三辊对称卷板机薄壁圆筒成型工艺方法

2022-02-08王广林王新海

设备管理与维修 2022年24期

王广林，王新海，张涛

（陕西国防工业职业技术学院，陕西西安 710300）

1 卷板机概述及工作原理

卷板机是一种将金属板材弯卷成筒体、锥体、曲面体或其他形体的通用成型设备。根据三点成圆的原理，利用工作辊相对位置变化和旋转运动使板材产生连续的塑性变形，以获得预定形状的工件[1-2]。该设备广泛用于锅炉、造船、石油、化工、金属结构及机械制造行业。

卷板机在国外一般以工作辊的配置方式来划分。国内普遍以工作辊数量及调整型式等来分类，一般分为：三辊卷板机（包括对称式三辊卷板机、非对称式三辊卷板机、水平下调式三辊卷板机、倾斜下调式三辊卷板机等）、四辊卷板机、特殊用途卷板机（有船用卷板机、锥体卷板机、双辊卷板机等）[3-4]。

本文主要采用对称式三辊卷板机加工成型薄壁圆柱板材，利用三维软件建模，主要包括液压系统、上辊、下辊、板材及底座（图1）。工作原理为：通过液压缸内的液压油作用，活塞杆使上辊可以垂直升降，下辊作旋转驱动，利用减速机输出齿轮啮合，为卷板提供扭矩，下辊下部有托辊并可调节，上辊呈鼓形状，提高制品的直线度，适用于超长规格各种截面形状圆筒卷制。

图1 对称式三辊卷板机加工成型薄壁圆柱板材

2 操作前准备工作

2.1 操作人员要求

操作人员必须熟悉卷板机的结构性能和操作方法，经过设备管理人员同意后才有资格进行卷板机的卷圆操作。卷圆过程中必须安排两人同时操作，一人负责卷圆过程整体协调，另一人协助工作，卷制圆筒过程中两人必须配合默契，完成整个圆筒的卷制过程。

2.2 调试设备

开机后确定液压系统压力正常、翻倒侧正常合拢，启动卷板机下辊正常旋转，确保各系统运转正常方可进行正常使用。将下辊通过上辊采取目测方式，调整两下辊至平行状态，根据所卷制圆筒的参数将两下辊中心距调整到合适的距离[5]。

2.3 材料要求

材料的各项参数：如材料屈服极限、允许卷制最小直径、材料宽度、材料板厚等符合卷板机允许参数范围；材料的切割边不能有明显的缺陷，钢板表面干净平整、无起层、划痕等影响卷圆的问题；卷圆前材料热处理，如45#钢材，卷圆前必须对材料进行整体退火处理，低碳钢卷圆前一般不进行热处理。

3 薄壁圆筒加工工艺方法

3.1 预弯处理

（1）找正：把卷制材料放置到卷板机上，采用目测方式调整上辊边缘与板材的切割边平行，误差控制在±0.5 mm（图2）。

图2 卷制材料找正

（2）卷制圆弧：将上辊外圆在接触材料表面的基础上再下压15 mm，点动下辊旋转，当材料端头圆弧长度至600～800 mm 时停止下辊旋转，再次下压上辊10 mm，旋转下辊，当材料端头移动至下辊相切位置时停止。重复下压上辊，旋转下辊，直至样板检测预弯板料圆弧基本一致停止预弯操作。在预弯的圆弧与直边要渐变过渡，不允许有死弯现象，避免造成后续校圆困难，另一端头采用相同方法进行预弯（图3）。

图3 预处理后成型

3.2 预弯材料卷圆

在上辊外圆在接触材料表面的基础上再下压15 mm，点动下辊旋转，各辊子旋转正常后可进行连续开动下辊（注意：此环节不允许采用连动档位启动下辊，防止意外事故发生），卷圆过程中操作人员开动卷板机时集中精力，协助操作人员在材料卷到另一端，主操作者视觉盲区时，及时准确做好指挥和配合工作。反复下压上辊卷圆，当两端开口相距800 mm 时减少上辊的下压量，可将每次下压量降至3～5 mm，直至两端头靠拢（图4）。在卷圆过程中，随时观察卷圆材料是否有偏移情况，当偏移量（目测）超过10 mm 时停止卷圆，减少错边量。解决方法是将上辊上升30 mm，圆筒材料完全松动后向相反方向移动材料，再将上辊下压至原来的位置继续卷圆。

