崔 甫，楊會林

(東北大學，遼寧 沈陽 110004)

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專題綜述

對于矯直技術領域中一些認識新區(qū)的討論

崔 甫，楊會林

(東北大學，遼寧 沈陽 110004)

本文對矯直理論的新認識做了論述，重點討論了矯直過程解析化理論，三步反彎矯直理論，正交相位矯直理論，最佳彈性芯理論，三聯矯直理論，分段等曲率反彎矯直理論，彈性壓扁與塑性壓彎平衡矯直理論，滾壓與反彎合成矯直理論，斷面大小對矯直影響理論等。

矯直理論；三步反彎矯直；正交相位矯直

0 前言

隨著我國經濟的快速發(fā)展，冶金機械生產能力迅速擴大。但許多缺乏競爭力的矯直設備重復建設現象嚴重，導致產品同質化競爭。因此，以創(chuàng)新為重點，開發(fā)擁有自主知識產權、競爭力較強的矯直設備十分重要；文獻[1]介紹了矯直理論認識誤區(qū)。為了宣傳正確的最新矯直理論，本文把主要的具有核心價值的新理論提出來加以討論。

1 矯直過程解析化的理論

矯直過程解析化理論已經成為矯直過程最根本的認識新區(qū)。過去矯直過程中變形與受力的關系一直停留于定性范疇，找不到數理表達方法，現在已經可以利用相對值(比值)的概念把各種矯直過程中的曲率之間關系、彎矩與曲率之間關系、變形與曲率之間關系、能耗與曲率之間關系、反彎矯直與原始曲率之間的曲率關系全部用數理關系表達出來，可以用數值表示矯直結果，矯直技術得到進一步發(fā)展，為矯直理論建設打下了科學基礎[1]。

2 一步反彎矯直與三步反彎矯直理論的建立

過去的矯直技術文獻中已有小變形反彎矯直和大變形反彎矯直的討論，但未能給出反彎矯直的應用工況，而且認為在壓力矯直機或輥式矯直機上都可以采用這兩種矯直方法，其實在壓力矯直時只應該采用小變形方法，在輥式矯直機上只應該采用大變形方法?，F代的矯直理論按矯直反彎曲率比方程式算出的反彎量進行一次壓彎便可達到矯直目的，這是純粹的小變形反彎矯直，只能用于壓力矯直機。自從輥式矯直機出現，把單點壓彎矯直轉變?yōu)檫B續(xù)的全部的壓彎矯直，只有先按大反彎來統一各種不同的原始彎度，統一彈復后留下的彎度受彈性屈服的約束而形成基本一致的殘留彎度，接著對這種統一的殘留彎度，按矯直曲率比方程式算出的反彎曲率完成第二步的反彎矯直。由于原始曲率復雜多樣再考慮材質的不勻以及尺寸公差等影響，需要增加第三步的補充反彎，取得可靠的矯直效果。所以在連續(xù)生產的各種輥式矯直機上都要用三步反彎矯直理論為指導，不過三步反彎不一定就用三個矯直輥進行反彎。從輥式矯直機的發(fā)展中確實可以看到最早的矯直機只有五個矯直輥，中間三個矯直輥可以完成三次反彎。后來為了咬入方便在入口處增加一個咬入輥(小壓下量)，使輥數增加到六個。后來又為了在出口側能隨機改變壓下量以提高矯直精度而又增加一輥，輥數增到七個，七輥矯直機得到廣泛認可。輥數在穩(wěn)定中也有增加，理由很多，但一直無法否定三步反彎矯直的基本原理[1-2]。

3 正交相位矯直理論

設計平行輥矯直機時必須有軸向壓彎機構，已經成為慣例，這已表明人們對正交相位矯直原則的默認。條材的實際彎曲有時是很復雜的，從立體解析原理上看任何一種彎曲都可以分解為兩個正交平面上的彎曲，如果對這兩個分量都加以矯直，條材必然變直，不會再有任何彎曲存在。

正交相位矯直原理在斜輥矯直機上的實現方法要變得復雜。圓材在輥逢中按螺旋相位面旋轉前進，而且要求前后相鄰二輥所處的螺旋面必須在壓彎圓材的同一位置處互成正交關系，以直角正交為例，兩個螺旋面在壓彎點位置形成十字交叉狀態(tài)。為了達到這種狀態(tài)需要兩個矯直輥之間的距離必須是四分之一導程的奇數倍才能保證兩個矯直輥的方位正交。由于斜輥矯直機的輥距多為固定不變值，故只好用改變輥子斜角的方法來適應輥距與導程之間的硬性關系。但是采用該方法有一些難度，因為輥子的設計斜角要求調節(jié)斜角不能與它偏離太多，有時也只能達到近似的正交關系，矯直質量必有降低。

