冃螀^(qū)域的組成，使二輥滾光機(jī)同時(shí)具有良好的矯直和滾光作用。

二輥矯直滾光機(jī);矯直機(jī);二輥滾光機(jī);輥形設(shè)計(jì)

0 前言

隨著機(jī)械工業(yè)和國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和技術(shù)進(jìn)步，對(duì)鋼材產(chǎn)品質(zhì)量的要求越來(lái)越高。對(duì)于管材和圓棒料(以下簡(jiǎn)稱圓材)的矯直，就是使圓材在螺旋前進(jìn)過(guò)程中各斷面受到多次彈塑性彎曲變形，最終消除各方向的彎曲和橢圓度。二輥矯直機(jī)是圓材后部精整過(guò)程中的重要設(shè)備，其主要功能是對(duì)其進(jìn)行矯直。圓材在矯直過(guò)程中，矯直輥與其線接觸狀態(tài)是獲得矯正質(zhì)量的重要保證。而矯直輥輥形，是按某一基準(zhǔn)圓材半徑和基準(zhǔn)傾角設(shè)計(jì)的。相對(duì)一定的矯直條件和矯直精度要求，存在著最少?gòu)澢螖?shù)允許值，雖然增加彎曲次數(shù)可提高矯直精度，但機(jī)體的尺寸、重量、加工、維護(hù)及能耗等都相應(yīng)有所增加，因此有必要確定矯直軋件所需的最佳彎曲次數(shù)，以便獲得穩(wěn)定的矯直效果。

1 二輥矯直機(jī)的輥形

二輥矯直機(jī)亦稱二斜輥矯直機(jī)。它的矯直過(guò)程與矯直原理和多斜輥矯直機(jī)有很大的不同，決定矯直質(zhì)量的關(guān)鍵既不取決于輥數(shù)，也不取決于輥?zhàn)拥牟贾梅绞剑侨Q于輥形，輥形必須保證圓材在兩輥之間獲得所需要的反彎曲率。采用直圓材全接觸的雙曲線輥形對(duì)于二輥矯直機(jī)而言是無(wú)法達(dá)到矯直目的的，在設(shè)計(jì)輥形的時(shí)候我們必須首先假設(shè)圓材在矯直輥內(nèi)已經(jīng)得到了彎曲，因此必須采用彎曲的圓材和矯直輥接觸的曲線為輥形設(shè)計(jì)曲線。圓材的反彎全靠它與輥?zhàn)咏佑|后所形成的接觸曲率來(lái)達(dá)到矯直反彎的目的，因此在輥形設(shè)計(jì)過(guò)程中，所假設(shè)的彎曲圓材的曲率即接觸曲率是否使圓材達(dá)到了彈塑性變形是很重要的。要達(dá)到矯直的目的，還必須保證圓材在接觸區(qū)域內(nèi)被輥?zhàn)訋?dòng)獲得一定的導(dǎo)程，該導(dǎo)程至少不能少于一圈，以保證圓材各個(gè)方向的彎曲都得到了矯直反彎。其等曲率塑性區(qū)長(zhǎng)度為S，則

式中，D為圓材直徑;α為斜傾余角;N為導(dǎo)程數(shù)。

二輥矯直機(jī)的矯直效果是全長(zhǎng)范圍的矯直，因此對(duì)于矯直圓材頭尾的彎曲或者圓材局部彎曲效果比較明顯。多輥矯直機(jī)在矯直時(shí)，圓材是在接觸區(qū)域以外就已經(jīng)開(kāi)始彎曲;二輥矯直機(jī)矯直時(shí)，圓材進(jìn)入接觸區(qū)域以后才開(kāi)始彎曲，塑性彎曲發(fā)生在輥?zhàn)又醒敫浇苄詮澢鷧^(qū)域內(nèi)等曲率塑性區(qū)越長(zhǎng)，矯直效果越好。一般情況下，在確定矯直輥長(zhǎng)度時(shí)應(yīng)保證圓材在矯直塑性區(qū)域內(nèi)轉(zhuǎn)3～4圈，便可以達(dá)到較高的矯直精度。因此確定矯直輥的長(zhǎng)度的主要依據(jù)是圓材的直徑及矯直速度的要求。而確定矯直輥的長(zhǎng)度就(即確定等曲率塑性區(qū))是保證矯直質(zhì)量，提高矯直速度的關(guān)鍵。其矯直速度v為

