對矯直技術領域中一些認識誤區的討論

崔 甫

(東北大學，遼寧 沈陽 110004)

0 前言

近年來，條材矯直技術與理論有了新的發展［1-3］，用定量分析取代了定性討論，為實現矯直過程的數值調節與數值控制提供了科學依據;并以創新思維提出一系列的新理念和新方法，厘正了傳統矯直技術的認識誤區，擴大了矯直技術發展空間。在實踐中已經取得一些新成果。但是推行新技術的阻力仍然不小，其原因主要來自人們對矯直技術的認識誤區。所以有必要把常見的認識誤區拿出來作些討論分析。常見的誤區主要在兩個方面即金屬變形規律方面與矯直設備方面，主要有以下11個部分。

1 對三步矯直程序的認識誤區

過去對矯直反彎程序比較概括的認識是遞減反彎程序，對于遞減量如何制定，大致分為薄板材矯直壓彎量的線性遞減和型材矯直壓彎量由第三輥開始的線性遞減。致于開始用的壓彎量和遞減次數以及最后的壓彎量都沒有給出具體的量值。其實根據矯直反彎曲率變化曲線可以找到反彎規律，即三步矯直反彎規律:“先統一、后矯直、再補充”的規律。其中第一步是把各種方向及各種程度的原始彎曲通過1～2次大反彎(不損壞斷面形狀的大反彎)達到基本統一的彎曲程度;第二步是根據已經統一的彎曲程度，算出矯直所需的反彎量進行反彎矯直;第三步是考慮材質不勻，尺寸公差不同，金屬強化特性大小所必然造成的矯直精度偏差而進行的補充矯直。不僅這三步程序不可或缺，每步程序的壓彎量都需要科學制定。過去在這個誤區中摸索卻又找不準規律時就要用增加輥數來補救矯直質量，輥數過多又造成浪費。走出這個誤區之后用六個輥子可以完成一維矯直，用九個輥子可以完成三維矯直任務(垂向矯直，水平向矯直及扭曲矯直)。

2 對正交相位矯直法的認識誤區

條材的原始彎曲很少表現于單一相位上而且是無規則的復雜彎曲。但不管復雜到什么程度，一般都可以將其彎曲分解到兩個正交相位上，即沿條材軸線互相垂直的兩個相位面上。若能把這兩個正交相位上的彎曲都同時加以矯直便可以達到全方位的矯直。再也不會有其它方位的彎曲存在。不過在斜輥矯直機上常常會把輥縫內旋轉一周以上的反彎矯直誤認為已經得到全方位的矯直。其實考察斜輥矯直的正交相位必須考察兩個相鄰壓彎輥的中間距是否等于四分之一導程的奇數倍，否則便不能保證兩個矯直相位面的正交關系，便不能保證矯直質量的合格。人們在這個誤區中不僅浪費過很多精力和時間，也曾經用增加輥數方法來補救矯直質量，結果更增加了經濟上的浪費。

3 對縮小空矯區的認識誤區

條材經輥式矯直機矯直后，其兩端總有半個輥距的長度得不到矯直，將其稱為空矯區。過去一直認為這個空矯區是結構條件限定的無法改變的空矯長度。自從文獻［2］提出等曲率反彎輥縫矯直技術和雙交錯輥系矯直技術以后，在二斜輥矯直機上可以完全消除空矯區，在雙交錯輥系的平行輥矯直機上可以使空矯區縮短50%，兩者都可以達到全長矯直目的。

4 對矯直速度的認識誤區

一般認為矯直輥的輥面速度或孔型中心線的速度可以代表矯直速度。其實不然，在文獻［2-3］中都說明了兩個速度不同的原因并給出速度差計算方法。當然兩者的差值并不大，而由此差值造成的危害卻是十分巨大的。當矯直機入口矯直速度大于出口矯直速度0.1%時，按50 m/min矯直速度計算，十分鐘后所積累速度差為0.5 m，假設條材與輥面不產生打滑現象，矯后條材必須縮短0.5 m。這對于大斷面型材來說需要很大的軸向力，它產生在入口輥與出口輥之間，并構成入口輥軸的大轉矩與出口輥軸的負轉矩之差，當這個大轉矩達到輥軸的極限轉矩時，輥軸會突然斷裂，或齒輪斷齒才能得到釋放。從這里卻找到了誤區的擺脫方法，就是用單輥驅動代替集中驅動，而且要認識到一般的型材、圓材及中厚板材矯直的機械驅動從根本上說都不宜采用集中驅動。

