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t 。母交通大学工程硕士学位论文 摘要 钢管矫直变形过程研究与 弹塑性有限元分析 摘要 。、c 叼管矫直是钢管精整过程中的重要工序。经过轧制、焊接和热处 理后，钢管存在轴线方向弯曲和横截面椭圆度的缺陷。在钢管精整过 程中，般采用斜辊矫直机来消除这些缺陷。然而矫直机工艺参数往 仆根据操作者的经验来没置。这使得钢管的矫直质量不够稳定。 束钢根据新投产的锅炉管生产线的配套要求，引进了一台钢管行 业技术领先的十辊碜直机。十辊矫直机应用较少，基于十辊矫直机的 研究成果比较少9 本文 作探讨十辊矫直机矫直管材时管材的变形规 律，利用试验的方法研究矫直工艺参数与钢管直径、壁厚、材质之间 的哭系，得了矫直不同规格钢管时，反弯挠度与压扁量以及矫直辊 倾角的变化规律。 、丫辊形曲线对于矫直质量有着霞要的影响，文中比较了现有的一些 、 辊形设汁理论，刈宝钢十辊矫商机的辊形曲线进行了分析计算，得出 厂辊形f f | 线的计算结果，与实际测量的结果一致。文中分析了矫直过 程。f 1 力能参数的变化。通过分析小司规格的钢管在矫直过程中的受力 l 海交通大学工程硕上学位论文摘要 状况，进一步验证了试验结果。利用现有的弹塑性办学理论，结合现 有的矫直理论，求解了十辊矫直机的反弯曲率。、 本文建立了矫直压扁过程的有限元模型。通过模型的计算比较了 现有的几种压扁量计算公式，得出了精确的工艺参数。基于弹塑性有 限元模型，建立了确定压扁量的方法。 对钢管在十辊矫直机矫直变形过程的研究，有利于提高钢管的成 材率、降低生产成本、提高钢管生产厂的综合效益，为优化钢管矫卣 工艺提供一条有效途径，对提高钢管行业的技术水平具有重要意义。 钢管矫直变形过程的研究，对新型矫直机的研制具有重要的作用。 关键词：管材矫直，矫直辊形，塑性变形，弹塑性有限元，数值模拟 蝴c 上海交通大学工程硕士学位论文a b s t r a c t d e f o r m a t i o n p r o c e s sd u r i n gt u b es t r a i g h t e n i n g a n di t se l a s t o p l a s t i cf e ms i m u l a t i o n a b s t r a c t s t r a i g h t e n i n g i sa n i m p o r t a n tp r o c e s si n t h et u b e p r o d u c t i o n a f t e r r o l l i n g ，w e l d i n ga n dh e a t t r e a t m e n t ，t h et u b em a y h a v es o m ed e f a u l t s ，s u c h a so u t o f - s t r a i g h t n e s sa n do v a l i t y ，t h e s ed e f a u l t sm u s tb ee l i m i n a t e di nt h e l a t e rp r o c e s s ，u s u a l l yb yac r o s s r o l l s t r a i g h t e n e r , i nw h i c ha l l t h e s et w o d e f a u l t sc a nb ed e c r e a s e do rr e m o v e d h o w e v e rt h e p r o c e s sp a r a m e t e r s s e t t i n go f t h es t r a i g h t e n e ra r eu s u a l l ys e l e c t e da c c o r d i n gt ot h ee x p e r i e n c e o f o p e r a t o r t h es t r a i g h t e n i n gq u a l i t yc a n n o t b eg u a r a n t e e d b a o s t e e l p u r c h a s e