二輥矯直滾光機的輥形設計

趙西韓，王仕杰，盧 星，馬 強，劉 磊，周文浩，陳 燦

(1．中國重型機械研究院有限公司，陜西 西安710032;2．陜西省冶金設計研究院有限公司，陜西 西安710032)

二輥矯直滾光機的輥形設計

趙西韓1，王仕杰1，盧 星2，馬 強1，劉 磊1，周文浩1，陳 燦1

(1．中國重型機械研究院有限公司，陜西 西安710032;2．陜西省冶金設計研究院有限公司，陜西 西安710032)

針對傳統的二輥滾光機只有滾光作用，且矯直作用不明顯的問題，提出了一種新的二輥矯直滾光機矯直輥的設計方法，通過改進矯直輥變形區域的組成，使二輥滾光機同時具有良好的矯直和滾光作用。

二輥矯直滾光機;矯直機;二輥滾光機;輥形設計

0 前言

隨著機械工業和國民經濟的發展和技術進步，對鋼材產品質量的要求越來越高。對于管材和圓棒料(以下簡稱圓材)的矯直，就是使圓材在螺旋前進過程中各斷面受到多次彈塑性彎曲變形，最終消除各方向的彎曲和橢圓度。二輥矯直機是圓材后部精整過程中的重要設備，其主要功能是對其進行矯直。圓材在矯直過程中，矯直輥與其線接觸狀態是獲得矯正質量的重要保證。而矯直輥輥形，是按某一基準圓材半徑和基準傾角設計的。相對一定的矯直條件和矯直精度要求，存在著最少彎曲次數允許值，雖然增加彎曲次數可提高矯直精度，但機體的尺寸、重量、加工、維護及能耗等都相應有所增加，因此有必要確定矯直軋件所需的最佳彎曲次數，以便獲得穩定的矯直效果。

1 二輥矯直機的輥形

二輥矯直機亦稱二斜輥矯直機。它的矯直過程與矯直原理和多斜輥矯直機有很大的不同，決定矯直質量的關鍵既不取決于輥數，也不取決于輥子的布置方式，而是取決于輥形，輥形必須保證圓材在兩輥之間獲得所需要的反彎曲率。采用直圓材全接觸的雙曲線輥形對于二輥矯直機而言是無法達到矯直目的的，在設計輥形的時候我們必須首先假設圓材在矯直輥內已經得到了彎曲，因此必須采用彎曲的圓材和矯直輥接觸的曲線為輥形設計曲線。圓材的反彎全靠它與輥子接觸后所形成的接觸曲率來達到矯直反彎的目的，因此在輥形設計過程中，所假設的彎曲圓材的曲率即接觸曲率是否使圓材達到了彈塑性變形是很重要的。要達到矯直的目的，還必須保證圓材在接觸區域內被輥子帶動獲得一定的導程，該導程至少不能少于一圈，以保證圓材各個方向的彎曲都得到了矯直反彎。其等曲率塑性區長度為S，則

式中，D為圓材直徑;α為斜傾余角;N為導程數。

二輥矯直機的矯直效果是全長范圍的矯直，因此對于矯直圓材頭尾的彎曲或者圓材局部彎曲效果比較明顯。多輥矯直機在矯直時，圓材是在接觸區域以外就已經開始彎曲;二輥矯直機矯直時，圓材進入接觸區域以后才開始彎曲，塑性彎曲發生在輥子中央附近，塑性彎曲區域內等曲率塑性區越長，矯直效果越好。一般情況下，在確定矯直輥長度時應保證圓材在矯直塑性區域內轉3～4圈，便可以達到較高的矯直精度。因此確定矯直輥的長度的主要依據是圓材的直徑及矯直速度的要求。而確定矯直輥的長度就(即確定等曲率塑性區)是保證矯直質量，提高矯直速度的關鍵。其矯直速度v為

擴大等曲率塑性變形區的方法是依靠正確的輥形設計及增加輥子長度，減小輥子的傾斜角度(即矯直輥軸線與矯直中心的夾角)。但是在減小輥子傾斜角的同時，卻造成了矯直速度的降低。對于二輥矯直機而言，矯直速度低是限制其發展的關鍵因素之一。二輥矯直機輥形如圖1所示。

