棒材二辊矫直机单曲率辊型曲线及矫直精度研究

机械 设 计 与制造Machinery Design & Manufacture第 l0期2013年 1O月棒材二辊矫直机单曲率辊型曲线及矫直精度研究刘宝平 ’，刘志亮 ，张立浦 ，王英杰(1．燕山大学 继续教育学院，河北 秦皇岛 066004；2．燕山大学 国家冷轧板带装备及工艺工程技术研究中心，河北 秦皇岛 066004；3．上海宝钢技术中心，上海 210900)摘 要：在充分考虑棒材二辊矫直机生产工艺特点的基础上，针对典型产品设计了单曲率辊型，给 出了辊型数据和辊型曲线图。从矫直基本原理入手，根据弹塑性弯曲理论，建立了矫直精度的理论计算模型。应用迭代法计算了轧件一次弯曲矫直时的弯曲力矩和相应的反弯曲率，计算给定方案下形成的残余曲率求解结果以及每米长弦高求解结果。将理论计算值与现场实测数值进行了对比，发现两者比较吻合。利用大型有限元分析软件对单曲率辊型和双曲线辊型矫直过程进行了模拟 ，结果表明单曲率辊型要优于双曲线辊型。

关键词 ：二辊矫直机；单曲率；矫直精度；辊型曲线中图分类号：TH16 文献标识码：A 文章编号：1001—3997(2013)10—0026—03The Single Curvature Rol Shape and Its Straightening Accuracyof the Bar Two-Roiler StraightenerLIU Bao-ping ，LIU Zhi-liang ，ZHANG Li-pu ，WANG Ying-jie(1．School of Continuing Education，Yanshan University，Hebei Qinhuangdao 066004，China；2．National EngineeringResearch Center for Equipment and Technology of C．S．R．，Yanshan University，Hebei Qinhuangdao 066004，China；3．TheTechnique Center，Baoshan Iron and Stee1 Co．，Ltd．，Shanghai 210900，China)Abstract：Considering the productionprocess characteristics oftwo-roler straightening machine，the single curvature roller typec designedfor the typical producL Roler type data and roll profile c『上， e have been give~．Based on the basic principle ofstraightening and elastic-plastic bending theory，the theoretical calculation model of straightening accuracy Was establishedIteration method were used to calculate the bending moment and the corresponding reverse bend CUrvatU~ when the roledpiecestraightened by a bending Residual curvature results were calculated Comparing the theoretical calculation value an d siteme asureme nt value，they are consistent．Using thefinite element analysis software to simulate the straighteningprocess ofsingleCUrvatU~rollerandhyperbolic roler，the results showthatthe sinfle curvature rolertypeis superiortothe hyperbolic rollertype.

Key W ords：Two-Roller Straightener；Single Curvature；Straightener Precision；Roler-Curve1引言随着机械工业和国民经济各部门生产的发展和技术进步，对钢材产品质量的要求越来越高。对于管材和圆棒料的矫直，就是使管棒材在螺旋前进过程中各断面受到多次弹塑I生弯曲变形，最终消除各方向的弯曲和椭圆度。为了提高圆断面合金钢材的轧后矫直质量，国外开发了—种新型的矫直机，即棒材二辊矫直机，如图 1所示。

棒材在矫直过程中，矫直机的矫直辊与俸材的线接触状态是获得矫正质量的重要保证。而矫直辊辊型，无论是直圆术才辊型矫直辊，还是弯圆术才矫 ，都是按某—基准圆材半径和基准倾角设计的。相对—定的矫直条件和矫直精度要求，存在着最少弯曲次数允{ 值，虽然增加弯曲次数可提高矫崮 蔓，但机体的尺寸、重量、加工、维护及能耗等都相应地有所增加，因此有必要确定矫直轧件所需的最佳弯曲次数，以获得稳定的矫直效果 。棒材二辊矫直机由于结构紧凑变形机理比较复杂，矫直的效果取决于合理的辊型设计，国内外非常重视对结构参数和力能参数的研究，特别是辊型曲线的研究 。在(80-90)年代，国内外学者对辊型的研究已取得了很多的成果，国内外目前发表的研究论文多集中于辊型的兀侗设计 关于辊型设计的关键技术，在引进国夕 备过程中是 樯 的。国内夕 堵 又寸于矫酋充[j陧变形机理的研究，以及辊型曲线与矫直精度之间的关系方面的研究公开发表的论文很少，目前尚无完整的理论。因此，已有的辊型 怯是否合理没有充分的理论依据或者说没有严恪的理论证明，这对于辊型设计的合理f 构成一大障碍。从引进的矫直机来看，其矫直精度比国产的高，且规格范围广。如引进的二辊矫直机 6(20～90)mm的最高矫直精度可达0．25％。，国内的二辊矫直机 6(2o～90)mm的矫直精度仅为 1％。；引进矫直机产品矫直后 的表面粗糙度 R。<0．6lxm，而国内矫直机的表面粗糙度 R 仅为(3．2—1．6)l~m。这说明我们还有很大差距，迫切需要发展我们的二辊矫直机，尽快赶上国际的先进水平[91。

来稿日期：2012一l2一l5基金项目：2013秦皇岛市科技支撑计划项目编号(201302A008)作者简介：刘宝平，(1967一)，男，河北秦皇岛人，本科，讲师，主要研究方向：计算数学第10期 刘宝平等：棒材二辊矫直机单曲率辊型曲线及矫直精度研究图 1二辊矫直机结构图Fig．1 Two-Roller Straightener2矫直辊辊型设计现以矫直 (20—50)mm，o',=900N／mm 的合金钢棒材为例，辊子倾角为 ：(2O一25)。。

