二辊矫直机

1．1 二辊矫直机闻介

二辊矫直属于旋转矫直范畴．本世纪初，诞生了第一台连续式矫直机——二辊棒材矫直机(如图1-1所示)。该机器工作部分由一对凹、凸矫直辊构成，成倾斜布置，安装倾角为12．5°．这对矫直辊由一个马达来驱动，工作时，被矫轧件通过凹、凸两辊之间的曲线辊缝，边旋转．边前进，从而实现了连续的、全圆周方向的矫直功能。与其它矫直机不同的是，二辊矫直机是靠凹、凸矫直辊间形成的曲线辊缝来矫直轧件的，所以，不但矫直质量高，且使圆材端部弯曲得到了很好的消除。在它这些优点的基础上，后来又开发研制了用于抛光和校准的精整机。

二辊矫直机适用于矫直棒材，结构简单，调整方便，一经问世就很快发展起来。但是它的工作速度低、工作范围小又阻碍了它发展和应用的速度。然而，其矫直精度高、质量好、圆材头尾损失小、适合高强度合金材矫直的独特优点又是别种机型难以取代的，这又确立了它的存在并在矫直机中占有重要的一席之地，在机械制造、冶金、仪器仪表工业中有着广泛的应用。

为适应生产领域的发展，目前已开发了许多新型的矫直机。这些矫直机从不同角度加强了本机的性能或拓宽了适用范围，部分矫直机的生产已经实现了系列化，标准化。

新的矫直机的出现，矫直技术的发展，必然在诸多方面引起对矫直理论的深入研究。矫直理论的发展集中体现在两个方面：一是基本原理的丰富和完善；二是矫直机结构参数及性能参数计算精度的提高．

本文的主要任务就是设计更合理、更精确的二辊矫直机机架结构。

二辊矫直机辊形曲线的发展

辊形设计是二辊矫直机设计的—个主要内容．设计辊形的主要依据是圆材的直径、圆材矫直所需的反弯曲率和接触区长度、满足产量要求的矫直速度，辊子直径、斜角等。对辊形的研究一直受到国内外学者的普遍重视。

2.1 国外矫直技术研究发展状况。

国外矫直技术发展起步较早，在上个世纪就已经开始研究反弯矫直理论。到了本世纪初，又对圆材的旋转矫直进行了初步研究，并取得了一定的成果。到二十年代，旋转矫直理论已有显著突破，而到了三十年代旋转矫直技术则已经比较成熟了。

矫直技术比较发达的国家如英、美、苏、日、德等国，二辊矫直设备从四十年代起就已经系列化，可矫直圆材外径范围达∮1．5-∮600mm，如英国的ROBERTSON工厂生产五种规格的二辊矫直机，可矫直圆材直径为∮3.2~∮200mm，英国BRONX公司生产的二辊矫直机有PBR、PBRV、BRO三个系列．十个规格，可矫直圆材直径为中∮1，5~∮250mm，日本川副机械公司生产的KVS(立式)及KHS(卧式)两个系列·：辊机，在矫直时可保证圆材断面尺寸不变，操作自动化也较高．在新型设备方面，出现了按理论曲线调整的两辊机，通过预先绘制的标准曲线，操作人员可以方便迅速地对机器进行调整．还有把自动控制技术和过程控制应用到二辊机中，操作人员可以在控制台上实现机器的预调控制，极大地提高了生产率和产品质量．

在矫直理论方面，长期以来，国内外都是应用苏联的近似辊形理论来指导生产、科研及教学活动．山于该理论存在较大的误差，无法满足棒材的生产要求，推动了辊形研究工作的发展。首先由美国的PE．Lilienthal五人推导出解截面切点的“一元四次方程”这一关键公式，解决了高精度辊形的设计难题。苏联的近似辊形理论主要是“双曲线”辊形设计法，“双曲线”辊形设计法采用的是垂直管轴截面法，是在将辊截面图形简化为外切于管截面圆的圆基础上推导出来的。这样截出的辊截面图形是一个类似椭圆的扦形，并把异形简化成椭圆。求外切于已知管圆的这种未知辊截面异形是不可能的，且简化造成了很大的理论误差，使求出的辊半径偏小。

在国外，经过大量的实验，认为最佳二辊辊形是曲率不同的凹形上辊和圆柱或弧形下辊的匹配，这可使矫直机适应不同的任务要求．如西德凯塞林公司的WRPF35／10二辊机和美国专利怯76537 ．79．12．4中的二辊机辊形。

