β型鈦合金絲材在線熱張力矯直機組的研制

蘭賢輝，李會武，杜亞寧，王錦群，賈慶功

(西部超導材料科技股份有限公司，陜西　西安　710018)

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β型鈦合金絲材在線熱張力矯直機組的研制

蘭賢輝，李會武，杜亞寧，王錦群，賈慶功

(西部超導材料科技股份有限公司，陜西西安710018)

結合β型鈦合金絲材的矯直工藝，研制出了張力可穩(wěn)定控制的用于β型鈦合金絲材矯直的在線熱矯直機組。此機組通過恒張力恒速度系統(tǒng)、快速均溫加熱系統(tǒng)和快速循環(huán)冷卻系統(tǒng)三大模塊合理匹配控制，有效解決了β型鈦合金絲材在線熱張力矯直中存在的兩大問題：矯直張力的穩(wěn)定控制和矯直效率與質(zhì)量穩(wěn)定性的提高。此矯直機組的成功研制，不但可滿足對β型鈦合金絲材的矯直要求，而且對其矯直工藝的進一步改進研究以及對其他金屬絲材矯直工藝的研究或者矯直設備的研制均具有一定的借鑒和參考意義。

鈦合金絲材；矯直；效率；質(zhì)量穩(wěn)定性

0　引　言

目前，關于金屬材料的矯直許多學者已進行了大量研究[1-2]，但是關于鈦合金絲材張力矯直的研究鮮有報道，尤其是針對β型鈦合金絲材的張力矯直。β型鈦合金絲材具有高塑性，矯直后的絲材在一定曲率范圍內(nèi)可以盤卷，而對于盤卷的絲材，要求展開后仍然能夠保持所要求的直線度。因此，目前β型鈦合金絲材的矯直大多采用的形式是：在收放線機之間布置一臺管式爐，根據(jù)經(jīng)驗對收放線機速度進行調(diào)節(jié)從而在兩者之間產(chǎn)生一定張力進行熱矯直。然而，一方面，矯直張力為經(jīng)驗值，且在矯直過程中不能穩(wěn)定控制，會使產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定。矯直張力小了，不能達到矯直目的，必須將已經(jīng)矯直過的絲材通過同樣的方式再矯直一遍；矯直張力大了，絲材或者出現(xiàn)縮徑或者被拉斷。另一方面，將絲材從室溫加熱到一定溫度熱透需要一個過程，所以系統(tǒng)效率主要取決于管式爐的加熱效率。由于管式爐整體尺寸非常短，即加熱區(qū)短，當提高速度時，絲材可能還沒有熱透便已經(jīng)從爐管中出來，但是若增加管式爐長度，會因廠房放置距離有限而不可行。

總之，目前β型鈦合金絲材的矯直主要存在2方面問題：①不能實現(xiàn)矯直張力的穩(wěn)定控制；②加熱效率不能有效提高，使得絲材產(chǎn)品的質(zhì)量穩(wěn)定性和生產(chǎn)效率較差。為此，西部超導材料科技股份有限公司(以下簡稱西部超導)研制出了一套張力可穩(wěn)定控制的用于β型鈦合金絲材矯直的在線熱矯直機組。此矯直機組不但可滿足對β型鈦合金絲材的矯直要求，而且對于其矯直工藝的進一步改進研究以及對其他金屬絲材矯直工藝的研究或者矯直設備的設計均具有一定的借鑒和參考意義。

1　設計要求及問題解決方法

1.1設備的設計要求

矯直直徑范圍：1～5 mm；

矯直方式：管式爐加熱均溫在線矯直；

線材通過管式爐速度：3～20 m/min，可調(diào)；

矯直張力范圍：70～800 N，可調(diào)；

張力控制精度：≤矯直力的5%；

直線度：絲材剪切成段后，直線度≤2 mm/m。

1.2問題的解決方法

(1)張力的穩(wěn)定控制利用張力控制原理中的全自動方式，即：通過張力傳感器測定卷材的張力，然后由控制器自動調(diào)整制動器來控制卷料的張力。具方法為利用直接張力控制法，即反饋控制法，通過活套建立張力，測量活套上下移動量，構成活套反饋控制系統(tǒng)，進而通過控制活套移動量恒定而使矯直張力恒定。由于這種張力控制法適用于高精度、高速度的張力控制場合，具有控制精度高、實時性能好等優(yōu)點，所以較為適合本系統(tǒng)對張力控制的要求。

