《压力加工设备》第九章2013-9-矫直机

第9章矫直机9.1弹塑性弯曲的根本概念9.2轧件的反弯矫正原理9.3矫直机的分类和适用性9.4辊式矫直机9.5拉伸弯曲矫直机***轧制产品几何缺陷在轧制生产中，由于轧件温度不均、轧制过程中变形不均、轧后冷却不均及其他因素影响，致使轧制产品出现弯曲等现象，都将其归结为轧制产品的几何缺陷：1．板带材的瓢曲和波浪弯1〕瓢曲——板材的纵横向同时出现浪弯，呈瓢形凸起或凹下；2〕波浪弯——板带材纵向出现的单边或双边浪弯。2．异型材不均匀变形1〕弯曲——由于冷却不均匀导致的侧向弯曲，如钢轨等；2〕扭曲——同样由于冷却原因产生的纵向和横向弯曲组合，如不对称型钢等；**矫直的定义

在金属型材或板材的弯曲部位施加足够大的反向弯曲或拉伸变形，使该部位产生一定的弹塑性变形，当外力去除之后，型材经过弹性回复后到达平直，这一工艺过程就称为矫直。在压力矫直机、辊式矫直机及拉伸弯曲矫直机中，轧件是经过弹塑性反弯后矫平的。为此，应简要介绍弹塑性弯曲的根本概念及轧件的反弯矫正原理。9.1弹塑性弯曲的根本概念

9.1.1轧件的弹塑性弯曲变形轧件在外力矩M的作用下弯曲变形时，中性层以上的各层纵向纤维产生拉伸变形，中性层以下的各层纵向纤维产生压缩变形。轧件中既有弹性变形层又有塑性变形层时的弯曲，称为弹塑性弯曲。

轧件中，各纵向纤维的变形是遵循材料的拉伸一压缩应力、应变规律的。图a是有加工硬化材料的应力-应变曲线。图c为简化后的加工硬化材料的应力-应变曲线，其弹性模量为E=tana，屈服点以上的硬化模量为E1=tanβ。在屈服点以上应力值不随应变值增加的材料称为理想弹塑性材料。炽热状态下的钢材，可近似认为是理想弹塑性体。

随着轧件弯曲变形程度的增大(弯曲外力矩M的增大)，轧件断面上的应力将呈现不同的状态。以下图绘出了弹塑性弯曲阶段，轧件的几种变形状态。为了方便，在图中将应力与应变绘制在断面的两侧。由图可看出，在弹塑性弯曲阶段，随着外力矩的增大，轧件可呈现三种弯曲变形状态：

1)弹性弯曲的极限状态：在外力矩作用下，轧件外表层应力到达了材料屈服限σs，应变为εs。各层纤维都处于弹性变形状态。外力矩去除后，在弹性内力矩的作用下，各层纵向纤维的应变将全部弹性恢复。2)弹塑性弯曲状态：外力矩继续增大，一局部纤维层产生塑性变形。外力矩越大，塑性变形区由表层向中性层扩展的深度也越大。实验与理论分析说明，弹性弯曲时的平断面假设在弹塑性弯曲时仍然有效，断面上各层纤维的应变与其至中性层的距离z成直线关系外力矩去除后，纵向纤维的变形有的只能局部地弹性恢复，轧件中将产生剩余应变和剩余应力。图中，也绘出了有加工硬化材料的轧件弹塑性弯曲时断面上各层纤维的应力状态。3)全塑性弯曲状态(假想的弹塑性弯曲极限状态)：对理想弹塑性材料，这是外力矩增大至使整个断面上各层纤维的应力都到达屈服极限时的假想状态。此时，外力矩到达了最大值。外力矩消除后，各层纤维的变形只能局部地弹性恢复。

由上可知：1)在弹塑性弯曲阶段，随着外力矩的增大，轧件可出现三种弯曲变形状态；2)轧件弹塑性弯曲变形过程由两个阶段组成：在外力矩作用下的弯曲阶段和外力矩去除后的弹性恢复阶段(轧件产生弹性恢复变形)。