圖1 二輥矯直輥形Fig.1 Roll shape of double-roll straighteningmill

2 二輥矯直滾光機

二輥矯直滾光機主要的用途有兩個:一個是矯直;二是滾光。

以矯直為目的的傳統二輥矯直機輥形設計是以凸凹輥為設計原型的。其輥形的等曲率塑性區是由圓材與凸輥的接觸決定的，其輥形的支撐區是由圓材與凹輥的接觸決定的，因此我們在輥形設計的時候一般直接將凸輥設計為中間一段直徑相等，兩端具有一定傾斜角度的簡單輥形;設計凹輥的時候我們保證圓材反彎必要曲率的同時直接將凹輥簡化為圓弧輥形。這一輥形的設計基本上可以滿足矯直質量與矯直效率的要求。

傳統的以滾光為目的的二輥矯直機其曲線為簡單的雙曲線輥形，雙曲線輥形對于二輥矯直機而言，它只有滾光的作用，沒有矯直的作用。為了達到矯直的目的，通常的做法是將其中一個矯直輥的傾斜角度加大，另一個的角度減小，通過改變兩個矯直輥與圓材接觸長度的，使兩個輥子分別起到凸凹輥的作用。但是，由于接觸曲線與實際曲線的差異過大，無法做到圓材與矯直輥的良好接觸，從而導致矯直過程中的圓材失穩，對導板造成嚴重的磨損。

因此，要在一臺二輥矯直機上同時具備矯直和滾光的兩種作用，以傳統的方式是行不通的。如何在一臺設備上實現兩種功能呢，首先必須解決輥形設計問題。如果解決了這一問題，具有雙重功能的新型“二輥矯直機”就可以投入到生產實踐中去了。

3 矯直滾光輥形的提出

對于二輥矯直機的輥形，最初采用的雙曲線輥形，但是雙曲線輥形對于圓材的反彎曲率變化梯度過大，會造成矯直過程的失穩和矯直輥的快速磨損，因此二輥矯直機上出現了擬合圓弧輥形，該輥形曲線是由不同曲率的圓弧組成，以解決曲率變化過大的問題。在這一基礎上，又推出了等曲率圓弧輥形。在生產實踐中，現在大多采用的是簡單易行的擬合圓弧輥形。

在二輥矯直機上之所以可以采用擬合圓弧輥形，是因為其矯直輥的使用角度很小，其真實的接觸曲線與圓弧曲率很接近。在設計中，我們首先求出真實的接觸曲線的曲率，然后根據它來確定圓弧曲率，從而確定矯直輥的曲線。

二輥矯直機的輥形和滾光機的輥形是有比較大的差異的，如圖2所示。在二輥矯直機的矯直輥中間段，圓材和矯直輥是不接觸的，叫做空彎輥形。而對于二輥滾光機的輥形，輥子與圓材全長接觸的長度越長，滾光效果越好，叫做全接觸輥形。怎樣在輥形設計過程中將兩種輥形有效的結合在一起，就成為設計二輥矯直滾光機輥形的關鍵。本文提出了一種新型輥形，該輥形曲線是由矯直區、過渡區和滾光區組成。

由于圓材矯直的等曲率接觸線長度是有凸輥決定的，因此在設計凸輥的時候，盡量保證圓材與輥子的接觸長度即可，在設計中可以將凸輥設計成為中間一段直徑相等，兩端具有一定傾斜度的簡單輥形。為保證圓材在兩個矯直輥之間是等反彎曲率，在設計中一般讓凸輥輥腰處的直徑略小于凹輥輥腰處的直徑，具體的直徑差異應由矯直不同圓材所需要的反彎曲率決定。凹輥的擬合圓弧輥形設計，經過多年的發展，相關設計計算方法已經成熟，本文不再贅述。

對于二輥滾光機，滾光就是對圓材施加足夠的壓緊力，壓緊力應使圓材超過屈服強度，從而提高圓材的表面質量，使圓材表面接近輥子的表面質量，即生產所謂的銀亮材。在提高圓材表面質量的同時，可以起到規圓的目的，所以二輥矯直滾光機的有效載荷遠大于二輥矯直機。

