对于矫直技术领域中一些认识新区的讨论

崔 甫，杨会林

(东北大学，辽宁 沈阳 110004)



专题综述

对于矫直技术领域中一些认识新区的讨论

崔 甫，杨会林

(东北大学，辽宁 沈阳 110004)

本文对矫直理论的新认识做了论述，重点讨论了矫直过程解析化理论，三步反弯矫直理论，正交相位矫直理论，最佳弹性芯理论，三联矫直理论，分段等曲率反弯矫直理论，弹性压扁与塑性压弯平衡矫直理论，滚压与反弯合成矫直理论，断面大小对矫直影响理论等。

矫直理论；三步反弯矫直；正交相位矫直

0 前言

随着我国经济的快速发展，冶金机械生产能力迅速扩大。但许多缺乏竞争力的矫直设备重复建设现象严重，导致产品同质化竞争。因此，以创新为重点，开发拥有自主知识产权、竞争力较强的矫直设备十分重要；文献[1]介绍了矫直理论认识误区。为了宣传正确的最新矫直理论，本文把主要的具有核心价值的新理论提出来加以讨论。

1 矫直过程解析化的理论

矫直过程解析化理论已经成为矫直过程最根本的认识新区。过去矫直过程中变形与受力的关系一直停留于定性范畴，找不到数理表达方法，现在已经可以利用相对值(比值)的概念把各种矫直过程中的曲率之间关系、弯矩与曲率之间关系、变形与曲率之间关系、能耗与曲率之间关系、反弯矫直与原始曲率之间的曲率关系全部用数理关系表达出来，可以用数值表示矫直结果，矫直技术得到进一步发展，为矫直理论建设打下了科学基础[1]。

2 一步反弯矫直与三步反弯矫直理论的建立

过去的矫直技术文献中已有小变形反弯矫直和大变形反弯矫直的讨论，但未能给出反弯矫直的应用工况，而且认为在压力矫直机或辊式矫直机上都可以采用这两种矫直方法，其实在压力矫直时只应该采用小变形方法，在辊式矫直机上只应该采用大变形方法。现代的矫直理论按矫直反弯曲率比方程式算出的反弯量进行一次压弯便可达到矫直目的，这是纯粹的小变形反弯矫直，只能用于压力矫直机。自从辊式矫直机出现，把单点压弯矫直转变为连续的全部的压弯矫直，只有先按大反弯来统一各种不同的原始弯度，统一弹复后留下的弯度受弹性屈服的约束而形成基本一致的残留弯度，接着对这种统一的残留弯度，按矫直曲率比方程式算出的反弯曲率完成第二步的反弯矫直。由于原始曲率复杂多样再考虑材质的不匀以及尺寸公差等影响，需要增加第三步的补充反弯，取得可靠的矫直效果。所以在连续生产的各种辊式矫直机上都要用三步反弯矫直理论为指导，不过三步反弯不一定就用三个矫直辊进行反弯。从辊式矫直机的发展中确实可以看到最早的矫直机只有五个矫直辊，中间三个矫直辊可以完成三次反弯。后来为了咬入方便在入口处增加一个咬入辊(小压下量)，使辊数增加到六个。后来又为了在出口侧能随机改变压下量以提高矫直精度而又增加一辊，辊数增到七个，七辊矫直机得到广泛认可。辊数在稳定中也有增加，理由很多，但一直无法否定三步反弯矫直的基本原理[1-2]。

3 正交相位矫直理论

设计平行辊矫直机时必须有轴向压弯机构，已经成为惯例，这已表明人们对正交相位矫直原则的默认。条材的实际弯曲有时是很复杂的，从立体解析原理上看任何一种弯曲都可以分解为两个正交平面上的弯曲，如果对这两个分量都加以矫直，条材必然变直，不会再有任何弯曲存在。

正交相位矫直原理在斜辊矫直机上的实现方法要变得复杂。圆材在辊逢中按螺旋相位面旋转前进，而且要求前后相邻二辊所处的螺旋面必须在压弯圆材的同一位置处互成正交关系，以直角正交为例，两个螺旋面在压弯点位置形成十字交叉状态。为了达到这种状态需要两个矫直辊之间的距离必须是四分之一导程的奇数倍才能保证两个矫直辊的方位正交。由于斜辊矫直机的辊距多为固定不变值，故只好用改变辊子斜角的方法来适应辊距与导程之间的硬性关系。但是采用该方法有一些难度，因为辊子的设计斜角要求调节斜角不能与它偏离太多，有时也只能达到近似的正交关系，矫直质量必有降低。

