薄板矫直机性能特性分析

赵 岽 吴庆君

(1.太原重工股份有限公司矫直机研究所，山西030024；2．淮南市石油化工机械设备公司技术部，安徽232033)

设 计

薄板矫直机性能特性分析

赵 岽1吴庆君2

(1.太原重工股份有限公司矫直机研究所，山西030024；2．淮南市石油化工机械设备公司技术部，安徽232033)

结合矫直原理分析了薄板的矫直特点，介绍了薄板矫直机辊系参数、矫直方案、矫直精度与力能参数的选择与计算。

矫直机；矫直方案；矫直精度；力能参数

对于辊式矫直机来说，高精度薄板的矫直是比较困难的。因为板材越薄，屈服强度越高，矫直精度越高，所需的矫直辊数量越多，辊径越小。由于矫直辊数量的增多，辊径、辊距的减小，在设计各辊单独调整的压下装置时受到机械强度和空间尺寸的限制，从而形成了上排矫直辊整体倾斜的调整方式，并由此自然形成了辊缝值线性递减压弯矫直方案。在矫直机的设计与使用中，重要设计参数与工艺参数的辊缝值、矫直精度与矫直力能等都应与该矫直方案相适应才具有实际指导意义。

1 薄板矫直机辊系参数特点

矫直机辊径和辊距值之间有着密切的联系，保持一个比较固定的比例。在保证矫直质量和辊子强度条件下应选择小一些的辊距值。

以下以一台矫直板材厚度为0.4 mm～0.8 mm的高精度薄板矫直机为例进行介绍。

1.1 矫直板材性能与规格要求

矫直板材料：合金钢板材

板材宽度b/mm：800～1500

板材厚度h/mm：0.4～0.8

板材屈服强度/MPa：250～400

矫直速度v/m·s-1： 0～1

1.2 矫平精度要求

矫平精度/mm·m-1: ≤2

1.3 矫直辊规格计算

(1)按满足最薄规格板hmin=0.4 mm的矫直质量计算最大辊距值tmax为：

式中，E为 钢质弹性模量，E= 2.1×105N/mm2；C2为第2辊下轧件的相对反弯曲率3～5，取C2=4；σs为板材屈服强度，取σs=400 MPa。

(2)按满足最厚规格板材hmax=0.8 mm的矫直辊扭转强度计算最小辊距值tmin为：

式中，μ为矫直辊与轧件之间的摩擦系数，取μ=0.2；c为矫直辊辊颈d与辊径D的比值，取c=0.6；[τ]为矫直辊材料60CrMoV许用剪切应力，取[τ]=180 MPa；ψ为矫直辊径D与辊距t的比值，取ψ=0.94。

(3)由于薄板的矫直力较小，对于厚度小于1 mm的薄板无需按接触强度进行最小辊距的计算，也无需进行矫直辊弯曲强度的验算。

结合以上计算结果，按实践经验并参照JB/T 1465.1—1999标准《辊式板材矫正机基本参数》选取矫直辊规格：辊径D=30 mm，辊距t=32 mm。

薄板矫直机所选矫直辊距应接近于满足薄规格板材矫直质量的最大辊距值，一方面造成高强度薄板矫直比较困难，另一方面加大的矫直辊压下量也会降低板材的咬入条件，故在矫直辊系的入口侧需要增设夹送辊装置，以改善板材的咬入条件。

2 薄板矫直方案的选择

矫直辊数量的增多，辊径与辊距的减小，在设计各辊单独调整的压下装置时受到机械强度和空间尺寸的限制而难以进行，所以薄板矫直机多采用下排矫直辊固定，整排上矫直辊倾斜调整，在上、下排矫直辊间形成夹角为α的倾斜量，并由此形成辊缝值线性递减的压弯矫直方案，如图1所示。

图1 辊缝值线性递减压弯矫直方案Figure 1 Bending straightening scheme with roll gap value linear decreasing