d at e n r o l l s t r a i g h t e n e r f o rt h en e wb o i l e rt u b e p r o d u c t i o n l i n ei nt u b eb r a n c h w h i c hi so n eo ft h em o s ta d v a n c e d t u b e s t r a i g h t e n e ri nt h ew o r l d a c c o r d i n gt oe x p e r i m e n t sw i t ht h et e n r o l l s t r a i g h t e n e r i nb a o s t e e lt u b e b r a n c h ，t h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e nt h e s t r a i g h t e n i n gp r o c e s sp a r a m e t e r sa n dt h ep r o p e r t i e so ft h et u b e ，s u c ha s d i a m e t e r , w a l lt h i c k n e s sa n dy i e l dp o i n t ，h a sb e e ns y s t e m a t i c a l l ys t u d i e d t h e a d j u s t m e n t o ft h er o l l a n g l e w a sa l s os t u d i e di n t h i s p a p e rb y e x p e r i m e n t s w i t ht h et e n r o l ls t r a i g h t e n e ri nb a o s t e e lt u b eb r a n c h t h e p r o f i l e o ft h er o l l e ri sa n o t h e r i m p o r t a n t f a c t o ri nt u b e s t r a i g h t e n i n g h o w t od e t e r m i n et h ep r o f il eo ft h er o l l e rw a ss t u d i e di nt h i s p a p e r t h er o l l e rp r o f i l eo f t h et e n r o l lt u b es t r a i g h t e n e ri nb a o s t e e lt u b e b r a n c hw a sc a l c u l a t e d t h er e s u l to ft h ec a l c u l a t i o ni sa ss a m ea st h ef a c t t h em e c h a n i c a lm o d eo ft h et e n r o l lt u b es t r a i g h t e n e rw a se s t a b l i s h e di n t h i sp a p e r a n da c c o r d i n gt ot h i sm e c h a n i c a lm o d e ，t h ea u t h o rc a l c u l a t e d t h eb e n d i n gd e f l e c t i o n f o rm o r ep r e c i s e a n a l y s i so ft h es t r a i g h t e n i n gp r o c e d u r e ，t h ef e m m o d e lo ft h e c r u s h i n gw a se s t a b l i s h e d t h ef e ms i m u l a t i o ne v a l u a t e d 第1 1 1 页 上海交通大学工程硕士学位论文a b s t r a c t s e v e r a le q u a t