對于矯直技術(shù)領(lǐng)域中一些認(rèn)識新區(qū)的討論

崔 甫，楊會林

(東北大學(xué)，遼寧 沈陽 110004)

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專題綜述

對于矯直技術(shù)領(lǐng)域中一些認(rèn)識新區(qū)的討論

崔 甫，楊會林

(東北大學(xué)，遼寧 沈陽 110004)

本文對矯直理論的新認(rèn)識做了論述，重點討論了矯直過程解析化理論，三步反彎矯直理論，正交相位矯直理論，最佳彈性芯理論，三聯(lián)矯直理論，分段等曲率反彎矯直理論，彈性壓扁與塑性壓彎平衡矯直理論，滾壓與反彎合成矯直理論，斷面大小對矯直影響理論等。

矯直理論；三步反彎矯直；正交相位矯直

0 前言

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，冶金機械生產(chǎn)能力迅速擴大。但許多缺乏競爭力的矯直設(shè)備重復(fù)建設(shè)現(xiàn)象嚴(yán)重，導(dǎo)致產(chǎn)品同質(zhì)化競爭。因此，以創(chuàng)新為重點，開發(fā)擁有自主知識產(chǎn)權(quán)、競爭力較強的矯直設(shè)備十分重要；文獻[1]介紹了矯直理論認(rèn)識誤區(qū)。為了宣傳正確的最新矯直理論，本文把主要的具有核心價值的新理論提出來加以討論。

1 矯直過程解析化的理論

矯直過程解析化理論已經(jīng)成為矯直過程最根本的認(rèn)識新區(qū)。過去矯直過程中變形與受力的關(guān)系一直停留于定性范疇，找不到數(shù)理表達方法，現(xiàn)在已經(jīng)可以利用相對值(比值)的概念把各種矯直過程中的曲率之間關(guān)系、彎矩與曲率之間關(guān)系、變形與曲率之間關(guān)系、能耗與曲率之間關(guān)系、反彎矯直與原始曲率之間的曲率關(guān)系全部用數(shù)理關(guān)系表達出來，可以用數(shù)值表示矯直結(jié)果，矯直技術(shù)得到進一步發(fā)展，為矯直理論建設(shè)打下了科學(xué)基礎(chǔ)[1]。

2 一步反彎矯直與三步反彎矯直理論的建立

過去的矯直技術(shù)文獻中已有小變形反彎矯直和大變形反彎矯直的討論，但未能給出反彎矯直的應(yīng)用工況，而且認(rèn)為在壓力矯直機或輥式矯直機上都可以采用這兩種矯直方法，其實在壓力矯直時只應(yīng)該采用小變形方法，在輥式矯直機上只應(yīng)該采用大變形方法。現(xiàn)代的矯直理論按矯直反彎曲率比方程式算出的反彎量進行一次壓彎便可達到矯直目的，這是純粹的小變形反彎矯直，只能用于壓力矯直機。自從輥式矯直機出現(xiàn)，把單點壓彎矯直轉(zhuǎn)變?yōu)檫B續(xù)的全部的壓彎矯直，只有先按大反彎來統(tǒng)一各種不同的原始彎度，統(tǒng)一彈復(fù)后留下的彎度受彈性屈服的約束而形成基本一致的殘留彎度，接著對這種統(tǒng)一的殘留彎度，按矯直曲率比方程式算出的反彎曲率完成第二步的反彎矯直。由于原始曲率復(fù)雜多樣再考慮材質(zhì)的不勻以及尺寸公差等影響，需要增加第三步的補充反彎，取得可靠的矯直效果。所以在連續(xù)生產(chǎn)的各種輥式矯直機上都要用三步反彎矯直理論為指導(dǎo)，不過三步反彎不一定就用三個矯直輥進行反彎。從輥式矯直機的發(fā)展中確實可以看到最早的矯直機只有五個矯直輥，中間三個矯直輥可以完成三次反彎。后來為了咬入方便在入口處增加一個咬入輥(小壓下量)，使輥數(shù)增加到六個。后來又為了在出口側(cè)能隨機改變壓下量以提高矯直精度而又增加一輥，輥數(shù)增到七個，七輥矯直機得到廣泛認(rèn)可。輥數(shù)在穩(wěn)定中也有增加，理由很多，但一直無法否定三步反彎矯直的基本原理[1-2]。

