毕业设计（论文）-六辊管材矫直机设计.doc

内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）六辊管材矫直机设计摘要管棒材矫直机是用于消除圆截面轧材的弯曲变形、椭圆变形以及其他类型的复杂变形的机器，目前使用的矫直机主要有二辊、五辊、六辊、和七辊矫直机等。本设计的主要内容包括介绍了无缝钢管的发展状况、无缝钢管的生产流程、管棒材矫直机的概述、管棒材矫直机矫直理论技术的发展、矫直原理以及矫直工艺等理论，确定了矫直机的总体方案。在力能计算部分完成了管材弯矩、管材变形能、管材接触线长度、矫直力、矫直机驱动功率等计算，此外万向接轴及矫直辊传动轴等主要部件进行了强度校核，并对角度调整机构的传动装置进行了分析，对其进行了结构设计。关键词：矫直机、矫直辊、强度校核51The design of six roller pipe straightening machineAbstractThe function of tube-bars straightening machine is readucing bending deform ,ovaling deform and other complex deform of tube bars.At present ,there are 2、5、6 and 7-rolls straightening machineThe main contents of this manual introduced the development of seamless steel pipe,the production process of seamless steel pipe, straightening machine tube development, Straightening principle and Straightening process theories, to determine the overall program of straightening machine. In calculation of force and energy parameters,it has calculated the moment of pipe,the deformation energy of pipe,the length of contact line of pipe,straightening force and the drive power of straightening machine.In addition,check the instensity of universal coupling of straightening roll and so on,and The main components of Straightening roller and Shaft are checked.At the same time,it analysises and designs the driving device of angnlar adiustable mechanism.Key words: straightening machine; straightening roll；Strength Check目 录摘要I第一章 绪论11.1我国无缝钢管行业的发展状况11.2无缝管的生产工艺流程31.3矫直机概述61.4矫直理论技术的研究方向81.5弯曲矫直理论111.5.1矫直弯曲时的变形过程131.5.2矫直过程中的曲率变化14第二章 六辊矫直机的结构分析及矫直原理162.1矫直机的结构配置162.2六辊管材矫直机矫直原理162.2.1压扁矫直162.2.2弯曲矫直17第三章 力能参数计算183.1技术参数的确定183.2 管材弯矩的确定183.2.1确定弹性区半径183.2.2管材弯矩的确定193.3管材变形能的确定203.3.1管材的弹塑性弯曲变形能203.3.2管材弹塑性旋转弯曲变形能223.4管材接触线长度的确定233.5力能参数的计算233.5.1矫直力的计算233.5.2驱动功率的计算25第四章 矫直辊的设计284.1矫直辊的结构设计284.1.1辊数的确定284.1.2辊径的确定284.1.3辊长的确定284.1.4辊距的确定294.2矫直机中主要部件的强度校核294.2.1电动机的选择294.2.2矫直辊的强度校核30第五章 