i o no ft h ec r u s h i n gq u a n t i t y t h ef l e wm e t h o do fd e t e r m i n a t i o n o ft h ec r u s h i n g q u a n t i t yb a s e d o nf e mh a sb e e nf o u n d e d t h er e s e a r c ho ft h es t r a i g h t e n i n gp r o c e s sw i l lh e l pt oi m p r o v et h et u b e q u a l i t yr e d u c et h ec o s ta n d i n c r e a s et h ep r o f i t t h er e s u l t si nt h i sp a p e rw i l l g i v es i g n i f i c a n ti n s t r u c t i o ni nt h e t u b es t r a i g h t e n i n g p r o c e s s k e y w o r d s ：s t r a i g h t e n i n g ， r o l l e r p r o f i l e ，p l a s t i cd e f o r m a t i o n ， e l a s t o - p l a s t i cf e m ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，m a r c 第1 v 页 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：健赵 日期：c ) h - 年，月；曰 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在一年解密后适用本授权书。 本学位论文属于， 不保密囱。 ( 请在以 ：方框内打“”) 学位论文作者签名：礓杰 日期：0 旧年s 月3 ，日 矗彳 日 吃叫 1 蓼 i，水咱 名 年 鹳 埤 jy、，一 刻 谬 誊 期 上海交通大学工程硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 在线材、板材、圆材和结构件的生产中，广泛采用热轧或冷拔等金属加工方 法，其生产出来的产品都有存在一定程度的弯曲，有时甚至还存在扭曲。如果再 经过热处理，这种偏差可能会进一步加剧。为了矫正这种偏差，常采用各种矫直 方法进行矫正。 对于轧制、焊接及热处理后的钢管，主要的缺陷除了纵向弯曲外，还有横断 面的椭圆度。这些缺陷通过在钢管精整过程中对钢管进行矫直和矫圆来消除。在 钢管生产中应用最广泛的矫直设备是斜辊矫直机。它能够同时消除钢管的弯曲和 横断面的圆度误差。 矫直的工艺方法广泛应用于金属加工业、机械制造业、仪器仪表制造业。在 工业生产中，工件的矫直主要是由各种形式的矫直机完成的。图卜1 为广泛应用 于圆截面棒料、管材生产中的六斜辊旋转矫直机的辊系布置图。矫直不仅影响到 工件的宏观形状和尺寸，也会改变工件内部材料的组织结构以及材料内部的应力 分布。在钢轨的生产中，矫直是最后道工艺，决定了钢轨内部的残余应力分布， 影响到钢轨的使用弘j 。 图1 一l 斜辊矫直机矫直辊布置图 f i g 1 - 1a r r a n g e m e n to f t h er o i l si ns i x - r o l ls t r a i g h t e n e r j 件的矫直过程是一个相当复杂的弹塑性变形过程，目前人们还无法对各种 矫直方法给出精确的描述。许多矫直机的操作还主要依赖于工人的经验来设定工 艺参数，不同的操作工人设定的工艺参数不尽相同，这就造成了产品质量的不稳 定。这也造成每次矫直机调整要占用大量时洲，降低了矫直的生产效率。要想准 确地制定工艺参数，就必须了解矫直变形过程的原理。 第l 负 上海交通大学工程硕士学位论文 第一章绪论 为了进步完善管材的矫直精整过程和提高矫直速度，必须研究开发新的高 效率管材矫直机。同时还必须客观地研究管材的矫直变形过程。