薄板矯直機(jī)性能特性分析

趙 崠 吳慶君

(1.太原重工股份有限公司矯直機(jī)研究所，山西030024；2．淮南市石油化工機(jī)械設(shè)備公司技術(shù)部，安徽232033)

設(shè) 計(jì)

薄板矯直機(jī)性能特性分析

趙 崠1吳慶君2

(1.太原重工股份有限公司矯直機(jī)研究所，山西030024；2．淮南市石油化工機(jī)械設(shè)備公司技術(shù)部，安徽232033)

結(jié)合矯直原理分析了薄板的矯直特點(diǎn)，介紹了薄板矯直機(jī)輥系參數(shù)、矯直方案、矯直精度與力能參數(shù)的選擇與計(jì)算。

矯直機(jī)；矯直方案；矯直精度；力能參數(shù)

對(duì)于輥式矯直機(jī)來說，高精度薄板的矯直是比較困難的。因?yàn)榘宀脑奖。?qiáng)度越高，矯直精度越高，所需的矯直輥數(shù)量越多，輥徑越小。由于矯直輥數(shù)量的增多，輥徑、輥距的減小，在設(shè)計(jì)各輥單獨(dú)調(diào)整的壓下裝置時(shí)受到機(jī)械強(qiáng)度和空間尺寸的限制，從而形成了上排矯直輥整體傾斜的調(diào)整方式，并由此自然形成了輥縫值線性遞減壓彎矯直方案。在矯直機(jī)的設(shè)計(jì)與使用中，重要設(shè)計(jì)參數(shù)與工藝參數(shù)的輥縫值、矯直精度與矯直力能等都應(yīng)與該矯直方案相適應(yīng)才具有實(shí)際指導(dǎo)意義。

1 薄板矯直機(jī)輥系參數(shù)特點(diǎn)

矯直機(jī)輥徑和輥距值之間有著密切的聯(lián)系，保持一個(gè)比較固定的比例。在保證矯直質(zhì)量和輥?zhàn)訌?qiáng)度條件下應(yīng)選擇小一些的輥距值。

以下以一臺(tái)矯直板材厚度為0.4 mm～0.8 mm的高精度薄板矯直機(jī)為例進(jìn)行介紹。

1.1 矯直板材性能與規(guī)格要求

矯直板材料：合金鋼板材

板材寬度b/mm：800～1500

板材厚度h/mm：0.4～0.8

板材屈服強(qiáng)度/MPa：250～400

矯直速度v/m·s-1： 0～1

1.2 矯平精度要求

矯平精度/mm·m-1: ≤2

1.3 矯直輥規(guī)格計(jì)算

(1)按滿足最薄規(guī)格板hmin=0.4 mm的矯直質(zhì)量計(jì)算最大輥距值tmax為：

式中，E為 鋼質(zhì)彈性模量，E= 2.1×105N/mm2；C2為第2輥下軋件的相對(duì)反彎曲率3～5，取C2=4；σs為板材屈服強(qiáng)度，取σs=400 MPa。

(2)按滿足最厚規(guī)格板材hmax=0.8 mm的矯直輥扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度計(jì)算最小輥距值tmin為：

式中，μ為矯直輥與軋件之間的摩擦系數(shù)，取μ=0.2；c為矯直輥輥頸d與輥徑D的比值，取c=0.6；[τ]為矯直輥材料60CrMoV許用剪切應(yīng)力，取[τ]=180 MPa；ψ為矯直輥徑D與輥距t的比值，取ψ=0.94。

(3)由于薄板的矯直力較小，對(duì)于厚度小于1 mm的薄板無需按接觸強(qiáng)度進(jìn)行最小輥距的計(jì)算，也無需進(jìn)行矯直輥彎曲強(qiáng)度的驗(yàn)算。