矫直机主要零部件的选择与校核335.1传动轴的校核335.1.1万向接轴的校核335.1.2万向接轴十字轴的校核335.1.3万向接轴叉头强度校核355.2轴承的选择与校核365.3键的校核375.3.1主传动部分电机轴上键的校核375.3.2矫直辊轴伸出键的校核38第六章 角度调整机构的设计及计算396.1电机容量的选择396.2蜗杆传动设计计算406.2.1耐磨性计算416.2.2自锁性的校核436.2.3螺杆强度计算436.2.4螺纹牙的强度计算44结束语46参考文献47第一章 概述随着国民经济的飞速发展，通信、电子、军工、航天等高科技领域对高精度管材的要求越来越严格，现行GB3639-1983冷拔或冷轧精密无缝钢管和GB8713-1988液压和气动缸筒用精密内径无缝钢管远远不能满足客户的要求，更严格的指标只能体现在供货合同之中。面对高精度管材的需求日益增多，发展制造各种规格的高精度矫直机是非常必要的。但目前，我国高精度管材占需求总量的比例还较小，而且高精度管材矫直机的价格是同规格矫直机价格的2至2.5倍（仅指国内大于10 辊的矫直机） 。根据这一现状，笔者认为，如果矫直机的使用频率较高，可使用辊数较多的高精度管材矫直机；如使用频率不太高，则可采用二次矫直工艺（即采用普通矫直机进行两次矫直，同样可达到很高的精度），用低成本换取高效益。矫直机是焊管生产线中的重要辅助设备, 管材在焊接及飞剪后存在着比较明显的弯曲, 以至影响在精整工序中的流动, 管材经过矫直机, 钢管通过互相交差倾斜的辊子, 一面旋转一面前进, 承受均匀的径向力和连续的纵向弯曲, 使沿整根管子的长度和圆周方向发生连续的纵向和径向弹性变形和塑性变形, 从而达到矫直和减小椭圆的目的, 并对钢管表面起到光洁和强化作用.1.1我国无缝钢管行业的发展状况钢管是一种重要的经济钢材，世界各国都十分重视钢管生产的发展，近年来，我国对钢管需求的增长速度远远超过了粗钢的增长速度，但我国目前生产数量仍比较少，钢管产量仅占钢材产量的2.53，同时品种和质量也不能满足国民经济发展的需求。因此，通过技术改造和改善管理来发挥无缝钢管机组的作用有重要意义。我国无缝钢管行业近几年出现了有史以来最快的发展，产品结构调整成效显著，钢管自给率逐年提高。钢管产量达到2123万吨，占全球钢管产量的25以上。技术改造和投资创历史新高，技术装备大为改善，出现了两个百万吨级的无缝钢管生产企业，跨入全球大钢管集团的行列。如同中国钢铁工业的发展一样，尽管近几年钢管行业取得了令人瞩目的成就，从产量上已占全球1/4以上，但从技术装备、产品质量、产品档次、企业的经营规模和主要技术经济指标等与国际先进水平仍有一定的差距。通过分析无缝钢管行业相关产业的发展趋势和格局，以及我国无缝钢管行业所取得的成绩和存在的问题，使我们认识到：国内市场具有一定优势和发展空间，国际市场空间越来越大，主要靠竞争来提高市场占有率。为进一步提高竞争力，必须抓住目前的大好时机，尽快缩小产品在品种、质量和成本上与国际先进水平的差距，尽快使生产装备和工艺技术达到国际先进水平，使我国成为真正的世界钢管生产强国。无缝钢管是国民经济建设的重要原材料之一，是一种经济型钢材品种，被广泛应用于石油、电力、化工、煤炭、机械、军工、航空航天等行业。世界各国，特别是工业发达国家都十分重视无缝钢管的生产和贸易。中国经济增长带动了无缝钢管行业的发展，从国际经验来看：快速增长并不是各个产业均衡增长的产物，而是由几个更快增长的主导产业带动。不同时期主导产业不同，主导产业的转换和推动经济的持续、快速增长。从国内经验来看：近几年来，一批新的主导产业浮出水面，带头的是住宅、汽车、电子通讯和城市基础设施建设，这些是具有一定的最终产品性质的先导行业。这些先导行业拉到了一批中间投资品性质的产业，主要是钢铁、有色金属、建材、机械、化工等材料和装备行业。以上两个方面又拉到了电力、煤炭、石油等能源行业和港口、铁路、公路等运输行业的增长。正是以上各行业的快速增长带动了整个无缝钢管市场的需求，促进了无缝钢管行业的快速发展。国内外无缝钢管市场，目前均处于消费增长期，国内无缝钢管消费量将保持较快的增长速度，为我国无缝钢管的发展提供了有利时机。随着能源、交通、石化用管需求量不减，高性能品种增长迅速。能源、交通、石油化工等设施的建设和维修所需无缝钢管仍在钢材市场需求中占有相当重要的地位。