王廣林，王新海，張 濤

（陜西國(guó)防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西西安 710300）

1 卷板機(jī)概述及工作原理

卷板機(jī)是一種將金屬板材彎卷成筒體、錐體、曲面體或其他形體的通用成型設(shè)備。根據(jù)三點(diǎn)成圓的原理，利用工作輥相對(duì)位置變化和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)使板材產(chǎn)生連續(xù)的塑性變形，以獲得預(yù)定形狀的工件[1-2]。該設(shè)備廣泛用于鍋爐、造船、石油、化工、金屬結(jié)構(gòu)及機(jī)械制造行業(yè)。

卷板機(jī)在國(guó)外一般以工作輥的配置方式來劃分。國(guó)內(nèi)普遍以工作輥數(shù)量及調(diào)整型式等來分類，一般分為：三輥卷板機(jī)（包括對(duì)稱式三輥卷板機(jī)、非對(duì)稱式三輥卷板機(jī)、水平下調(diào)式三輥卷板機(jī)、傾斜下調(diào)式三輥卷板機(jī)等）、四輥卷板機(jī)、特殊用途卷板機(jī)（有船用卷板機(jī)、錐體卷板機(jī)、雙輥卷板機(jī)等）[3-4]。

本文主要采用對(duì)稱式三輥卷板機(jī)加工成型薄壁圓柱板材，利用三維軟件建模，主要包括液壓系統(tǒng)、上輥、下輥、板材及底座（圖1）。工作原理為：通過液壓缸內(nèi)的液壓油作用，活塞桿使上輥可以垂直升降，下輥?zhàn)餍D(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)，利用減速機(jī)輸出齒輪嚙合，為卷板提供扭矩，下輥下部有托輥并可調(diào)節(jié)，上輥呈鼓形狀，提高制品的直線度，適用于超長(zhǎng)規(guī)格各種截面形狀圓筒卷制。

圖1 對(duì)稱式三輥卷板機(jī)加工成型薄壁圓柱板材

2 操作前準(zhǔn)備工作

2.1 操作人員要求

操作人員必須熟悉卷板機(jī)的結(jié)構(gòu)性能和操作方法，經(jīng)過設(shè)備管理人員同意后才有資格進(jìn)行卷板機(jī)的卷圓操作。卷圓過程中必須安排兩人同時(shí)操作，一人負(fù)責(zé)卷圓過程整體協(xié)調(diào)，另一人協(xié)助工作，卷制圓筒過程中兩人必須配合默契，完成整個(gè)圓筒的卷制過程。

2.2 調(diào)試設(shè)備

開機(jī)后確定液壓系統(tǒng)壓力正常、翻倒側(cè)正常合攏，啟動(dòng)卷板機(jī)下輥正常旋轉(zhuǎn)，確保各系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)正常方可進(jìn)行正常使用。將下輥通過上輥采取目測(cè)方式，調(diào)整兩下輥至平行狀態(tài)，根據(jù)所卷制圓筒的參數(shù)將兩下輥中心距調(diào)整到合適的距離[5]。

2.3 材料要求

材料的各項(xiàng)參數(shù)：如材料屈服極限、允許卷制最小直徑、材料寬度、材料板厚等符合卷板機(jī)允許參數(shù)范圍；材料的切割邊不能有明顯的缺陷，鋼板表面干凈平整、無起層、劃痕等影響卷圓的問題；卷圓前材料熱處理，如45#鋼材，卷圓前必須對(duì)材料進(jìn)行整體退火處理，低碳鋼卷圓前一般不進(jìn)行熱處理。