1．2．2 国内矫直技术研究及发展情况

我国在斜辊矫直机的研究方面，五十年代就处于领先地位，七十年代在这方面投入了更多的人力。七十年代末到八十年代初，国内许多学者对辊形曲线设计作了大量的理论和实验研究工作，并取得了相当的成果。刘天明老师就是在这些成果的基础上，对直圆材全接触双曲线辊形的全部研究成果进行归纳分析和系统的总结，提出了高度概括性的意见，给出更简明的计算方法和作图方法．这一阶段我国辊形研究的特点是；一、理论性强．在严谨的数学推导下得出了精确或简化的计算公式，且所采用的计算方法多种多样。如文献[2]中的平面作图——数学分析法，[3]中的内等距曲面法，[4]中的相对运动包络法，[5]中的几何解析法等．二、多数文献是对直圆材条件下多斜辊理论辊形曲线的研究。在这种条件下得出的辊形计算式应用到二辊矫直机中存在两个问题，一是从多斜辊的特点出发产生的辊形不可能全面地反映：：辊矫直机的特点，二是理想的直圆材条件不可能精确代替实际的弯圆材条件下的辊形。这三十多年内国内外在对直园材条件下理论辊形的研究虽然方法和形式多种多样，但都取得了殊途同归的效果，各种不同形式的理论辊形曲线公式均代表着同一条曲线[5]。这一阶段的研究虽然不切合生产中圆材是弯的这一实际，但为后继者的研究打下了坚实基础．

实际生产中不可能用以直圆材与辊面全接触为前提的辊形理论和计算方法来指导生产达到矫直目的，几需矫直必有反弯，反弯量的大小又要随圆材直径及材质而改变。为了使直圆材全接触辊形能适应上述要求，常用调节斜角方怯来达到矫直目的。如果设计辊形不从上述极限状态出发，而从经常生产的圆材尺寸、材质和它所需的反弯曲率出发设计辊形，则生产中辊子斜角调节范围和压下量的调节范围都将缩小，辊子的适用性将扩大。因此合理的辊形应该是使大批量生产的圆材得到足够反弯曲率的辊形。八十年代初，弯圆材条件下辊形曲线的研究成为重点．北京钢铁学院马香峰老师研究了棒材呈弯曲状态时的辊形曲面，将直圆材条件和弯圆材条件下的辊形曲线相统一，为多斜辊矫直机和二辊矫直机的辊形设计提出了统一的计算公式。西安公路学院土传友老师用向量分析法研究了使圆材在

矫直过程中处于弯曲状态，井与矫直辊成线接触的反弯矫直辊辊形计算、加工、调整与惨整方法．东北工学院崔甫教授所著(矫直理论与参数计算》，对二辊矫直机全面系统地进行了分析，建立了一整套设计计算方法，对二辊矫直技术的进一步深入研究具有深刻的指导意义。

二辊矫直机辊形曲线基本理论和计算方法

1．2．3二辊矫直机辊形曲线的研究现状

随着加工手段的提高，对辊形曲线的求解精度提出了更高的要求，而员工程技术人员总是希望获得容易理解、计算简单可靠、使用方便的设计计算方法。

前述各学者提出的矫直辊辊形曲线的精确计算方法均建立在手工计算的基础上，无论经何种变换化简，必然遇到参数方程或高次方程(三角方程)，形式一般较复杂，通常采用迭代法来近似求解【7】。在普通不使用计算机的情况下，高次方程的求解使工程技术人员的工作量特别大。迭代法对中间变量近似迭代，其计算结果的精确度与工艺设计的精度(主要指矫直辊轴线坐标和截面圆半径坐标的精度)之间存在较大误差，难以保证辊形曲线的精确度．

在现代计算机技术已深深介入工业生产的今天，寻求一种适合于计算机应用的辊形曲线的计算方法，对于提高辊子生产效率及辊形精度无疑是很有意义且势在必行的—件工作．二辊矫直机矫直精度高，质量奸，圆材头尾损失小，适合高强度合金材矫直的独特优点是别种机型难以替代的。二辊矫直质量既不取决于辊数，也不取决于辊子配置，而取决于辊形。此辊形的研究可称为二辊矫直机矫直质量最关键、最具有决定性的一环，

2．1二辊矫直机的矫直原理

圆材的矫直是利用旋转原理使圆材沿轴向的纤维产生均匀的弹塑性变形来实现的，也就是要矫直的圆材必须部分地处在塑性状态，以形成一种残余变形，这种残余变形与圆材的原始曲率相反。圆材在辊缝间一边旋转，一边前进并受压产业弯曲，这种弯曲必须使圆材达到足够的塑性变形程度，并且为了获得矫直还要有一定的塑性长度，圆材在该长度内获得必要的旋转次数使圆材任一截而沿呵周方向各条纵向纤维有较均匀的塑性变形。

二辊矫直属于高精度矫直，在矫直原理上有其特殊性。它的矫直过程和矫直原理与多斜辊矫直有很大不同．它的矫直质量既不取决于辊数，也不取决于辊子配置，而取决于辊形．辊形必须保证圆材在凹辊之间获得矫直所需要的反弯曲率，因此不宜采用直圆材全接触的双曲线辊彤．圆材的反弯伞靠它与辊子核触后所形成的接触曲率，而且这个曲率应该由小到大，保持一段等曲率，再由大到小逐渐变化．要达到矫直目的，还必须保证圆材在接触区内获得一定转数。这种矫直机的矫直效果是全程性的，因此鹅头弯的矫直效果比其他矫直方法都好。