近几年对高性能、新品种的需求量增长较快，例如高性能油井管、大口径电站锅炉用管、耐腐蚀、耐低温的石化用管以及不锈钢管等。另外，输送石油、天然气、成品油、煤浆、矿浆等流体的管线管，尤其是高强度管线用管的需求量将大幅上升。由于国内的生活水平不断提高，人们对住房、汽车、家电的需求也不断增大，从而促进建筑业、设备制造等行业的高速发展。同时，对无缝钢管的需求增加、品种及质量要求的提高，无缝钢管品种向高技术含量方向不断有新的发展。1.2无缝管的生产工艺流程无缝钢管生产已有一百多年的历史，随着新技术的不断开发与应用，特别是近几十年液压和自控技术的应用，使各种轧管方法日趋完善，产品精度和品质越来越高。不管用哪种方法生产无缝管，大体上都包括以下基本工艺环节：管坯准备 加热 穿孔 钢管延伸 再加热 定减径 冷却 钢管精整无缝钢管工艺流程图如图所示：图1.1 无缝钢管工艺流程图1.管坯准备：无缝管生产用坯料多采用连铸管坯或轧制坯。管坯质量由管坯生产厂工艺来保证。来自管坯生产厂的长坯料，需在管子厂分截成成品管所对应的长度，管坯截断常采用剪断，折断，锯断和火焰切断四种方式，其中以锯切最好，已被广泛采用。2.加热：管坯加热的目的是降低金属的变形抗力和改善刚的塑性。管坯加热在环形加热炉内以一定的速度经过低温预热，高温加热和均匀加热三个阶段后达到金属接受变形时所需要的最佳温度。3.穿孔：穿孔的工艺任务是将实心管坯料穿轧成壁厚均匀，无缺陷的空心毛管，作为后工序继续加工的毛坯，是无缝管生产的关键工序。4.连轧机、脱管机：该部分的工艺目的是将毛管壁厚进一步轧薄到满足机组工艺所需要的壁厚。5.再加热炉：由于轧管延伸后的荒管已有较大的不均匀降温，需进行再加热炉进行第二次均匀加热，加热到定减径和再线处理所需要的温度。再加热一般采用步进炉，也有采用感应炉。6.定减径：定径或减径是热轧钢管成型的最后一道工序环节。它的目的是最终确定钢管的外径和壁厚。定径是在多机架定径机和减径机中通过变径变形进行的。为了克服荒管在减壁过程中的增壁效应，现代定减径机均带有张力。现代化机组都采用三辊式。7.冷床、管排锯：定径后的钢管在专门的冷床上冷却到常温。现代轧管机组上，定减后的钢管往往是成品管长度的27倍尺，所以在冷床后设有排锯将钢管切成所需要的单倍尺长度。8.精整：定径冷却后的钢管根据产品标准要求分别进行矫直，切头，热处理，无损探伤，管端加工，喷标志，测长称重，包装等不同的工艺组合，然后入成品库存放。这一系列工序统称为精整工艺。180机组生产在管坯、热轧和精整三个区域内进行。管坯区：管坯由炼钢厂连铸车间供应，来料长度为4m8m，其直径为180mm。成捆管坯经称重后进入管坯区存放在仓库料架内，经测长、称重后送往两组冷锯线上进行切割，切成1.5m4.5m的定尺坯，然后送往环形炉上料台架存放。进入加热区的管坯在入炉辊道上逐支称重后用装料机装放环形炉中加热。坯料均匀加热到所需温度后用出料机取出放在台架上，经过链式移送机快速送到菌式穿孔机前台。热轧区：在菌式穿孔机前台，液压推料机将管坯送入菌式穿孔机内将管坯穿孔成空心毛管，再由链式移送机将毛管快速移送到MPM轧机前穿入芯棒。将穿有芯棒的毛管送到连轧机轧制线上依靠芯棒限动机构直接穿棒，穿棒后的毛管经前台高压水除鳞装置除鳞，由芯棒限动机构送入五机架连轧管机轧成荒管。轧制完的荒管进入脱管机中将荒管从芯棒上脱下。芯棒通过芯棒限动机构快速返回原始位置，侧向翻出，经返回辊道上的冷却喷嘴喷水进行冷却。再经过再加热炉加热（也可略去该工序）。进入张力减径机中轧制的钢管必须经脱管机后的切头切尾锯切割后才能进入机内轧制。经过定张减机后的钢管逐根测径、测厚、测长，由移钢机输送到冷床上冷却到100以下。冷却后的钢管被送到冷锯机切成定尺，进入中间库存放或直接送往精整线。精整区：定尺的钢管经过矫直机的六辊斜矫到精度要求，再进行无损探伤，倒棱，热处理等工序加工成成品，包装，库存。1.3矫直机概述轧件在加热、轧制、精整、运输及各种加工过程中，由于外力作用，温度变化及内力消长等因素的影响，往往产生不同程度的弯曲、瓢曲、浪形、镰歪曲等塑性变形或内部残余应力。为了消除这些形状缺陷和残余应力，获得平直的轧件，轧件需要在矫直机上进行矫直。产业革命后，机械生产代替手工生产，机械矫直成为主流。英国于1905年制造出辊式板材矫直机，20世纪初已经有矫直圆材的二辊式矫直机。到1914年英国发明了“212”型五辊矫直机（阿布拉姆逊式-Abramsen）,解决了钢管矫直问题，同时提高了棒材矫直速度。20世纪20年代，日本已能制造多斜辊式矫直机。