另外在转毂矫直机上要实现正交相位矫直方法也较困难。转毂矫直机中矫直辊(或矫直模)的斜角也多为不可调者，为了适应辊距与导程之间的硬性关系，只好利用盘条直径较细矫直力较小的条件强制改变导程，宁可让条材与矫直辊(或矫直模)之间产生滑动，以保证矫直质量的合格。矫直后条材表面常有明显磨光和擦伤现象，一般不影响交货。为了克服这种强制改变导程的不合理现象，于上世纪90年代研发了异向旋转的双转毂矫直机[3]，也称复合转毂矫直机，前后两个转毂中一个按右螺旋相位面工作，另个按左螺旋相位面工作，两组螺旋相位面每转一周必有二次互成正交机会，每次都可完成正交相位的矫直任务，这种断续的矫直工作正好同压力矫直机的间断性的压弯矫直一样，在两次压弯间距不大的情况下完全可以达到矫直目的[1-3]。

4 最佳弹性芯矫直理论

矫直反弯所允许的弯曲程度即条材芯轴周围的弹性区大小必须以断面形状不受损害为前提，以圆材为例，其弹性区半径(Rt)可占全半径(R)的20%～30%，弹性芯是一个条状的实体。除圆条状外还有方条状、扁条状、六角条状、菱形条状等等，凡是形状不是正方、正扁、正六角等弹性芯其对角线不会等长度，凡是一条对角线偏长的相位面都是塑性变形不充分的相位面必有残留弯曲存在。凡是对角线长度不一致的弹性芯都是由于前后两个矫直辊所处的相位互不正交所造成的结果。由此可知弹性芯不仅面积要小而且通过弹性芯的相位要正交，即弹性芯面积要小，形状要正。

弹性芯对矫直效果的影响可以用有关的曲率比方程式计算出来。以方形条材为例，当其原始弯曲曲率比为C0，反弯所用的曲率比为Cw，断面高度为H，断面中部弹性芯的高度为Ht，其弹区比(或称弹芯比)为ζ=Ht/H。反弯后的弹复曲率比为Cf=1.5-0.5ζ2，弹复后的残留曲率比为Cc=Cw-Cf，矫直时Cc=0，所以Cw-1.5+0.5ζ2=0，或Cw=1.5-0.5ζ2，这个矫直条件中可以改变的因素只有弹芯比ζ，能否矫直或矫直质量高低都取决于ζ值及与其匹配的Cw值。由文献[1]知道ζ=1/(C0+Cw)，故Cw=1.5-0.5/(C0+Cw)2，C0是实测值带入后只有一个未知量Cw，可以解三次方程算出结果。C0与Cw都是已知量之后弹芯比ζ便是可知量，弹性芯的形状及大小都可以明确，矫直质量就可以肯定。理论上矫直都可以达到残留弯曲等于零的效果，但实际上零残弯的质量指标很难达到百分之百。其原因不仅是由于原始弯曲的复杂多样，还应该考虑到弹性芯内存弹性弯矩Mζ=ζ3Mt，与外圈塑性变形金属内的残余应力相平衡的不稳定性。这种不稳定性可称之为弹性芯的隐患，隐患的最大后果就是残余应力全部时效后Mζ弯矩将使条材产生以ρζ=ρt/ζ3为半径的弯曲。因此希望这个弯曲所造成的弯度不超过质量指标，把隐患变成为无害隐患，最佳弹性芯也应该是具有无害隐患的弹性芯。

现用的矫直机都属于反弯矫直设备，而缺少反扭矫直设备，借助反弯过程中金属塑性变形后其原始的扭曲变形也要在屈服状态中失去保存能力，但又没有反扭过正的能力(矫扭能力)，所以弹性芯的扭曲必然保存下来并将影响整个条材的扭曲。以半径为r的圆材为例，其剪切弹性模数为G，剪切弹性极限为τt，其弹性极限扭转角为θt=τt/rG，反弯矫直后弹性芯所保留的扭曲势能将使条材留存θζ=ζ3θtrad/mm的残留扭角，这是最大值。如果原始扭曲为零，反弯变形时也不会产生剪切应力，也不会产生扭转角，也不会产生θζ。凡是具有原始扭曲在矫直后留存的最大扭曲角超过允许值者都应该增设矫扭机构[1-2]。

