四輥卷板機(jī)圓柱體板材加工工藝方法

＊王秋實(shí) 張秋瑞 張新 連軍 張志銘

（渤海造船廠集團(tuán)有限公司 遼寧 125000）

1.滾彎成型理論過(guò)程

四輥卷板機(jī)，在滾彎不同尺寸的板材上有不同的滾彎過(guò)程，但其工作原理基本相同。上下輥為主動(dòng)輪，兩側(cè)輥為從動(dòng)輪，上下兩輥對(duì)板材作用的力產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)，側(cè)輥對(duì)板材的切向力產(chǎn)生摩擦阻力，方向?yàn)檠刂邢蛭灰品较虻姆捶较颉L彎時(shí)，上下兩輥將板材夾持，保證板材在輥摩擦力的帶動(dòng)下發(fā)生連續(xù)穩(wěn)定的彎曲變形。

2.四輥卷板機(jī)三個(gè)輥工作滾彎成型過(guò)程受力分析

四輥卷板機(jī)，其工作原理為使板材三點(diǎn)受力成圓。左側(cè)輥上升與預(yù)彎卷制后的板材接觸，預(yù)彎卷制后的板材具有一定的曲率，因此左側(cè)輥的位移與預(yù)彎時(shí)的右側(cè)輥位移量不相同，圖1中A為上輥與板材接觸點(diǎn)，B為下輥與板材接觸點(diǎn)，四輥卷板機(jī)在工作過(guò)程中的力學(xué)形式類(lèi)與非對(duì)稱(chēng)三輥卷板機(jī)相似，當(dāng)板材右端在上下輥的驅(qū)動(dòng)下運(yùn)動(dòng)到A點(diǎn)附近后，需要下降左側(cè)輥上升右側(cè)輥，反復(fù)的升降左右側(cè)輥直到圓弧達(dá)到工藝要求。如圖2因?yàn)樯舷螺亴宀膴A緊板材有自身的重力因素，當(dāng)左側(cè)輥完全卸載后，板材的重心和上下輥形成了一個(gè)杠桿的現(xiàn)象，同時(shí)形成的彎矩，彎矩時(shí)引起彎曲變形的主要因素。因?yàn)橥饬Υ筮^(guò)板材的屈服強(qiáng)度板材在靠近B端會(huì)發(fā)生塑性變形，影響圓弧的成型質(zhì)量。

圖1 三個(gè)工作輥板材受力的彎矩圖

圖2 左側(cè)輥下降板材自重的彎矩圖

3.四輥卷板機(jī)四個(gè)輥工作滾彎成型過(guò)程受力分析

四輥卷板機(jī)，四個(gè)輥工作其工作原理為使板材受到兩個(gè)三點(diǎn)受力成圓。左側(cè)輥上升與預(yù)彎卷制后的板材接觸，預(yù)彎卷制后的板材具有一定的曲率，因此左側(cè)輥的位移與預(yù)彎時(shí)的右側(cè)輥位移量不相同，同時(shí)右側(cè)輥也上升到與左側(cè)輥相同的高度。圖3中A為左側(cè)輥與板材接觸點(diǎn)，B和C為下輥與板材接觸點(diǎn)，D點(diǎn)為右側(cè)輥與板材的接觸點(diǎn)。四輥卷板機(jī)四個(gè)輥輥彎過(guò)程中的力學(xué)形式類(lèi)與兩個(gè)非對(duì)稱(chēng)三輥卷板機(jī)，當(dāng)板材在上下輥的驅(qū)動(dòng)下運(yùn)動(dòng)到B點(diǎn)或C點(diǎn)附近后，不需要下降左側(cè)輥和右側(cè)輥，可以直接提升左右側(cè)輥的高度，直到板材圓弧滿(mǎn)足工藝要求。如圖3因?yàn)樯舷螺亴宀膴A緊板材有自身的重力因素，板材的重心和上下輥形成的杠桿現(xiàn)象，因?yàn)樽笥覀?cè)輥沒(méi)有完全卸載，左右側(cè)輥的A和D點(diǎn)起到了支撐作用，減小了使板材自重的彎矩，也就消除了板材自重對(duì)板材彎曲變形的影響。因?yàn)樽灾氐膹澗匦∮诎宀牡那?qiáng)度板材在靠近A和D端不會(huì)發(fā)生塑性變形，同時(shí)保證了板材的成型質(zhì)量。

圖3 四個(gè)輥工作板材受力的彎矩圖

4.四輥卷板機(jī)兩個(gè)加工工藝方法的區(qū)別

四輥卷板機(jī)三個(gè)輥工作與四輥工作板材受力的區(qū)別，由圖1可知四輥卷板機(jī)三個(gè)輥工作時(shí)，是上工作輥和下工作輥和一個(gè)側(cè)工作輥組成一個(gè)力系，板材在變形區(qū)受到一個(gè)外力的作用下發(fā)生塑性變形。由圖3可知四輥卷板機(jī)四個(gè)工作輥工作時(shí)，是由上工作輥和下工作輥同時(shí)還有兩個(gè)側(cè)工作輥組成了兩個(gè)力系，板材在變形區(qū)受到兩個(gè)外力的作用下發(fā)生塑性變形。