5 對條材變形速度的認識誤區

條材從壓彎輥面走過時常認為其變形量與壓彎量同步增減，其內部變形與外觀變形同步增減。其實金屬的內部變形常滯后于外觀變形，而且內部的塑性變形又常被瞬時放大的彈性變形所替代。變形越快，彈性變形成份越多，而塑性變形越不足，這里的時間差的大小就反映出塑性變形響應速度的不同，而且越在高速條件下表現越明顯，所以一般速度下很少被發現，很容易陷入誤區。在現代的矯直生產中必須認清這個誤區，在提高矯直速度時，一定要相應的加大壓彎量或加長彎曲區的長度。文獻［2-3］所提出的等曲反彎矯直和雙交錯輥系矯直都以等曲率反彎區的加大來適應高速度矯直的需要，完全走出了這個誤區。

6 對矯直后彈性芯的認識誤區

對矯直過程中所用的反彎量大小曾經有一種提倡小變形反彎的意見，認為用最小反彎量達到矯直目的是最節能的矯直方法。這種說法沒有錯，但是不全面。全面達到矯直目要包括矯直質量合格而且矯直質量穩定。矯直后留下的彈性芯較大，雖然內應力處于平衡狀態，但是很容易受外界影響而失去平衡，又重新時效變彎。所以質量穩定性這個新概念需要提到議程上，對矯直技術增加一項新要求。根據文獻［3］可知當矯直后的彈性芯小到一定程度時，既不能使條材斷面發生畸變又能使時效后的彈復量不超過不直度的允許范圍。即矯直后的彈復隱患變成為無害隱患，這種矯直質量可稱之為穩定性矯直質量。我們應該走出誤區追求穩定性矯直質量。

7 對矯直過程中彈性變形耗能的認識誤區

矯直過程中金屬彈性變形是可以恢復原狀的變形。在變形時需要外力作功，在恢復時要對外作功。在輥式矯直中條材被輥子壓彎，當條材處于純彈性壓彎時接觸點在輥子正下面，接觸點兩側的彎曲弧大小相等，兩側彎曲弧的各自反彎力必然大小相等，其合力作用點與接觸點的距離也必將相等。當條材處于彈塑性壓彎時，兩者的接觸點必將偏于咬入側并形成咬入弧及咬入角，矯直輥轉矩與此咬入角相乘就是塑性彎曲變形功(見文獻［2］)。有的文獻說彈性變形耗能不可能完全收回，其實在矯直輥與條材接觸點兩側的彈性彎曲弧會自動的進行能量交換并不需要人力加以收回。而產生難以收回的錯覺主要是由彈性彎曲力在軸承中和在輥面滾動中產生的摩擦損失所造成。走出這個誤區對精確設計矯直機是很必要的。

8 對斜輥輥形設計的認識誤區

斜輥矯直機的輥形歷來是按著輥面對直線圓材的包絡關系而選定為雙曲線形，而實際生產中圓材又總是以彎曲狀態與輥面接觸。這就要求多斜輥矯直機的輥子工作斜角要大于其設計斜角。而在二輥矯直機上為了構成反彎輥縫必須要求凸輥的工作斜角大于其設計斜角，凹輥的工作斜角要小于其設計斜角，同時又要求兩者的工作斜角相等。所以兩者設計斜角的確定只能用試湊法來確定。而工作斜角相等又要考慮到圓材直徑變化因素。即使這些因素都考慮到也仍然不能保證反彎區曲率的一致性。因為雙曲線輥形只能保證與直線接觸時的曲率一致性，其它接觸狀態下的曲率都不能獲得等曲率條件。而從高質量全方位全長度的矯直要求出發必須提供等曲率反彎輥形和分段的等曲率反彎輥形，文獻［2］的工作正好滿足了這種要求，完全走出了這個誤區。