20世纪30年代中期发明了“222”型六辊矫直机，显著提高了管材矫直质量。20世纪60年代中期，美国Sutton公司研制成功了“313”型七辊式矫直机（KTC型矫直机）解决了大直径管材矫直问题。20世纪3040年代国外技术发达国家的型材及板材矫直机得到迅速发展。与此同时出现了拉伸矫直机。20世纪50年代，苏联的矫直机大量进入我国，同时随着电子技术和计算机技术的发展，工业进步速度加快，矫直机的品种、规格、结构及控制系统都得到了不断的发展和完善。我国在引进国外先进技术及设备的同时，研制成功了反弯辊型七斜辊矫直机、多斜辊薄壁管矫直机、三斜辊薄铜管矫直机、双向反弯辊形二辊矫直机、复合轮毂式矫直机、平行辊异辊距矫直机及矫直液压自动切料机等，在矫直高强度合金钢方面也已获得很好的矫直质量。所谓矫直就是使轧件的弯曲部位承受相当大反向弯曲或拉伸，是该部位产生一定的弹塑性变形，当外力去除后，轧件经过弹性回复，然后达到平直。因此，脚趾甲是轧制车间必不可少的重要设备，而且广泛用于以轧材作坯料的各种车间，如汽车、船舶制造厂等。由于轧件品种规格的多样化和对其形状精度要求的不同，所需的矫直方式和矫直设备也各有不同。按用途和工作原理，矫直机可分为以下几种基本形式。压力矫直机压力矫直机是将轧件的弯曲部位支撑在工作台的两个支点之间，用丫头对准最弯部位进行反向压弯。压头撤回后工件的弯曲部位变直。这种矫直机用来矫直大型钢梁、钢轨、型材、棒材和管材。平行辊矫直机平行辊矫直机是由上、下两排相互交错排列的矫直辊、机架和传动装置等部件所组成。这种矫直机克服了压力矫直机断续工作的缺点，从入口到出口交错布置若干个相互平行的矫直辊，被矫轧件通过上述排列的辊子，按递减压弯规律对轧件进行多次反复压弯以达到矫直目的，能获得很高的矫直质量。广泛应用于板材和型材的矫直。这种矫直机生产率高且易于实现机械化，得到了广泛应用。斜辊矫直机斜辊矫直机采用具有类似双曲线形状的工作辊相互交叉排列，圆材在矫直是边旋转边前进，从而获得对轴线对称的形状。主要用于矫直棒料和管材。拉伸（张力）矫直机板带材的纵向或横向弯曲可以在一般辊式矫直机上有效的矫直，而其中间瓢曲或边缘浪形需要采用拉伸矫直的方法，使金属长短不齐的纤维受到塑性拉伸后达到矫直目的。主要用来矫直极薄带材和复杂断面异型材。拉弯矫直机当带材在小直径的弯曲辊子上弯曲时，同时施加张力，使带材产生弹塑性延伸，从而矫直。一般设在连续作业线上，用以矫直各种金属带材尤其是薄带材。扭转矫直机对发生扭转变形的轧件，施加外扭矩使其反向扭转而矫直。是用来消除轧件断面相对轴线发生扭转变形的一种矫直设备，主要用于矫直型材。除上述矫直机外，还有一种特殊用途矫直机，如与连铸机组融为一体的拉坯矫直机等。总之，随着矫直技术的发展，矫直设备也将不断创新，出现更多新型的矫直机，以满足生产的不同要求。1.4矫直理论技术的研究方向随着科学技术的发展进步，新的矫直设备和矫直技术的研究越来越深入，但在一些领域还不能满足需求。如矫直基本参数的确定还要依靠许多经验算法和经验数据，如辊数、辊距、辊径、压弯量及矫直速度等；许多矫直技术现象如螺旋弯废品、矫直缩尺、矫直噪声、斜辊矫直特性、斜辊辊型特性、拉弯变形匹配特性等都缺乏相应的理论阐述。这些都严重影响了矫直理论和技术的发展，同时它们也是关于矫直理论的研究重点。目前，国内外有关矫直理论技术的研究方向主要集中在以下几个方面数学模型的精度及矫直设备结构参数的计算精度。对矫直理论和技术的实验方法的研究。新型设备的研制、开发和改进。产品精度的提高。在矫直基本理论和技术的研究方面，国外的研究人员开展的较深入。早在六十年代，前苏联的研究人员就发表了全面、系统的论述和分析管材的矫直理论、矫直工艺及介绍管材矫直机的基本型式和结构。他们应用弹塑性基本理论阐明了管材的矫直理论，发表了确定矫直机基本计算参数的方法；详细地探讨了管材矫直机主要部件的结构，并推荐了矫直机的选型原则。明确被矫直管材在矫直过程中所受的弯矩分布及管材内部的应力、应变关系的讨论，始终是管材矫直理论研究中的重点内容。我国的崔甫在矫直理论系统化作出了很大的努力。他从弹塑性弯曲的基本理论出发，总结和归纳了国内外有关的研究成果，对各种金属轧材的矫直原理和矫直工艺做了较为系统和细致的描述和分析。提出了在各种矫直条件下矫直机的力能参数、工艺参数和结构参数的计算和确定方法；同时还介绍了许多现代矫直技术和工艺。