3 正交相位矯直理論

設(shè)計平行輥矯直機時必須有軸向壓彎機構(gòu)，已經(jīng)成為慣例，這已表明人們對正交相位矯直原則的默認(rèn)。條材的實際彎曲有時是很復(fù)雜的，從立體解析原理上看任何一種彎曲都可以分解為兩個正交平面上的彎曲，如果對這兩個分量都加以矯直，條材必然變直，不會再有任何彎曲存在。

正交相位矯直原理在斜輥矯直機上的實現(xiàn)方法要變得復(fù)雜。圓材在輥逢中按螺旋相位面旋轉(zhuǎn)前進，而且要求前后相鄰二輥所處的螺旋面必須在壓彎圓材的同一位置處互成正交關(guān)系，以直角正交為例，兩個螺旋面在壓彎點位置形成十字交叉狀態(tài)。為了達到這種狀態(tài)需要兩個矯直輥之間的距離必須是四分之一導(dǎo)程的奇數(shù)倍才能保證兩個矯直輥的方位正交。由于斜輥矯直機的輥距多為固定不變值，故只好用改變輥子斜角的方法來適應(yīng)輥距與導(dǎo)程之間的硬性關(guān)系。但是采用該方法有一些難度，因為輥子的設(shè)計斜角要求調(diào)節(jié)斜角不能與它偏離太多，有時也只能達到近似的正交關(guān)系，矯直質(zhì)量必有降低。

另外在轉(zhuǎn)轂矯直機上要實現(xiàn)正交相位矯直方法也較困難。轉(zhuǎn)轂矯直機中矯直輥(或矯直模)的斜角也多為不可調(diào)者，為了適應(yīng)輥距與導(dǎo)程之間的硬性關(guān)系，只好利用盤條直徑較細(xì)矯直力較小的條件強制改變導(dǎo)程，寧可讓條材與矯直輥(或矯直模)之間產(chǎn)生滑動，以保證矯直質(zhì)量的合格。矯直后條材表面常有明顯磨光和擦傷現(xiàn)象，一般不影響交貨。為了克服這種強制改變導(dǎo)程的不合理現(xiàn)象，于上世紀(jì)90年代研發(fā)了異向旋轉(zhuǎn)的雙轉(zhuǎn)轂矯直機[3]，也稱復(fù)合轉(zhuǎn)轂矯直機，前后兩個轉(zhuǎn)轂中一個按右螺旋相位面工作，另個按左螺旋相位面工作，兩組螺旋相位面每轉(zhuǎn)一周必有二次互成正交機會，每次都可完成正交相位的矯直任務(wù)，這種斷續(xù)的矯直工作正好同壓力矯直機的間斷性的壓彎矯直一樣，在兩次壓彎間距不大的情況下完全可以達到矯直目的[1-3]。

4 最佳彈性芯矯直理論

矯直反彎所允許的彎曲程度即條材芯軸周圍的彈性區(qū)大小必須以斷面形狀不受損害為前提，以圓材為例，其彈性區(qū)半徑(Rt)可占全半徑(R)的20%～30%，彈性芯是一個條狀的實體。除圓條狀外還有方條狀、扁條狀、六角條狀、菱形條狀等等，凡是形狀不是正方、正扁、正六角等彈性芯其對角線不會等長度，凡是一條對角線偏長的相位面都是塑性變形不充分的相位面必有殘留彎曲存在。凡是對角線長度不一致的彈性芯都是由于前后兩個矯直輥所處的相位互不正交所造成的結(jié)果。由此可知彈性芯不僅面積要小而且通過彈性芯的相位要正交，即彈性芯面積要小，形狀要正。

