四輥卷板機(jī)圓柱體板材加工工藝方法

＊王秋實(shí) 張秋瑞 張新 連軍 張志銘

（渤海造船廠集團(tuán)有限公司 遼寧 125000）

1.滾彎成型理論過程

四輥卷板機(jī)，在滾彎不同尺寸的板材上有不同的滾彎過程，但其工作原理基本相同。上下輥為主動輪，兩側(cè)輥為從動輪，上下兩輥對板材作用的力產(chǎn)生驅(qū)動，側(cè)輥對板材的切向力產(chǎn)生摩擦阻力，方向?yàn)檠刂邢蛭灰品较虻姆捶较?。滾彎時，上下兩輥將板材夾持，保證板材在輥摩擦力的帶動下發(fā)生連續(xù)穩(wěn)定的彎曲變形。

2.四輥卷板機(jī)三個輥工作滾彎成型過程受力分析

四輥卷板機(jī)，其工作原理為使板材三點(diǎn)受力成圓。左側(cè)輥上升與預(yù)彎卷制后的板材接觸，預(yù)彎卷制后的板材具有一定的曲率，因此左側(cè)輥的位移與預(yù)彎時的右側(cè)輥位移量不相同，圖1中A為上輥與板材接觸點(diǎn)，B為下輥與板材接觸點(diǎn)，四輥卷板機(jī)在工作過程中的力學(xué)形式類與非對稱三輥卷板機(jī)相似，當(dāng)板材右端在上下輥的驅(qū)動下運(yùn)動到A點(diǎn)附近后，需要下降左側(cè)輥上升右側(cè)輥，反復(fù)的升降左右側(cè)輥直到圓弧達(dá)到工藝要求。如圖2因?yàn)樯舷螺亴宀膴A緊板材有自身的重力因素，當(dāng)左側(cè)輥完全卸載后，板材的重心和上下輥形成了一個杠桿的現(xiàn)象，同時形成的彎矩，彎矩時引起彎曲變形的主要因素。因?yàn)橥饬Υ筮^板材的屈服強(qiáng)度板材在靠近B端會發(fā)生塑性變形，影響圓弧的成型質(zhì)量。

圖1 三個工作輥板材受力的彎矩圖

圖2 左側(cè)輥下降板材自重的彎矩圖

3.四輥卷板機(jī)四個輥工作滾彎成型過程受力分析

四輥卷板機(jī)，四個輥工作其工作原理為使板材受到兩個三點(diǎn)受力成圓。左側(cè)輥上升與預(yù)彎卷制后的板材接觸，預(yù)彎卷制后的板材具有一定的曲率，因此左側(cè)輥的位移與預(yù)彎時的右側(cè)輥位移量不相同，同時右側(cè)輥也上升到與左側(cè)輥相同的高度。圖3中A為左側(cè)輥與板材接觸點(diǎn)，B和C為下輥與板材接觸點(diǎn)，D點(diǎn)為右側(cè)輥與板材的接觸點(diǎn)。四輥卷板機(jī)四個輥輥彎過程中的力學(xué)形式類與兩個非對稱三輥卷板機(jī)，當(dāng)板材在上下輥的驅(qū)動下運(yùn)動到B點(diǎn)或C點(diǎn)附近后，不需要下降左側(cè)輥和右側(cè)輥，可以直接提升左右側(cè)輥的高度，直到板材圓弧滿足工藝要求。如圖3因?yàn)樯舷螺亴宀膴A緊板材有自身的重力因素，板材的重心和上下輥形成的杠桿現(xiàn)象，因?yàn)樽笥覀?cè)輥沒有完全卸載，左右側(cè)輥的A和D點(diǎn)起到了支撐作用，減小了使板材自重的彎矩，也就消除了板材自重對板材彎曲變形的影響。因?yàn)樽灾氐膹澗匦∮诎宀牡那?qiáng)度板材在靠近A和D端不會發(fā)生塑性變形，同時保證了板材的成型質(zhì)量。

圖3 四個輥工作板材受力的彎矩圖

4.四輥卷板機(jī)兩個加工工藝方法的區(qū)別

四輥卷板機(jī)三個輥工作與四輥工作板材受力的區(qū)別，由圖1可知四輥卷板機(jī)三個輥工作時，是上工作輥和下工作輥和一個側(cè)工作輥組成一個力系，板材在變形區(qū)受到一個外力的作用下發(fā)生塑性變形。由圖3可知四輥卷板機(jī)四個工作輥工作時，是由上工作輥和下工作輥同時還有兩個側(cè)工作輥組成了兩個力系，板材在變形區(qū)受到兩個外力的作用下發(fā)生塑性變形。