另外在轉轂矯直機上要實現正交相位矯直方法也較困難。轉轂矯直機中矯直輥(或矯直模)的斜角也多為不可調者，為了適應輥距與導程之間的硬性關系，只好利用盤條直徑較細矯直力較小的條件強制改變導程，寧可讓條材與矯直輥(或矯直模)之間產生滑動，以保證矯直質量的合格。矯直后條材表面常有明顯磨光和擦傷現象，一般不影響交貨。為了克服這種強制改變導程的不合理現象，于上世紀90年代研發(fā)了異向旋轉的雙轉轂矯直機[3]，也稱復合轉轂矯直機，前后兩個轉轂中一個按右螺旋相位面工作，另個按左螺旋相位面工作，兩組螺旋相位面每轉一周必有二次互成正交機會，每次都可完成正交相位的矯直任務，這種斷續(xù)的矯直工作正好同壓力矯直機的間斷性的壓彎矯直一樣，在兩次壓彎間距不大的情況下完全可以達到矯直目的[1-3]。

4 最佳彈性芯矯直理論

矯直反彎所允許的彎曲程度即條材芯軸周圍的彈性區(qū)大小必須以斷面形狀不受損害為前提，以圓材為例，其彈性區(qū)半徑(Rt)可占全半徑(R)的20%～30%，彈性芯是一個條狀的實體。除圓條狀外還有方條狀、扁條狀、六角條狀、菱形條狀等等，凡是形狀不是正方、正扁、正六角等彈性芯其對角線不會等長度，凡是一條對角線偏長的相位面都是塑性變形不充分的相位面必有殘留彎曲存在。凡是對角線長度不一致的彈性芯都是由于前后兩個矯直輥所處的相位互不正交所造成的結果。由此可知彈性芯不僅面積要小而且通過彈性芯的相位要正交，即彈性芯面積要小，形狀要正。

彈性芯對矯直效果的影響可以用有關的曲率比方程式計算出來。以方形條材為例，當其原始彎曲曲率比為C0，反彎所用的曲率比為Cw，斷面高度為H，斷面中部彈性芯的高度為Ht，其彈區(qū)比(或稱彈芯比)為ζ=Ht/H。反彎后的彈復曲率比為Cf=1.5-0.5ζ2，彈復后的殘留曲率比為Cc=Cw-Cf，矯直時Cc=0，所以Cw-1.5+0.5ζ2=0，或Cw=1.5-0.5ζ2，這個矯直條件中可以改變的因素只有彈芯比ζ，能否矯直或矯直質量高低都取決于ζ值及與其匹配的Cw值。由文獻[1]知道ζ=1/(C0+Cw)，故Cw=1.5-0.5/(C0+Cw)2，C0是實測值帶入后只有一個未知量Cw，可以解三次方程算出結果。C0與Cw都是已知量之后彈芯比ζ便是可知量，彈性芯的形狀及大小都可以明確，矯直質量就可以肯定。理論上矯直都可以達到殘留彎曲等于零的效果，但實際上零殘彎的質量指標很難達到百分之百。其原因不僅是由于原始彎曲的復雜多樣，還應該考慮到彈性芯內存彈性彎矩Mζ=ζ3Mt，與外圈塑性變形金屬內的殘余應力相平衡的不穩(wěn)定性。這種不穩(wěn)定性可稱之為彈性芯的隱患，隱患的最大后果就是殘余應力全部時效后Mζ彎矩將使條材產生以ρζ=ρt/ζ3為半徑的彎曲。因此希望這個彎曲所造成的彎度不超過質量指標，把隱患變成為無害隱患，最佳彈性芯也應該是具有無害隱患的彈性芯。

現用的矯直機都屬于反彎矯直設備，而缺少反扭矯直設備，借助反彎過程中金屬塑性變形后其原始的扭曲變形也要在屈服狀態(tài)中失去保存能力，但又沒有反扭過正的能力(矯扭能力)，所以彈性芯的扭曲必然保存下來并將影響整個條材的扭曲。以半徑為r的圓材為例，其剪切彈性模數為G，剪切彈性極限為τt，其彈性極限扭轉角為θt=τt/rG，反彎矯直后彈性芯所保留的扭曲勢能將使條材留存θζ=ζ3θtrad/mm的殘留扭角，這是最大值。如果原始扭曲為零，反彎變形時也不會產生剪切應力，也不會產生扭轉角，也不會產生θζ。凡是具有原始扭曲在矯直后留存的最大扭曲角超過允許值者都應該增設矯扭機構[1-2]。