9.1.2轧件弹塑性弯曲过程的曲率

1．轧件弹塑性弯曲过程中的曲率变化轧件的弯曲过程可以用其曲率变化来说明。

(1)原始曲率1/r0

轧件初始状态下的曲率称为原始曲率，用1/r0表示。r0是轧件的原始曲率半径。曲率的方向用正、负号表示。当轧件需反弯时，原始曲率的正、负号与反弯曲率的正、负号有关。与反弯曲率方向相同时符号相反；方向相反时，符号相同。1/r0=0时，表示轧件原始状态是平直的。

(2)反弯曲率1/ρ在外力矩M的作用下，轧件强制弯曲后的曲率称为反弯曲率1/ρ。在压力矫直机和辊式矫直机上，反弯曲率是通过矫直机的压头或辊子的压下来获得的。

(3)总变形曲率1/rc它是轧件弯曲变形的曲率变化量，是原始曲率与反弯曲率的代数和，即

1/rc=

1/r0+

1/ρ

使用该式时，应将曲率的正、负号代入。

(4)弹复曲率1/ρy它是轧件弹复阶段的曲率变化量，其数值取决于弹复力矩My。(5)剩余曲率1/r它是轧件弹复后的曲率。如果轧件被矫平，那么1/r=0；假设轧件未被矫平，那么在连续弯曲过程中，这一剩余曲率将是下一次反弯时的原始曲率，即1/ri=〔1/r0〕i+1

下标i是指第i次弯曲。剩余曲率1/r是反弯曲率与弹复曲率的代数差，即

1/r=1/ρ-1/ρy显然，为使剩余曲率1/r=0(即将轧件矫平)，应是1/ρ=1/ρy

式是一次反弯矫正(压力矫正)时，选择反弯曲率1/ρ的根本原那么。2．弹塑性弯曲阶段应变与曲率的关系

9.1.3轧件弹塑性弯曲阶段的外力矩1．外力矩计算式的一般形式

轧件弹塑性弯曲时的外力矩是与轧件断面上各层纤维应力引起的内力矩相平衡的。按照静力矩平衡条件，可写出关于中性层对称的理想弹塑性材料轧件外力矩M的计算式2屈服力矩Mw与屈服曲率1/ρw3．理想弹塑性材料轧件的塑性弯曲力矩Ms与断面形状系数e当轧件弯曲至全塑性弯曲状态时，整个断面上纤维的应力均到达σs，这时，外力矩到达最大值，称为塑性弯曲力矩Ms。4．轧件弹塑性弯曲阶段外力矩M与曲率的关系式(力矩方程)9.1.4轧件的弹复以及轧件弹复阶段的曲率方程在弹塑性弯曲阶段，由于外力矩M的作用，轧件内各层纤维产生变形，形成抵抗外力矩M的弹性内力矩My，其数值与外力矩相等而方向相反，即My=-M。当外力矩消失时，轧件在弹性内力矩鸠My的作用下，产生弹复变形。这时是弹塑性弯曲的第二阶段，即弹复阶段。1．弹复阶段轧件断面上各层纤维应力、应变的变化2．弹复曲率确实定轧件的弹复变形是轧件弯曲时各层纤维贮存的弹性势能的释放，是一个纯弹性恢复过程，其应力与应变呈直线关系。因此，可以用弹性弯曲时曲率与力矩的关系式来计算弹复曲率，ρy=My/EI。考虑到弹复力矩My与外力矩M相等，因此，1/ρy的数值应是ρy=M/EI3、反弯曲率1/ρ该式为1/ρ的三次方程式，为应用方便起见，可采用做图法表示。对于一定的轧件选取假设干1/ρ、1/r值，按上式做得1/ρ与1/r关系曲线。当1/ρw和1/r为时，可从图中查得所对应的1/ρ值，这就是矫直该轧件所需要的反向弯曲曲率。9.2轧件的反弯矫正原理9.2.1具有单值原始曲率轧件的反弯矫正具有单值原始曲率的轧件(如大断面型材、轨梁等)，在压力矫直机上由压头给以适量的反弯曲率反向弯曲后，可以变得平直(1/r=0)。其矫直原那么如上所述，1/ρ=1/ρy。在1/r0的数值和轧件的曲率方程情况下，这一反弯曲率1/ρ是可以定量计算。以理想弹塑性材料矩形断面轧件为例