因为在矫直过程 中力的相互作用关系是相当复杂的，只有精确地确定矫直过程的力学变形规律， 才能正确地评价矫直机矫直力能参数，从而正确设计和使用管材矫直机。 1 1 矫直技术的基本方法和原理 金属材料的矫直主要是利用了金属材料的弹塑性变形的特性，金属材料在明 显的塑性弯曲条件下，弹复能力几乎是相同的。因此不管其各处的原始曲率如何 不一样，在较大的弯曲之后，几乎可以得到各处均一的曲率，从而达到平直的效 果。考虑到不同形状的材料弯曲特性和矫直目标的差异，在矫直板材、型材时多 用反弯矫直法，而在矫直管材时多用旋转矫直法【3 1 。 1 1 1 金属材料的反弯矫直 反弯矫直是发展最早的矫直方法。人们真观地把弯曲的金属条材，根据原始 弯曲程度的不同加以不同程度的反向弯曲，可以达到矫直的目的，故称为反弯矫 直。图卜2 为利用利用凹槽块进行的手工压力矫直。反弯矫直最初所用的工具很 简单，在两支点之间放好条材，使其凸起处向上，用手锤压击凸起处使其反向弯 曲。凭操作人员的经验，适当调节锤击力的大d 、，最后可以得到平直的条材。 图卜2 利用凹槽块的手工压力矫直 f i g1 - 2m a n u a ls t r a i g h t e n i n gw i t hag r o o v e db l o c k 随着工业技术的进步，压力矫直机替代了人和手锤，这就是压力矫直。条材 隆压头与支点之间形成反弯，并不断改变压下量，可使各种程度的原始弯曲得到 矫直。近代的雎力矫直机增加了计算机程序控制，不仅显著地提高了工作效率， 第2 页 上海交通大学工程硕士学位论文 第一章绪论 而且能使人们对视觉分辨不出的轻微弯曲也能得到充分的矫直。 手工矫直和一般压力机矫直都需要逐渐减小压下量和多次反复压弯才能达到 矫直目的，无法满足大量生产的要求。因此人们创造了一种连续式多辊递减压下 量的矫直方法，即辊式矫直机。它在现代化的金属加工制造业中占据着极其重要 的地位。尤其在各种型材及板带材生产中，大量使用各种形式的辊式矫直机来矫 直型材和板材。 1 1 1 1 压力矫直 压力矫直必须要考虑到条材原始曲率的随机性和规律性。所谓随机性是指弯 曲部位和弯曲程度存每根条材上都互不相同：所谓规律性是指弯曲部位较多地集 中在某处或某儿处，弯曲程度最大不超过某种限度，而且其变化是连续的。如细 长条材容易产生龙弯，而且头部弯曲较大；短粗条材的弯曲方向单纯，而且弯度 较小。这里所反映的基本规律是断面模数大的条材，其曲率变化的梯度小；长度 小的条材，其曲率变化的梯度也小。反之，其曲率变化的梯度大。压力矫直的工 岂规范应该同这种随机性及规律性相适应。因此支点距离应该可调，压下量应该 叮调；条材应该能自由移位，保证压力集中作用在原始曲率最大处；条材应能翻 转角度，从m j 使各方向的弯曲得到反弯矫南。 图l _ 3 压力矫直 f i g1 3s t r a i g h t e n i n gi nap r e s s 压力矫直时如果人为地使弯矩变化梯度同条材原始曲率变化一致，则容易取 得较好的矫直效果。因为条材的原始曲率变化梯度除受某些偶然因素影响之外， 多数情况下是决定j i 轧材的断面特性和条材的长度。断面模数大的条材，既使在 ：1 h 湍条件下，产牛弯曲的可能性也小于断面模数小的条材。也就是说原始曲率变 化梯度反比f 断而模数。如果把曲率变化梯度理解为弯曲的难易程度，则难以弯 第3 页 上海交通大学工程硕士学位论文第一章绪论 曲的条材，即断面模数大的条材，也难于矫直。长度大的条材，产生弯曲的可能 性大于短的条材。在断面特性相同的条件下，加长支点距离，等于减小曲率变化 梯度。因此可以看出，矫直的规律和弯曲的规律是一致的；对于大断面的条材矫 直可以加长支点距离：既能减小矫直力，又符合其原始曲率梯度小；对于小断面 条材矫直可以缩短支点距离，既能符合其原始曲率大梯度，又可充分发挥机器性 能。因此在压力矫直机和辊式矫直机上要进行变辊距矫直。 1 1 1 2 递减反弯矫直 普通的压力矫直机效率低、矫直质量差，尤其是它的工作的不连续性难以适 应大批量生产的要求。规模化的生产需要的是能高速连续工作的矫直机。人们从 实践中受到启发：金属材料在明显的塑性弯曲条件下，弹复能力几乎是相同的。 因此不管其各处的原始曲率如何不一样，在较大的弯曲之后，几乎可以得到各处 均一的曲率。不过金属刚性越大，压弯后的残留曲率的均一性越差。