擴(kuò)大等曲率塑性變形區(qū)的方法是依靠正確的輥形設(shè)計(jì)及增加輥?zhàn)娱L(zhǎng)度，減小輥?zhàn)拥膬A斜角度(即矯直輥軸線與矯直中心的夾角)。但是在減小輥?zhàn)觾A斜角的同時(shí)，卻造成了矯直速度的降低。對(duì)于二輥矯直機(jī)而言，矯直速度低是限制其發(fā)展的關(guān)鍵因素之一。二輥矯直機(jī)輥形如圖1所示。

圖1 二輥矯直輥形Fig.1 Roll shape of double-roll straighteningmill

2 二輥矯直滾光機(jī)

二輥矯直滾光機(jī)主要的用途有兩個(gè):一個(gè)是矯直;二是滾光。

以矯直為目的的傳統(tǒng)二輥矯直機(jī)輥形設(shè)計(jì)是以凸凹輥為設(shè)計(jì)原型的。其輥形的等曲率塑性區(qū)是由圓材與凸輥的接觸決定的，其輥形的支撐區(qū)是由圓材與凹輥的接觸決定的，因此我們?cè)谳佇卧O(shè)計(jì)的時(shí)候一般直接將凸輥設(shè)計(jì)為中間一段直徑相等，兩端具有一定傾斜角度的簡(jiǎn)單輥形;設(shè)計(jì)凹輥的時(shí)候我們保證圓材反彎必要曲率的同時(shí)直接將凹輥簡(jiǎn)化為圓弧輥形。這一輥形的設(shè)計(jì)基本上可以滿足矯直質(zhì)量與矯直效率的要求。

傳統(tǒng)的以滾光為目的的二輥矯直機(jī)其曲線為簡(jiǎn)單的雙曲線輥形，雙曲線輥形對(duì)于二輥矯直機(jī)而言，它只有滾光的作用，沒(méi)有矯直的作用。為了達(dá)到矯直的目的，通常的做法是將其中一個(gè)矯直輥的傾斜角度加大，另一個(gè)的角度減小，通過(guò)改變兩個(gè)矯直輥與圓材接觸長(zhǎng)度的，使兩個(gè)輥?zhàn)臃謩e起到凸凹輥的作用。但是，由于接觸曲線與實(shí)際曲線的差異過(guò)大，無(wú)法做到圓材與矯直輥的良好接觸，從而導(dǎo)致矯直過(guò)程中的圓材失穩(wěn)，對(duì)導(dǎo)板造成嚴(yán)重的磨損。

因此，要在一臺(tái)二輥矯直機(jī)上同時(shí)具備矯直和滾光的兩種作用，以傳統(tǒng)的方式是行不通的。如何在一臺(tái)設(shè)備上實(shí)現(xiàn)兩種功能呢，首先必須解決輥形設(shè)計(jì)問(wèn)題。如果解決了這一問(wèn)題，具有雙重功能的新型“二輥矯直機(jī)”就可以投入到生產(chǎn)實(shí)踐中去了。

3 矯直滾光輥形的提出

對(duì)于二輥矯直機(jī)的輥形，最初采用的雙曲線輥形，但是雙曲線輥形對(duì)于圓材的反彎曲率變化梯度過(guò)大，會(huì)造成矯直過(guò)程的失穩(wěn)和矯直輥的快速磨損，因此二輥矯直機(jī)上出現(xiàn)了擬合圓弧輥形，該輥形曲線是由不同曲率的圓弧組成，以解決曲率變化過(guò)大的問(wèn)題。在這一基礎(chǔ)上，又推出了等曲率圓弧輥形。在生產(chǎn)實(shí)踐中，現(xiàn)在大多采用的是簡(jiǎn)單易行的擬合圓弧輥形。