結(jié)合以上計(jì)算結(jié)果，按實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)并參照J(rèn)B/T 1465.1—1999標(biāo)準(zhǔn)《輥式板材矯正機(jī)基本參數(shù)》選取矯直輥規(guī)格：輥徑D=30 mm，輥距t=32 mm。

薄板矯直機(jī)所選矯直輥距應(yīng)接近于滿足薄規(guī)格板材矯直質(zhì)量的最大輥距值，一方面造成高強(qiáng)度薄板矯直比較困難，另一方面加大的矯直輥壓下量也會(huì)降低板材的咬入條件，故在矯直輥系的入口側(cè)需要增設(shè)夾送輥裝置，以改善板材的咬入條件。

2 薄板矯直方案的選擇

矯直輥數(shù)量的增多，輥徑與輥距的減小，在設(shè)計(jì)各輥單獨(dú)調(diào)整的壓下裝置時(shí)受到機(jī)械強(qiáng)度和空間尺寸的限制而難以進(jìn)行，所以薄板矯直機(jī)多采用下排矯直輥固定，整排上矯直輥傾斜調(diào)整，在上、下排矯直輥間形成夾角為α的傾斜量，并由此形成輥縫值線性遞減的壓彎矯直方案，如圖1所示。

圖1 輥縫值線性遞減壓彎矯直方案Figure 1 Bending straightening scheme with roll gap value linear decreasing

軋件在各輥下的壓彎量逐漸減小是輥縫值線性遞減壓彎矯直方案的一個(gè)重要特點(diǎn)。當(dāng)此方案采用小變形原則進(jìn)行矯直時(shí)，雖然可以精確計(jì)算壓彎量數(shù)值，但由于矯直輥徑小，剛度低，不但很難調(diào)準(zhǔn)壓彎量，而且還不利于側(cè)彎與扭曲彎的矯直，因此需按大變形原則進(jìn)行矯直，即縮小殘留曲率差值，盡量加大前3輥的壓彎量，使軋件各部分的相對(duì)反彎曲率在前3輥均達(dá)到3～5，使殘余曲率的不均勻性迅速縮小，有助于波浪彎的矯直，以后各輥對(duì)軋件的反彎曲率逐漸減小，近似于線性變化；軋件在第n-1輥處的變形量最小，基本屬于彈性變形而趨于平直，達(dá)到在消除原始曲率不均勻性的同時(shí)將軋件矯直。

因矯直機(jī)的下排矯直輥固定，上排矯直輥整體可調(diào)，采用輥縫值線性遞減壓彎矯直方案只需調(diào)整好位于上排的入口端第2輥與出口端第n-1輥的壓彎量，就可以完成全部矯直輥縫值的設(shè)定，具有輥縫調(diào)整方便快捷的優(yōu)點(diǎn)。其反彎原則為：在前3輥處使軋件各部分的相對(duì)反彎曲率均達(dá)到3～5，在第n-1輥處僅發(fā)生彈性變形。

3 薄板矯直機(jī)輥縫值的設(shè)定

通過正確計(jì)算壓彎量來設(shè)定輥縫值是制定矯直工藝的重要依據(jù)，決定著矯直質(zhì)量的高低，壓彎量的計(jì)算必需與選定的矯直方案相適應(yīng)。

以矯直最薄規(guī)格板材為例進(jìn)行說明，取板材最大相對(duì)原始曲率C0=3。

3.1 第n-1輥處的壓彎量

第n-1輥處僅發(fā)生彈性變形所需的壓彎量δ(n-1)為：

厚度為0.4 mm板材的彈性極限撓度δt0.4為：

輥系內(nèi)零彎矩點(diǎn)到壓力作用點(diǎn)間的距離l為：

l=0.25t=8 mm

3.2 第2輥處壓彎量

第2輥處殘留曲率比CC2為：

第2輥處壓彎量數(shù)值δ2為：

至此得出上排的入口端第2輥與出口端第n-1輥的壓彎量，按以上計(jì)算結(jié)果可進(jìn)行上排矯直輥壓下量的調(diào)整，完成輥縫值設(shè)定。