彈性芯對矯直效果的影響可以用有關(guān)的曲率比方程式計算出來。以方形條材為例，當(dāng)其原始彎曲曲率比為C0，反彎所用的曲率比為Cw，斷面高度為H，斷面中部彈性芯的高度為Ht，其彈區(qū)比(或稱彈芯比)為ζ=Ht/H。反彎后的彈復(fù)曲率比為Cf=1.5-0.5ζ2，彈復(fù)后的殘留曲率比為Cc=Cw-Cf，矯直時Cc=0，所以Cw-1.5+0.5ζ2=0，或Cw=1.5-0.5ζ2，這個矯直條件中可以改變的因素只有彈芯比ζ，能否矯直或矯直質(zhì)量高低都取決于ζ值及與其匹配的Cw值。由文獻[1]知道ζ=1/(C0+Cw)，故Cw=1.5-0.5/(C0+Cw)2，C0是實測值帶入后只有一個未知量Cw，可以解三次方程算出結(jié)果。C0與Cw都是已知量之后彈芯比ζ便是可知量，彈性芯的形狀及大小都可以明確，矯直質(zhì)量就可以肯定。理論上矯直都可以達到殘留彎曲等于零的效果，但實際上零殘彎的質(zhì)量指標(biāo)很難達到百分之百。其原因不僅是由于原始彎曲的復(fù)雜多樣，還應(yīng)該考慮到彈性芯內(nèi)存彈性彎矩Mζ=ζ3Mt，與外圈塑性變形金屬內(nèi)的殘余應(yīng)力相平衡的不穩(wěn)定性。這種不穩(wěn)定性可稱之為彈性芯的隱患，隱患的最大后果就是殘余應(yīng)力全部時效后Mζ彎矩將使條材產(chǎn)生以ρζ=ρt/ζ3為半徑的彎曲。因此希望這個彎曲所造成的彎度不超過質(zhì)量指標(biāo)，把隱患變成為無害隱患，最佳彈性芯也應(yīng)該是具有無害隱患的彈性芯。

現(xiàn)用的矯直機都屬于反彎矯直設(shè)備，而缺少反扭矯直設(shè)備，借助反彎過程中金屬塑性變形后其原始的扭曲變形也要在屈服狀態(tài)中失去保存能力，但又沒有反扭過正的能力(矯扭能力)，所以彈性芯的扭曲必然保存下來并將影響整個條材的扭曲。以半徑為r的圓材為例，其剪切彈性模數(shù)為G，剪切彈性極限為τt，其彈性極限扭轉(zhuǎn)角為θt=τt/rG，反彎矯直后彈性芯所保留的扭曲勢能將使條材留存θζ=ζ3θtrad/mm的殘留扭角，這是最大值。如果原始扭曲為零，反彎變形時也不會產(chǎn)生剪切應(yīng)力，也不會產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)角，也不會產(chǎn)生θζ。凡是具有原始扭曲在矯直后留存的最大扭曲角超過允許值者都應(yīng)該增設(shè)矯扭機構(gòu)[1-2]。

5 三聯(lián)矯直理論正在形成

條材的原始狀態(tài)常常是彎曲與扭曲并存，過去的矯直技術(shù)中就包括矯扭技術(shù)，常常在矯直機構(gòu)中增加矯扭機構(gòu)。但是多數(shù)矯直機仍為矯彎，基本沒有矯扭能力，造成這種現(xiàn)實狀態(tài)的原因之一是許多條材在軋制之后的赤熱狀態(tài)下用平行輥道運送中很難造成較大扭曲。原因之二是在矯彎當(dāng)中由于塑性變形較大，一些輕微扭曲在塑性變形中被進一步消減而達到合格水平。原因之三是大量具有斜壓表面的條材，如立放方鋼、斜放扁鋼、六角鋼、三角鋼、Z字鋼、W字鋼等在矯直孔型中可以承受徑向及軸向壓彎，附帶有矯扭作用。所以采用專門矯扭機構(gòu)的矯直機一直沒有被大量應(yīng)用。但是利用兩個正交相位矯彎及沿縱軸方向矯扭的三聯(lián)矯直工作卻一直沒有被放棄。

對于沒有斜壓表面的條材，如工字鋼、槽鋼、T型鋼及鋼軌等，既無法進行軸向壓彎也無法沿縱軸扭曲。對這類型材最好的三聯(lián)矯直方法就是采用平立輥綜合輥系矯直機并在出口處增設(shè)矯扭機構(gòu)。矯直質(zhì)量要求越高，三聯(lián)矯直技術(shù)越受重視[1-2]。