3 薄壁圓筒加工工藝方法

3.1 預(yù)彎處理

（1）找正：把卷制材料放置到卷板機(jī)上，采用目測(cè)方式調(diào)整上輥邊緣與板材的切割邊平行，誤差控制在±0.5 mm（圖2）。

圖2 卷制材料找正

（2）卷制圓弧：將上輥外圓在接觸材料表面的基礎(chǔ)上再下壓15 mm，點(diǎn)動(dòng)下輥旋轉(zhuǎn)，當(dāng)材料端頭圓弧長(zhǎng)度至600～800 mm 時(shí)停止下輥旋轉(zhuǎn)，再次下壓上輥10 mm，旋轉(zhuǎn)下輥，當(dāng)材料端頭移動(dòng)至下輥相切位置時(shí)停止。重復(fù)下壓上輥，旋轉(zhuǎn)下輥，直至樣板檢測(cè)預(yù)彎板料圓弧基本一致停止預(yù)彎操作。在預(yù)彎的圓弧與直邊要漸變過渡，不允許有死彎現(xiàn)象，避免造成后續(xù)校圓困難，另一端頭采用相同方法進(jìn)行預(yù)彎（圖3）。

圖3 預(yù)處理后成型

3.2 預(yù)彎材料卷圓

在上輥外圓在接觸材料表面的基礎(chǔ)上再下壓15 mm，點(diǎn)動(dòng)下輥旋轉(zhuǎn)，各輥?zhàn)有D(zhuǎn)正常后可進(jìn)行連續(xù)開動(dòng)下輥（注意：此環(huán)節(jié)不允許采用連動(dòng)檔位啟動(dòng)下輥，防止意外事故發(fā)生），卷圓過程中操作人員開動(dòng)卷板機(jī)時(shí)集中精力，協(xié)助操作人員在材料卷到另一端，主操作者視覺盲區(qū)時(shí)，及時(shí)準(zhǔn)確做好指揮和配合工作。反復(fù)下壓上輥卷圓，當(dāng)兩端開口相距800 mm 時(shí)減少上輥的下壓量，可將每次下壓量降至3～5 mm，直至兩端頭靠攏（圖4）。在卷圓過程中，隨時(shí)觀察卷圓材料是否有偏移情況，當(dāng)偏移量（目測(cè)）超過10 mm 時(shí)停止卷圓，減少錯(cuò)邊量。解決方法是將上輥上升30 mm，圓筒材料完全松動(dòng)后向相反方向移動(dòng)材料，再將上輥下壓至原來的位置繼續(xù)卷圓。

圖4 預(yù)彎材料卷圓過程

卷后圓筒一般會(huì)發(fā)生不同程度的不齊邊情況，解決方法是：將上輥上升5 mm，用3 mm 薄鋼板墊入偏移位置下面與下輥接觸位置，點(diǎn)動(dòng)下輥使墊板進(jìn)入材料與下輥之間，下壓上輥3～5 mm，使左右偏移朝對(duì)齊方向移動(dòng)；適當(dāng)點(diǎn)動(dòng)下輥使圓弧面對(duì)齊（采用樣板或直尺測(cè)量）合格后點(diǎn)焊相應(yīng)位置，點(diǎn)焊焊縫不允許有缺陷，點(diǎn)焊位置應(yīng)牢固、有效。

3.3 焊接處理

整個(gè)卷圓過程不能有明顯的死彎現(xiàn)象。當(dāng)卷兩端開口合攏時(shí)保證兩直邊平直或者略向內(nèi)凹（內(nèi)凹量≤10 mm）即可進(jìn)行點(diǎn)焊。針對(duì)板材材料不同焊接方法不同，以下主要介紹板材為低碳鋼和中碳鋼兩種材料：當(dāng)為低碳鋼如Q235A 時(shí)，一般采用CO2氣體保護(hù)焊焊接，要通過卷板機(jī)矯圓的圓筒，焊接時(shí)必須對(duì)焊縫進(jìn)行氣刨，焊透，焊縫表面余高小于3 mm，焊縫余高均勻，焊縫余高超標(biāo)要采取打磨等方式去除余高，使之小于3 mm；焊縫均勻，焊縫應(yīng)無任何表面缺陷；當(dāng)為中碳鋼如45#時(shí)，預(yù)熱焊接后需矯圓，必須在焊接后進(jìn)行退火處理，卷圓、焊接方法同低碳鋼；對(duì)于特殊材料，應(yīng)按具體工藝要求執(zhí)行。