圆材弹性极限弯曲半径：p = 凳 =等值压弯半径：p ／Cw=2600mm ( 1．1)粗棒螺旋导程：f～=1T x 50tan20。=57．2mm细棒螺旋导程：f = x 25tan25。=36．6ram辊子工作长度： =458mm辊子全长约为：L=520mm辊子长度坐标 Z；辊子长度半径 R；辊身长度(mm)图3凸辊辊型曲线Fig-3 Roller-Curve of Convexity Roll3矫直精度计算： 2860mm在矫直过程中，轧件产生弹塑性弯曲变形力矩与曲率间的关系式为：利用MALTAB编程，计算凸辊和凹辊的辊型曲线，其计算结果 ，如表 1、表 2所示。

表 1凹辊辊型曲线求解结果Tab．1 The Solution of Concave Rol Curve(mm)表 2凸辊辊型曲线求解结果Tab．2 The Solution of Convexity Rol Curve(mm)在计算辊型曲线的各点坐标值时，各点之间的间距值越小，绘出的曲线连续性越好，棒轴坐标与辊轴坐标之间夹角为。按棒轴分段之后在辊轴上会找到相应的值。绘制得到的辊型曲线，如图2、图 3所示 。

辊身长度(mm)图2凹辊辊型曲线Fig．2 Roller-Curve of Concave RollM：竹 3 l／r／
_
+ l／p )(1_ l／r_ ＼z ( ) 』＼ (+1 )n(1式中： L件弹塑性弯曲力矩； —弹I生弯曲力矩极限值； —弹性弯曲曲率极限值；1_—反弯曲曲率值；—L—碱余曲率值。

为了计算方便，轧件的弹塑性弯曲变形力矩可由相对曲率表示为：生"IT2丽 1盯。 i ( 1)+kp 。 ) l式中：k -1 ／r／-I
一
— 相对残余曲率值； —相对反弯曲率值。

计算辊型曲线对应的矫直精度，由相对残余曲率和棒材弧形的弦高来表示，其计算结果，如表3、表4所示。相对反弯曲率，如图4所示。矫直精度，如图4、图5所示。

表 3残余曲率求解结果Tab．3 The Solution of Remain Curvature机械设计与制造No．1OOct．201343．5JliL钽 2．5‘靛 1．510．5O： 黜． i — i ． i — i ． i — i ． i 一‘T。

?丁 ＼j． |0 2 4 6 8 10 12 14 l6 l8弯曲次数(辊身长度)图4反弯率延辊身分布曲线Fig．4 The Distribution of Remain Curve弯 曲次数 (辊身长度)图 5残余曲率分布曲线Fig．5 The Distribution of Residual curvature4有限元模拟分别采用双曲线和单曲率辊型对棒材二辊矫直过程进行有限元模拟，棒材采用 SOLID164单元。SOLID164是一种八节点实体单元，具有两种算法，一种是单点积分，适用于大变形，但容易出现沙漏现象，需要进行沙漏控制；另一种是完全积分，无沙漏问题，但求解速度慢 ，约多花 4倍的 CPU时间，这里采用单点积分，在矫直过程中进行沙漏控制。

(b)图 6矫直后的棒材端部Fig．6 The End of the Bar after Straightening单曲率辊型和双曲线型辊型的凹凸辊的调角不同的情况下得出的棒材头部矫直效果，如图6所示。单曲率辊型得到的矫直效果图，如图 6(a)所示。双曲线辊型得到的矫直效果图，如图 6(b)所示。对比两幅云图可以清楚地发现双曲线辊型对圆材头尾都有较大的压扁作用，这样就必须切去不符合矫直精度的圆材头尾，降低 了圆材的使用率。但是单曲率辊型消除了这个缺点，增加了圆材的使用率，矫直效果明显要比双曲线辊型要好。

5试验数据来料直径：6(2o～50)mm，状态：经退火，或固溶热处理。坯料公差：直径公差：±0．03ram，椭圆度：直径公差之半，材质：合结钢、轴承钢、弹簧钢、不锈钢、汽车阀门钢最大抗拉强度：600MPa机组线速度：max：40m／min(无级变速 ，可编程序控制)，成品参数矫直后参数要求矫直后表面粗糙度 (0．8—1．6)lzm或更低，矫直后直线度：≤lmm／m，长度范围：(2．5～6)m，主电机功率：130kW转速(750～1500)。试验结果表明矫直精度的理论值与实测数据比较吻合，对轧件头尾也能够消除改进椭圆度。

表 5棒材矫直数据表Tab．5 The Data of Straightening Bar6结束语在充分考虑二辊矫直机生产工艺特点的基础上，从矫直基本原理人手通过研究矫直机的设计参数，给出了矫直机矫直精度计算方法。通过对二辊矫直机单曲率辊型曲线和矫直精度的研究，在现有矫直理论的基础上 ，提出了二辊矫直精度的理论计算公式，并计算单曲率辊型曲线的矫直精度，结果表明矫直精度的理论值与实测数据比较吻合，对从国外引进二辊矫直机组进行改造和二辊矫直理论的研究发展具有重要的理论意义，为设计二辊矫直机提供了可借鉴的资料。

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