．具有多值原始曲率轧件的矫正在轧制产品中，除一些大断面轧件具有单值原始曲率的形状缺陷外，多数轧件上的形状缺陷其原始曲率的数值和方向均是不定的{在0～士1/〔r0〕min之间}。对这类轧件的矫正，大多是先采用交变弯曲变形以消除其原始曲率的不均匀度，再逐渐将轧件矫平。轧件上不同方向、不同数值的原始曲率，经过同一个反弯曲率的弹塑性反弯后，其剩余曲率有趋向一致的特性。可称之为剩余曲率差值的收敛特性。有加工硬化材料的轧件，其剩余曲率差值也具有这种收敛特性，只是收敛的幅度要小些。正是轧件的这一特性，使得轧件经屡次交变的弹塑性弯曲后，其剩余曲率逐渐趋向一致，形成单值剩余曲率，进而矫平。轧件经交变弹塑性反弯后剩余曲率差值明显减小的现象，辊式矫直机就是利用这一原理矫平轧件的。9.2.3斜辊弯曲矫直原理斜辊矫直机用于矫直园断面的轧件，在矫直辊的传动下，轧件既转动又轴向移动，近于螺旋前进运动。轧件通过由交错布置的矫直辊所构成的几个弹塑性弯曲矫直单元，各个断面得到屡次弯曲，到达一定程度的矫直。同时，轧件得到不同方向的弯曲，也就能够矫直多方向的弯曲曲率。9.3矫直机的分类和适用性

根据结构特点，矫直机可以分为压力矫直机、辊式矫直机、管棒材矫直机、拉伸矫直机和拉伸弯曲矫直机等几种类型。

1．压力矫直机1〕工作原理：型材安放于活动压头和两固定支点之间，利用一次反弯的方法进行矫正；2〕特点：设备结构简单，效率低，只能矫正简单弯曲，主要用于大型型材补充矫直。

2．辊式矫直机1〕工作原理：型材通过上下两排轴线平行、排列相互交错矫正辊，经过屡次反复弯曲得到矫正；2〕特点：设备结构较复杂，连续工作，生产效率高，主要用于板材和型材矫直。

型材辊式矫直机结构图型材辊式矫直示意图3．管棒材矫直机

工作原理：圆柱形管棒材边前进边旋转，通过上下两排具有特殊形状、轴线相互交叉矫正辊，获得与其轴线对称的平、直管棒材；

特点：矫正辊多采用悬臂式布置，调整和维修方便，连续工作，生产效率高，矫正质量好。〔1〕二斜辊矫直机特点：〔1〕辊子轴线对被矫圆材轴线倾斜放置，〔2〕两个辊在同一段圆材周围工作。原理：靠辊子本身的凹凸辊形弯曲曲率变化使圆材产生反弯到达矫直目的。应用：用于矫直棒材、厚壁管材。优点：使工件得到全长矫直，解决了工件头尾两端的矫直难点。类型：卧式、立式〔2〕转毂矫直机---------旋转反弯式矫直机通过转毂内设备的矫直工具绕工件旋转，使工件〔工件不转〕在前进中得到矫直。旋转矫直工具有多种结构形式，常见的有三种：1〕滑动模转毂矫直机原理：在转筒内设置假设干个孔模，交错布置在工件轴线上，使工件在通过孔模时，产生反复弯曲被矫直。孔模可做成封闭式或开口式。应用：多与剪切机一同组成矫直剪切联合机组，矫直盘条或盘管。缺点：由于孔模与工件之间相对滑动，产生很大摩擦力，磨损严重，工具寿命低。2〕滚动模转毂矫直机滚动模：在孔模外部装上滚动轴承，并使孔模的倾角可调〔华滑动模垂直放置，滚动模倾斜放置〕。孔模与工件根本处于完全滚动状态，消耗于摩擦的能耗明显减小。3〕多斜辊转毂矫直机该矫直机把孔模换成斜辊〔4-8个〕，并按倾斜交错配置。〔3〕平动式〔振动式、万能式〕矫直机通过每个辊组〔矫直头〕之间进行平动〔平移旋转〕使工件断面在前进中沿断面形心轨迹平移旋转而反复弯曲而变直。运动实质：水平振动和垂直振动的合成振动，并形成一种平移的圆形或椭圆形中心轨迹。当互相垂直振动的振幅相等时，形心轨迹为圆形，不相等时为椭圆形。矫直辊系每个辊组由4个辊子构成封闭孔型〔常见方形、六角形、其他异型〕，又称矫直头。最少3组，两侧固定，中间平动。应用：各种断面型材。四、拉伸矫直机〔张力矫直机〕〔1〕钳式拉伸矫直机原理：利用楔形夹钳咬住金属轧件的两端，并施以足够的拉力，使其产生塑性变形，到达矫直的目的。优点：拉伸力是工件断面产生塑性变形之后，各条纵向纤维受力会迅速到达均匀化，所以在卸掉外力之后各条纤维会进行同步弹回，形成平行收缩，内应力无从存在。因此，拉伸矫直的剩余应力最小，直度的稳定性最好。缺点〔1〕只适用于单只工件的矫直，间歇工作，效率较低；〔2〕拉伸变形很容易向局部缺陷处集中，形成边裂；向金属晶界的薄弱处集中形成滑移线，使工艺操作的难度加大。〔2〕辊式拉伸矫直机〔连续拉伸矫直机〕随着世界带材生产技术开展及产量的提高，要求矫直工艺实行连续化，因而出现了辊式连续拉伸矫直机。用于连续矫直薄板带，生产效率高，轧件损失小；拉伸弯曲矫直机五、拉伸弯曲矫直机拉伸矫直与辊式矫直联合作用的矫直方法。9.4辊式矫直机

