趙 崠

(太原重工股份有限公司矯直機研究所， 山西 太原030024)

0 前言

輥式板材矯直機由多個矯直輥對已變形板材連續(xù)施加相應(yīng)的反彎，使板材經(jīng)反彎彈復(fù)后殘余曲率逐步減小，最終達到平直狀態(tài)。矯直機的輥系參數(shù)受所需矯直板材的性能、規(guī)格、反彎要求以及零件機械強度的綜合影響而保持相對固定值，因此輥系的矯直能力也處于一定的范圍內(nèi)；輥系參數(shù)是固定的，而矯直方案是多樣的，不同方案設(shè)定的各矯直輥對軋件彎曲程度不同，所以不同方案所需的力能參數(shù)也是不同的，即使同一方案中各輥的力能參數(shù)也存在很大差異，通過多種矯直方案的應(yīng)用，可以在相對固定的輥系參數(shù)條件下，達到提高設(shè)備矯直能力的目的。特別是寬厚板矯直機具有矯直板材強度高、力能參數(shù)大的特點，因此在計算力能參數(shù)時，一定要結(jié)合相應(yīng)矯直方案的各輥曲率變化情況進行。

1 寬厚板矯直的主要方案

根據(jù)矯直原理，結(jié)合設(shè)備結(jié)構(gòu)以及不同規(guī)格板材的矯直特點，常用的寬厚板矯直方案有4種：上矯直輥系整體調(diào)整大變形矯直方案、大變形小殘差矯直方案、平行輥縫小變形矯直方案、小變形矯直方案。本文以某九輥寬厚板矯直機為例，研究各矯直方案的曲率變化。該矯直機輥徑φ220 mm，輥距 260 mm。

1.1 大變形線性遞減矯直方案

大變形線性遞減矯直方案既可保證較高的矯直精度，又不至于消耗過多功率，適用于薄板和中等厚度板材的矯直。如矯直板材厚度8～25 mm、寬度1 200～3 500 mm、屈服強度σS為350～650 MPa時，矯直機各矯直輥下的相對曲率變化見表1[1]。

表1 上矯直輥系整體調(diào)整大變形矯直方案

1.2 大變形小殘差矯直方案

大變形小殘差矯直方案可有效提升高強度薄板的矯直精度，但設(shè)備結(jié)構(gòu)與工藝參數(shù)設(shè)定比較復(fù)雜、功率消耗較大。當矯直板材厚度5～20 mm、寬度 1 200～2 800 mm、屈服強度σS為550～1 000 MPa時，矯直機各矯直輥下的相對曲率變化見表2[2]。

表2 大變形小殘差矯直方案

1.3 平行輥小變形矯直方案

平行輥小變形矯直方案適用于中、厚板的矯直，工藝參數(shù)設(shè)定便捷，矯直力與矯直力矩相對較小，可有效避免負轉(zhuǎn)矩的形成。當矯直板材厚度10～30 mm、寬度1 200～3 000 mm、屈服強度σS為450～600 MPa時，各矯直輥下的相對曲率變化見表3[3]。

表3 平行輥縫小變形矯直方案

1.4 小變形矯直方案

小變形矯直方案具有壓下量相對較小、功率消耗小的特點，適用于原始曲率較小的厚板矯直。設(shè)定各輥相對反彎曲率Cw(i)應(yīng)使進入該輥軋件的最大相對原始曲率C0(i)能完全矯直，經(jīng)反彎彈復(fù)后，最大相對殘留曲率CC(i)是板材平直處反彎彈復(fù)后留下，并成為下一輥的原始曲率。采用該方案矯直厚度10～30 mm、寬度 2 800～4 300 mm、屈服強度σS為450～800 MPa的板材。各輥處設(shè)定的相對反彎曲率Cw(i)可通過求解矯直曲率方程得出。

Cw(i)3+(2C0(i)-1.5)Cw(i)2+(C0(i)2- 3C0)Cw(i)+0.5-1.5C0(i)2=0

(1)

再由彈復(fù)曲率方程式(2),得出Cf(i)。

(2)

計算殘留曲率CC(i)=Cw(i)-Cf(i)作為下一輥的原始曲率，依次計算各矯直輥下的相對曲率變化見表4。

表4 小變形矯直方案

由表1～4可以看出，不同方案設(shè)定的各矯直輥對軋件彎曲程度不同，所以不同方案所需的力能參數(shù)也是不同的。

2 矯直方案對力能參數(shù)的影響

矯直力能參數(shù)主要包括矯直力和矯直力矩。通過四種矯直方案對矯直力、矯直力矩的影響進行分析，得出各矯直方案的力能參數(shù)計算方法。

2.1 矯直方案對矯直力的影響

在矯直過程中，各矯直輥對軋件施加連續(xù)反彎，使板材發(fā)生彈塑性變形，作用在各矯直輥上的力Pi，可由在輥距t間所受的彈塑性彎曲力矩Mi來決定，如圖1所示。