板材的加工曲率是固定的，三個(gè)輥工作時(shí)板材的受到的外力為F1達(dá)到需要的加工曲率。四個(gè)輥工作時(shí)板材受到的外力分別為F2和F3達(dá)到需要的加工曲率。可以假設(shè)推斷出F1×L1=F2×L2+F3×L3，因?yàn)樗妮伨戆鍣C(jī)上下兩輥?zhàn)笥覂蓚?cè)輥位置是固定的，所以左側(cè)輥到下輥中心的距離L2和右側(cè)輥到下輥中心的距離L3相等L2=L3，F(xiàn)1L1=(F2+F3)L2，所以F1的力系等與F2和F3的力系和。

5.試驗(yàn)分析及結(jié)果

本次試驗(yàn)設(shè)備采用某廠生產(chǎn)的型四輥卷板機(jī)，試驗(yàn)時(shí)采用33mm厚長(zhǎng)度為7000mm的Q235板材圓弧半徑設(shè)定為R4000進(jìn)行試驗(yàn)，設(shè)定上下輥壓力固定為2.5MPa。

四輥卷板機(jī)三個(gè)工作輥加工板材過(guò)程，將對(duì)中后的板材進(jìn)行左右預(yù)彎，升起左側(cè)輥到剛接觸沒(méi)有發(fā)生任何形變的板材高度數(shù)值為380，板材向左運(yùn)動(dòng)到接近上下輥并用樣板觀察板材圓弧的成型大小，下降左側(cè)輥升起右側(cè)輥高度數(shù)值為400，板材向右運(yùn)動(dòng)到接近上下輥，下降右側(cè)輥升起左側(cè)輥高度數(shù)值為420，板材向左運(yùn)動(dòng)，反復(fù)重復(fù)上述操作過(guò)程直到側(cè)輥高度數(shù)值為530板材圓弧滿(mǎn)足工藝要求。此加工過(guò)程用時(shí)為3h。

表1 三個(gè)工作輥加工板材左右側(cè)輥數(shù)值

四輥卷板機(jī)四個(gè)工作輥加工板材過(guò)程，將對(duì)中后的板材進(jìn)行左右預(yù)彎，之后升起左右側(cè)輥到剛接觸沒(méi)有發(fā)生任何形變的板材高度數(shù)值380，將板材向左運(yùn)動(dòng)到快接近上下輥位置，用圓弧樣板對(duì)發(fā)生形變的板材圓弧進(jìn)行觀察，之后同時(shí)升起左右側(cè)輥高度數(shù)值為390，之后板材向右運(yùn)動(dòng)到接近上下輥位置，繼續(xù)用樣板對(duì)板材圓弧進(jìn)行觀察，在同時(shí)升起左右側(cè)輥高度數(shù)值為400，板材向左運(yùn)動(dòng)，反復(fù)重復(fù)上述操作過(guò)程直到左右側(cè)輥高度數(shù)值為460板材圓弧滿(mǎn)足工藝要求。此加工過(guò)程用時(shí)為1.5h。

表2 四個(gè)工作輥加工板材左右側(cè)輥數(shù)值

通過(guò)實(shí)際操作過(guò)程，可以確定四輥卷板機(jī)圓柱體板材加工，四個(gè)工作輥加工方法的工作效率明顯高于三個(gè)工作輥加工方法，同時(shí)四個(gè)工作輥的加工步驟更簡(jiǎn)單，不需要反復(fù)的升降側(cè)輥。

四輥卷板機(jī)三個(gè)輥工作時(shí)，如圖2當(dāng)板材靠近上下輥時(shí)需要下降左側(cè)輥升起右側(cè)輥。當(dāng)左側(cè)輥下降到無(wú)法給板材任何支撐力的時(shí)候，板材因?yàn)樽陨泶嬖诘闹亓?huì)對(duì)已經(jīng)產(chǎn)生塑性變形的板材施加一個(gè)向下的力FG，同時(shí)又因?yàn)樽髠?cè)輥完全下降沒(méi)有任何支持力增加的重力FG的彎矩，使原來(lái)的彎矩L1變成了L。當(dāng)板材的重力FG彎矩變大超過(guò)了板材自身的屈服強(qiáng)度，板材在靠近上下輥的位置B點(diǎn)附近會(huì)發(fā)生塑性變形，形成一個(gè)與原來(lái)相反的彎曲變形。

四輥卷板機(jī)四個(gè)輥工作時(shí)，如圖4當(dāng)板材靠近上下輥時(shí)，不需要下降兩個(gè)側(cè)輥。板材彎矩L4和L5小于圖2中的彎矩L，因?yàn)橛星昂筝仦橹С贮c(diǎn)使彎矩變小，減小了板材因彎矩過(guò)大產(chǎn)生相反彎曲變形的現(xiàn)象。

圖4 四個(gè)輥工作板材自重的彎矩圖

6.結(jié)論

（1）四輥卷板機(jī)卷制圓柱體板材加工采用四個(gè)工作輥加工方法經(jīng)過(guò)試驗(yàn)證明方法可行。（2）四輥卷板機(jī)卷制圓柱體板材加工采用四個(gè)工作輥加工方法工作效率明顯高于三個(gè)工作輥加工方法，并且步驟簡(jiǎn)單，同時(shí)減少設(shè)備的使用時(shí)間，增加設(shè)備的使用壽命。（3）四輥卷板機(jī)卷制圓柱體板材加工采用四個(gè)工作輥加工方法，因?yàn)橛星昂筝仦橹С贮c(diǎn)使彎矩變小，減小了板材因彎矩過(guò)大的影響，提高了工作效率和板材的成型質(zhì)量。