斜輥矯直機輥形理論的新探索

崔甫

·專題綜述·

斜輥矯直機輥形理論的新探索

崔甫

(東北大學(xué)，遼寧沈陽110819)

本文論述了斜輥矯直過程中，采用等曲率反彎矯直的優(yōu)越性以及在改變工件直徑、反彎曲率半徑和工作斜角條件下仍可獲得等曲率反彎矯直效果的可能性。正確運用這種輥形的特殊功能，矯直技術(shù)的發(fā)將會有較大的發(fā)展。

雙曲線輥形;圓柱形輥形;等曲率

0 前言

圓材矯直所用的斜輥矯直機經(jīng)歷了百年左右的生產(chǎn)實踐和不斷改進，已經(jīng)發(fā)展成為多品種、多種結(jié)構(gòu)和規(guī)格齊全的矯直設(shè)備，同時在輥形方面也已派生出雙曲線輥形、圓柱輥形和等曲率反彎輥形等新內(nèi)容。實踐證明這些輥形在正確調(diào)節(jié)前提下都能很好地完成矯直任務(wù)，究其原因是已經(jīng)認識到的這些輥形都具備一種本質(zhì)性的等曲率壓彎功能，只不過它們之間沒有得到溝通，互不相識。但經(jīng)過采用等曲率反彎輥形后才證明它們是一種輥形的三種表現(xiàn)形式。因此，很有必要把三種輥形整合起來，都用等曲率反彎輥形的優(yōu)越性能把斜輥矯直技術(shù)提升一大步。

1 等曲率反彎輥形的形式

雙曲線輥形與圓柱輥形都是以其幾何特征來命名的，而近年出現(xiàn)的等曲率反彎輥形則是以其彈塑性反彎矯直功能來命名的。三種輥形既具有本質(zhì)上的共同性，又有外形上的明顯差別。首先就雙曲線輥形來說，其設(shè)計所用的曲率值為零，斜角值為任意值(根據(jù)經(jīng)驗確定某一斜角值)。在這種斜角狀態(tài)下算出包絡(luò)直棒的輥面半徑值就是雙曲線輥形，這個輥形對于直棒表面既可以說是等曲率壓緊，又可以說是零曲率“壓彎”。

再說圓柱輥形在圓柱輥面與圓材表面壓緊條件下，若兩者相互平行(斜角為零)，圓材必將處于直線狀態(tài);若兩者相互傾斜，圓材必將被壓成螺旋線包絡(luò)在輥面上，此螺旋線各處的斜角必將一致，各處的曲率也將一致，所以說圓柱輥形是最直觀而且是無需證明的等曲率反彎輥形。上述兩種輥形的設(shè)計都與反彎矯直所需要的反彎曲率脫離了關(guān)系，也與工作傾斜角之間失去了聯(lián)系，直到今天也很少有人明白這兩種輥形矯直圓材除了運動學(xué)上的需要之外，還會有什么矯直學(xué)的重要意義?只有在等曲率反彎輥形問世之后才逐漸理解:唯有按反彎矯直所需要的反彎半徑和矯直速度所需要的斜角來調(diào)節(jié)，并按結(jié)構(gòu)強度要求設(shè)計的等曲率反彎輥形才是真正實用的輥形。

2 等曲率反彎輥形矯直的反彎半徑和斜角

表1 將Φ30 mm圓鋼按α=20.55°壓成ρ=927 mm彎度的圓柱輥形Tab.1Cylindrical roll-shape as with ρ=927 mm straightening Φ30 mm bar under α=20.55°

本文結(jié)合實例來進一步認識等曲率反彎輥形的實質(zhì)內(nèi)容。先采用D=200 mm，α=20.55°的矯直輥對直徑d=30～60 mm，σs=1 000 MPa，E=206 GPa的圓鋼，按ρ=927 mm反彎半徑進行反彎矯直。利用文獻［1］中公式(4－10)～(4－17)算出輥形半徑R見表1。取整后的輥徑D =2R=200 mm。

這個輥徑由輥腰到輥端完全一致，表明輥形為圓柱形。矯直時的工作導(dǎo)程t=π×d×tanα= π×60×tan20.55°=71 mm，輥子工作長度lg= 75×2=150 mm?？梢妉g＞2t=142 mm，可以獲得可靠的矯直質(zhì)量或均一的彎度。當斜角改變時，反彎半徑ρ也必將隨之改變，即矯直能力也隨之改變，但其等曲率特性不變，因為圓柱表面上任河一條螺旋線的等曲率特性在全長度上都是一致的。

再按α=15°設(shè)計雙曲線輥形，輥腰直徑不變，圓鋼的材質(zhì)及直徑都不變，算出的雙曲線輥形見表2。

表2 按α=20.55°對Φ30 mm直棒進行壓緊的雙曲線輥形Tab.2Hyperbolic roll-shape as straightening Φ30 mm bar under α=20.55°