在二輥矯直機(jī)上之所以可以采用擬合圓弧輥形，是因?yàn)槠涑C直輥的使用角度很小，其真實(shí)的接觸曲線與圓弧曲率很接近。在設(shè)計(jì)中，我們首先求出真實(shí)的接觸曲線的曲率，然后根據(jù)它來(lái)確定圓弧曲率，從而確定矯直輥的曲線。

二輥矯直機(jī)的輥形和滾光機(jī)的輥形是有比較大的差異的，如圖2所示。在二輥矯直機(jī)的矯直輥中間段，圓材和矯直輥是不接觸的，叫做空彎輥形。而對(duì)于二輥滾光機(jī)的輥形，輥?zhàn)优c圓材全長(zhǎng)接觸的長(zhǎng)度越長(zhǎng)，滾光效果越好，叫做全接觸輥形。怎樣在輥形設(shè)計(jì)過(guò)程中將兩種輥形有效的結(jié)合在一起，就成為設(shè)計(jì)二輥矯直滾光機(jī)輥形的關(guān)鍵。本文提出了一種新型輥形，該輥形曲線是由矯直區(qū)、過(guò)渡區(qū)和滾光區(qū)組成。

由于圓材矯直的等曲率接觸線長(zhǎng)度是有凸輥決定的，因此在設(shè)計(jì)凸輥的時(shí)候，盡量保證圓材與輥?zhàn)拥慕佑|長(zhǎng)度即可，在設(shè)計(jì)中可以將凸輥設(shè)計(jì)成為中間一段直徑相等，兩端具有一定傾斜度的簡(jiǎn)單輥形。為保證圓材在兩個(gè)矯直輥之間是等反彎曲率，在設(shè)計(jì)中一般讓凸輥輥腰處的直徑略小于凹輥輥腰處的直徑，具體的直徑差異應(yīng)由矯直不同圓材所需要的反彎曲率決定。凹輥的擬合圓弧輥形設(shè)計(jì)，經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，相關(guān)設(shè)計(jì)計(jì)算方法已經(jīng)成熟，本文不再贅述。

對(duì)于二輥滾光機(jī)，滾光就是對(duì)圓材施加足夠的壓緊力，壓緊力應(yīng)使圓材超過(guò)屈服強(qiáng)度，從而提高圓材的表面質(zhì)量，使圓材表面接近輥?zhàn)拥谋砻尜|(zhì)量，即生產(chǎn)所謂的銀亮材。在提高圓材表面質(zhì)量的同時(shí)，可以起到規(guī)圓的目的，所以二輥矯直滾光機(jī)的有效載荷遠(yuǎn)大于二輥矯直機(jī)。

二輥矯直滾光機(jī)其輥形的設(shè)計(jì)，凸輥采用二輥矯直機(jī)的輥形設(shè)計(jì)方法，即將輥形直接簡(jiǎn)化為直徑略小的兩端帶傾角的圓柱體，凹輥的設(shè)計(jì)將其分解為不同的區(qū)域，即矯直區(qū)、過(guò)渡區(qū)和滾光區(qū)。矯直區(qū)即為支撐區(qū)，與凸輥結(jié)合達(dá)到矯直的目的;而將原空彎輥形的空彎區(qū)設(shè)計(jì)成滾光區(qū)，使其具有滾光的作用;為使整個(gè)輥形具有平滑的過(guò)度及等曲率，在矯直區(qū)及滾光區(qū)之間設(shè)計(jì)成為過(guò)渡區(qū)。這樣整個(gè)輥形就成為全接觸的接觸輥形，并具有矯直滾光的雙重作用。

圖2 二輥矯直機(jī)輥形示意圖Fig.2 Schematic diagram for roll shape of double-roll straighteningmill