9.4.1轧件在辊式矫直机上的矫正方案1．辊式矫直机的辊数由于轧件的材质、规格和尺寸不相同，需要反复弯曲的次数也不同，因而辊式矫直机〕的辊数有很大差异。辊数最少的是五辊矫直机。辊数最多的是29辊矫直机，用以矫正极薄带材2、矫正方案在辊式矫直机上，按照每个辊子使轧件产生的变形程度和最终消除剩余曲率的方法，可以有多种矫正方案。为了说明辊式矫直机的矫正过程，只分析两种矫正方案：小变形矫正方案和大变形矫正方案。(1)小变形矫正方案这是矫直机上每个辊子的压下量都可以单独调整的假想矫正方案。矫直机上各个辊子的反弯曲率的选择原那么是：只消除轧件在前一辊上产生的最大剩余曲率(即进入本辊时的最大原始曲率)，使之变平。

(2)大变形矫正方案这是使具有不同原始曲率的轧件经过几次剧烈的反弯(大变形)以消除其原始曲率的不均匀度，形成单值曲率，然后按照矫正单值曲率轧件的方法加以矫平的方案。

9.4.2辊式矫直机压力的计算辊式矫直机的力能参数包括作用在矫正辊上的压力(矫正力)、矫正扭矩和矫直机的驱动功率。作用在矫正辊上的压力可按照轧件弯曲时所需的力矩来计算。此时，将轧件看成是受很多集中载荷的连续梁，这些集中载荷就是各个辊对轧件的压力。它们在数值上等于轧件对辊子的压力(矫正力)。根据轧件断面的力矩平衡条件P1=2M2/t

P2=2〔2M2+M3〕/t

P3=2〔M2+2M3+M4〕/t

P4=2〔M3+2M4+M5〕/t

………….

Pi=2〔Mi-1+2Mi+Mi+1〕/t

Pn-3=2〔Mn-4+2Mn-3+Mn-2〕/t

Pn-2=2〔Mn-3+2Mn-2+Mn-1〕/t

Pn-1=2〔2Mn-1+Mn-2〕/t

Pn=2Mn-1/t

式中t——矫正辊辊距。作用在上、下排辊子上的压力总和为9.4.3辊式矫直机的根本参数辊径D、辊距t、辊数n、辊身长度L和矫正速度v。其中最主要的是D与t。矫直机根本参数的正确选择对轧件的矫正质量、设备的结构尺寸和功率消耗等都有重要的影响。1.根本参数的选择和确定(1)辊距t确实定辊距t是矫直机最根本的参数，确定辊距t时，应该既考虑满足最小厚度轧件的矫正质量要求，又考虑满足矫正最大断面轧件时矫正辊的强度要求。为此，应分别计算最大允许辊距tmax和最小允许辊距tmin。最后确定的辊距t应是tmin<t<tmax(尽量取小值)，而且应圆整至矫直机参数系列中的相应数值。