(2)矯直效率的提高在不改變管式爐長度的前提下，在其入線端配置感應爐。利用感應爐快速加熱的特點，對欲加熱絲材快速預熱至一定溫度，然后迅速進入管式爐，再利用管式爐溫度均勻性的特點，對絲材進行進一步熱透和均溫，從而在達到滿足溫度要求的同時，提高矯直效率，且不額外占用廠房空間。

通過上述手段，可較好的解決恒定張力穩(wěn)定性控制和矯直效率的問題。

2　矯直機組的結構設計

2.1矯直機組的結構組成

圖1為西部超導研制的β型鈦合金絲材在線熱張力矯直機組的結構示意圖。

圖1　矯直機組的結構示意圖Fig.1　 Structure diagram of straightening unit

根據(jù)所實現(xiàn)的功能，可將此矯直機組分為3大模塊：①恒張力恒速度系統(tǒng)根據(jù)張力控制原理，直接設定要求控制的張力值，然后將輸入張力傳感器的信號(一般為毫伏級)作為張力反饋值，通過比較得出偏差后，輸入到PID等控制器進行處理，再輸出給外圍執(zhí)行機構去控制，最終達到偏差最小、系統(tǒng)響應最快的目的。本設備中，該系統(tǒng)由主動放線裝置1、張力架2、導向裝置6和主動收線裝置7組成，主要用于實現(xiàn)絲材矯直時所需的精確穩(wěn)定的矯直張力和系統(tǒng)運行速度；②快速加熱恒溫系統(tǒng)該系統(tǒng)由感應爐3和管式爐4組成，主要用于實現(xiàn)快速高效的加熱，并保證一定的溫度均勻性，在滿足溫度要求條件下，提高整個系統(tǒng)的效率；③快速循環(huán)冷卻系統(tǒng)該系統(tǒng)主要由浸入式槽型循環(huán)水冷裝置5[3]組成，用于對經(jīng)熱張力矯直的絲材充分冷卻和干燥，保持其矯直效果，保證主動收線裝置7順利收料。三大模塊的有機結合，即可高效完成β型鈦合金絲材的在線矯直。

2.2矯直機組關鍵部件的功能

主動放線裝置1的控制特點是放線速度根據(jù)張力架2上浮動輥的位置信號進行調(diào)節(jié)，放線速度和浮動輥位置的反饋信號形成閉環(huán)。另外，該結構上裝有氣動靠輥，用于壓緊放線輪，防止線材自由狀態(tài)時松散。

張力架2是整個機組的關鍵部件，主要作用有3個：①通過特殊的機械結構、氣路構成以及相關專用氣路元器件所組成的氣路系統(tǒng)來提供精確穩(wěn)定的矯直張力；②通過張力架2上浮動輥平衡位置的變化來提供主動放線裝置1調(diào)節(jié)匹配時所需的信號，矯直過程中，若張力架2上的浮動輥超出其平衡位置一定范圍時，主動放線裝置1便會得到信號進行速度匹配，使浮動輥恢復至平衡位置，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性；③通過安裝在張力架2出線端定輪上的編碼器來提供主動收線裝置7的轉(zhuǎn)速信號，使其始終保持在系統(tǒng)要求的速度恒定運行。

感應爐3主要通過其快速感應加熱的特點，對絲材進行加熱前的快速預熱，使絲材進入管式爐4后能夠快速升溫到所需溫度，提高系統(tǒng)效率。

管式爐4與感應爐3聯(lián)通配合，通過感應爐快速預熱后的絲材進入管式爐后加熱到所需溫度，并保證一定的溫度均勻性，可提高加熱效率。

浸入式槽型循環(huán)水冷裝置5通過槽型浸入式水冷卻、擦料和吹料多工序不間斷聯(lián)合工作，對絲材進行快速的充分冷卻和干燥，以保持其矯直效果，保證主動收線裝置7順利收料。