他成功地运用了“相对量”地概念；将“相对量”的概念引入矫直理论的分析中，较好的解决了矫直中轧材内部的弹性变形区和塑性变形区的分布界区的划分；从而能够抛开各种弯曲状态的宏观形式，而只针对弹性区和塑性区的界区参数弹区比和塑弯比M时只提出了理论处理意见；但作为制定实际矫直工艺方案的基本参数和M，应该有一种更简便、更适合应用于实际的确定方法；以对实际矫直工作起到确切的指导作用。在这方面的工作还有待于进一步的研究。改进现有的矫直设备、研制和开发新的设备；不断地提高管材矫直的质量和精度，一直是矫直研究工作者的一大目标。刘德汉采用增加矫直辊数量，增多管（棒）材在矫直过程中反弯次数的方法即“综合矫正”，它克服了斜辊矫直机不能矫直管（棒）材的头尾，及高速矫直时由于管（棒）材高速旋转而产生的甩摆等缺点；使管（棒）材在张紧的状态下进行反复弯曲和压扁成型矫正。这样可以使多种矫正效果迭加和巩固，互相补充，进而提高矫正效果。实践证明“综合矫正”是提高管（棒）材矫直质量的途径之一。八十年代许多新型矫直机的研制，从不同的角度使管（棒）材的矫直精度、矫直生产率和矫直机的使用范围等各方面得到了提高、增长和扩大。它们的出现使矫直技术提高到一个新的水平。矫直机的结构参数包括矫直辊的倾斜角度、反弯曲率、接触长度、辊身长度及辊型曲线等，其中对矫直辊辊型的设计和研究是矫直机结构参数研究的重点。我国在7080年代取得了一批研究成果。马香峰在研究管（棒）材矫直机的辊型时假定矫直过程中管（棒）材是理想圆柱体，由等距曲面的观点出发，既研究了管（棒）材呈直状态下和呈弯曲状态下的辊型曲面；还讨论了直管辊如何进行角度调整而得到更好的接触状况，为多辊钢管矫直机和二辊矫直机的辊型设计提出了统一的计算方法。姚中从辊型曲线理论公式出发，简化了辊型曲线方程式，并证明计算精度是合适的。刘天明在国内外有关学者对辊型研究成果的基础上，对直圆材接触双曲线辊型的研究成果进行了系统的归纳和总结，提出了更为简便的计算方法和辊型曲线的作图方法。建立正确的矫直模型使矫直力能参数的理论计算更符合实际，计算精度进一步提高，这一问题至今还没有令人满意的结果。崔甫对二辊管材矫直机矫直管材的情况作了详尽的分析和研究，并根据冲模中金属受力状况的力学处理方法建立了二辊矫直机的矫直力学模型，还通过实验验证精确度。结果证明，力学模型基本正确。 它侧重理论，对一些实际的影响因素考虑不全，使其计算精度不够高。德国的W.Guericke论述了管（棒）材在斜辊矫直机上进行矫直时，当管（棒）材处于矫直力的作用后的弯曲状下，使管（棒）材产生塑性弯曲所需扭矩的确定，它不同于其他通过效率系数或摩擦系数来估算扭矩的方法，他考虑了塑性变形区的长度和旋转弯曲的变形能而使计算结果的精度提高。兰清国则对“313”型钢管矫直机的矫直力、矫直功率的计算进行了分析。他将处于辊下的钢管处理为两端固定梁的力学模型。分别计算钢管在反复弯曲过程中的矫直力和矫直功率；然后在计算钢管在夹持辊中产生椭圆压扁变形所需要的矫直力和矫直功率，最后将其叠加，即得到总的矫直力和矫直功率。但结果与实际相比偏大，它只对矫直机的设计有一定的参考价值，对掌握设备的能力和状况来说，精度是不够的。在管材矫直机的实验研究方面，除优化矫直机的结构参数外，对矫直机的力能参数的测定是一项很重要的内容，其中二辊矫直机是重中之重。目前，国内外对矫直理论、矫直工艺和矫直设备的研究正在进一步扩展和深化。如向大断面型材、一机多用和提高矫直速度等方向发展。同时，研究领域也不断地拓展，研究分支也越来越多。如进一步向提高矫直精度、提高数学模型精度、减少残余应力、减少头尾的损失、减少表面的损伤及功率消耗等方面深入。1.5弯曲矫直理论随着工业领域中冶金技术的迅速发展和新技术的不断涌现，新的生产设备及生产工艺相继出现。特别是在钢铁产品方面，对钢铁材料的质量和精度都提出了较高的要求。在钢铁产品的生产中，经热加工或冷加工的产品有的由于材料内部缺陷或和残余应力的影响；有的由于外部机械的作用或外部环境的改变等，都产生一定程度的形状缺陷。尽管随着生产设备及工艺水平的不断改进和提高，产品的形状缺陷已经大大减少，但仍需进一步减少或消除其形状缺陷，使其质量和精度得到进一步的提高。因此，矫直理论的研究有了必然。矫直理论就是对各种形状缺陷的产生机理进行研究，消除各种形状缺陷。一句话，矫直是与弯曲相反的工艺过程。它的目的就是正确地分析和描述矫直过程中呈现的一系列的现象，寻求与实际相吻合的规律；确定矫直参数间的关系，用以指导生产；并研制和开发新型、高效、高精度的矫直设备，使产品的质量和精度不断得到提高。