三輥對稱卷板機薄壁圓筒成型工藝方法

王廣林，王新海，張 濤

（陜西國防工業職業技術學院，陜西西安 710300）

1 卷板機概述及工作原理

卷板機是一種將金屬板材彎卷成筒體、錐體、曲面體或其他形體的通用成型設備。根據三點成圓的原理，利用工作輥相對位置變化和旋轉運動使板材產生連續的塑性變形，以獲得預定形狀的工件[1-2]。該設備廣泛用于鍋爐、造船、石油、化工、金屬結構及機械制造行業。

卷板機在國外一般以工作輥的配置方式來劃分。國內普遍以工作輥數量及調整型式等來分類，一般分為：三輥卷板機（包括對稱式三輥卷板機、非對稱式三輥卷板機、水平下調式三輥卷板機、傾斜下調式三輥卷板機等）、四輥卷板機、特殊用途卷板機（有船用卷板機、錐體卷板機、雙輥卷板機等）[3-4]。

本文主要采用對稱式三輥卷板機加工成型薄壁圓柱板材，利用三維軟件建模，主要包括液壓系統、上輥、下輥、板材及底座（圖1）。工作原理為：通過液壓缸內的液壓油作用，活塞桿使上輥可以垂直升降，下輥作旋轉驅動，利用減速機輸出齒輪嚙合，為卷板提供扭矩，下輥下部有托輥并可調節，上輥呈鼓形狀，提高制品的直線度，適用于超長規格各種截面形狀圓筒卷制。

圖1 對稱式三輥卷板機加工成型薄壁圓柱板材

2 操作前準備工作

2.1 操作人員要求

操作人員必須熟悉卷板機的結構性能和操作方法，經過設備管理人員同意后才有資格進行卷板機的卷圓操作。卷圓過程中必須安排兩人同時操作，一人負責卷圓過程整體協調，另一人協助工作，卷制圓筒過程中兩人必須配合默契，完成整個圓筒的卷制過程。

2.2 調試設備

開機后確定液壓系統壓力正常、翻倒側正常合攏，啟動卷板機下輥正常旋轉，確保各系統運轉正常方可進行正常使用。將下輥通過上輥采取目測方式，調整兩下輥至平行狀態，根據所卷制圓筒的參數將兩下輥中心距調整到合適的距離[5]。

2.3 材料要求

材料的各項參數：如材料屈服極限、允許卷制最小直徑、材料寬度、材料板厚等符合卷板機允許參數范圍；材料的切割邊不能有明顯的缺陷，鋼板表面干凈平整、無起層、劃痕等影響卷圓的問題；卷圓前材料熱處理，如45#鋼材，卷圓前必須對材料進行整體退火處理，低碳鋼卷圓前一般不進行熱處理。

3 薄壁圓筒加工工藝方法

3.1 預彎處理

（1）找正：把卷制材料放置到卷板機上，采用目測方式調整上輥邊緣與板材的切割邊平行，誤差控制在±0.5 mm（圖2）。

圖2 卷制材料找正

（2）卷制圓弧：將上輥外圓在接觸材料表面的基礎上再下壓15 mm，點動下輥旋轉，當材料端頭圓弧長度至600～800 mm 時停止下輥旋轉，再次下壓上輥10 mm，旋轉下輥，當材料端頭移動至下輥相切位置時停止。重復下壓上輥，旋轉下輥，直至樣板檢測預彎板料圓弧基本一致停止預彎操作。在預彎的圓弧與直邊要漸變過渡，不允許有死彎現象，避免造成后續校圓困難，另一端頭采用相同方法進行預彎（圖3）。

圖3 預處理后成型

3.2 預彎材料卷圓

在上輥外圓在接觸材料表面的基礎上再下壓15 mm，點動下輥旋轉，各輥子旋轉正常后可進行連續開動下輥（注意：此環節不允許采用連動檔位啟動下輥，防止意外事故發生），卷圓過程中操作人員開動卷板機時集中精力，協助操作人員在材料卷到另一端，主操作者視覺盲區時，及時準確做好指揮和配合工作。反復下壓上輥卷圓，當兩端開口相距800 mm 時減少上輥的下壓量，可將每次下壓量降至3～5 mm，直至兩端頭靠攏（圖4）。在卷圓過程中，隨時觀察卷圓材料是否有偏移情況，當偏移量（目測）超過10 mm 時停止卷圓，減少錯邊量。解決方法是將上輥上升30 mm，圓筒材料完全松動后向相反方向移動材料，再將上輥下壓至原來的位置繼續卷圓。