6 分段等曲率反彎矯直理論

正交相位矯直理論反映了矯直過程的客觀規(guī)律，是保證矯直質(zhì)量的必經(jīng)之路。但是實行起來給操作人員帶來的困難較大，技術(shù)要求較高而且容易造成欠矯和漏矯事故。經(jīng)過多年的探索研究找到了問題的本質(zhì)，就是采用集中壓彎方法所獲得的螺旋形塑性變形區(qū)呈鋸齒形斷續(xù)的螺旋管狀態(tài)(參看參考文獻[2]中圖3-4)，前后兩個螺旋管很難保持直角正交狀態(tài)。但是把集中壓彎點改成等曲率壓彎區(qū)，而且壓彎區(qū)長度又不小于一個導(dǎo)程時，斷續(xù)的螺旋管就會變成連續(xù)的等厚度的塑性管，從矯直輥逢來出的圓材會獲得全長等厚度均勻塑性變形，再也不會出現(xiàn)欠矯和漏矯現(xiàn)象。如果連續(xù)通過三個輥逢，第一個反彎半徑為ρ1，第二個為ρ2，第三個為ρ3，正好可以滿足三步反彎的要求，則此三步等曲率反彎輥逢就可以完全滿足矯直要求，與此矯直理論相對應(yīng)的分段等曲率反彎輥型理論保證了新式二輥矯直機獲得矯直一切圓材的能力，開創(chuàng)了斜輥矯直技術(shù)的新歷史，同時又在新輥形理論基礎(chǔ)上研發(fā)了雙向反彎輥形設(shè)計法和切線連接的雙向反彎輥形設(shè)計法，把二輥矯直能力擴展到一切圓材的雙向反彎矯直[1-2]。

7 彈性壓扁與塑性壓彎相平衡矯直理論

薄壁管矯直所遇到的困難是扁而不彎和扁而不轉(zhuǎn)，不彎、不轉(zhuǎn)無法矯直。希望抗壓扁能力越大越好，其方法是加長輥面和管材的接觸長度、在輥逢中設(shè)置左右導(dǎo)板使管材受到四面壓緊，可將其抗壓扁能力提高一倍左右。在不增加輥逢長度條件下，將壓彎力提高一倍。成功研制的薄壁管二輥矯直機使用較小輥長，對φ160 mm×12 mm長的管材進行矯直，已達到0.4 mm/12 m的質(zhì)量水平。確定輥長的基本方法就是利用彈性壓扁與塑性壓彎的平衡方程式算出最小的抗壓長度和彎曲長度[2]。

8 滾壓與反彎合成矯直理論

圓材在輥逢中進行反彎矯直時其反彎半徑必須保證彎曲程度應(yīng)達到半徑的70%～80% 。在既定的輥逢中想矯直細(xì)棒時，便會因為彎曲程度不夠而達不到矯直目的，利用屈雷斯伽屈服準(zhǔn)則便可能成功矯直。由于圓材在輥逢中被壓成彎曲狀態(tài)后，外彎側(cè)的兩端受凹輥壓力而中央必將產(chǎn)生拉應(yīng)力，內(nèi)彎側(cè)的中央受凸輥壓力同時也因受彎曲而產(chǎn)生周向壓應(yīng)力。如果在這樣的輥內(nèi)再額外增加壓緊力時，外彎側(cè)中央處便要形成垂直壓力與水平拉力的平面合成應(yīng)力，合力大小等于兩個分應(yīng)力絕對值之和，即使每個分應(yīng)力都未達到屈服極限，但是合成之后很容易達到屈服狀態(tài)而產(chǎn)生塑性拉伸變形。而內(nèi)彎側(cè)中央垂直壓力與水平壓力之合等于兩個絕對值之差，即使兩個分應(yīng)力都接近屈服限，但合成之后卻要遠(yuǎn)離屈服狀態(tài)，而不產(chǎn)生任何塑性變形。結(jié)果圓材外彎側(cè)塑性拉伸，內(nèi)彎側(cè)保持原態(tài)，彎曲的中性層由中心線移到內(nèi)緣，在實質(zhì)上等于把彎曲變形增大一倍，也等于把曲率半徑縮小一倍，還等于把矯直范圍向小直徑延伸一倍。當(dāng)原來的矯直范圍為d～2d時，現(xiàn)在的矯直能力為d/2～d～2d。所以這種合成矯直理論是很有價值的理論。不過當(dāng)直徑精度要求很高時，一定要注意縮徑的影響，一旦縮徑超差時可以在矯直前對料徑的要求要預(yù)留其縮徑量。

