新型純張力矯直機(jī)的研究_楊建軍

1、文章編號(hào)：16720121（2013）04002103新型純張力矯直機(jī)的研究楊建軍，石磊，潘恩海，朱蔚（江蘇亞威機(jī)床股份有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225200）摘要：本文介紹了一種新型純張力矯直機(jī)，該矯直機(jī)采用可變凸度矯直輥新技術(shù)，可根據(jù)不同板形缺陷 自動(dòng)調(diào)整輥形，改變張力沿板寬的分布。具有板形控制精確、結(jié)構(gòu)緊湊、使用壽命長(zhǎng)、保養(yǎng)維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。通 過理論研究和實(shí)驗(yàn)研究證實(shí)了此項(xiàng)技術(shù)的可行性。關(guān)鍵詞：機(jī)械設(shè)計(jì)；矯直機(jī)；輥形；板形缺陷；有限元分析中圖分類號(hào)：TG333.2+3文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A1 前言隨著工業(yè)的發(fā)展，對(duì)矯直高強(qiáng)度極薄帶材和不 銹鋼帶材的需求量日益增加，同時(shí)對(duì)板材平直度的 要求也逐漸提高。

2、輥式矯直機(jī)由于結(jié)構(gòu)和輥徑的限 制，幾乎無(wú)法矯直高強(qiáng)度極薄帶材的三維形狀缺陷。 傳統(tǒng)張力矯直機(jī)對(duì)帶材矯直時(shí)，必須施加很大的張 力，需要消耗很大的能量，同時(shí)矯直脆性材料容易斷 帶，造成設(shè)備事故1。拉彎矯直機(jī)雖克服了純張力矯 直機(jī)的缺點(diǎn)，但小直徑輥?zhàn)釉斐蓭Р谋砻娉瘦^大張 力狀態(tài)且分布不均，如經(jīng)下游加工不平衡力會(huì)釋放， 造成帶材變形2。為了解決上述問題，許多學(xué)者和工程技術(shù)人員 都進(jìn)行了研究，如對(duì)矯直理論的新探索3、BWG 公司 的 levelflex 張力矯直技術(shù)4、Ungerer 公司的 AFC 技 術(shù)5等。我公司自主研發(fā)了具有可變凸度矯直輥的新 型純張力矯直機(jī)，此新型矯直機(jī)沒有傳統(tǒng)拉彎矯直收稿日期

3、：2013-01-15作者簡(jiǎn)介：楊建軍（1968-），男，高級(jí)工程師，從事鍛壓機(jī)械的設(shè)計(jì)、研 究與生產(chǎn)機(jī)復(fù)雜的張力輥單元和多元多重式彎曲輥和矯直輥單元，也克服了傳統(tǒng)輥式矯直機(jī)難以矯直極薄帶材 以及張力矯直機(jī)能耗高、易斷帶的缺陷，可根據(jù)板形 改變輥凸度，從而改變張力沿板寬的分布，作用于有 需求的部位。此技術(shù)的運(yùn)用，不但保證了高強(qiáng)度極薄 帶材的矯正質(zhì)量，還延長(zhǎng)了矯直輥的使用壽命。2 矯直機(jī)結(jié)構(gòu)與原理新型純張力矯直機(jī)由入口張力輥組、出口張力 輥組、可變凸度矯直輥組成，如圖 1 所示。出口張力 輥的速度高于入口張力輥的速度，帶材的張力就是 由線速度差產(chǎn)生。張力輥的布置形式和輥數(shù)取決于 帶材所需的最大張

4、力與場(chǎng)地條件。為了避免帶材在 輥?zhàn)由洗蚧?，入口張力輥組和出口張力輥組的輥徑期4第 年3102入口張力輥組可變凸度矯直輥出口張力輥組帶鋼圖 1 矯直機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖!The kinematic analysis of mechanical pressCHEN Qisheng（Shandong Guanhong CNC Equipment Co., Ltd., Zhucheng 262200, Shandong China）Abstract: The kinematics of mechanical press has been analyzed in the text, as well as the

5、displacement, velocity, acceleration of slider-crank mechanism. The symbolic computation function of MATLAB software has been used to obtain the arithmetic solution. The displacement, velocity, and acceleration kinematic curve graph of slider have been drawn. The computation function of MATLAB softw

6、are has been adopted in the design of mechanical press, which is accurate, fast and convenient.Keywords: Kinematics; Mechanical press; MATLAB software21裝 備 EQUIPMENT 是不一樣的。入口輥組的輥徑逐漸增大，出口輥組的輥徑逐漸減小，輥?zhàn)又睆揭来卧鰷p的數(shù)值分別取決 于帶材在入口張力輥組中各輥間的彈性拉伸變形率 和出口張力輥組中各輥間的彈復(fù)率。新型純張力矯直機(jī)的傳動(dòng)如圖 2 所示。入口張 力輥組和出口張力輥組由主電機(jī)驅(qū)動(dòng)，兩個(gè)輥組的入 入