轧件在各辊下的压弯量逐渐减小是辊缝值线性递减压弯矫直方案的一个重要特点。当此方案采用小变形原则进行矫直时，虽然可以精确计算压弯量数值，但由于矫直辊径小，刚度低，不但很难调准压弯量，而且还不利于侧弯与扭曲弯的矫直，因此需按大变形原则进行矫直，即缩小残留曲率差值，尽量加大前3辊的压弯量，使轧件各部分的相对反弯曲率在前3辊均达到3～5，使残余曲率的不均匀性迅速缩小，有助于波浪弯的矫直，以后各辊对轧件的反弯曲率逐渐减小，近似于线性变化；轧件在第n-1辊处的变形量最小，基本属于弹性变形而趋于平直，达到在消除原始曲率不均匀性的同时将轧件矫直。

因矫直机的下排矫直辊固定，上排矫直辊整体可调，采用辊缝值线性递减压弯矫直方案只需调整好位于上排的入口端第2辊与出口端第n-1辊的压弯量，就可以完成全部矫直辊缝值的设定，具有辊缝调整方便快捷的优点。其反弯原则为：在前3辊处使轧件各部分的相对反弯曲率均达到3～5，在第n-1辊处仅发生弹性变形。

3 薄板矫直机辊缝值的设定

通过正确计算压弯量来设定辊缝值是制定矫直工艺的重要依据，决定着矫直质量的高低，压弯量的计算必需与选定的矫直方案相适应。

以矫直最薄规格板材为例进行说明，取板材最大相对原始曲率C0=3。

3.1 第n-1辊处的压弯量

第n-1辊处仅发生弹性变形所需的压弯量δ(n-1)为：

厚度为0.4 mm板材的弹性极限挠度δt0.4为：

辊系内零弯矩点到压力作用点间的距离l为：

l=0.25t=8 mm

3.2 第2辊处压弯量

第2辊处残留曲率比CC2为：

第2辊处压弯量数值δ2为：

至此得出上排的入口端第2辊与出口端第n-1辊的压弯量，按以上计算结果可进行上排矫直辊压下量的调整，完成辊缝值设定。

4 薄板矫直精度与矫直辊数

在辊数的计算时，可将第3辊后的残余曲率CC3作为第4辊的原始曲率C04，从第4辊开始先按小变形矫直方案计算得出辊数，再加上前3辊和不起矫直作用的最后1辊作为矫直机的辊数，再按此辊数验算矫直精度。

4.1 按最薄规格板材计算矫直辊数n

4.1.1 第n-1辊处的相对残留曲率CC(n-1)

首先根据板材矫平精度≤2 mm/m的要求，认为第n-1辊处的相对残留曲率CC(n-1)是由第n-1辊经反弯弹复后的残留曲率产生的。此时1 m长的轧件的挠度值δ为2 mm，按弦高公式计算此矫直精度对应的残留曲率ρC(n-1)为：

ρC(n-1)=1.6×10-5mm-1

第n-1辊处的相对残留曲率CC(n-1)为：

厚度0.4 mm板材的最小弹复曲率1/ρw为：

4.1.2 第n-2辊处的最大相对残留曲率CC(n-2)

第n-2辊处的残留曲率CC(n-2)将作为第n-1辊的原始曲率C0(n-1)进行小变形矫直。在小变形矫直中，第n-1辊处的相对反弯曲率是以CC(n-2)被矫直为原则设定的，而原先平直的部分经反弯弹复后成为上述第n-1辊处的最大残留曲率即CC(n-1)。

可通过小变形残留曲率方程(12)和矫直曲率方程(13)，选代表性数据进行计算并作出CC-C0曲线图，如图2所示。

图2 小变形CC-C0曲线图Figure 2 Small deformation CC-C0 curve

根据CC(n-1)=0.001 68，由图2得出C0(n-1)=0.014，即CC(n-2)=0.014。

4.1.3 第4辊相对残留曲率

第4辊到第n-1辊各辊间相对残留曲率的递减率△CC为：

按小变形矫直方案计算第4辊的相对残留曲率CC4。当轧件原始曲率具有双向弯曲时，第2辊只起到使轧件变成同向弯曲的作用，第3辊后得到均一的残余曲率，第3辊后的残余曲率CC3作为第4辊的原始曲率C04=CC3=2.11(见表1中CC3计算值)，由图2得出在小变形矫直方案下的CC4=0.2。