二輥矯直滾光機其輥形的設計，凸輥采用二輥矯直機的輥形設計方法，即將輥形直接簡化為直徑略小的兩端帶傾角的圓柱體，凹輥的設計將其分解為不同的區域，即矯直區、過渡區和滾光區。矯直區即為支撐區，與凸輥結合達到矯直的目的;而將原空彎輥形的空彎區設計成滾光區，使其具有滾光的作用;為使整個輥形具有平滑的過度及等曲率，在矯直區及滾光區之間設計成為過渡區。這樣整個輥形就成為全接觸的接觸輥形，并具有矯直滾光的雙重作用。

圖2 二輥矯直機輥形示意圖Fig.2 Schematic diagram for roll shape of double-roll straighteningmill

4 矯直滾光輥形的設計方法

該輥形接觸曲率半徑是由最小圓材決定的。

其中，E為彈性模量;Rmin為被矯直圓材最小直徑;σs為被矯直圓材屈服極限;K為不考慮原始曲率時，由接觸曲率所造成的彈曲比，一般對于合金鋼圓材取0.3～0.5。

輥形的接觸曲率半徑確定后，依據圓弧輥形計算公式計算在最小規格圓材與最小角度下的和在最大規格圓材和最大角度下計算的接觸曲線，將兩種曲線進行比較，使其重合長度大于圓材的一個旋轉導程，達到輥形優化的目的。

凸凹輥形幾何關系及坐標關系如圖3所示，可得彎曲圓材與矯直輥空間接觸曲線方程為

式中，r為圓材的半徑;α為矯直輥軸線與圓材軸線的夾角;β為一變量，是接觸曲線與垂直軸之間的夾角;ρ為圓材曲率半徑;φ值可由下式得出

給出變量β不同的值，即可通過上述方程計算得出一條輥形曲線。將該輥形曲線近似成一條的圓弧曲線。

對于滾光區的曲線，可以將其設計為雙曲線，為保證圓滑過渡在雙曲線與圓弧曲線之間，采用一條平滑的過渡圓弧將兩條曲線相接即得到近似的矯直滾光曲線。

圖3 凸凹輥形幾何關系及坐標關系圖Fig.3 Geometric relationship and coordinate relationship of convex-concave roll shape

5 結論

二輥矯直滾光機是一種新型的矯直設備，它兼顧了矯直和滾光的雙重作用。由于其矯直精度高，亦可成為精矯滾光機。但它同時避免不了二輥矯直機所固有的缺陷，如矯直速度低、入料要求高等等。此類矯直機主要用在精密銀亮材的生產中，產品的直線度、圓度和表面質量均有了很大提高。隨著輥形研究的突破，相關輔助設備及控制設備的提高，此類矯直機的前景是非常廣闊的。

［1］AM．馬斯基列遜．管材矯直機［M］．北京:機械工業出版社，1979．

［2］王仕杰，盧星，李勤勇等．棒材矯直機設備及工藝論述．冶金設備．2011(特刊1):50-52．

［3］劉志亮．兩輥矯直機輥形參數確定［J］．機械設計與制造，2005(6):25-26．

［4］陳建國，胡大超．二輥矯直機凸輥輥形參數的研究［J］．機械設計與研究，2008(1):100-105．

Roll shape design of double-roll straightening tumbling m ill

ZHAO Xi-han1，WANG Shi-jie1，LU Xing2，MA Qiang1，LIU Lei1，ZHOUWen-hao1，CHEN Can1
(1．China National Heavy Machinery Research Institute Co．，Ltd．，Xi'an 710032，China;2．ShaanxiMetallurgical Design＆Research Institute Co．，Ltd．，Xi'an 710032，China)

A new roll shape designmethod of straightening roll in two-roll straightening tumblemill is proposed since the conventional two-roll tumblingmill only has a function of finishing，but the straightening effectiveness is not obvious．By improving the composition of transmutative region of the traditional two-roll tumbling mill，the new two-roll straightening tumblingmill has better effect in straightening and finishing．

two-roll straightening tumblingmill;straightener;tumblingmill;roll shape design

TG333.8

A

1001－196X(2012)04－0073－04

2012－01－10;

2012－01－28

趙西韓(1970－)，男，中國重型機械研究院有限公司管棒型材裝備研究所高級工程師，從事棒材精整設備及技術研發。