7、出 出 口 口 口 口 張 輥 輥 張 力 組 組 力 輥 輥 組 組 傳 傳 動(dòng) 動(dòng) 箱 差動(dòng)傳動(dòng)箱 箱調(diào)速電機(jī)主電機(jī) 圖 2 傳動(dòng)簡(jiǎn)圖轉(zhuǎn)速差由輔助電動(dòng)機(jī)經(jīng)差動(dòng)機(jī)構(gòu)補(bǔ)償。差動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū) 動(dòng)組成了閉環(huán)傳力系統(tǒng)，比兩個(gè)輥組采用單獨(dú)傳動(dòng) 方式可節(jié)省功率，也 簡(jiǎn) 化 了 控 制 系 統(tǒng)?？勺兺苟瘸C直 輥 是 從 動(dòng) 輥 只 有 一個(gè)，沒有驅(qū)動(dòng)裝 置，因而可與帶材同步運(yùn)動(dòng)，不會(huì)因 打 滑 而 擦 傷 帶 材 表面。3 矯直輥結(jié)構(gòu)與原理外套 內(nèi)圈 密封圈輸入、輸出管 比例調(diào)壓閥 液壓泵可變凸度矯直輥是整個(gè)機(jī)組最關(guān)鍵的部位，其 取代傳統(tǒng)式拉彎矯直機(jī)的彎曲輥與矯直輥，通過改 變矯直輥的凸度作用于有需求的帶材部位

8、，增加帶 材的延伸率矯直帶材。因此避免了小直徑彎曲輥高 速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)刮傷板材的危險(xiǎn)和需要經(jīng)常保養(yǎng)的缺陷。 可變凸度矯直輥主要由液壓泵、比例調(diào)壓閥、輸入、 輸出管、密封圈、內(nèi)輥、外套等組成，其中密封圈沿板 寬方向?qū)⒊C直輥分為多個(gè)獨(dú)立的腔室，如圖 3 所示。圖 3 可變凸度輥簡(jiǎn)圖由板形檢測(cè)裝置測(cè)到即將進(jìn)入矯直機(jī)的帶材板 形，輸入控制系統(tǒng)后控制相應(yīng)的比例調(diào)壓閥開啟，使壓力油進(jìn)入相應(yīng)腔室使之膨脹，以達(dá)到精確控制輥期4第 年3102形。矯直輥膨脹后的形狀可呈現(xiàn)凸形、凹形、圓錐形 以及更為復(fù)雜的形狀。矯直輥外徑為 800mm，膨脹 范圍可控制為 0400m。圖 4 為矯直瓢曲板形缺陷 的矯直輥凸度變化示意圖。

9、4 理論與實(shí)驗(yàn)研究以矯直 800mm 板寬的矯直機(jī)為例，其他板寬的密封圈內(nèi)圈外套輸入、輸出管圖 4 矯直輥凸度變化示意圖矯直機(jī)有很好的類似性。此矯直機(jī)的送料速度為帶材 矯直輥300m/min，輥形對(duì)板形的響應(yīng)速度短于 1s，拉伸帶 材時(shí)張力值為材料屈服極限的 1/101/3。通過非線 性有限元軟件 MARC 按照實(shí)際工況建立矯直有限 元模型，如圖 5 所示。模擬帶材中比較常見的邊浪、 中浪及瓢曲的矯直過程，分析張力沿帶材寬度方向 分布。此時(shí)根據(jù)板形，該矯直輥的輥面形狀如圖 6 所 示，矯正中浪板形缺陷時(shí)為凹面輥形，矯正邊浪板形 缺陷時(shí)為凸面輥形，矯正瓢曲板形缺陷時(shí)為邊凸輥形。（a）中浪（b）邊

10、浪（c）瓢曲圖 5 矯直有限元模型圖 6 矯直原理圖由軋制理論可知，在帶材坯料板形良好的條件 下，帶材波浪或瓢曲的產(chǎn)生，主要決定于帶材軋制時(shí)縱向延伸量的不均勻程度。例如，中浪是由于軋制時(shí)帶材中部縱向延伸量較大，兩邊的縱向延伸量小。邊 浪是由于兩邊縱向延伸量較大，中部縱向延伸量較 小。瓢曲是由于一邊的縱向延伸量較大，另一邊的縱 向延伸量較小6。因此矯正帶材中浪缺陷需要帶材兩 邊的縱向延伸量大于中部的縱向延伸量，減小中部 與邊部縱向延伸量的差值，也就是需要帶材的縱向 張力應(yīng)力由邊部向中部逐漸減小。矯正帶材邊浪缺 陷需要帶材中部的縱向延伸量大于兩邊部的縱向延 伸量，減小中部與邊部縱向延伸量的差值，也

11、就是需 要帶材的縱向張力應(yīng)力由邊部向中部逐漸增大。矯22正帶材瓢曲需要帶材非瓢曲部分的縱向延伸量大于瓢曲部分的縱向延伸量，減小兩者縱向延伸量的差 值，也就是需要帶材的縱向張力應(yīng)力從瓢曲部分到 非瓢曲部分逐漸增大。2000中浪1800邊浪1600瓢曲P 1400aM力 1200/應(yīng) 10008006004000200400600800板寬/mm由圖 7 有限元分析的縱向拉伸應(yīng)力沿板寬的分 布圖可知，矯正帶材中浪缺陷時(shí)縱向拉伸應(yīng)力由兩 邊向中部減小，矯正帶材邊浪缺陷時(shí)縱向拉伸應(yīng)力 由兩邊向中部增大，矯正帶材瓢曲缺陷時(shí)縱向拉伸 應(yīng)力由非瓢曲邊向瓢曲邊逐漸減小。此縱向拉伸應(yīng) 力的分布與帶材缺陷矯正的理