5 三聯矯直理論正在形成

條材的原始狀態(tài)常常是彎曲與扭曲并存，過去的矯直技術中就包括矯扭技術，常常在矯直機構中增加矯扭機構。但是多數矯直機仍為矯彎，基本沒有矯扭能力，造成這種現實狀態(tài)的原因之一是許多條材在軋制之后的赤熱狀態(tài)下用平行輥道運送中很難造成較大扭曲。原因之二是在矯彎當中由于塑性變形較大，一些輕微扭曲在塑性變形中被進一步消減而達到合格水平。原因之三是大量具有斜壓表面的條材，如立放方鋼、斜放扁鋼、六角鋼、三角鋼、Z字鋼、W字鋼等在矯直孔型中可以承受徑向及軸向壓彎，附帶有矯扭作用。所以采用專門矯扭機構的矯直機一直沒有被大量應用。但是利用兩個正交相位矯彎及沿縱軸方向矯扭的三聯矯直工作卻一直沒有被放棄。

對于沒有斜壓表面的條材，如工字鋼、槽鋼、T型鋼及鋼軌等，既無法進行軸向壓彎也無法沿縱軸扭曲。對這類型材最好的三聯矯直方法就是采用平立輥綜合輥系矯直機并在出口處增設矯扭機構。矯直質量要求越高，三聯矯直技術越受重視[1-2]。

6 分段等曲率反彎矯直理論

正交相位矯直理論反映了矯直過程的客觀規(guī)律，是保證矯直質量的必經之路。但是實行起來給操作人員帶來的困難較大，技術要求較高而且容易造成欠矯和漏矯事故。經過多年的探索研究找到了問題的本質，就是采用集中壓彎方法所獲得的螺旋形塑性變形區(qū)呈鋸齒形斷續(xù)的螺旋管狀態(tài)(參看參考文獻[2]中圖3-4)，前后兩個螺旋管很難保持直角正交狀態(tài)。但是把集中壓彎點改成等曲率壓彎區(qū)，而且壓彎區(qū)長度又不小于一個導程時，斷續(xù)的螺旋管就會變成連續(xù)的等厚度的塑性管，從矯直輥逢來出的圓材會獲得全長等厚度均勻塑性變形，再也不會出現欠矯和漏矯現象。如果連續(xù)通過三個輥逢，第一個反彎半徑為ρ1，第二個為ρ2，第三個為ρ3，正好可以滿足三步反彎的要求，則此三步等曲率反彎輥逢就可以完全滿足矯直要求，與此矯直理論相對應的分段等曲率反彎輥型理論保證了新式二輥矯直機獲得矯直一切圓材的能力，開創(chuàng)了斜輥矯直技術的新歷史，同時又在新輥形理論基礎上研發(fā)了雙向反彎輥形設計法和切線連接的雙向反彎輥形設計法，把二輥矯直能力擴展到一切圓材的雙向反彎矯直[1-2]。

7 彈性壓扁與塑性壓彎相平衡矯直理論

薄壁管矯直所遇到的困難是扁而不彎和扁而不轉，不彎、不轉無法矯直。希望抗壓扁能力越大越好，其方法是加長輥面和管材的接觸長度、在輥逢中設置左右導板使管材受到四面壓緊，可將其抗壓扁能力提高一倍左右。在不增加輥逢長度條件下，將壓彎力提高一倍。成功研制的薄壁管二輥矯直機使用較小輥長，對φ160 mm×12 mm長的管材進行矯直，已達到0.4 mm/12 m的質量水平。確定輥長的基本方法就是利用彈性壓扁與塑性壓彎的平衡方程式算出最小的抗壓長度和彎曲長度[2]。

8 滾壓與反彎合成矯直理論

圓材在輥逢中進行反彎矯直時其反彎半徑必須保證彎曲程度應達到半徑的70%～80% 。在既定的輥逢中想矯直細棒時，便會因為彎曲程度不夠而達不到矯直目的，利用屈雷斯伽屈服準則便可能成功矯直。由于圓材在輥逢中被壓成彎曲狀態(tài)后，外彎側的兩端受凹輥壓力而中央必將產生拉應力，內彎側的中央受凸輥壓力同時也因受彎曲而產生周向壓應力。如果在這樣的輥內再額外增加壓緊力時，外彎側中央處便要形成垂直壓力與水平拉力的平面合成應力，合力大小等于兩個分應力絕對值之和，即使每個分應力都未達到屈服極限，但是合成之后很容易達到屈服狀態(tài)而產生塑性拉伸變形。而內彎側中央垂直壓力與水平壓力之合等于兩個絕對值之差，即使兩個分應力都接近屈服限，但合成之后卻要遠離屈服狀態(tài)，而不產生任何塑性變形。結果圓材外彎側塑性拉伸，內彎側保持原態(tài)，彎曲的中性層由中心線移到內緣，在實質上等于把彎曲變形增大一倍，也等于把曲率半徑縮小一倍，還等于把矯直范圍向小直徑延伸一倍。當原來的矯直范圍為d～2d時，現在的矯直能力為d/2～d～2d。所以這種合成矯直理論是很有價值的理論。不過當直徑精度要求很高時，一定要注意縮徑的影響，一旦縮徑超差時可以在矯直前對料徑的要求要預留其縮徑量。