而且这种差 值将随着反弯次数的增加而减小。矫直的目的不单是轧材各处的残留曲率趋向一 致，而且还要求各处的残留曲率都趋近于零。这就要求材料不仅应受到多次反弯， 还要有反弯量的逐渐减小，一真到等于纯弹性反弯为止。交错配置的多辊矫直机 l f 蚶是可以满足j 二述要求的设备。图卜4 为多辊矫直机的工作原理图。材料经过 血次反弯并逐渐减小压下量，最后达到平直要求。 1 1 2 金属材料的旋转矫直 图1 4 多辊矫直机 f i gl 一4p a r a l l e lr o l ls t r a i g h t e n e r 旋转矫直主要是用于圆材矫直，由于圆材抗弯能力在全圆周上的一致性，造 成凼材弯曲方向的随机不定。采用前面所述的平面性多辊矫直法对圆材进行矫直， 很j f f | 得到满意的矫直效果。人们设想如果能面旋转，面进行反弯矫直，正好 第4 戾 上海交通大学工程硕上学位论文第一章绪论 可以得到全圆周性的矫直效果。实践证实了这一设想的正确性。同前面所述的道 理一样，圆材轴向纤维经较大的弹塑性变形之后，弹复能力逐渐趋于一致。各条 纤维都经过一次以上的由小到大，再由大到小的拉压变形，即使由于原始弯曲状 态不同而受到的变形量互有差异，但只要变形都是较大的，则弹复能力就必将是 接近的。这种变形反复次数越多，弹复能力越接近一致，矫直质量越好。文献 4 6 1 介绍了不同种类的旋转矫直机。 1 2 矫直变形理论研究及发展 在矫直理论的早期研究中，人们大多基于弹塑性力学理论，建立矫直工艺参 数、材料特性与矫直结果之间的解析式，再进行求解研究。而金属材料的矫直是 个非常复杂的变形过程，工件在矫直中往往要发生反复的弹塑性变形，圆材、线 材的旋转矫直中伴随弹塑性变形还有回转运动，这都给矫直过程的研究带来了很 大困难。因此在矫直过程的分析中不得不作出大量的简化、假设，这就影响了结 果的精确性。 随着科技的发展，特别是计算机技术的发展，使得人们在分析复杂的问题时 有了强大的计算工具，使得人们可以利用数值方法，得到更精确的分析结果。有 限元方法就是数值方法中最重要的一种。 1 2 1 基于弹塑性理论的解析方法 金属材料的矫直主要是利用了金属材料的弹塑性变形的特性，即金属材料在 明显的塑性弯曲条件下，弹复能力几乎是相同的。因此不管其各处的原始曲率如 何不一样，在较大的弯曲之后，几乎可以得到各处均一的曲率，从而达到平直的 效果。 在早期的矫直生产中，矫直工艺参数的调整依赖于操作者的经验，这就造成 了矫直质量的不稳定。要想正确制定矫直机的工艺参数( 压下量、压扁量、矫直 辊倾角、矫直压力等) ，就必须要了解金属材料在矫直过程中的变化情况，分析出 矫直 艺参数与材料特性参数( 屈服极限、弹性模量等) 和矫直结果( 平直度、 横断面圆度、残余应力、残余曲率等) 之问的关系。从而根据期望的矫直结果来 制定 艺参数。 1 2 1 1 金属材料的弹塑性模型 第5 页 上海交通大学工程硕士学位论文第一章绪论 为了研究矫直过程中金属的弹塑性变形，必须建立相应的弹塑性力学变形模 型。为了简化分析，传统分析中通常将被矫工件假设为理想的弹塑性材料，金属 材料的弯曲和反弯，基本符合材料力学的弯曲条件，遵守平截面变形原理。对屈 服准则也进行了简化，不计三向应力的影响。在处理一般的弯曲和矫直问题，只 考虑纵向应力，将屈服条件简化为纵向应力达到屈服极限盯，。崔甫1 3 】基于这样的 简化得出了轧材横截面上的应力应变分布情况。从应力与变形的关系对弯曲进行 分析，引起弯曲变形的外因是弯矩，根据内力与外力相平衡，就可以得到弹塑性 弯曲的弯矩。 崔甫【3 l 给出的圆形断面的理想金属材料的弯矩： m = m 引( ；一等) ( 1 一f2 ) 2 十去a r c s i n f l ( 1 - t ) 式中，弹性极限弯矩m ，= z r3 0 - , 1 4 ：弹区比f = 二( 其中r ，为弹塑性交界处 刘圆午才轴线的距离) 。 根据不同的加载情况，可以确定各处的弯矩，进而可以确定f 的值，得到各处 的塑性区分布状况。在此基础上崔甫1 3 】分析了弯曲矫直过程中的应力与应变、弯矩 t j 曲率、能量与曲率、以及各种曲率之间的关系，给出了各种力能参数、结构参 数和工艺参数的计算方法。 屿斯基列逊i 对管材矫直过程中管材的变形，塑性变形深度系数的选择，金属 刈矫随辊的压力，管材矫直机的摩擦损耗，矫直辊扭矩等作了理论分析。