板材的加工曲率是固定的，三個輥工作時板材的受到的外力為F1達(dá)到需要的加工曲率。四個輥工作時板材受到的外力分別為F2和F3達(dá)到需要的加工曲率?？梢约僭O(shè)推斷出F1×L1=F2×L2+F3×L3，因?yàn)樗妮伨戆鍣C(jī)上下兩輥?zhàn)笥覂蓚?cè)輥位置是固定的，所以左側(cè)輥到下輥中心的距離L2和右側(cè)輥到下輥中心的距離L3相等L2=L3，F(xiàn)1L1=(F2+F3)L2，所以F1的力系等與F2和F3的力系和。

5.試驗(yàn)分析及結(jié)果

本次試驗(yàn)設(shè)備采用某廠生產(chǎn)的型四輥卷板機(jī)，試驗(yàn)時采用33mm厚長度為7000mm的Q235板材圓弧半徑設(shè)定為R4000進(jìn)行試驗(yàn)，設(shè)定上下輥壓力固定為2.5MPa。

四輥卷板機(jī)三個工作輥加工板材過程，將對中后的板材進(jìn)行左右預(yù)彎，升起左側(cè)輥到剛接觸沒有發(fā)生任何形變的板材高度數(shù)值為380，板材向左運(yùn)動到接近上下輥并用樣板觀察板材圓弧的成型大小，下降左側(cè)輥升起右側(cè)輥高度數(shù)值為400，板材向右運(yùn)動到接近上下輥，下降右側(cè)輥升起左側(cè)輥高度數(shù)值為420，板材向左運(yùn)動，反復(fù)重復(fù)上述操作過程直到側(cè)輥高度數(shù)值為530板材圓弧滿足工藝要求。此加工過程用時為3h。

表1 三個工作輥加工板材左右側(cè)輥數(shù)值

四輥卷板機(jī)四個工作輥加工板材過程，將對中后的板材進(jìn)行左右預(yù)彎，之后升起左右側(cè)輥到剛接觸沒有發(fā)生任何形變的板材高度數(shù)值380，將板材向左運(yùn)動到快接近上下輥位置，用圓弧樣板對發(fā)生形變的板材圓弧進(jìn)行觀察，之后同時升起左右側(cè)輥高度數(shù)值為390，之后板材向右運(yùn)動到接近上下輥位置，繼續(xù)用樣板對板材圓弧進(jìn)行觀察，在同時升起左右側(cè)輥高度數(shù)值為400，板材向左運(yùn)動，反復(fù)重復(fù)上述操作過程直到左右側(cè)輥高度數(shù)值為460板材圓弧滿足工藝要求。此加工過程用時為1.5h。

表2 四個工作輥加工板材左右側(cè)輥數(shù)值

通過實(shí)際操作過程，可以確定四輥卷板機(jī)圓柱體板材加工，四個工作輥加工方法的工作效率明顯高于三個工作輥加工方法，同時四個工作輥的加工步驟更簡單，不需要反復(fù)的升降側(cè)輥。

四輥卷板機(jī)三個輥工作時，如圖2當(dāng)板材靠近上下輥時需要下降左側(cè)輥升起右側(cè)輥。當(dāng)左側(cè)輥下降到無法給板材任何支撐力的時候，板材因?yàn)樽陨泶嬖诘闹亓σ呀?jīng)產(chǎn)生塑性變形的板材施加一個向下的力FG，同時又因?yàn)樽髠?cè)輥完全下降沒有任何支持力增加的重力FG的彎矩，使原來的彎矩L1變成了L。當(dāng)板材的重力FG彎矩變大超過了板材自身的屈服強(qiáng)度，板材在靠近上下輥的位置B點(diǎn)附近會發(fā)生塑性變形，形成一個與原來相反的彎曲變形。

四輥卷板機(jī)四個輥工作時，如圖4當(dāng)板材靠近上下輥時，不需要下降兩個側(cè)輥。板材彎矩L4和L5小于圖2中的彎矩L，因?yàn)橛星昂筝仦橹С贮c(diǎn)使彎矩變小，減小了板材因彎矩過大產(chǎn)生相反彎曲變形的現(xiàn)象。

圖4 四個輥工作板材自重的彎矩圖

6.結(jié)論

（1）四輥卷板機(jī)卷制圓柱體板材加工采用四個工作輥加工方法經(jīng)過試驗(yàn)證明方法可行。（2）四輥卷板機(jī)卷制圓柱體板材加工采用四個工作輥加工方法工作效率明顯高于三個工作輥加工方法，并且步驟簡單，同時減少設(shè)備的使用時間，增加設(shè)備的使用壽命。（3）四輥卷板機(jī)卷制圓柱體板材加工采用四個工作輥加工方法，因?yàn)橛星昂筝仦橹С贮c(diǎn)使彎矩變小，減小了板材因彎矩過大的影響，提高了工作效率和板材的成型質(zhì)量。