矫直技术的历史可以追溯到人类劳动开始，先是感性认识，然后才产生了手工反弯矫直。随着生产规模的日益扩大，提高矫直生产率和扩大矫直产品的规格和品种的要求愈高，这就出现了机械反弯矫直，它标志着连续矫直技术的诞生。随着相关技术和工艺的进步，矫直技术和工艺和设备得到了迅速发展，对矫直理论和技术的研究工作也逐渐开展并系统化。国外对矫直理论和技术的研究起步较早，具有相当的广泛性，得到了许多已应用于实际生产中，产生了重大的经济效益。矫直技术较发达的国家如前苏联、德国、英国、和日本等，从四十年代起生产的矫直设备就形成了系列产品。在矫直理论、工艺和设备的研究方面也做了大量的工作，并取得了大量的较有影响的成果。国内的有关技术人员在矫直理论和技术的研究方面亦做出了很大的努力，是矫直理论和技术的研究工作得到了广泛的重视；并取得了不少令人瞩目的研究成果，其中部分成果的水平居世界领先地位。随着我国科学技术水平的发展，各行业对矫直设备种类、数量、矫直精度的要求日益增加，我国目前已形成了自行设计和生产的板、带、线、型、管材的矫直设备的能力，设备的精度和控制水平也不断提高。特别是改革开放以来，在引进和吸收国外先进的矫直设备和技术的基础上，不断推动矫直理论和技术的研究工作向前发展。为适应众多生产领域发展的需求，在矫直理论和技术研究成果的基础上，国内外目前已开发研制了许多新型矫直设备。这些矫直设备从不同角度加强了设备的能力，拓宽了应用范围。其中有些设备突破了传统的矫直概念，从而开拓了矫直理论和技术研究工作的新领域，使矫直技术得到了极大发展，如辊式矫直机的进一步发展，出现了超薄管材、高强度合金材、异形截面材等新的矫直方法；拉伸矫直的发展引起了对拉伸矫直方法的更大规模的理论研究；其他如液压张力矫直机、行星多辊矫直机等高精度的矫直设备也相继问世。除此以外，矫直理论和技术的发展正趋向于在机械机构方面和传动方式方面向便于操作和维护、扩大设备适用性、降低能量消耗、改善工作条件等方面发展。如压下量的数字显示技术、无级调速技术、可变辊距矫直机等。轧件的矫直就是使轧件承受一定方式和大小的外力，产生一定的塑性变形，当除去外力后，在内力作用下产生弹性恢复变形，从而得到正确的轧件形状。轧件的矫直过程，实质是弹塑性变形的过程。按轧件的应力和应变状态，可分为弯曲矫直、拉伸矫直、拉弯矫直、扭转矫直等基本矫直方式，弯曲矫直方式广泛应用与压力矫直机、平行辊矫直机、斜辊矫直机和拉弯矫直机。在这类矫直机上，轧件的矫直过程由两个阶段组成，在外负荷弯曲力矩作用下的弹塑性弯曲阶段即反弯阶段和除去外负荷后的弹性恢复阶段即弹复阶段。下面简要介绍弯曲矫直理论。1.5.1矫直弯曲时的变形过程轧件在矫直机上的弯曲变形，实际上是一个横向弯曲过程。但若轧件厚度h与矫直轧件时的两个支点间距离t的比值（h/t）很小时，可忽略剪应力的影响，近似认为矫直轧件时的弯曲是纯弯曲变形。轧件在外载荷弯曲力矩M作用下产生弯曲变形时，中性层以上的纵向纤维受到拉伸变形，中性层以下的纵向纤维受到压缩变形，如图所示。根据外载荷力矩M的大小，轧件弯曲变形有三种情况:图1.2 轧件弯曲变形示意图纯弹性弯曲。在外载荷弯曲力矩作用下，轧件表面层的最大应力小于或等于材料的屈服极限，各层的纵向纤维都处于弹性变行状态。外载荷去除后，在弹性内力矩的作用下，纵向纤维的变形能够全部弹性恢复。这种弯曲变形称为纯弹性弯曲变形。弹塑性弯曲。随着外载荷弯曲力矩的增大，轧件各层纤维继续产生变形。当外载荷增加到一定值是，轧件表层纵向纤维应力超过了材料屈服极限，纤维产生塑性变形。外载荷越大，塑性变形区有表层向中性层扩展的深度也越大。当去除载荷后，在弹性内力矩的作用下，各层纵向纤维的变形可弹性恢复一部分，而无法全部恢复。这种弯曲变形称为弹塑性弯曲变形。纯塑性弯曲。随着外载荷力矩的继续增大，整个轧件断面的纵向纤维应力都超过了材料的屈服极限，所有纵向纤维都处于塑性变形状态。当去除外载荷后，在弹性内力矩作用下，纵向纤维的变形只能恢复弹性变形部分。这种弯曲变形称为纯塑性弯曲变形。由上述可知：当轧件矫直弯曲变形时，在轧件中同时存在有弹性变形和塑性变形，称为弹塑性弯曲变形；轧件弹塑性弯曲变形过程由两个阶段组成，即在外载荷弯曲力矩作用下的弹塑性弯曲变形阶段和除去外载荷后的弹性恢复阶段。1.5.2矫直过程中的曲率变化轧件的矫直过程可以用曲率的变化来说明。原始曲率轧件在矫直前所具有的曲率，以表示。是轧件的原始曲率半径。曲率的方向用正负号表示：+表示弯曲凸度向上的曲率；表示弯曲凸度向下的曲率。