這個輥形只能壓緊直棒，要想將直棒壓成精確的彎度，達到反彎半徑ρ=927 mm時，必須增大斜角使其達到α=25.16°。于是，按α= 25.16°及ρ=927 mm設(shè)計的曲率反彎輥形，結(jié)果與表2中的輥形完全一致，這就證明了雙曲線輥形也是等曲率反彎輥形。

上面兩個特殊等曲率反彎輥形都有其特色的缺點，就是都無法根據(jù)反彎需要確定應(yīng)調(diào)的工作斜角，也無法根據(jù)斜角確定反彎半徑，所以它們都必將被等曲率反彎輥形所取代。

根據(jù)等曲率反彎輥形中反彎半徑與斜角關(guān)系可知，它們都是輥形計算所需的重要參數(shù)，而且互相關(guān)聯(lián)，不是一種簡單數(shù)理關(guān)系，所以需要結(jié)合數(shù)理來理解它們之間的關(guān)系并找出它們之間的變化規(guī)律。

3 等曲率反彎輥形的矯直實例

圖1為2－2(8)輥系的斜輥矯直機，其中8個矯直輥共形成兩種反彎過程。當圓材經(jīng)過入口導(dǎo)向套A后由第Ⅰ對輥縫咬入經(jīng)第Ⅱ?qū)伩p被壓成ρ1的彎度，又經(jīng)第Ⅲ對輥縫被壓成ρ2彎度，最后由第Ⅳ對輥縫經(jīng)過出口導(dǎo)向套B送出矯直機。圖中兩種反彎半徑ρ1及ρ2都是在特定的輥子斜角α條件下形成的。第三種反彎半徑ρ∞也是在α條件下確定的。入口導(dǎo)套可以防止因原始彎曲嚴重所造成的甩擺，出口導(dǎo)套可以清除矯直后的殘余彎曲。再具體的結(jié)合對棒材Φ30 mm的矯直過程來討論。第一次反彎需要ρ1=927 mm，第二次反彎需要ρ2=1 850 mm，其工作斜角定為α=30°，各壓緊輥的反彎半徑ρ∞可以用ρ∞= 1 000 000 mm代替。按本文的輥徑及輥長可算出圖1中三種輥形半徑見表3。

由于這種輥系尚需要矯直Φ30 mm以上到Φ60 mm棒材，故需進一步觀察棒材直徑變化時反彎半徑隨之變化的情況，以及輥子斜角隨之變化的情況。ρ1及ρ2變化正比于直徑，變化很容易算出，見表4，ρ∞值不變。輥子斜角變化見表5。

圖12 －2(8)輥系Fig.1Straightening roller system of 2－2(8)

表3 矯直Φ30 mm圓鋼按α=30°算出的輥形Tab.3Reversed-bending radius as straightening Φ30 mm bar under α=30°

表4 各種直徑圓材在矯直時應(yīng)達到的反彎半徑Tab.4Reversed-bending radius which should be as straightening different diameters bar

表5 四種直徑圓材通過三種輥形矯直時的輥子斜角Tab.5Bevel angle of roller as straightening bar four kinds of diameter by three types roll forming

由于斜角值是按已定的輥形(表3)并采用迭代法求知的，既麻煩又費時，故擬用表5中四種棒材及其對應(yīng)的斜角做出曲線如圖2所示。由斜角曲線可得到調(diào)角規(guī)律，同時也可知調(diào)角范圍最大為30+－21.6(°)，最小為30+－00..31(°)，只要不影響工作穩(wěn)定性，調(diào)角是允許的。當調(diào)角范圍很小時，如不超過1°時，不調(diào)角也可以正常矯直。為了擴大矯直范圍，可用此輥系矯直Φ15～Φ30 mm的圓材，此時輥子斜角須按圖2中虛線規(guī)律來調(diào)節(jié)，但是實際上還可用加大滾壓力的辦法使圓材表面的外彎側(cè)增大拉伸變形，使彎曲中性層內(nèi)移達到等效增加彎度，完全可以達到矯直細棒的目的。在理論上也完全符合米塞斯屈服準則的要求。再進一步探討用這種輥系矯直Φ60 mm以上的圓材時，首先需要驗算機械的結(jié)構(gòu)強度，在強度允許條件下，還要驗算輥面工作長度不能小于一個導(dǎo)程。這些條件都允許之后可用加大輥縫的辦法矯直粗棒。斜角也須按照曲線規(guī)律適當微調(diào)。等曲率反彎輥形不僅可用來完成雙曲線輥形和圓柱輥形所能完成的矯直任務(wù)，而且還能完成他們無法完成的矯直任務(wù)，可以做到高效和精確。三段等曲率反彎的二輥式矯直機就是這一實例的證明。將原始彎曲很復(fù)雜的棒材送入輥縫之后，一次通過便可以完成三步反彎矯直任務(wù)，可以在很多生產(chǎn)部門取代多斜輥矯直機。