12、論完全相符，因此理 論上此輥形的調(diào)整完全可行。圖 7 拉伸應(yīng)力沿板寬分布曲線為驗(yàn)證實(shí)際矯正效果，通過在某鋼廠精整車間 半年的使用和在線測(cè)試，該設(shè)備能精確矯正高強(qiáng)度極薄帶材的瓢曲、邊浪、中浪等三維缺陷，并且?guī)Р?的機(jī)械性能有明顯改善，質(zhì)量完全達(dá)到客戶要求。5 結(jié)論新型純張力矯直機(jī)與傳統(tǒng)的拉彎矯直機(jī)和拉伸 矯直機(jī)相比有如下優(yōu)點(diǎn)：（1）采用可變凸度矯直輥新技術(shù)，可根據(jù)不同板 形缺陷自動(dòng)調(diào)整輥形，改變張力沿板寬的分布，作用 于有需求的部位，因此板形控制精確。（2）傳統(tǒng)拉彎矯直機(jī)組含有的小直徑輥?zhàn)有杞?jīng)常保養(yǎng)，在高速時(shí)有噪聲高、易振動(dòng)等問題，純張力矯直機(jī)的大直徑矯直輥代替了小的矯直輥與彎曲 輥，避免了此問

13、題。（3）傳統(tǒng)拉彎矯直機(jī)需要輥?zhàn)忧謇硐到y(tǒng)，而清理 系統(tǒng)含有易燃物，需防火安全系統(tǒng)。純張力矯直機(jī)無(wú) 需輥?zhàn)忧謇硐到y(tǒng)，亦無(wú)需防火安全系統(tǒng)。（4）傳統(tǒng)拉彎矯直機(jī)矯直帶材時(shí)，帶材經(jīng)彎曲輥 瞬間劇烈彎曲產(chǎn)生塑性延伸，易造成帶材內(nèi)部形成 殘余應(yīng)力且?guī)Р脑谡麄€(gè)寬度方向張力呈現(xiàn)不平衡狀 態(tài)，帶材如經(jīng)下游加工此內(nèi)應(yīng)力會(huì)釋放出來(lái)造成帶 材變形。純張力矯直機(jī)矯直時(shí)，由于帶材經(jīng)過可變凸 度矯直輥纏繞角度大于 240°（圖 1），帶材塑性延伸 時(shí)間大大延長(zhǎng)，因此帶材內(nèi)部殘余應(yīng)力較小。（5）傳統(tǒng)拉彎矯直機(jī)和拉伸矯直機(jī)穿帶困難，而 本機(jī)則無(wú)此問題。通過理論與實(shí)驗(yàn)研究證實(shí)，該矯直機(jī)能明顯克 服傳統(tǒng)矯直機(jī)矯直高強(qiáng)度極

14、薄帶材矯直效果差、容 易斷帶等缺陷，具有板形控制精確、結(jié)構(gòu)緊湊、使用 壽命長(zhǎng)、保養(yǎng)維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。隨著對(duì)帶材矯直質(zhì)量 要求的提高，該項(xiàng)技術(shù)必將具有廣闊的市場(chǎng)前景?！緟⒖嘉墨I(xiàn)】1 鄒家祥.軋鋼機(jī)械M.北京：冶金工業(yè)出版社，2011.2 周鴻章，謝水生.現(xiàn)代鋁合金板帶M.北京：冶金工業(yè)出版社，2012.3 井永水，竇忠強(qiáng)，等.矯直理論新探索計(jì)J北京科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2002，24（7）：64-66.4 BWG 公司.交流資料.2005-2010.5 Ungerer 公司.交流資料.2005-2010.6 冶金工業(yè)部有色金屬加工設(shè)計(jì)研究院. 板帶車間機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)M，北京：冶金工業(yè)出版社，1983.7 管

15、 俊，蔣國(guó)美，等.薄板開卷線中矯直機(jī)結(jié)構(gòu)探討J鍛壓裝備 與制造技術(shù)，2011，46（3）：10-13.8 原加強(qiáng).輥式矯平機(jī)的一種新型傳動(dòng)方式J鍛壓裝備與制造技 術(shù)，2011，45（5）：23-28.期4第 年3102Study on a new type of pure tension levelerYANG Jianjun, SHI Lei, PAN Enhai, ZHU Wei（Jiangsu Yawei Machine Tool Co., Ltd., Yangzhou 225200, Jiangsu China）Abstract: A new type of pure tension leveler has been introduced in the text. The pure tension leveler has a flexible roll, which can change roll shape automatically according to defects of strip, thus in this way the stress in the strip can be better distributed. The pure tension leveler also has lots of advant