反复曲率在外力矩的作用下，轧件被反向强制弯曲后所具有的曲率。反弯曲率的选择是决定轧件能否被矫直的关键。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获得的。总变形曲率它是轧件弯曲变形的曲率变化量，是原始曲率和反弯曲率的代数和，即=+残余曲率它是轧件经过弹性恢复后所具有的曲率。在辊式矫直机上，前一个辊子下的残余曲率为进入后一个辊子轧件的原始曲率，即其中符号i是指第i次弯曲弹复曲率它是轧件弹复阶段的曲率变化量，是反弯曲率与参与曲率的代数差，即=显然，轧件被矫直时有，则由上式得=或=上式表示了矫直轧件的基本原则：要使原始曲率为的轧件得到矫直，必须是反弯曲率在数值上等于弹复曲率。因次，正确计算弹复曲率进而确定反弯曲率的大小是完成轧件矫直的前提和关键所在。第二章 六辊矫直机的结构分析及矫直原理2.1矫直机的结构配置矫直机主要由传动装置、回转圆盘装置、上下辊调整装置和机架几部分组成。矫直机上装有六个相同尺寸的双曲面形矫直辊。六个矫直辊成“2-2-2 ”型布置。其中四个是转动的，其余两个是从动的；三个低于矫直中心线，三个高于矫直中心线。矫直辊相对矫直中心均倾斜一定角度布置，这样才能使管材获得旋转前进的运动，并能保证管材的所有表面都获得矫直。矫直机的机架由上横梁、机座、三根立柱、螺母组成。机架上装有工作机构和各部件。其中包括四个辊子的升降调整机构，其中三个位为上辊，一个为中间下辊。通过调整，可使上排三个辊子和中间下辊实现高度上的升降，已得到矫直中管材的反弯曲线。矫直辊除可沿高度方向调整外，全部六个辊子都可在水平面内实现倾角调整，适应与不同规格的管材相接处的要求。辊子的角度调整机构是由电动机经减速机和涡轮来构成的。矫直机上配置两个传动装置，分别由两个主电机经齿轮减速器和万向接轴来驱动上排两个端辊和下排的两个端辊。而中间一对辊子的传动是依靠它们与矫直管材表面间的摩擦而形成。2.2六辊管材矫直机矫直原理六辊矫直机的辊系配置为“2-2-2”型。管材在通过三对矫直辊的辊缝中时，将先后经历三个塑性变形区，产生三次塑性变形。由此可见，只要使当地调整辊子的倾角，并选取适合的的压下量，就可以产生较大的塑性变形区；使管材在塑性变形区内的旋转次数增加，进而达到理想的矫直效果。2.2.1压扁矫直由于矫直辊的压下，辊缝小于管材外径。管材通过三对辊时，均受到纵向反复弯曲和横向反复压扁，管材的直度和圆度均可提高。六辊矫直机正是将反复弯曲矫直和反复压扁矫直两种矫直方法有机的结合在一起，才使管材表层金属纤维进入弹塑性状态而产生拉、压应力获得矫直的效果。钢管处于上下对置的两矫直辊的辊缝中，若调整辊缝间距，即调整辊子的压偏量；使其小于钢管的外径，则在辊子压紧力的作用下，将钢管断面压扁成为椭圆。钢管与矫直辊接触受压的地方进入塑性变形状态，其外边缘产生压应力；内边缘产生拉应力。同时，在钢管与矫直辊接触点回转90角，钢管外边缘产生拉应力；内边缘产生压应力。从钢管外表层到内表层均受力；产生的应力从拉应力到压应力其量不等。外表层产生的压应力远大于拉应力；内表层产生的拉应力远大于压应力。由于压扁时产生的拉、压应力不等，因此，为获得较好的矫直效果，还必须同时进行弯曲矫直，使应力得以平衡。2.2.2弯曲矫直六辊矫直机借助中间一对辊使钢管产生反向弯曲。弯曲挠度的大小必须保证使作用于钢管上的弯矩能使钢管变形超过屈服极限而产生弹性变形。矫直时，钢管由于被施加了纵向弯曲，使得每单元的边缘均受压作用。在中间一对辊处可形成较长的接触区，使弹塑性变形区的长度相应增加。有前面的分析可知，这对提高矫直质量是非常有利的。由于钢管在回转一周的过程中所产生的拉、压应力差与压扁矫直时所产生的拉、压应力差之间的均衡作用，是钢管沿圆周的纵向纤维的反复拉压变形趋于一致，进而使弹复能力趋于一致。压扁矫直时，三对矫直辊对钢管断面都有压扁作用，使之进入弹塑性状态；因此，在弯曲矫直时，即使钢管不产生较大的反弯挠度，也有可能获得较好的矫直效果。这样，对六辊矫直机矫直管材的原理做出了比较合理的解释。 2.2.3关于高精度管材矫直原理的几点看法为了提高矫直精度，目前国内已有数台高精度管材矫直机，从原理上讲这些矫直机是普通矫直机的组合，其基本原理就是尽可能地增加矫直单元，提高矫直精度。国内目前已有17 辊管材矫直机，矫直精度可达到小于等于0.1mm/m。笔者运用二次矫直的理论及方法，在生产实践中使矫直精度达到小于等于0.1mm/m。