圖4 預彎材料卷圓過程

卷后圓筒一般會發生不同程度的不齊邊情況，解決方法是：將上輥上升5 mm，用3 mm 薄鋼板墊入偏移位置下面與下輥接觸位置，點動下輥使墊板進入材料與下輥之間，下壓上輥3～5 mm，使左右偏移朝對齊方向移動；適當點動下輥使圓弧面對齊（采用樣板或直尺測量）合格后點焊相應位置，點焊焊縫不允許有缺陷，點焊位置應牢固、有效。

3.3 焊接處理

整個卷圓過程不能有明顯的死彎現象。當卷兩端開口合攏時保證兩直邊平直或者略向內凹（內凹量≤10 mm）即可進行點焊。針對板材材料不同焊接方法不同，以下主要介紹板材為低碳鋼和中碳鋼兩種材料：當為低碳鋼如Q235A 時，一般采用CO2氣體保護焊焊接，要通過卷板機矯圓的圓筒，焊接時必須對焊縫進行氣刨，焊透，焊縫表面余高小于3 mm，焊縫余高均勻，焊縫余高超標要采取打磨等方式去除余高，使之小于3 mm；焊縫均勻，焊縫應無任何表面缺陷；當為中碳鋼如45#時，預熱焊接后需矯圓，必須在焊接后進行退火處理，卷圓、焊接方法同低碳鋼；對于特殊材料，應按具體工藝要求執行。

3.4 矯圓處理

首先把焊完的圓筒吊放在卷板機，合上翻倒側后，找正圓筒使圓筒中心線與卷板機滾軸中心線平行，并把圓筒置于卷板機中間部位，使卷板機的液壓缸受力均勻；然后把圓筒焊縫位置卷至下方，下調上輥，使上輥與圓筒接觸。然后，緩慢下壓上輥，來回卷動，開始下壓量一般不超過15 mm，后續圓筒每滾動一轉上輥下壓量一般不超過10 mm（參考圓筒滾動一周上輥下壓量=直徑×板厚/10 000）。矯圓的上輥最大下壓量（參考矯圓筒最大下壓=直徑×板厚/3000）根據實際需要可適當增加或減少上輥下壓量，一般不得超過參考值的20%。下壓量到位后再滾5 圈左右，使圓筒應力基本均勻后，采用樣板測量圓筒內圓靠水平直徑偏下（時針七八點鐘或四五點鐘位置）。待測量一周后，弧度基本一致，就可以上移上輥，原則上緩慢分散上移上輥，每轉上升量不大于5 mm，一般2～3 mm。每轉在圓周上分3～4 段上移上輥，直至上輥不接觸圓筒。最后，用卷尺測量不圓度，不圓度一般在小于10 mm 左右即可認為卷板機矯圓合格，后續需要進行人工矯圓來滿足圖紙工藝要求（圖5）。

圖5 矯圓后效果

人工矯圓一般采取火焰加熱方式進行矯圓，在矯圓前用樣板，結合卷尺測量，標記出最大與最小尺寸和圓弧位置，標記準確明顯。對圓弧和尺寸不合格位置用火焰加熱，一般厚板采用大能率火焰加熱，迅速加熱點達到600～700 ℃（低碳鋼如Q235），采取點狀或線狀加熱，使鋼板厚度方向產生溫度差，局部產生變形達到矯圓目的，待加熱位置冷卻后用樣板和卷尺測量，不符合要求則從新進行人工矯圓，使之符合圖紙工藝要求。

4 試驗分析

經過采用不同板材進行試卷圓筒試驗，過程中傳動機構無異常情況發生，液壓機構壓力可以根據所卷板厚（在安全壓力下）進行調節，卷板機輥子可以根據需要正常調節油壓，完全滿足一般直徑厚度達60 mm 圓筒卷制所需油壓壓力。通過不同板材試驗后，可以滿足板材厚度20～60 mm、直徑1200～2530 mm卷圓的成型加工，發生不圓度的尺寸均小于10 mm，表明該方法可行（表1）。如果按每年圓筒加工費約60 萬元為基數，板厚50 mm 以上和板厚50 mm 以下的按1∶2 進行計算，可以有效節約成本約22 萬元。

表1 板材尺寸和不圓度尺寸mm

5 結論

本文確定一種對稱式三輥卷板機加工成型薄壁圓筒板材的工藝方法，通過三維軟件進行模擬和試驗分析，結果表明該方法可以滿足板材厚度20～60 mm、直徑1200～2530 mm 的卷圓成型加工。該方法不僅可以降低因彎矩太大引起的不良影響和生產成本，而且還能提高板材的成型質量和工作效率。