4 薄板矯直精度與矯直輥數(shù)

在輥數(shù)的計(jì)算時(shí)，可將第3輥后的殘余曲率CC3作為第4輥的原始曲率C04，從第4輥開始先按小變形矯直方案計(jì)算得出輥數(shù)，再加上前3輥和不起矯直作用的最后1輥?zhàn)鳛槌C直機(jī)的輥數(shù)，再按此輥數(shù)驗(yàn)算矯直精度。

4.1 按最薄規(guī)格板材計(jì)算矯直輥數(shù)n

4.1.1 第n-1輥處的相對(duì)殘留曲率CC(n-1)

首先根據(jù)板材矯平精度≤2 mm/m的要求，認(rèn)為第n-1輥處的相對(duì)殘留曲率CC(n-1)是由第n-1輥經(jīng)反彎彈復(fù)后的殘留曲率產(chǎn)生的。此時(shí)1 m長(zhǎng)的軋件的撓度值δ為2 mm，按弦高公式計(jì)算此矯直精度對(duì)應(yīng)的殘留曲率ρC(n-1)為：

ρC(n-1)=1.6×10-5mm-1

第n-1輥處的相對(duì)殘留曲率CC(n-1)為：

厚度0.4 mm板材的最小彈復(fù)曲率1/ρw為：

4.1.2 第n-2輥處的最大相對(duì)殘留曲率CC(n-2)

第n-2輥處的殘留曲率CC(n-2)將作為第n-1輥的原始曲率C0(n-1)進(jìn)行小變形矯直。在小變形矯直中，第n-1輥處的相對(duì)反彎曲率是以CC(n-2)被矯直為原則設(shè)定的，而原先平直的部分經(jīng)反彎彈復(fù)后成為上述第n-1輥處的最大殘留曲率即CC(n-1)。

可通過小變形殘留曲率方程(12)和矯直曲率方程(13)，選代表性數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算并作出CC-C0曲線圖，如圖2所示。

圖2 小變形CC-C0曲線圖Figure 2 Small deformation CC-C0 curve

根據(jù)CC(n-1)=0.001 68，由圖2得出C0(n-1)=0.014，即CC(n-2)=0.014。

4.1.3 第4輥相對(duì)殘留曲率

第4輥到第n-1輥各輥間相對(duì)殘留曲率的遞減率△CC為：

按小變形矯直方案計(jì)算第4輥的相對(duì)殘留曲率CC4。當(dāng)軋件原始曲率具有雙向彎曲時(shí)，第2輥只起到使軋件變成同向彎曲的作用，第3輥后得到均一的殘余曲率，第3輥后的殘余曲率CC3作為第4輥的原始曲率C04=CC3=2.11(見表1中CC3計(jì)算值)，由圖2得出在小變形矯直方案下的CC4=0.2。

4.1.4 矯直機(jī)所需要的輥數(shù)

矯直機(jī)所需要的輥數(shù)n為：

因矯直輥為上下排交錯(cuò)排列的單數(shù)輥，另考慮到板材最大相對(duì)原始曲率C0可大于3，為提高矯直精度，取矯直輥數(shù)n=23。

4.2 按大變形方案矯直最薄規(guī)格板材驗(yàn)算矯直精度

按以上矯直輥數(shù)、相對(duì)原始曲率、壓彎撓度比，驗(yàn)算矯直0.4 mm厚度板材在各矯直輥下的曲率變化見表1。

表1中各相對(duì)曲率數(shù)值的正負(fù)號(hào)代表曲率的方向。

表1 矯直0.4 mm厚度板材在各矯直輥下的曲率變化Table 1 Curvature variation of plate with thickness 0.4 mm under different straightening rolls