導向裝置6用來實現(xiàn)收料前的導向和斷線檢測夾緊功能。

主動收線裝置7的機械機構類似于主動放線裝置1，控制特點是設定速度后，電氣控制系統(tǒng)根據(jù)定輪上編碼器的變化控制收線速度，實現(xiàn)恒速收線，其收線速度和安裝在張力架2出線端的定輪軸上的編碼器的反饋信號形成閉環(huán)。

3　設備運行情況

利用西部超導自行研發(fā)的張力可穩(wěn)定控制的β型鈦合金絲材在線熱矯直機組，對直徑為1、2、3 mm，長度為3 000、2 500、2 300 m的β型鈦合金絲材進行了多批次張力矯直實驗。矯直后，分別從3種絲材任意位置剪切每段長度為1.5 m的絲材各50段，分別測量其直線度。其中，φ1 mm絲材矯直直線度在1～1.8 mm/m之間，φ2 mm絲材矯直直線度在0.6～1.6 mm/m之間，φ3 mm絲材矯直直線度在0.5～1.5 mm/m之間，具體測試結果如圖2所示。

從設備目前運行情況來看，可得出以下結論：

(1)利用該矯直機組，矯直張力能夠得到穩(wěn)定控制，即可以保證矯直質(zhì)量的穩(wěn)定性，又可實現(xiàn)矯直直線度≤2 mm/m的設備設計要求。圖3為φ2 mm的β型鈦合金絲材切斷成1.5 m矯直前后的狀態(tài)。

(2)通過優(yōu)化感應爐和管式爐的配置，使其充分合理發(fā)揮各自的特點，可提高加熱效率，進而提高機組的矯直效率，提高絲材產(chǎn)能。該設備使用前，西部超導φ3 mmβ型鈦合金絲材月產(chǎn)能為4 000 kg，使用后月產(chǎn)能達到10 000 kg。

圖2　不同直徑鈦合金絲材矯直后的直線度Fig.2　　　　Straightness of titanium alloy wires with different diameters after straightening

圖3　　　　φ2 mm的β型鈦合金絲材矯直前后的狀態(tài)Fig.3　　　　The state of β-type titanium alloy wires with φ2 mm before and after straightening

(3)該設備可以很好的解決現(xiàn)階段普遍利用經(jīng)驗來進行類似矯直中存在的問題。通過系統(tǒng)實時監(jiān)測記錄每種規(guī)格絲材矯直時對應的矯直力、矯直速度以及矯直溫度的數(shù)值可對矯直工藝進行優(yōu)化改進，也可對其他材料的矯直工藝進行實驗分析和研究。

[1]管奔，臧勇，曲為壯.矯直理論的研究發(fā)展現(xiàn)狀與展望[J].機械設計與制造,2012(8):266-268.

[2]井永水，竇忠強，李忠富. 矯直理論的新探索[J].北京科技大學學報，2002,24(1):64-66.

[3]蘭賢輝，彭常戶，任源，等.一種用于線材的浸入式槽型循環(huán)水冷裝置:103014584A[P].2013-04-03.

Development of Online Thermal Tension Straightening Unit forβ-type Titanium Alloy Wire

Lan Xianhui，Li Huiwu，Du Yaning，Wang Jinqun，Jia Qinggong

(Western Superconducting Technologies Co. ,Ltd. , Xi’an 710018, China)

Based on theβ-type titanium alloy wire straightening process, the online thermal straightening unit forβ-type titanium alloy wire under tension stability control was designed. Through the reasonably matched control of constant tension speed system, fast average temperature heating system and rapid-cycle cooling system, the online thermal straightening unit made two major breakthroughs in theβ-type titanium alloy wire thermal tension leveler areas: a wide range of tension stability control and the improvement of the efficiency of straightening as well as the quality stability. This design, not only meets the requirements of theβ-type titanium alloy wire straightening, but also provides references for further improvement of the straightening process research and other metal wire straightening process or straightening equipment development.

titanium alloy wire; straightening; efficiency; quality stability

2015-03-11

蘭賢輝(1983—), 男，工程師。

TG166.5

A

1009-9964(2016)01-0033-03