9 斷面大小對矯直質量影響

斷面尺寸大小對矯直質量的影響雖然從未提到，但是一直是個客觀存在的問題。有些實踐經驗的科技人員確有越粗越好矯的感覺。從文獻[2]中看到直徑粗的棒材在同樣反彎之后所留下的彈復隱患δζ要比細棒小。其原因是在同樣材質(σt和E相同)及不同直徑(2r)條件下其彈性極限彎曲半徑ρt=Er/σt中，r增大，ρt也增大，彈復隱患的彎曲半徑ρζ=ρt/ζ3也必增大，在同樣弦長條件下，半徑越大所形成的弦高越小，即所留下的彎度越小，也就是矯直質量越高。這就是條材斷面越粗越好矯的道理。

10 結束語

隨著我國冶金工業(yè)快速發(fā)展，對矯直產品的質量要求越來越高。發(fā)展創(chuàng)新技術的矯直設備十分重要。但許多缺乏競爭力的矯直設備重復建設現象嚴重。因此，有必要對矯直理論的新認識做了論述，本文重點討論矯直過程解析化理論，三步反彎矯直理論，正交相位矯直等，并提出雙交錯輥系矯直機很有發(fā)展前途。

[1] 崔甫. 矯直原理與矯直機械(第2版)[M].北京：冶金工業(yè)出版社(第二版)，2005.

[2] 崔甫. 矯直技術與理論的新探索[M].北京：冶金工業(yè)出版社(第二版)，2014.

[3] 崔甫. 多輥式矯直機發(fā)明專利[P].87.1.05049.8，1989.

[4] 崔甫. 對于矯直技術領域中一些認識誤區(qū)的討論[J].重型機械，2013(2).

[5] 崔甫. 矯直理論與參數計算(一)[J]. 重型機械， 1985(7).

[6] 崔甫. 矯直理論與參數計算(二)[J]. 重型機械， 1985(8).

[7] 崔甫. 矯直理論與參數計算(三)[J]. 重型機械， 1985(9).

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

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

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

[11]崔甫. 矯直理論與參數計算(七)[J]. 重型機械， 1986(1).

[12]崔甫. 矯直理論與參數計算(八)[J]. 重型機械， 1986(2).

[13]崔甫. 矯直理論與參數計算(九)[J]. 重型機械， 1986(3).

[14]崔甫. 矯直理論與參數計算(十)[J]. 重型機械， 1986(4).

[15]崔甫. 矯直理論與參數計算(十一)[J]. 重型機械， 1986(5).

[16]崔甫. 矯直理論與參數計算(十二)[J]. 重型機械， 19866).

[17]崔甫. 矯直理論與參數計算(十三)[J]. 重型機械， 1986(7).

[18]崔甫. 矯直理論與參數計算(十四)[J]. 重型機械， 1986(7).

[19]崔甫. 矯直理論與參數計算(十五)[J]. 重型機械， 1986(7).

[20]崔甫. 矯直理論與參數計算(十六)[J]. 重型機械， 1986(7).

[21]崔甫. 矯直理論與參數計算(十七)[J]. 重型機械， 1986(7).

New understanding in the field of straightening theory

CUI Fu, YANG Hui-lin

(Northeastern University, Shenyang 110004 China)

This paper defined misunderstanding of the straightening technology, emphasized on the straightening process analytical theory, three step of anti bending straightening theory, quadrature phase straightening theory, the optimum elastic core theory, triple straightening theory, sectional curvature bending straightening theory, elastic flattening and plastic bending straightening theory of balance, rolling and anti-bending synthetic straightening theory, the size of section of the straightening effect theory,etc. It put forword that double staggered roll system straightening is of great development.

straightening theory；three step of anti bending straightening；quadrature phase straightening

2014-08-13；

2014-10-24

崔甫(1928-)，男，東北大學教授,出版多部矯正理論專著; 發(fā)表矯直理論論文30多篇。

TG333

A

1001-196X(2015)01-0002-04