2．2二辊矫直机的反弯曲线与辊形曲线

反弯曲线是在矫直过程中，轧件在矫直辊作用下其轴线弯曲所形成的曲线反弯仙线决定了塑性变形长度、有效矫直次数、反弯山率，反映了轧件与辊子接触情况。实践证明它对矫直质量(主要是成品的直线度)具有决定性的影响。矫直机的辊形设计和生产中的调整就是力图得到最有利的反弯曲线．

根据辊子和轧件的接触形式不同，在二辊矫直机上可以形成三朴基本形式的反弯：点接触式、局部接触式、全接触式，如图2—1所示．

图2—l(a)表示了点接触式孔型的辊子和圆材的接触情况及受力简图，当压下量铰小时就形成了这种形式，其反弯曲线可以看作是一个集中力作用下的简支梁的弹塑性变形曲线．由材料力学、塑性力学可分别求出弹性段AD(EB)和塑性段DE的曲线方程，DE段的曲线方程是至今无法求出通解的

二阶非线性微分方程，无法求出曲线的一般方程式，通常用圆弧逼近法来描述。这种孔型的有效矫直长度最短．有效矫直次数少，产品质量不稳定，只在倾角很小的情况下，偶尔采用这种反弯曲线．图2—l(b)中的全接触式孔型是—种理想的孔型，这种条件下的轧件的反弯曲线是强制的变形曲线，棍子对轧件的作用力既不是集中力也不是均布力，其曲率半径方程为：

ρ=ｆ(x)

最典型的反弯曲线是圆弧曲线，曲率半径方程是：

ρ= 常数

强制的圆弧曲线具有最长的变形长度，实际矫直次数最多，产品质量稳定，还可获得较高的表面质量．但为了实现全接触，辊子的设计、制造和调整都比较严格，故当轧件品种单一，生产率要求不高，加工硬化不敏感，表面光洁度要求较高时，采用这种反弯曲线。图2．1（c）是局部接触孔型，这是一种最常见的孔型．轧件在矫直过程中，在两辊中央段，辊子和轧件可以看成是线接触，但在辊子两端，轧件只支承在一个辊子上，受力简图如2—1(c)所示．对中间接触部分ｌ2，，反弯曲线完全由凸辊辊形确定，两端则属于自由变形区，这样一来形成的反弯曲线是相当复杂的，一般用曲线逼近法来描述．这种孔型在矫直时形成三个矫直区域；预矫区、圆弧区，终矫区，它易于得到较稳定而且质量较高的产品，实践证明这是一种较好的反弯变形曲线．应当注意的是接触情况足随着压厂量的不同而变化的，上面讨论的三种接触情况是能够相互转化的，其意义也是相对的，如点接触通过增大压下量可变成局部接触甚至全接触，但设计的起始点不同所产生的矫直效果也不同，如按局部接触设汁的辊子用于通过增大压下量实现全接触式矫直，则辊子对轧件产生过量压陷，使功率增大，超过机器容丛，机架刚度变低，轧件损坏等．虽然适当的压陷作用有助于矫直，但过大的压陷所产生的副作用也是必须考虑的，这还不如一开始就按全接舢设计辊形．反之，按全接触设计的辊子用于通过减少压下量来实现局部接触式娇直，则一方面产品质量要降低，同时造成机器容量的浪费，大大降低了全接触式的优点．

实际生产中，局部接触式辊形在应用中不可避免地有压陷作用的存在，也需要充分利用压陷作用有利的一面，但这种压陷与全接触式的完全不同，它主要是为适应各种尺寸轧件的娇直而做压下量调整时附带的，是局部压下，而不足全程性的．并且，用局部接触式辊子来实现全接触也是不必要的，因为这种孔型所产生的全接触式的接触并不象按全接触设计的辊形所产生的接触情况理想，它达不到全接触孔型的优点，反而可能产生更多的不利情况．

从二辊机反弯曲线的讨论中，还可以看到反弯曲线一般是一条复杂的曲线(除全接触式的圆弧曲线以外)，求出精确的曲线形状往往是困难的，也是不现实的，通常采用各类曲线逼近法近似求出反弯曲线．

本文从以上理论出发，考虑到全接触式和局部接舢式各自的优点，决定先按全接触理想孔型，即辊子工作匡全长为一段等曲率圆弧来设计一种辊形，这就是本章后面提到的单圆弧式；再按局部接触式孔型要求，将反弯曲线假设为由预矫区、等曲率圆弧区、终矫区三段组成的平面曲线来设计辊形，即圆弧切线式．

该十四页了！