1)最大允许辊距tmax确实定tmax决定轧件的矫正质量。tmax值过大，轧件难以产生必要的弹塑性弯曲变形。

tmax=0.35hminE/σs

通常，只对板带厚度小4mm的矫正机才校核tmax的条件。因为计算结果说明，当hmin大于4mm时，tmax值远远大于强度条件计算出的tmin值，而t值是应靠近tmin值的选取。2)最小允许辊距tmin确实定辊距越小，对轧件可能产生的反弯曲率越大，矫正质量越高。但t越小，矫正力P越大。故最小允许辊距tmin受工作辊扭转强度和辊身外表接触应力限制。

tmin=0.43hmax〔E/σs〕1/2〔2〕辊径D确实定D与辊距t有一定的比例关系，在辊距t确定后，按比例关系可以确定辊径D并圆整至矫直机参数系列中的数值。辊径D确定后，辊子轴颈及与万向接轴连接处轴颈的强度可按一般强度计算公式校核。辊子上的矫正扭矩按第三辊的计算扭矩(包括摩擦因素)考虑。因第三辊的矫正力P最大。(3)辊数n确实定增加辊数即是增加轧件的反弯次数，这可以提高矫正质量，但也会增加轧件的加工硬化和矫直机的功率。为此，选择辊数n的原那么是在保证矫正质量的前提下，使辊数尽量少。对于薄板矫直机，b/h比值越大，那么瓢曲和浪形的缺陷越严重。应该减小辊距以增加板材的弹塑性弯曲变形。但是往往因为tmin的限制，辊距不能选得过小。为此，常以增加辊数来改善矫正质量。故薄板矫直机的辊数较多。(4)辊身长度L确实定辊身长度L与轧件最大宽度有关，通常

L=bmax+a当bmax<200mm时，a=50mm；当bmax>200mm时，a=100～300mm。对型钢矫直机，在确定辊身长度时，还应该考虑辊身上的孔型数目。(5)矫正速度v确实定矫直机的矫正速度主要由生产率确定，要与轧机生产能力和所在机组的速度相协调。2．辊式矫直机根本参数的系列化标准中规定：辊式板材矫直机的标注方法是

辊数-辊径/辊距×辊身有效长度

辊式型钢矫直机的标注方法是

辊数×辊距9.4.4辊式板材矫直机支承辊结构从用途上区分，辊式板材矫直机可分为厚板材矫直机与薄板、带材矫直机。当辊式矫直机的辊径与辊身长度的比值很小时，如板带矫直机。为提高辊子的强度和刚度，大多设置支承辊。支承辊的布置形式，常见有以下几种：〔1)垂直布置支承辊仅承受工作辊的垂直方向的弯曲。这种布置形式用于辊径与辊身长度之比值较大的矫直机。〔2)交错布置支承辊承受工作辊的垂直方向和水平方向的弯曲，矫正过程中工作辊比较稳定。与垂直布置的相反，多用于工作辊辊径与辊身长度比值较小的矫直机。

〔3)垂直和交错混合布置下排支承辊采用垂直布置形式，此方案可减轻辊间氧化皮对辊面的磨损，从而有利于提高辊子寿命的提高。这种布置形式多用于矫正带氧化皮的热轧钢板。

(4)双层支承辊随着板材厚度的减小，矫直机工作辊辊径和辊距相应减小，支承辊直径受到限制，为加强支承作用和传动能力，增设大直径的外层支承辊并改为内层支承辊(中间辊)传动。