3.4 矯圓處理

首先把焊完的圓筒吊放在卷板機(jī)，合上翻倒側(cè)后，找正圓筒使圓筒中心線與卷板機(jī)滾軸中心線平行，并把圓筒置于卷板機(jī)中間部位，使卷板機(jī)的液壓缸受力均勻；然后把圓筒焊縫位置卷至下方，下調(diào)上輥，使上輥與圓筒接觸。然后，緩慢下壓上輥，來回卷動(dòng)，開始下壓量一般不超過15 mm，后續(xù)圓筒每滾動(dòng)一轉(zhuǎn)上輥下壓量一般不超過10 mm（參考圓筒滾動(dòng)一周上輥下壓量=直徑×板厚/10 000）。矯圓的上輥?zhàn)畲笙聣毫浚▍⒖汲C圓筒最大下壓=直徑×板厚/3000）根據(jù)實(shí)際需要可適當(dāng)增加或減少上輥下壓量，一般不得超過參考值的20%。下壓量到位后再滾5 圈左右，使圓筒應(yīng)力基本均勻后，采用樣板測(cè)量圓筒內(nèi)圓靠水平直徑偏下（時(shí)針七八點(diǎn)鐘或四五點(diǎn)鐘位置）。待測(cè)量一周后，弧度基本一致，就可以上移上輥，原則上緩慢分散上移上輥，每轉(zhuǎn)上升量不大于5 mm，一般2～3 mm。每轉(zhuǎn)在圓周上分3～4 段上移上輥，直至上輥不接觸圓筒。最后，用卷尺測(cè)量不圓度，不圓度一般在小于10 mm 左右即可認(rèn)為卷板機(jī)矯圓合格，后續(xù)需要進(jìn)行人工矯圓來滿足圖紙工藝要求（圖5）。

圖5 矯圓后效果

人工矯圓一般采取火焰加熱方式進(jìn)行矯圓，在矯圓前用樣板，結(jié)合卷尺測(cè)量，標(biāo)記出最大與最小尺寸和圓弧位置，標(biāo)記準(zhǔn)確明顯。對(duì)圓弧和尺寸不合格位置用火焰加熱，一般厚板采用大能率火焰加熱，迅速加熱點(diǎn)達(dá)到600～700 ℃（低碳鋼如Q235），采取點(diǎn)狀或線狀加熱，使鋼板厚度方向產(chǎn)生溫度差，局部產(chǎn)生變形達(dá)到矯圓目的，待加熱位置冷卻后用樣板和卷尺測(cè)量，不符合要求則從新進(jìn)行人工矯圓，使之符合圖紙工藝要求。

4 試驗(yàn)分析

經(jīng)過采用不同板材進(jìn)行試卷圓筒試驗(yàn)，過程中傳動(dòng)機(jī)構(gòu)無異常情況發(fā)生，液壓機(jī)構(gòu)壓力可以根據(jù)所卷板厚（在安全壓力下）進(jìn)行調(diào)節(jié)，卷板機(jī)輥?zhàn)涌梢愿鶕?jù)需要正常調(diào)節(jié)油壓，完全滿足一般直徑厚度達(dá)60 mm 圓筒卷制所需油壓壓力。通過不同板材試驗(yàn)后，可以滿足板材厚度20～60 mm、直徑1200～2530 mm卷圓的成型加工，發(fā)生不圓度的尺寸均小于10 mm，表明該方法可行（表1）。如果按每年圓筒加工費(fèi)約60 萬元為基數(shù)，板厚50 mm 以上和板厚50 mm 以下的按1∶2 進(jìn)行計(jì)算，可以有效節(jié)約成本約22 萬元。

表1 板材尺寸和不圓度尺寸mm

5 結(jié)論

本文確定一種對(duì)稱式三輥卷板機(jī)加工成型薄壁圓筒板材的工藝方法，通過三維軟件進(jìn)行模擬和試驗(yàn)分析，結(jié)果表明該方法可以滿足板材厚度20～60 mm、直徑1200～2530 mm 的卷圓成型加工。該方法不僅可以降低因彎矩太大引起的不良影響和生產(chǎn)成本，而且還能提高板材的成型質(zhì)量和工作效率。