開(kāi)卷線預(yù)矯直機(jī)輥系參數(shù)技術(shù)分析

趙 崠

(太原重工股份有限公司矯直機(jī)研究所，山西030024)

矯直機(jī)屬于開(kāi)卷線的配套設(shè)備，主要用于對(duì)開(kāi)卷后的板材矯直，使其平直度達(dá)到工藝要求。

開(kāi)卷板的矯直具有以下特點(diǎn)：

(1)板材尺寸規(guī)格范圍大，屈服強(qiáng)度高。

(2)開(kāi)卷后的卷板單向原始曲率大，并且隨著開(kāi)卷過(guò)程不斷加大。

(3)開(kāi)卷線生產(chǎn)工藝具有不可逆性，要求一道次達(dá)到矯直精度要求。

(4)矯平精度要求高，輥系參數(shù)是矯直機(jī)的主要技術(shù)性能指標(biāo)，對(duì)此類(lèi)板材進(jìn)行矯直時(shí)，需充分考慮過(guò)大的單向原始曲率對(duì)矯直輥系參數(shù)的影響。

1 反彎曲率對(duì)輥系參數(shù)的影響

輥系參數(shù)與所需矯直板材規(guī)格和所需達(dá)到的反彎要求密切相關(guān)，對(duì)輥系參數(shù)的計(jì)算就是選擇既滿足板材反彎變形的需要，又有足夠強(qiáng)度的矯直輥。

為了便于說(shuō)明反彎曲率對(duì)輥系參數(shù)的影響，以下曲率均為相對(duì)曲率，即該處的反彎曲率與材料的最小彈復(fù)曲率的比值來(lái)表示。

1.1 反彎曲率對(duì)輥徑值的影響

矯直輥將具有相對(duì)原始曲率C0的軋件反向彎曲至相對(duì)曲率Cw，相對(duì)總反彎曲率C=C0+Cw，矯直輥的主要任務(wù)是使工件達(dá)到矯直所需的反彎曲率，因此從矯直輥對(duì)軋件反彎能力考慮，需按相對(duì)總反彎曲率C計(jì)算輥徑值D。

D≤EH/Cσs

(1)

式中，H為板厚；σs為板材屈服極限；C為相對(duì)總反彎曲率；E為鋼質(zhì)彈性模量，取E=2.1×105N/mm2。

1.2 反彎曲率對(duì)輥系力能參數(shù)的影響

在矯直過(guò)程中，各矯直輥對(duì)軋件施加連續(xù)反彎，使板材發(fā)生彈塑性變形。當(dāng)用選定的輥系參數(shù)對(duì)具體規(guī)格的板材進(jìn)行矯直時(shí)，計(jì)算作用在矯直輥上的力能參數(shù)，取輥距P=1.15D。

(1)單輥矯直力FD為：

(2)

(3)

板材的彈性彎矩Mt為：

Mt=BH2σs/6

(4)

(2)單輥矯直力矩TD

單輥矯直力矩TD包括摩擦力矩TM和變形力矩TB，即

TD=TM+TB

(5)

TM=FD(f+μd/2)

(6)

式中，f為軋件與輥面的滾動(dòng)摩擦系數(shù)，取f=0.4 mm；μ為軸承摩擦系數(shù)，取μ=0.005；d為軸頸，取d=0.5D。

(7)

板材的彈性變形能為：

ut=BHσs2/6E

(8)

式中，B為板寬；H為板厚；σs為板材屈服強(qiáng)度；E為鋼質(zhì)彈性模量，取E=2.1×105N/mm2。

變形能量比為：

(9)

從以上公式可以看出，當(dāng)輥徑值D和板材規(guī)格選定后，P、d、Mt、ut已為定值，因此作用在矯直輥上的力能參數(shù)由相對(duì)總反彎曲率C決定。