圖1 作用在各矯直輥上的壓力

(3)

從總矯直力P可以看出，只要確定了各輥處軋件彎矩值Mi就可以得出矯直力。各輥處軋件彎矩值Mi決定于反彎曲率的大小；可根據(jù)板材規(guī)格、原始曲率C0(i)和相應(yīng)矯直方案設(shè)定的反彎曲率Cw(i)按式(3)計算Mi。

(4)

(5)

(6)

圖2 各輥相對矯直力變化曲線

由圖2可以看出，不同矯直方案的矯直力差異還是比較大的，即使同一方案的各輥矯直力也存在很大差異。

2.2 矯直方案對矯直力矩的影響

矯直力矩T包括摩擦力矩Tm和彎曲變形力矩Tb。矯直方案對摩擦力矩和對變形力矩的影響。矯直力矩T的一般計算公式為

(1)矯直方案對摩擦力矩的影響。

(7)

式中，Tm(i)為各輥摩擦力矩；t為輥距,mm；d為軸頸,mm；f為軋件與輥面的滾動摩擦系數(shù)，取0.4 mm；μ為軸承摩擦系數(shù)，取0.005；

圖3 各輥相對摩擦力矩變化曲線

(2)矯直方案對變形力矩的影響。計算各輥變形力矩Tb(i)不僅可以得出總變形力矩，而且也反映了相應(yīng)矯直方案各輥變形力矩的變化規(guī)律。

(8)

(9)

圖4 各輥變形能量比變化曲線

由圖3、圖4可以看出，不同矯直方案的矯直力矩差異還是比較大的，即使同一方案各輥的矯直力矩也存在很大差異。

2.3 矯直方案對力能參數(shù)平均值的影響

表5 相應(yīng)矯直方案的相對力能平均值

3 不同矯直方案力能參數(shù)在各輥的分布比例

通過分析可以看出，不同矯直方案的矯直力矩差異還是比較大的，即使同一方案各輥的力能參數(shù)也存在很大差異。因此進一步總結(jié)4種矯直方案的各輥力能參數(shù)分布特點和計算方法，可為準確計算提供方便。

分別按圖2、圖3、圖4中的各輥相對力能值計算各輥矯直力Pi占總矯直力P的百分比，各輥摩擦力矩Tm(i)占總摩擦力矩Tm的百分比，各輥軋件彎曲變形力矩Tb(i)所占總彎曲變形力矩Tb的百分比，結(jié)果見表6。

表6 相應(yīng)矯直方案的各輥力能參數(shù)占比

注：A、B、C、D分別為上矯直輥系整體調(diào)整大變形矯直方案、大變形小殘差矯直方案、平行輥縫小變形矯直方案、小變形矯直方案。

4 力能參數(shù)計算實例

通過分析，各主要矯直方案力能參數(shù)計算的理論問題已經(jīng)解決，計算方法基本明確，以便深入理解和準確掌握。例如該九輥矯直機對確定規(guī)格的工件進行矯直，按上矯直輥系整體調(diào)整大變形矯直方案計算得到各項力能參數(shù)。矯直機技術(shù)參數(shù)見表7。

表7 九輥矯直機技術(shù)參數(shù)

4.1 計算矯直力P

4.2 計算矯直力矩

T=Tm+Tb=171 452 832.5 N·mm

4.3 計算電機功率

式中，η為傳動效率系數(shù)；0.7～0.9，取0.9；v為矯直速度；取v=1 m/s。同理，也可方便、準確的計算出其它三種矯直方案的力能參數(shù)。

4.4 計算各輥矯直力能參數(shù)

按表6中方案A各輥力能參數(shù)占比計算各輥力能參數(shù)，結(jié)果見表8。

表8 各輥矯直力能參數(shù)

5 結(jié)束語

寬厚板的不同矯直方案所需的力能參數(shù)值差異很大，在進行力能參數(shù)計算時，一定要結(jié)合相應(yīng)矯直方案的反彎特點進行；采用相對值表達各項參數(shù)的方式可形成具有普遍意義的關(guān)系式，無論軋件斷面尺寸、工件材質(zhì)如何，在計算時只要結(jié)合具體的輥系參數(shù)和軋件規(guī)格，就可按相應(yīng)矯直方案方便、準確的計算各項力能參數(shù)。這不僅為設(shè)備強度計算提供了依據(jù)，而且為矯直工藝的優(yōu)化提供了參考，在生產(chǎn)實踐中具有重要的指導(dǎo)意義。