5 三联矫直理论正在形成

条材的原始状态常常是弯曲与扭曲并存，过去的矫直技术中就包括矫扭技术，常常在矫直机构中增加矫扭机构。但是多数矫直机仍为矫弯，基本没有矫扭能力，造成这种现实状态的原因之一是许多条材在轧制之后的赤热状态下用平行辊道运送中很难造成较大扭曲。原因之二是在矫弯当中由于塑性变形较大，一些轻微扭曲在塑性变形中被进一步消减而达到合格水平。原因之三是大量具有斜压表面的条材，如立放方钢、斜放扁钢、六角钢、三角钢、Z字钢、W字钢等在矫直孔型中可以承受径向及轴向压弯，附带有矫扭作用。所以采用专门矫扭机构的矫直机一直没有被大量应用。但是利用两个正交相位矫弯及沿纵轴方向矫扭的三联矫直工作却一直没有被放弃。

对于没有斜压表面的条材，如工字钢、槽钢、T型钢及钢轨等，既无法进行轴向压弯也无法沿纵轴扭曲。对这类型材最好的三联矫直方法就是采用平立辊综合辊系矫直机并在出口处增设矫扭机构。矫直质量要求越高，三联矫直技术越受重视[1-2]。

6 分段等曲率反弯矫直理论

正交相位矫直理论反映了矫直过程的客观规律，是保证矫直质量的必经之路。但是实行起来给操作人员带来的困难较大，技术要求较高而且容易造成欠矫和漏矫事故。经过多年的探索研究找到了问题的本质，就是采用集中压弯方法所获得的螺旋形塑性变形区呈锯齿形断续的螺旋管状态(参看参考文献[2]中图3-4)，前后两个螺旋管很难保持直角正交状态。但是把集中压弯点改成等曲率压弯区，而且压弯区长度又不小于一个导程时，断续的螺旋管就会变成连续的等厚度的塑性管，从矫直辊逢来出的圆材会获得全长等厚度均匀塑性变形，再也不会出现欠矫和漏矫现象。如果连续通过三个辊逢，第一个反弯半径为ρ1，第二个为ρ2，第三个为ρ3，正好可以满足三步反弯的要求，则此三步等曲率反弯辊逢就可以完全满足矫直要求，与此矫直理论相对应的分段等曲率反弯辊型理论保证了新式二辊矫直机获得矫直一切圆材的能力，开创了斜辊矫直技术的新历史，同时又在新辊形理论基础上研发了双向反弯辊形设计法和切线连接的双向反弯辊形设计法，把二辊矫直能力扩展到一切圆材的双向反弯矫直[1-2]。

7 弹性压扁与塑性压弯相平衡矫直理论

薄壁管矫直所遇到的困难是扁而不弯和扁而不转，不弯、不转无法矫直。希望抗压扁能力越大越好，其方法是加长辊面和管材的接触长度、在辊逢中设置左右导板使管材受到四面压紧，可将其抗压扁能力提高一倍左右。在不增加辊逢长度条件下，将压弯力提高一倍。成功研制的薄壁管二辊矫直机使用较小辊长，对φ160 mm×12 mm长的管材进行矫直，已达到0.4 mm/12 m的质量水平。确定辊长的基本方法就是利用弹性压扁与塑性压弯的平衡方程式算出最小的抗压长度和弯曲长度[2]。