4.1.4 矫直机所需要的辊数

矫直机所需要的辊数n为：

因矫直辊为上下排交错排列的单数辊，另考虑到板材最大相对原始曲率C0可大于3，为提高矫直精度，取矫直辊数n=23。

4.2 按大变形方案矫直最薄规格板材验算矫直精度

按以上矫直辊数、相对原始曲率、压弯挠度比，验算矫直0.4 mm厚度板材在各矫直辊下的曲率变化见表1。

表1中各相对曲率数值的正负号代表曲率的方向。

表1 矫直0.4 mm厚度板材在各矫直辊下的曲率变化Table 1 Curvature variation of plate with thickness 0.4 mm under different straightening rolls

图3 矩形材曲线图

由表1可以看出，经矫直后第22辊相对残余曲率CC22为0，满足矫直精度要求。由于第7辊的CC7>1，表明第2辊到第7辊的矫直阶段属于大压弯矫直阶段，第7辊以后的矫直阶段属于小压弯矫直阶段。

5 矫直力能参数

矫直机的力能参数包括矫直力、矫直力矩及传动功率。力能参数的准确确定对设计新矫直机和强化现有矫直机的工艺过程都具有重要意义，力能参数的计算必须符合相应矫直机的结构型式和矫直方案。

按最厚规格板材hmax=0.8 mm计算力能参数。

5.1 各辊矫直力绝对值之和

各辊矫直力绝对值之和∑F为：

厚度0.8 mm板材的弹性弯矩Mt0.8为：

Mi为各辊对板材的相对弯曲力矩，即各辊弯曲力矩M与轧件弹性弯矩极限值Mw的比值，其在数值上等于相对弹复曲率Cf，见表1所示。

5.2 矫直辊总传动力矩

在矫直力作用下，矫直辊总传动力矩T包括辊面与轧件间的摩擦阻力矩、滚动轴承的摩擦力矩与轧件塑性变形阻力矩。矫直辊总传动力矩为：

式中，d为矫直辊颈直径，d=18 mm；f为轧件与辊面的滚动摩擦系数，0.2 mm～0.4 mm，取f=0.4 mm;μ为轴承摩擦系数，0.005～0.01， 取μ=0.005;ut为厚度0.8 mm板材的弹性极限变形能，

C∑P为各辊相对总反弯曲率C=C0+Cw的平均值，根据表1数值计算得出C∑P=3.08。

5.3 最大单辊矫直力

按第3辊计算最大单辊矫直力F3为：

M3为第3辊对板材的相对弯曲力矩，其在数值上等于相对弹复曲率Cf3(Cf3见表1所示)。

5.4 传动力矩

计算第3辊的传动力矩MC3为：

矫直辊轴头扭转应力τ的校核：

式中，K2为轴头键槽应力集中系数，K2=2.8。

5.5 驱动功率

计算驱动功率N为：

式中，η为传动效率系数，0.7～0.9，取η=0.9；T为矫直辊总传动力矩，T= 0.42 kN·m；D为矫直辊直径，D=0.03 m；v为矫直速度，v=1 m/s。

6 结论

高强度薄板的矫直比较困难，通过以上分析得出的辊缝值线性递减压弯矫直方案和与之相适应的工艺参数与力能参数计算，符合薄板矫直的实际情况，为薄板矫直机的结构设计和生产使用提供了正确的理论依据。

编辑 陈秀娟

Analysis on the Characteristics of Thin Plate Straightening Machine Performance

Zhao Dong,Wu Qingjun

The characteristics of thin plate straightening have been analyzed based on the principle of straightening.This paper introduces the selection and calculation of roller system parameters,straightening scheme,straightening precision and force-energy parameters of thin plate straightening machine.

straightening machine; straightening scheme; straightening precision; force-energy parameters

2016—10—06

TG333.2+3

B