2 開(kāi)卷板原始曲率對(duì)輥系參數(shù)的影響

開(kāi)卷板具有過(guò)大單向原始曲率的特點(diǎn)，在選擇輥系參數(shù)時(shí)，針對(duì)實(shí)際生產(chǎn)工藝的特點(diǎn)，結(jié)合相應(yīng)的矯直方案進(jìn)行分析。從公式(2)和(7)可以看出，相對(duì)反彎曲率C>5以后，單輥矯直力的增大程度逐漸變緩，而變形力矩卻持續(xù)增大。由于開(kāi)卷板的單向相對(duì)原始曲率可達(dá)到C0=10以上，過(guò)大的原始曲率造成相對(duì)反彎曲率大幅增加，導(dǎo)致矯直板材所需的矯直力矩明顯增加；在這種情況下必須考慮過(guò)大原始曲率對(duì)矯直力矩的影響，按軸頸扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度進(jìn)行輥徑值的計(jì)算。

2.1 過(guò)大原始曲率對(duì)力能參數(shù)的影響

(1)對(duì)矯直力的影響

(2)對(duì)矯直力矩的影響

2.2 原始曲率對(duì)輥徑參數(shù)的影響

開(kāi)卷板過(guò)大的原始曲率造成矯直力矩大幅增加，因此在選擇輥徑值時(shí)，必須考慮足夠的設(shè)計(jì)裕度，軸頸許用扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度MD為：

MD=πd3K[τ]/16

(10)

式中，K為安全系數(shù)，取K=0.35；[τ]為許用剪應(yīng)力，取[τ]=180 MPa。

以軸頸許用扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度MD滿足單輥矯直力矩TD為條件，即MD=TD列出算式：

(11)

將P=1.15D、d=0.5D、K=0.2、[τ]=180、f=0.4、μ=0.005代入公式(11)得：

(12)

因此必需對(duì)開(kāi)卷板預(yù)矯直，將過(guò)大的相對(duì)原始曲率C0由10降低到3～2.5，這樣既滿足板材反彎變形的需要，又有足夠強(qiáng)度的條件下選擇精矯直機(jī)輥系參數(shù)，最終達(dá)到矯平精度要求。

3 開(kāi)卷板預(yù)矯直方案

在多輥矯直過(guò)程中，矯直輥將具有相對(duì)原始曲率C0的軋件反向彎曲，反彎后軋件所具有的曲率為相對(duì)反彎曲率Cw，當(dāng)去除外負(fù)荷后，軋件彈性恢復(fù)的曲率為相對(duì)彈復(fù)曲率Cf，經(jīng)彈復(fù)后所具有的曲率為相對(duì)殘余曲率Cc，則Cc=Cw-Cf；此時(shí)Cc又成為下一輥所需矯直軋件的原始曲率C0，以此類(lèi)推，經(jīng)多輥反彎后可得到不斷減小的殘余曲率，直至達(dá)到所需的矯直精度。從矩形材的彈復(fù)曲率方程Cf=1.5-0.5/(C0+Cw)2可以看出，式中由C0+Cw組成的相對(duì)總反彎曲率C值越大，對(duì)Cf的影響越小，在C≥5時(shí)趨近于常數(shù)1.5。所以在對(duì)相對(duì)原始曲率C0≥5的軋件進(jìn)行矯直時(shí)，只要壓平C0，即使不加反彎(設(shè)定Cw=0)，就可得到Cf≈1.5的相對(duì)彈復(fù)曲率。

通過(guò)以上分析可知，預(yù)矯直機(jī)輥徑值大，雖然具有足夠的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度，但對(duì)軋件的反彎能力很低，因此只要將開(kāi)卷板過(guò)大的相對(duì)原始曲率C0由10降低到3～2.5即可；根據(jù)矩形材的彈復(fù)特點(diǎn)，預(yù)矯直方案以壓平原始曲率為反彎條件，即可得到Cf≈1.5的相對(duì)彈復(fù)曲率，各輥間的相對(duì)殘留曲率就可以1.5的差值遞減，可以快速減小殘余曲率，降低開(kāi)卷板過(guò)大的原始曲率。

3.1 計(jì)算預(yù)矯直機(jī)輥數(shù)