总结矫直理论与实践的几点看法如下。1.1选择优良的机型根据矫直理论应采用复合矫直机型。从目前国内的现状来看，许多厂家仍采用单一的弯曲矫直机型，但该机型不具备矫直高精度管材的必要条件。对此，建议采用复合矫直机型，即选用立式主动对辊矫直机，其中上辊可以单独调整，以满足各种不同的矫直方案。辊矫直机，其中上辊可以单独调整，以满足各种不同的矫直方案。1.2选择合理的辊型目前国内大多数生产厂家的矫直机，矫直辊仍采用20 世纪五六十年代的辊型，即双曲线辊型。笔者根据多年的研究认为，这种辊型作为精密矫直机辊型是不可取的，其理由如下：由于辊型曲线设计不合理，所以曲线与管材的接触线太短而且不充分。在生产现场还往往出现矫直辊辊底不接触而两侧曲线接触的状况，如图 所示。当采用复合矫直方案中的压扁矫直时，因压扁矫直过程中两辊间距小于理论圆，管材在双曲线辊型上产生了三点弯曲单元，使已矫直的管材再次被矫弯，达不到高精度矫直的要求。笔者认为，合理的辊型应尽可能增加矫直辊表面与管材的接触长度。图1矫直辊两侧接触示意根据矫直理论与矫直辊和被矫管材的几何关系可知：矫直过程中它们的接触线是一对相对180度的平行螺旋线。平行螺旋线长度的增加可减少单位压力对管材表面的压力，减少管材表面螺纹痕迹，减小成品管的矫直应力。在压扁矫直中，增加管材在矫直过程中相互覆盖的重迭率，有助于提高成品管材的矫直质量，这是因为当管材与辊子的接触线增加时，其本质是增加了管材在压扁矫直过程中的压扁矫直次数。1.3 采用大变形矫直方案不同的矫直方案，其矫直效果是不一样的。理论与实践经验证明，采用大变形量矫直，可以获得高精度的矫直质量。所谓大变形矫直，就是前几个辊子采用大的变形量，使管材得到足够大的弯曲，很快缩小残余曲率的范围；后几个辊子采用小变形量。变形量的分布为递减状态。1.4设备参数与矫直理论关系图2为矫直过程中的弯矩图示。从图2可以看到： ab段为弹性变形区，此时的Mw为弹性弯矩，该段的反弯变形挠度 为 式中 p 矫直力；l 辊距；E 被矫管材的弹性模量；J 被矫管材截面的惯性矩。由于管材是螺旋前进的，所以当管材进入bc段后将产生弹塑性变形。bc 段是矫直中最重要的区域，该段管材的弯曲方向随意且无任何规律。在理想状态下应使通过bc段管材的任意断面都得到一次以上的弯曲矫直，且矫直次数越多，矫直的质量就越好。因此，增加管材在bc 段中的弯曲次数很重要。图2矫直过程中的弯矩示意根据矫直辊与管材的关系，得出管材通过弹塑性bc段的弯曲次数m，即式中 N 矫直辊组成的辊距个数；D 被矫管材直径；Mw 弹性弯矩；Ms 塑性弯矩； 矫直辊轴线与矫直中心线之间的夹角。在实际操作中可通过改变角度的大小来改变弯曲次数，由于N、L、Mw、Ms 在矫直机选型时已确定，所以应考虑选择经济合理的参数。2应用实例在立式七辊矫直机、六辊全主动传动矫直机上进行了一次矫直和二次矫直试验。矫直设备精良，一次矫直的精度很高，为二次矫直获得更高的精度打下了基础。两次矫直获得了较高的精度(表1) 。表1 两次矫直试验的结果第三章 力能参数计算3.1技术参数的确定矫直钢管的直径 钢管的壁厚 钢管材料的强度极限 Mpa3.2 管材弯矩的确定3.2.1确定弹性区半径给定原始挠度 f=10/m原始曲率： =12505 反弯曲率： 取辊距离 t=1530压下量 压下率管子外径 = =1.77mm 经查轧钢机械1得 因为 所以此时将改为，已深入到r内，所以小圆有塑性变形。3.2.2管材弯矩的确定弹性弯曲时外力矩与轧材内部的弯曲力矩应是平衡的。即用内应力算出的轧件内部弯曲力矩必将与外力矩大小相等方向相反。所谓理想弾塑性金属是只有明显的屈服极限而没有强化的金属。 其弯矩M的积分式为 其中：b矩形断面宽度 弹性区应力将 代入上式并积分得到 上式是对于矩形断面来说的，对于远观来说则为 即： 式中：是圆形断面的弹性极限弯矩，则式子还可以写为 =3.2 Nm 其中塑弯比为： 3.3管材变形能的确定因为管材变形能与圆材变形能相似，所以用大圆变形能，减去小圆变形能，即可得到管材变形能3.3.1管材的弹塑性弯曲变形能由可知， U= （3-5）式中管材大圆弯曲变形能管材小圆弯曲变形能= （3-6）式中塑性变形能弹性变形能塑性变形能= = =弹性变形能= = = = = =N.mm=式中=N.m U= =N.mm =N.mm3.3.2管材弹塑性旋转弯曲变形能由可知， （3-7）大圆旋转变形能 = =N.mm总变形能为: = Nm/m小圆旋转变形能=