他认为 破矫利料是理想的弹塑性材料；伯努力平面假说适用于弹塑性变形；圆材的弯曲 j ： | | 线与其中巾牛轴重合：被矫圆材断i 豇具有正确的圆形，而且整个断腼的壁厚均匀。 j lj 这样基本假设条件，他确定了斜辊式管材矫直机计算参数的方法。可以看出 这t 1 传统理论分析所做的简化是类似的。他给出了曲率半径二= = l ，塑性层 pe k r 。 溅釉仁薏瑚姚加；5 薏 【l | 这些参数可汁算得到内力矩，管材断面向前移动和转动时的变形能量。根 圳矫良时外部 i 曲力矩与内力矩平衡的原理，就可计算出外部弯曲力矩。 第6 贝 上海交通大学工程硕士学位论文第一章绪论 1 2 1 2 矫直工艺参数的制定 有了金属材料在矫直过程中的弹塑性力学变形模型，矫直工艺各参量之间的 关系，就可针对各种矫直机进行分析，制定工艺参数。对于辊式矫直机而言，工 件在矫直机中的变形量由不同辊组间的相对位置，即压下量或压弯量来控制。压 下量决定了工件的塑性变形程度，基于传统理论的弹塑性模型，由期望的矫直结 果参数可以得到压下量的值。文献 7 一1 1 中对不同场合下压下量的计算作出了分 析。 宋华等【7 j 应用弹塑性理论对管材弯曲矫直过程进行了分析，对矫正过程中的各 曲率值进行了定量计算，在保证矫正质量的基础上，提出了确定管轴反弯曲线曲 率的方法。崔甫等1 8j 在大挠度压弯时把弹复挠度与残留挠度分开计算，在计算残留 挠度时，将其作为假想外力作用产生的等效挠度，再将此等效挠度分为弹性挠度 与弹塑性挠度使用数值积分法计算，可获得与实际设定值相近的结果。陈慧敏等【卅 针对圆形断面材料，尤其是薄壁管，在矫直过程中经常出现压扁和压纹现象进行 分析。她将矫直过程中圆形断面材料看成一个连续弯曲的梁，精确地给出了反弯 矫直过程中试件的曲率，弯矩，变形能，挠度以及压扁率与塑性层深度系数的关 系，认为试件在矫直机上进行弹塑性弯曲矫直时，塑性层深度系数的选取是矫直 得以顺利进行并最终实现矫直的关键。朱美珍等【l0 1 应用能量法，给出了压扁压下 量的计算公式，得出压扁压下量随直径增大而增大，随壁厚增大而减小的规律。 李强l 根据钢管矫直时的变形规律，通过对矫直中钢管的力学状态及矫直前后的 状态参数分析，建立了一种适于现场应用的确定钢管弹、塑性变形区的方法。 斜辊钢管矫直机的矫直辊，无论是基于直管还是基于弯管设计，都是按某一 基准钢管半径和基准倾角设计的。当用基准矫直辊矫直非基准半径的钢管时，就 产生了了需要正确调角的问题。宋华口2 1 对这个问题进行了研究，给出了用基准矫 直辊矫直不同半径钢管时的调角规律，矫直辊半径偏差及矫直后的残留曲率等。 与传统的大多基于直管来设计辊形不同，他考虑到在实际的矫直过程中，与矫直 辊相接触的并非理想的平直钢管，而是呈弹塑性弯曲状态的弯管。据此提出了以 弯管为基准钢管来设计弯管矫直辊辊形。赵炳利等 13 】通过对矫直辊与管材在理想 接触条件下接触情况的分析，得出了工程计算矫直辊辊形的参数方程，为在数控 机床上加工矫直辊辊形提供了方便，并根据接触理论给出了矫直不同直径时调整 矫直辊的安装角的工程方法。李海平【1 4 j 也对这个问题进行了探讨。 对管材矫直而言，还存在横断面圆度误差的问题，在斜辊式矫直机中通过调 第7 页 上海交通大学工程硕士学位论文第一章绪论 整相对辊间的距离即压扁量来矫正横断面的圆度。朱美珍等【1 5 1 以弹塑性理论为基 础，从弯曲矫直与压扁成形的分离力学模型入手，建立了计算压扁力的独立理论 体系。宋华等| l6 j 弹性极限压扁力和压扁量进行了分析，应用弹塑性弯曲理论对钢 管压扁矫直过程中的各曲率进行了定量计算，提出了确定压扁量的方法，为矫直 机的合理操作提供了理论依据。 矫直过程中的力能参数的变化是分析矫直过程的重要依据，敖列伟f 1 7 】分析了二 辊矫直的接触应力，李强8 1 9 】对矫直力的测试和计算进行了分析。文献 2 0 】对二辊 矫直力能参数进行了细致的分析。m u n e k a t s uf u k u g e n 2 1 1 还建立了计算残余应力的 矫直变形理论。 矫直辊辊形曲线对矫直过程中的力与变形有着很大的影响，敖列伟1 2 2 l 研究了 二辊矫直机的矫直辊设计，文献 2 3 介绍了基于包络线法的辊形设计理论。