預(yù)矯直機(jī)輥數(shù)：n=(ΔC0/ΔCc)+2=7

ΔC0為所需降低的相對(duì)原始曲率差值：ΔC0=10-2.5=7.5

ΔCc為各輥間的相對(duì)殘留曲率遞減量：ΔCc=Cf≈1.5

取矯直輥數(shù)n=7，采用上排3根，下排4根交錯(cuò)排列方式。

3.2 確定預(yù)矯直方案

采用壓平方案進(jìn)行預(yù)矯直時(shí)，各矯直輥下的板材相對(duì)曲率變化見(jiàn)表1。

表1 板材在各矯直輥下的相對(duì)曲率變化

由表1可以看出，具有7個(gè)矯直輥的預(yù)矯直機(jī)對(duì)板材進(jìn)行6次反彎，可將開(kāi)卷板過(guò)大的相對(duì)原始曲率C0由10降低到2.57，滿足精矯直的要求。

4 預(yù)矯直機(jī)輥系參數(shù)選擇

確定了預(yù)矯直機(jī)輥系參數(shù)的選擇方法，結(jié)合實(shí)際舉例計(jì)算。

4.1 矯直鋼種與性能規(guī)格

產(chǎn)品品種：主要有碳素結(jié)構(gòu)鋼、汽車(chē)大梁用鋼、工程機(jī)械用高強(qiáng)鋼、不銹鋼等。

帶鋼厚度：H=5～25 mm

帶鋼寬度：B=800～2100 mm

力學(xué)性能：厚度<12 mm時(shí)，σs≤800 MPa；

厚度≥12 mm時(shí)，σs≤500 MPa；

鋼卷內(nèi)徑：?600～?762 mm

鋼卷外徑：?2030～?2200 mm

典型板材厚度：H=20 mm

典型板材寬度：B=2100 mm

屈服強(qiáng)度：σs=500 MPa

最終矯平精度：≤2 mm/m2

4.2 輥系參數(shù)選擇

(1)選擇輥徑D

由表1可以看出，預(yù)矯直方案的各輥相對(duì)反彎曲率Cw=0，最大總反彎曲率發(fā)生在第2輥處C2=10，板材作用在第2輥上的力能最大，因此計(jì)算第2輥處力能參數(shù)選擇輥系參數(shù)。

選取以上典型板材規(guī)格，代入公式(4)得Mt=70×106MN·mm，代入公式(7)得ut=8333.3 N。

將各值代入公式(12)計(jì)算輥徑值，取較大值D=342.22 mm。

結(jié)合實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，選取預(yù)矯直輥系參數(shù)：矯直輥數(shù)n=7，輥徑D=340 mm，軸頸d=180 mm，輥距P=400 mm，輥身長(zhǎng)L=2300 mm。

4.3 力能參數(shù)計(jì)算

將以上各值分別代入公式(2)、(5)計(jì)算輥系力能參數(shù)得：

最大單輥矯直力FD=2.093×106MN

最大單輥矯直力矩TD=36 997 242.46 N·m

4.4 板頭咬入條件

預(yù)矯直機(jī)的輥徑、輥距值較大，對(duì)薄規(guī)格板材的咬入較為困難，可按滿足最薄規(guī)格板材咬入條件驗(yàn)算最大輥距Pmax；考慮到單向原始曲率的影響，可把單向原始曲率當(dāng)作壓下量的加大，此時(shí)在前三輥下的變形可看成具有自由端的梁的彎曲，由于開(kāi)卷板過(guò)大的相對(duì)原始曲率是由板頭到板尾逐步增加到最大值，故按照板頭處的相對(duì)原始曲率取C0t計(jì)算最大輥距：

所選預(yù)矯直機(jī)輥距P=400 mm，大于Pmax=300 mm，不滿足板頭咬入條件。

5 結(jié)論

開(kāi)卷板過(guò)大的單向原始曲率造成矯直力矩大幅增加，在選擇輥系參數(shù)時(shí)難以解決反彎能力與扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度間的矛盾，因此必須在精矯直前設(shè)置預(yù)矯直機(jī)，通過(guò)預(yù)矯直降低過(guò)大的原始曲率，才能達(dá)到可選擇既滿足板材反彎變形需要，又滿足精矯直機(jī)輥系要求，最終達(dá)到矯平精度要求。另外，預(yù)矯直機(jī)較大的輥距和軋件過(guò)大的原始曲率也降低了板頭的咬入條件，為此應(yīng)在預(yù)矯直機(jī)前配有直頭機(jī)、夾送輥、切頭剪對(duì)板頭進(jìn)行加工，以滿足板頭的咬入和連續(xù)平穩(wěn)的矯直要求。