8 滚压与反弯合成矫直理论

圆材在辊逢中进行反弯矫直时其反弯半径必须保证弯曲程度应达到半径的70%～80% 。在既定的辊逢中想矫直细棒时，便会因为弯曲程度不够而达不到矫直目的，利用屈雷斯伽屈服准则便可能成功矫直。由于圆材在辊逢中被压成弯曲状态后，外弯侧的两端受凹辊压力而中央必将产生拉应力，内弯侧的中央受凸辊压力同时也因受弯曲而产生周向压应力。如果在这样的辊内再额外增加压紧力时，外弯侧中央处便要形成垂直压力与水平拉力的平面合成应力，合力大小等于两个分应力绝对值之和，即使每个分应力都未达到屈服极限，但是合成之后很容易达到屈服状态而产生塑性拉伸变形。而内弯侧中央垂直压力与水平压力之合等于两个绝对值之差，即使两个分应力都接近屈服限，但合成之后却要远离屈服状态，而不产生任何塑性变形。结果圆材外弯侧塑性拉伸，内弯侧保持原态，弯曲的中性层由中心线移到内缘，在实质上等于把弯曲变形增大一倍，也等于把曲率半径缩小一倍，还等于把矫直范围向小直径延伸一倍。当原来的矫直范围为d～2d时，现在的矫直能力为d/2～d～2d。所以这种合成矫直理论是很有价值的理论。不过当直径精度要求很高时，一定要注意缩径的影响，一旦缩径超差时可以在矫直前对料径的要求要预留其缩径量。

9 断面大小对矫直质量影响

断面尺寸大小对矫直质量的影响虽然从未提到，但是一直是个客观存在的问题。有些实践经验的科技人员确有越粗越好矫的感觉。从文献[2]中看到直径粗的棒材在同样反弯之后所留下的弹复隐患δζ要比细棒小。其原因是在同样材质(σt和E相同)及不同直径(2r)条件下其弹性极限弯曲半径ρt=Er/σt中，r增大，ρt也增大，弹复隐患的弯曲半径ρζ=ρt/ζ3也必增大，在同样弦长条件下，半径越大所形成的弦高越小，即所留下的弯度越小，也就是矫直质量越高。这就是条材断面越粗越好矫的道理。

10 结束语

随着我国冶金工业快速发展，对矫直产品的质量要求越来越高。发展创新技术的矫直设备十分重要。但许多缺乏竞争力的矫直设备重复建设现象严重。因此，有必要对矫直理论的新认识做了论述，本文重点讨论矫直过程解析化理论，三步反弯矫直理论，正交相位矫直等，并提出双交错辊系矫直机很有发展前途。

[1] 崔甫. 矫直原理与矫直机械(第2版)[M].北京：冶金工业出版社(第二版)，2005.

[2] 崔甫. 矫直技术与理论的新探索[M].北京：冶金工业出版社(第二版)，2014.

[3] 崔甫. 多辊式矫直机发明专利[P].87.1.05049.8，1989.

[4] 崔甫. 对于矫直技术领域中一些认识误区的讨论[J].重型机械，2013(2).

[5] 崔甫. 矫直理论与参数计算(一)[J]. 重型机械， 1985(7).

[6] 崔甫. 矫直理论与参数计算(二)[J]. 重型机械， 1985(8).

[7] 崔甫. 矫直理论与参数计算(三)[J]. 重型机械， 1985(9).

[8] 崔甫. 矫直理论与参数计算(四)[J]. 重型机械， 1985(10).

[9] 崔甫. 矫直理论与参数计算(五)[J]. 重型机械， 1985(11).

[10]崔甫. 矫直理论与参数计算(六)[J]. 重型机械， 1985(12).

[11]崔甫. 矫直理论与参数计算(七)[J]. 重型机械， 1986(1).

[12]崔甫. 矫直理论与参数计算(八)[J]. 重型机械， 1986(2).

[13]崔甫. 矫直理论与参数计算(九)[J]. 重型机械， 1986(3).

[14]崔甫. 矫直理论与参数计算(十)[J]. 重型机械， 1986(4).

[15]崔甫. 矫直理论与参数计算(十一)[J]. 重型机械， 1986(5).

[16]崔甫. 矫直理论与参数计算(十二)[J]. 重型机械， 19866).

[17]崔甫. 矫直理论与参数计算(十三)[J]. 重型机械， 1986(7).

[18]崔甫. 矫直理论与参数计算(十四)[J]. 重型机械， 1986(7).

[19]崔甫. 矫直理论与参数计算(十五)[J]. 重型机械， 1986(7).

[20]崔甫. 矫直理论与参数计算(十六)[J]. 重型机械， 1986(7).

[21]崔甫. 矫直理论与参数计算(十七)[J]. 重型机械， 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，东北大学教授,出版多部矫正理论专著; 发表矫直理论论文30多篇。

TG333

A

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