(5)多段支承辊薄板矫直机有时设置多段支承辊，用以调整工作辊的挠度，消除板带的局部瓢曲或单、双边浪形。图示为三段式支承辊矫正方案，其各段支承辊可单独调整压下，沿工作辊长度方向可使带材产生不同的变形，以消除板带边缘或中部的板形缺陷。9.4.5辊式型钢矫直机结构特点(1)无支承辊与钢板矫直机相比，型钢矫直机的辊距和辊径都较大，因此不需要支承辊。〔2〕轴向调整装置每个辊都需要有轴向调整装置，以对正孔型。〔3〕组合辊辊式型钢矫直机的用途是矫正各种规格的工字钢、角钢、槽钢和钢轨。型钢矫直机的辊子上加工了与被矫轧件断面相对应的孔型。为减少矫正辊消耗量，常采用组合式辊子(由心轴和可更换的辊圈组成)。〔4〕开式机架居多闭式型钢矫直机的轴承座装在辊子两侧，其最大优点是能承受较大的负荷。为减少更换轧件品种时的换辊次数，在同一根辊子心轴上常配置有3～4组辊圈。闭式矫直机的主要缺点是换辊很不方便，一般在较熟练的情况下，换一次辊也需要6～8h。此外，这种结构使得操作人员很难观察轧件运行情况。目前，新设计的矫直机已很少采用闭式结构。开式矫直机的辊子在机架的一侧悬臂布置。它的主要特点是操作时易于观察，而且换辊方便。图示是一台8辊1300mm开式型钢矫直机的工作机座。

9.5拉伸弯曲矫直机

9.5.1矫直机根本结构拉伸弯曲矫直机组由张力辊组和拉伸弯曲机座两大局部组成。有很多种布置型式，但最根本的型式是在两组张力辊间装有分开布置的、数量较少的弯曲辊和矫平辊。9.5.2工作原理需求：随着工业的开展，对高强度极薄带材和不锈钢带材的需要量日益增加，同时，对板材平直度的要求也逐年提高。辊式矫直机的局限性：几乎无法矫正高强度合金钢带材的三维形状缺陷(边缘浪形和中间瓢曲等)。连续拉伸机组局限性：1)连续拉伸矫正时，需要使带材产生超过材料屈服限的应力，对较厚较宽的某些合金钢带材，必须施加很大的张力，这要消耗很大的能量；2)矫正脆性材料(屈服限和强度限很接近的材料)时，容易断带，这会造成设备事故。拉弯矫直机工作原理：在张力作用下的带材，经过弯曲辊剧烈弯曲时，产生弹塑性延伸，三维形状缺陷被消除，再经过矫平辊将剩余曲率矫平。拉伸弯曲矫正工艺的矫正原理与拉伸矫直机及辊式矫直机的矫正原理都不相同，它在拉伸带材时所使用的张应力仅是材料屈服限的1/10--1/3，这就克服了连续拉伸机组矫正工艺的缺点。9.5.3拉伸弯曲矫直机的特点1)退火后的带钢经过拉伸弯曲矫正后，机械性能有明显改善，某些性能的改善超过冷平整的效果。2)能消除带材的瓢曲、边缘浪形和镰刀弯等三维缺陷。3)弯曲辊组和矫平辊组均是从动辊，没有驱动装置，因而可与带材同步运动，不会因打滑而擦伤带材外表。4)与辊式矫直机相比，其结构简单，重量轻，维修方便，操作容易。5)与张力矫直机相比，拉伸弯曲机组中带材的张应力小得多，不会断带，也不影响带材质量。6)适用于几乎所有的带材加工作业线和各种金属材料(从屈服限为700MPa的铁镍合金到铝合金和黄铜等)。带材最大厚度已到达10mm，最大宽度达3000mm，矫正速度700m/min，最高可达1000m/min。7)可在酸洗机组中作为机械破鳞装置。对氧化铁皮结合牢固的带材，也可取得良好破鳞效果，从而能降低酸液消耗并显著提高机组速度。用于镀锌机组，可使锌花更细致，镀层更均匀。但是，应该指出，拉伸弯曲矫直机组只能矫正连续带材，不能矫正单张板材，因而尚无法代替矫平单张钢板的夹钳式拉伸矫直机。在弹塑性弯曲状态中，不管弯曲如何剧烈，带材上半断面纤维的拉伸变形总是与下半断面纤维的压缩变形对称发生的，带材的中性层与断面的几何轴线(即中心层)处于同一位置，不会产生偏移。轧件弹复以后，断面上虽然存在剩余应变，但中心层不会产生延伸。9.