圖3 矩形材曲線圖

由表1可以看出，經(jīng)矯直后第22輥相對(duì)殘余曲率CC22為0，滿足矯直精度要求。由于第7輥的CC7>1，表明第2輥到第7輥的矯直階段屬于大壓彎矯直階段，第7輥以后的矯直階段屬于小壓彎矯直階段。

5 矯直力能參數(shù)

矯直機(jī)的力能參數(shù)包括矯直力、矯直力矩及傳動(dòng)功率。力能參數(shù)的準(zhǔn)確確定對(duì)設(shè)計(jì)新矯直機(jī)和強(qiáng)化現(xiàn)有矯直機(jī)的工藝過程都具有重要意義，力能參數(shù)的計(jì)算必須符合相應(yīng)矯直機(jī)的結(jié)構(gòu)型式和矯直方案。

按最厚規(guī)格板材hmax=0.8 mm計(jì)算力能參數(shù)。

5.1 各輥矯直力絕對(duì)值之和

各輥矯直力絕對(duì)值之和∑F為：

厚度0.8 mm板材的彈性彎矩Mt0.8為：

Mi為各輥對(duì)板材的相對(duì)彎曲力矩，即各輥彎曲力矩M與軋件彈性彎矩極限值Mw的比值，其在數(shù)值上等于相對(duì)彈復(fù)曲率Cf，見表1所示。

5.2 矯直輥總傳動(dòng)力矩

在矯直力作用下，矯直輥總傳動(dòng)力矩T包括輥面與軋件間的摩擦阻力矩、滾動(dòng)軸承的摩擦力矩與軋件塑性變形阻力矩。矯直輥總傳動(dòng)力矩為：

式中，d為矯直輥頸直徑，d=18 mm；f為軋件與輥面的滾動(dòng)摩擦系數(shù)，0.2 mm～0.4 mm，取f=0.4 mm;μ為軸承摩擦系數(shù)，0.005～0.01， 取μ=0.005;ut為厚度0.8 mm板材的彈性極限變形能，

C∑P為各輥相對(duì)總反彎曲率C=C0+Cw的平均值，根據(jù)表1數(shù)值計(jì)算得出C∑P=3.08。

5.3 最大單輥矯直力

按第3輥計(jì)算最大單輥矯直力F3為：

M3為第3輥對(duì)板材的相對(duì)彎曲力矩，其在數(shù)值上等于相對(duì)彈復(fù)曲率Cf3(Cf3見表1所示)。

5.4 傳動(dòng)力矩

計(jì)算第3輥的傳動(dòng)力矩MC3為：

矯直輥軸頭扭轉(zhuǎn)應(yīng)力τ的校核：

式中，K2為軸頭鍵槽應(yīng)力集中系數(shù)，K2=2.8。

5.5 驅(qū)動(dòng)功率

計(jì)算驅(qū)動(dòng)功率N為：

式中，η為傳動(dòng)效率系數(shù)，0.7～0.9，取η=0.9；T為矯直輥總傳動(dòng)力矩，T= 0.42 kN·m；D為矯直輥直徑，D=0.03 m；v為矯直速度，v=1 m/s。

6 結(jié)論

高強(qiáng)度薄板的矯直比較困難，通過以上分析得出的輥縫值線性遞減壓彎矯直方案和與之相適應(yīng)的工藝參數(shù)與力能參數(shù)計(jì)算，符合薄板矯直的實(shí)際情況，為薄板矯直機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)使用提供了正確的理論依據(jù)。

編輯 陳秀娟

Analysis on the Characteristics of Thin Plate Straightening Machine Performance

Zhao Dong,Wu Qingjun

The characteristics of thin plate straightening have been analyzed based on the principle of straightening.This paper introduces the selection and calculation of roller system parameters,straightening scheme,straightening precision and force-energy parameters of thin plate straightening machine.

straightening machine; straightening scheme; straightening precision; force-energy parameters

2016—10—06

TG333.2+3

B