9 斷面大小對矯直質(zhì)量影響

斷面尺寸大小對矯直質(zhì)量的影響雖然從未提到，但是一直是個客觀存在的問題。有些實踐經(jīng)驗的科技人員確有越粗越好矯的感覺。從文獻[2]中看到直徑粗的棒材在同樣反彎之后所留下的彈復(fù)隱患δζ要比細(xì)棒小。其原因是在同樣材質(zhì)(σt和E相同)及不同直徑(2r)條件下其彈性極限彎曲半徑ρt=Er/σt中，r增大，ρt也增大，彈復(fù)隱患的彎曲半徑ρζ=ρt/ζ3也必增大，在同樣弦長條件下，半徑越大所形成的弦高越小，即所留下的彎度越小，也就是矯直質(zhì)量越高。這就是條材斷面越粗越好矯的道理。

10 結(jié)束語

隨著我國冶金工業(yè)快速發(fā)展，對矯直產(chǎn)品的質(zhì)量要求越來越高。發(fā)展創(chuàng)新技術(shù)的矯直設(shè)備十分重要。但許多缺乏競爭力的矯直設(shè)備重復(fù)建設(shè)現(xiàn)象嚴(yán)重。因此，有必要對矯直理論的新認(rèn)識做了論述，本文重點討論矯直過程解析化理論，三步反彎矯直理論，正交相位矯直等，并提出雙交錯輥系矯直機很有發(fā)展前途。

[1] 崔甫. 矯直原理與矯直機械(第2版)[M].北京：冶金工業(yè)出版社(第二版)，2005.

[2] 崔甫. 矯直技術(shù)與理論的新探索[M].北京：冶金工業(yè)出版社(第二版)，2014.

[3] 崔甫. 多輥式矯直機發(fā)明專利[P].87.1.05049.8，1989.

[4] 崔甫. 對于矯直技術(shù)領(lǐng)域中一些認(rèn)識誤區(qū)的討論[J].重型機械，2013(2).

[5] 崔甫. 矯直理論與參數(shù)計算(一)[J]. 重型機械， 1985(7).

[6] 崔甫. 矯直理論與參數(shù)計算(二)[J]. 重型機械， 1985(8).

[7] 崔甫. 矯直理論與參數(shù)計算(三)[J]. 重型機械， 1985(9).

[8] 崔甫. 矯直理論與參數(shù)計算(四)[J]. 重型機械， 1985(10).

[9] 崔甫. 矯直理論與參數(shù)計算(五)[J]. 重型機械， 1985(11).

[10]崔甫. 矯直理論與參數(shù)計算(六)[J]. 重型機械， 1985(12).

[11]崔甫. 矯直理論與參數(shù)計算(七)[J]. 重型機械， 1986(1).

[12]崔甫. 矯直理論與參數(shù)計算(八)[J]. 重型機械， 1986(2).

[13]崔甫. 矯直理論與參數(shù)計算(九)[J]. 重型機械， 1986(3).

[14]崔甫. 矯直理論與參數(shù)計算(十)[J]. 重型機械， 1986(4).

[15]崔甫. 矯直理論與參數(shù)計算(十一)[J]. 重型機械， 1986(5).

[16]崔甫. 矯直理論與參數(shù)計算(十二)[J]. 重型機械， 19866).

[17]崔甫. 矯直理論與參數(shù)計算(十三)[J]. 重型機械， 1986(7).

[18]崔甫. 矯直理論與參數(shù)計算(十四)[J]. 重型機械， 1986(7).

[19]崔甫. 矯直理論與參數(shù)計算(十五)[J]. 重型機械， 1986(7).

[20]崔甫. 矯直理論與參數(shù)計算(十六)[J]. 重型機械， 1986(7).

[21]崔甫. 矯直理論與參數(shù)計算(十七)[J]. 重型機械， 1986(7).

New understanding in the field of straightening theory

CUI Fu, YANG Hui-lin

(Northeastern University, Shenyang 110004 China)

This paper defined misunderstanding of the straightening technology, emphasized on the straightening process analytical theory, three step of anti bending straightening theory, quadrature phase straightening theory, the optimum elastic core theory, triple straightening theory, sectional curvature bending straightening theory, elastic flattening and plastic bending straightening theory of balance, rolling and anti-bending synthetic straightening theory, the size of section of the straightening effect theory,etc. It put forword that double staggered roll system straightening is of great development.

straightening theory；three step of anti bending straightening；quadrature phase straightening

2014-08-13；

2014-10-24

崔甫(1928-)，男，東北大學(xué)教授,出版多部矯正理論專著; 發(fā)表矯直理論論文30多篇。

TG333

A

1001-196X(2015)01-0002-04