刘鹄然 【2 4 】分析了辊形对矫直的影响，高洪深f 2 5 】给出了辊形的数学分析。赵炳利 2 6 】分析了 辊形对接触长度的影响。 曲洪德【2 还对一些传统的理论提出了质疑，并据此设计了新型的矫直机。文 献 2 8 3 1 1 也基于弹塑性力学理论对矫直理论和矫直机的控制进行了分析。 上述的种种分析都是基于传统矫直理论，以解析的方法来分析。文献 7 ，9 ， 1 0 ，1 3 还将理论分析的结果与实际设定值进行了对比，它们之间还存在着一些差 距。随着市场对产品质量的要求日益提高，促使人们制定更加精确合理的工艺参 数，提高矫直质量。这就需要对矫直过程进行更加精确的分析，建立更加精确的 弹塑性模型。利用计算机对矫直过程进行数值模拟无疑是一个有效的解决方案。 1 2 2 矫直过程的计算机数值模拟 随着科技的发展，特别是计算机技术的发展，使人们在分析复杂的问题时有 了强大的计算工具。这使得人们可以利用数值方法对实际情况进行更加准确的分 析，得到更加精确的结果。有限元方法是数值方法中重要的一种。基于有限元的 计算机数值模拟技术已经在板料轧制等塑性成形加工研究中得到了广泛的应用， 如m i g u e l 3 2 j n 立7 轧制过程的有限元模型，详细分析了轧制变形过程。d v o r k i n 【3 3 】 建立了无缝钢管矫直的有限元模型，模拟了弯管的矫直过程，证明了矫直操作的 有效性，还分析了外部压扁力对最终钢管圆度的影响。j m i s c h k e l 3 4 j 用计算机数值 模拟的方法研究了矫直变形过程，卫原平【35 】则对矫直工艺参数进行了计算机求解， 钦明浩| 36 j 建立了轴类零件矫直的有限元模型。 第8 页 上海交通大学工程硕士学位论文第一章绪论 1 3 问题的提出、意义和目的 宝钢钢管分公司从7 0 年代末起，先后从德国d e m a g 公司和英国b r o n x 公 司引进了多台钢管矫直机，积累了大量的生产实践经验。为了适应市场竞争的日 益激烈以及用户对钢管质量要求的不断提高，必须进一步提高钢管的矫直质量。 目前，在生产实践中，普遍依靠操作人员的经验和试矫的方法确定工艺调整 参数。这造成了矫直质量的不稳定。为了更加准确、合理地制定工艺参数，迫切 需要采用计算机数值模拟的分析方法，对钢管矫直压扁过程进行研究，对现有的 钢管压扁量的计算公式和经验公式进行技术比较和评价。 随着冶金工业的发展，促进了先进制造技术不断涌现。宝钢新投产的锅炉管 生产线是世界上第一条采用自动流水线的形式生产高压锅炉管的生产线，可以满 足生产多种规格的不同品种的钢管。为满足该生产线的配套要求，宝钢引进了一 台当代最先进的十辊矫直机。十辊矫直机最主要优点是具有生产率高、适用范围 广、矫直精度高并且具有产品质量稳定、故障少的特点。 十辊矫直机应用较少，并且采用十辊矫直机矫直管材时管材的变形较六辊矫 直机复杂，目前许多研究结果都是基于六斜辊矫直机，有关十辊矫直机的研究成 果比较少。采用对十辊矫直机工艺参数调整的试验方法开展研究工作，以获得准 确的数据。通过选择不同直径、壁厚和材质的钢管进行矫直试验，测定钢管矫直 的工艺调整参数。依据试验结果，研究工艺参数与钢管直径、壁厚和材质之间的 关系，为优化现钢管生产工艺提供一条有效途径，对提高钢管行业的技术水平具 有重要意义。 1 4 本章小结 钢管矫直是非常复杂的变形过程，矫直的工艺参数的制定主要还依赖于操作 人员的实践经验。依据试验结果，研究工艺参数与钢管直径、壁厚和材质之间的 关系，为优化现钢管生产工艺提供一条有效途径，对提高钢管行业的技术水平具 有重要意义。通过建立矫直压扁过程的有限元模型，将对现有的一些压扁量的经 验公式和计算公式进行评估，探讨压扁量确定的准确方法，对设计更加合理的矫 直辊辊形及研制新型矫直机有重要作用。 第9 页 上海交通，：学工程硕士学位论文 第一二章钢管生产工艺及钢管矫直机简介 第二章钢管生产工艺及钢管矫直机简介 2 1 无缝钢管生产工艺简介 无缝钢管的生产工艺主要可以分为两大类，即热轧无缝钢管和冷拔无缝钢管。 热轧无缝钢管的轧机品种繁多，如周期轧机、自动轧机、连续轧机等。宝钢钢管 分公司的热轧无缝钢管生产线采用连续轧管机组。 热连轧钢管生产一般是将管坯经穿孔机轧成空心坯，再通过空心坯减径机轧 成减径空心坯，然后在空心坯中穿入长芯棒，通过连轧管机轧成荒管。