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)和國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和技術(shù)進(jìn)步，對鋼材產(chǎn)品質(zhì)量的要求越來越高。對于管材和圓棒料(以下簡稱圓材)的矯直，就是使圓材在螺旋前進(jìn)過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)是圓材后部精整過程中的重要設(shè)備，其主要功能是對其進(jìn)行矯直。圓材在矯直過程中，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。相對一定的矯直條件和矯直精度要求，存在著最少彎曲次數(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于二輥矯直機(jī)而言是無法達(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達(dá)到矯直反彎的目的，因此在輥形設(shè)計(jì)過程中，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)的矯直效果是全長范圍的矯直，因此對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，矯直效果越好。一般情況下，在確定矯直輥長度時(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，因此我們在輥形設(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)其曲線為簡單的雙曲線輥形，雙曲線輥形對于二輥矯直機(jī)而言，它只有滾光的作用，沒有矯直的作用。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，通過改變兩個(gè)矯直輥與圓材接觸長度的，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)際曲線的差異過大，無法做到圓材與矯直輥的良好接觸，從而導(dǎo)致矯直過程中的圓材失穩(wěn)，對導(dǎo)板造成嚴(yán)重的磨損。

因此，要在一臺二輥矯直機(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)問題。如果解決了這一問題，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，但是雙曲線輥形對于圓材的反彎曲率變化梯度過大，會造成矯直過程的失穩(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，以解決曲率變化過大的問題。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。而對于二輥滾光機(jī)的輥形，輥?zhàn)优c圓材全長接觸的長度越長，滾光效果越好，叫做全接觸輥形。怎樣在輥形設(shè)計(jì)過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)、過渡區(qū)和滾光區(qū)組成。

由于圓材矯直的等曲率接觸線長度是有凸輥決定的，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。

對于二輥滾光機(jī)，滾光就是對圓材施加足夠的壓緊力，壓緊力應(yīng)使圓材超過屈服強(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)輥形具有平滑的過度及等曲率，在矯直區(qū)及滾光區(qū)之間設(shè)計(jì)成為過渡區(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，為保證圓滑過渡在雙曲線與圓弧曲線之間，采用一條平滑的過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，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，中國重型機(jī)械研究院有限公司管棒型材裝備研究所高級工程師，從事棒材精整設(shè)備及技術(shù)研發(fā)。