圖22 －2(8)輥系矯直Φ30～60 mm棒時斜角值Fig.2Bevel angle of roller system for straightening Φ30～Φ60 mm bar

4 結(jié)束語

從三種輥形的整合對比中看到了等曲率反彎輥形不僅涵蓋了前兩種輥形，而且具有準確反彎矯直功能和明確的與反彎半徑對應(yīng)的輥子斜角。把輥形半徑、反彎半徑與輥子斜角聯(lián)系在一起，并建立起這些參數(shù)間的數(shù)理關(guān)系使輥形設(shè)計走上簡捷、嚴密、正確的道路。使矯直質(zhì)量得到了可靠保證，使工藝調(diào)整簡單準確。在輥形理論的發(fā)展上取得一次很大進步。

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

［2］崔甫．矯直技術(shù)與理論的新探索(2版)［M］．北京:冶金工業(yè)出版，2014．

［3］崔甫，楊會林．關(guān)于矯直技術(shù)領(lǐng)域中一些認識新區(qū)的討論［M］．重型機械，2015(01)．

［4］崔甫．矯直理論與參數(shù)計算(一)［J］．重型機械，1985(07)．

［5］崔甫．矯直理論與參數(shù)計算(二)［J］．重型機械，1985(08)．

［6］崔甫．矯直理論與參數(shù)計算(十三)［J］．重型機械，1986(07)．

［7］崔甫．矯直理論與參數(shù)計算(三)［J］．重型機械，1985(09)．

［8］崔甫．矯直理論與參數(shù)計算(四)［J］．重型機械，1985(10)．

［9］崔甫．矯直理論與參數(shù)計算(五)［J］．重型機械，1985(11)．

［10］崔甫．矯直理論與參數(shù)計算(六)［J］．重型機械，1985(12)．

［11］崔甫，施東成．矯直機壓彎量計算法的探討［J］．冶金設(shè)備，1999(01)．

［12］崔甫．對矯直技術(shù)領(lǐng)域中一些認識誤區(qū)的討論［J］．重型機械，2013(02)．

［13］崔甫，莊振海．二輥式矯直機的圓弧輥型［J］．冶金設(shè)備，1985(03)．

［14］崔甫．關(guān)于彈塑性彎曲的極值問題［J］．重型機械，1991(06)．

［15］劉樹桐，崔甫，鄭麗君．二輥矯直機采用雙向圓弧輥型的設(shè)計實例［J］．有色設(shè)備，1987(02)．

殞專利介紹

一種坯料長度檢測系統(tǒng)(CN 105710139 A)

本發(fā)明的目的在于提供一種坯料長度檢測系統(tǒng)及檢測方法，該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、功能完善、可靠性高的特點，該方法的投入可以實現(xiàn)停機上料型冷軋。

一種坯料長度檢測系統(tǒng)，包括在軋管機上料床身的上料電機上安裝的用于記錄推料桿位置的編碼器，安裝在上料床身的末端也就是推料桿的待推料位置的作為編碼器的零位標記位檢測的上料零位檢測開關(guān)，安裝在上料零位檢測開關(guān)之后的用于上料零位檢測開關(guān)失靈后的極限位報警的上料后極限檢測開關(guān)，安裝在推料桿頂端即頂料側(cè)的隨推料桿一起移動的用于檢測頂料桿是否頂住坯料的推料桿頂端檢測開關(guān)，安裝在上料床身前端的作為坯料長度一個點檢測的坯料測長檢測開關(guān)，安裝在上料床身的前端極限位即推料桿將坯料推入送料小車頂門前位置的用于停止上料電機輸送坯料的上料停止檢測開關(guān)。

本發(fā)明通過編碼器和檢測開關(guān)檢測出坯料的長度，利用料架上和上料床身內(nèi)已有料檢測開關(guān)實現(xiàn)上料動作的全自動;不僅可以降低由于人工操作失誤帶來的生產(chǎn)事故，同時由于簡化了上料過程也提高了生產(chǎn)效率。

New exploration of rolling theory in cross roll straightening machine

CUI Fu
(Northeaster University，Shenyang 110819，China)

In this paper，acomprehensive answer to the superiority of anti-bend straightening curvature in cross roll straightening and the possibility of obtaining anti-bend straightening curvature effect under the condition of changes in the diameter of the workpiece，the anti-bending radius and angles are given．The proper use of this special feature will create more favorable conditions of straightening technology for future development and bring a revolutionary change．

dual-curve roll shape;cylindrical roll shape;equal curvature

TG333

A

1001－196X(2017)01－0002－05

2016－05－22;

2016－08－22

崔甫(1928－)，男，東北大學(xué)教授，主要研究矯直理論。