4 矯直滾光輥形的設(shè)計(jì)方法

該輥形接觸曲率半徑是由最小圓材決定的。

其中，E為彈性模量;Rmin為被矯直圓材最小直徑;σs為被矯直圓材屈服極限;K為不考慮原始曲率時(shí)，由接觸曲率所造成的彈曲比，一般對(duì)于合金鋼圓材取0.3～0.5。

輥形的接觸曲率半徑確定后，依據(jù)圓弧輥形計(jì)算公式計(jì)算在最小規(guī)格圓材與最小角度下的和在最大規(guī)格圓材和最大角度下計(jì)算的接觸曲線，將兩種曲線進(jìn)行比較，使其重合長(zhǎng)度大于圓材的一個(gè)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)程，達(dá)到輥形優(yōu)化的目的。

凸凹輥形幾何關(guān)系及坐標(biāo)關(guān)系如圖3所示，可得彎曲圓材與矯直輥空間接觸曲線方程為

式中，r為圓材的半徑;α為矯直輥軸線與圓材軸線的夾角;β為一變量，是接觸曲線與垂直軸之間的夾角;ρ為圓材曲率半徑;φ值可由下式得出

給出變量β不同的值，即可通過(guò)上述方程計(jì)算得出一條輥形曲線。將該輥形曲線近似成一條的圓弧曲線。

對(duì)于滾光區(qū)的曲線，可以將其設(shè)計(jì)為雙曲線，為保證圓滑過(guò)渡在雙曲線與圓弧曲線之間，采用一條平滑的過(guò)渡圓弧將兩條曲線相接即得到近似的矯直滾光曲線。

圖3 凸凹輥形幾何關(guān)系及坐標(biāo)關(guān)系圖Fig.3 Geometric relationship and coordinate relationship of convex-concave roll shape

5 結(jié)論

二輥矯直滾光機(jī)是一種新型的矯直設(shè)備，它兼顧了矯直和滾光的雙重作用。由于其矯直精度高，亦可成為精矯滾光機(jī)。但它同時(shí)避免不了二輥矯直機(jī)所固有的缺陷，如矯直速度低、入料要求高等等。此類矯直機(jī)主要用在精密銀亮材的生產(chǎn)中，產(chǎn)品的直線度、圓度和表面質(zhì)量均有了很大提高。隨著輥形研究的突破，相關(guān)輔助設(shè)備及控制設(shè)備的提高，此類矯直機(jī)的前景是非常廣闊的。

［1］AM．馬斯基列遜．管材矯直機(jī)［M］．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1979．

［2］王仕杰，盧星，李勤勇等．棒材矯直機(jī)設(shè)備及工藝論述．冶金設(shè)備．2011(特刊1):50-52．

［3］劉志亮．兩輥矯直機(jī)輥形參數(shù)確定［J］．機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2005(6):25-26．

［4］陳建國(guó)，胡大超．二輥矯直機(jī)凸輥輥形參數(shù)的研究［J］．機(jī)械設(shè)計(jì)與研究，2008(1):100-105．

Roll shape design of double-roll straightening tumbling m ill

ZHAO Xi-han1，WANG Shi-jie1，LU Xing2，MA Qiang1，LIU Lei1，ZHOUWen-hao1，CHEN Can1
(1．China National Heavy Machinery Research Institute Co．，Ltd．，Xi'an 710032，China;2．ShaanxiMetallurgical Design＆Research Institute Co．，Ltd．，Xi'an 710032，China)

A new roll shape designmethod of straightening roll in two-roll straightening tumblemill is proposed since the conventional two-roll tumblingmill only has a function of finishing，but the straightening effectiveness is not obvious．By improving the composition of transmutative region of the traditional two-roll tumbling mill，the new two-roll straightening tumblingmill has better effect in straightening and finishing．

two-roll straightening tumblingmill;straightener;tumblingmill;roll shape design

TG333.8

A

1001－196X(2012)04－0073－04

2012－01－10;

2012－01－28

趙西韓(1970－)，男，中國(guó)重型機(jī)械研究院有限公司管棒型材裝備研究所高級(jí)工程師，從事棒材精整設(shè)備及技術(shù)研發(fā)。