图4 预弯材料卷圆过程

卷后圆筒一般会发生不同程度的不齐边情况，解决方法是：将上辊上升5 mm，用3 mm 薄钢板垫入偏移位置下面与下辊接触位置，点动下辊使垫板进入材料与下辊之间，下压上辊3～5 mm，使左右偏移朝对齐方向移动；适当点动下辊使圆弧面对齐（采用样板或直尺测量）合格后点焊相应位置，点焊焊缝不允许有缺陷，点焊位置应牢固、有效。

3.3 焊接处理

整个卷圆过程不能有明显的死弯现象。当卷两端开口合拢时保证两直边平直或者略向内凹（内凹量≤10 mm）即可进行点焊。针对板材材料不同焊接方法不同，以下主要介绍板材为低碳钢和中碳钢两种材料：当为低碳钢如Q235A 时，一般采用CO2气体保护焊焊接，要通过卷板机矫圆的圆筒，焊接时必须对焊缝进行气刨，焊透，焊缝表面余高小于3 mm，焊缝余高均匀，焊缝余高超标要采取打磨等方式去除余高，使之小于3 mm；焊缝均匀，焊缝应无任何表面缺陷；当为中碳钢如45#时，预热焊接后需矫圆，必须在焊接后进行退火处理，卷圆、焊接方法同低碳钢；对于特殊材料，应按具体工艺要求执行。

3.4 矫圆处理

首先把焊完的圆筒吊放在卷板机，合上翻倒侧后，找正圆筒使圆筒中心线与卷板机滚轴中心线平行，并把圆筒置于卷板机中间部位，使卷板机的液压缸受力均匀；然后把圆筒焊缝位置卷至下方，下调上辊，使上辊与圆筒接触。然后，缓慢下压上辊，来回卷动，开始下压量一般不超过15 mm，后续圆筒每滚动一转上辊下压量一般不超过10 mm（参考圆筒滚动一周上辊下压量=直径×板厚/10 000）。矫圆的上辊最大下压量（参考矫圆筒最大下压=直径×板厚/3000）根据实际需要可适当增加或减少上辊下压量，一般不得超过参考值的20%。下压量到位后再滚5 圈左右，使圆筒应力基本均匀后，采用样板测量圆筒内圆靠水平直径偏下（时针七八点钟或四五点钟位置）。待测量一周后，弧度基本一致，就可以上移上辊，原则上缓慢分散上移上辊，每转上升量不大于5 mm，一般2～3 mm。每转在圆周上分3～4 段上移上辊，直至上辊不接触圆筒。最后，用卷尺测量不圆度，不圆度一般在小于10 mm 左右即可认为卷板机矫圆合格，后续需要进行人工矫圆来满足图纸工艺要求（图5）。

图5 矫圆后效果

人工矫圆一般采取火焰加热方式进行矫圆，在矫圆前用样板，结合卷尺测量，标记出最大与最小尺寸和圆弧位置，标记准确明显。对圆弧和尺寸不合格位置用火焰加热，一般厚板采用大能率火焰加热，迅速加热点达到600～700 ℃（低碳钢如Q235），采取点状或线状加热，使钢板厚度方向产生温度差，局部产生变形达到矫圆目的，待加热位置冷却后用样板和卷尺测量，不符合要求则从新进行人工矫圆，使之符合图纸工艺要求。

4 试验分析

经过采用不同板材进行试卷圆筒试验，过程中传动机构无异常情况发生，液压机构压力可以根据所卷板厚（在安全压力下）进行调节，卷板机辊子可以根据需要正常调节油压，完全满足一般直径厚度达60 mm 圆筒卷制所需油压压力。通过不同板材试验后，可以满足板材厚度20～60 mm、直径1200～2530 mm卷圆的成型加工，发生不圆度的尺寸均小于10 mm，表明该方法可行（表1）。如果按每年圆筒加工费约60 万元为基数，板厚50 mm 以上和板厚50 mm 以下的按1∶2 进行计算，可以有效节约成本约22 万元。