9 對平行輥孔型結構的認識誤區

自從三聯矯直能力(徑向反彎，軸向反彎及扭曲矯直)提出之后認識到孔型結構與矯直能力的關系很重要。比如方鋼臥橋時很難達到軸向矯直目的，而立矯時便可以完成三聯矯直任務，其中根本差別在于孔型的壓力平面不同，前者為正壓平面，后者為斜壓平面。斜壓平面有兩個自由度，即徑向與軸向可以同時壓彎。又如扁鋼矯直曾經采用過平立輥復合輥系，結果是空矯區很長，機械結構復雜，調整困難，耗能較多。后來采用傾斜孔型矯直，完全克服了上述缺點。所以從現在起就要把斜壓孔型矯直法與直壓孔型矯直法加以區分。前者是具有三聯橋能力的孔型，它適用于方鋼、菱型鋼、扁鋼、六角鋼、三角鋼及Z型鋼等矯直。后者適用于一維彎曲矯直，當需要完成二維彎曲矯直時需要采用正交輥系(平立輥系)矯直機。如工字鋼、槽鋼、T字鋼及鋼軌等矯直。過去把所有型鋼都放在一般型鋼矯直機上矯直。結果就出現質量不高、孔型側面磨傷、工件側面啃蝕等缺陷，原因就是沒有走出這種孔型誤區。

對孔型結構認識的誤區還包括對現在剛性孔型缺點的認識不足，凡是工件斷面具有階梯形高度差時矯直輥孔型內的階梯高度差不可能同工件的高度差完全一致，在工作時必將不能完全均勻接觸，結果便會造成矯直力分布不均，不僅影響矯直質量，而且還會形成局部過大的殘余應力，留下嚴重后患。所以應該研制彈性孔型來走出這個誤區。

10 對二輥矯直機輥縫導板的認識誤區

二輥矯直機的輥縫導板是保持平穩工作的重要裝置，在輥子斜角較小時輥縫的彎度不大，輥端相互重疊量也較小，輥縫兩側給導板留下的空間尚可允許裝入較為平直的導板。但是由于斜角很小(小于15°)使矯直速度無法提高，使二輥矯直機限于低速運行。其實走出這個誤區并不難，只要將導板一分為二并采取傾斜安裝方式便可提高矯直速度。但是增大輥子斜角之后要求輥形仍然具有良好矯直能力則必須采用大斜角等曲率反彎輥形，文獻［2］所提供的輥形設計法及文獻

［3］所提供傾斜導板設計法正好可以幫助我們走出這個誤區。

11 對擴大矯直范圍的認識誤區

在多規格小批量的矯直生產中很希望有一種一機多用的矯直設備，這種設備就是變輥距矯直機。它在結構上比較復雜，在調整時費時費力，在工作中機架剛性較低。文獻［3］改變輥系配置，取得了擴大矯直范圍的效果，而且機架剛度很好，調整簡便易行。這種用變輥系方法代替傳統的變輥距方法，也是走出誤區的一個創新性方法。變輥系方法的基本內容可從圖1得到解答。輥系中共有14個矯直輥，采用其中前9個矯直輥組成輥系(圖1a)用于矯直中小型材。其中第10到14可在換輥時換成小直徑的導向輥并關掉電機可以隨動，并不消耗電力。采用第1、2、4、5、7、8、10、11、13及14輥組成輥系(圖1b)，可矯直彎矩增大一倍的型材，即 M2=2M1。采用第1、4、7、10、13及14輥組成輥系(圖1c)可矯直彎矩增大二倍的型材，即M3=3M1。凡是沒有編入輥系的各輥都換成導向輥，只能隨動皆不消耗動力。輥系(圖1a)的矯直范圍(0.25～1)M1，而變輥系后的矯直范圍可擴大到(0.25～3)M1，即由4倍擴大到12倍。可見這種變輥系方法的擴大矯直范圍比變輥距的范圍還要大一些。并且簡單易行，剛性不減。所以局限變輥距而不采用變輥系就等于走不出誤區，新技術就無用武之地。

圖1 變輥系結構Fig.1 Method of roll system change

12 結束語

矯直技術認識誤區及其影響是構成現有矯直機落后產能的技術根源，只有采用新技術來改造舊設備或設計新設備才能真正走出誤區，使中國的矯直生產走上科學化和現代化的道路，才可能走向世界的前列。

［1］崔甫.矯直理論與參數計算(2版)［M］.北京:機械工業出版社，1994.

［2］崔甫.矯直原理與矯直機構(2版)［M］.北京:冶金工業出版社，2005.

［3］崔甫.矯直技術與理論的新探索［M］.北京:冶金工業出版社，2010.