连轧管机 的轧制有两种方式，一种是芯棒随同钢管自由浮动的方式，称为全浮动芯棒连轧 管机，另一种是芯棒速度可控制的方式，称为半浮动或限动芯棒连轧管机。宝钢 钢管分公司采用的轧机形式是全浮动芯棒连轧管机。该连轧管机组，可生产的最 大的钢管为痧1 3 9 7 + 2 5 m m ，最小的钢管为庐2 1 3 + 2 r a m ，设计年产量为5 0 万吨。 宝钢钢管分公司的热轧钢管生产工艺过程如图2 一l 所示。 管坯- 一火焰切割- 一环形炉+ 热定心- 一斜轧穿孔机组 空心坯减径机组- 连轧机组- 一再加热炉+ 张力减径机组 冷 、管加工生产线- 一油井管( 包括钻杆) 图2 - 1 宝钢钢管分公司生产工艺流程 f i g 2 - 1p r o c e d u r ei nb a o s t e e lt u b eb r a n c h 宝钢钢管分公司的管坯分为连铸坯和初轧坯，分别由炼钢厂和初轧厂提供。 圆形管坯由行车吊至上料台架，经辊道送至火焰切割机。火焰切割机根据计算机 指令将管坯切割成定尺长度，随后切割好的管坯由辊道及提升链送至环形加热炉 炉前辊道。装料机将管坯逐根送入环形加热炉。在环形加热炉中，管坯被均匀加 第1 0 页 上海交通丈学工程硕士学位论文第二章钢管生产工艺及钢管矫直机简介 热至1 2 8 0 。c 后，由出料机钳出炉外。随后管坯由辊道送至热定心机进行定心。定 心后的管坯被送至穿孔机进行穿孔轧制。经过穿孔机轧制，实心管坯就成了空心 坯。在穿孔后台，空心坯脱去顶杆后，被送入空心坯减径机进行轧制，形成空心 减径坯。 减径空心坯由输送装置送入连轧机前台，等待进入连轧机轧制。当事先经过 润滑的芯棒插入减径空心坯后，空心坯随着芯棒一同进入连轧机轧制。经连轧机 轧制后，空心坯就成了荒管。在连轧机后台，荒管被脱去芯棒并切去头部后，其 温度己降至7 0 0 8 5 0 ，无法再进行下一道次轧制。所以，在进入张减机轧制前， 荒管需送入再加热炉再次加热。 荒管在再加热炉中被加热至9 0 01 0 0 0 。c 后，由出炉辊道送入张减机轧制。荒 管经张减机轧制后，经过冷床冷却和冷锯锯切，就成了半成品钢管。随后根据钢 管品种和用户要求，被分别送至精整或管加工生产线进行进步的加工。其中， 商品管和锅炉管由精整生产线加工后作为成品出厂，油井管由管加工生产线加工 后作为成品出厂。 2 2 宝钢十辊钢管矫直机简介 钢管经过轧制、焊接、热处理后，不可避免地存在纵向弯曲以及横断面的椭 圆度的缺陷。这些缺陷会影响后道工序，如影响探伤的准确率、车削螺纹合格率 等。为了消除上述缺陷，世界各国的钢管制造厂普遍采用钢管矫直机对钢管进行 矫直。钢管矫直机有许多种类，如压力矫直机、二辊矫直机、多斜辊矫直机、转 子式矫直机等。由于多斜辊矫直机能够有效地消除钢管的纵向弯曲和横断面的椭 圆度，而且具有生产效率高、适用范围广的优点，所以多斜辊矫赢机得到了普遍 的应用。多斜辊矫直机有四种辊系配置方式，即卜1 辊系、2 2 辊系、复合辊系、 3 - 1 3 辊系配置。 宝钢钢管分公司在新投产的高压锅炉管生产线上，布置了一台从英国b r o n x 公司引进的十辊矫直机。矫直机的型号为i o c r s b w 。该生产线采用自动流水线的形 式生产高压锅炉管，同时还可以生产普通商品管和进行部分品种油套管的预精整。 宝钢十辊钢管矫直机，共有5 对1 0 个矫直辊。1 0 个矫直辊分为5 对上下对称布置， 属于2 - 2 辊系布置。1 0 个矫直辊均为主动辊，由变频电机驱动。目前，同一类型 的钢管矫直机在世界上仅两台。从产品质量、控制方式的角度看，宝钢十辊矫直 机是目前世界上比较先进的钢管矫直机。 第1 1 页 上海交通大学工程硕士学位论文第二章钢管生产工艺及钢管矫直机简介 2 2 1 工艺参数 宝钢十辊矫直机的主要工艺参数如下 2 2 1 1 来料范围： 直径：2 1 3 m m 1 4 0 m m ( 1 8 0 m m ) 长度：8 2 1 m 壁厚：2 2 j m m 屈服强度：o ，6 2 0 m p a 来料重量：最大8 5 0 k g 来料温度：常温 2 2 1 2 来料要求： a ) 直线度：直线度误差1 0 m m m ，全长2 1 m 的直线度误差2 0 0 r a m 。 b ) 椭圆度：椭圆度误差蔓3 5 d ，d 钢管的名义直径 2 2 1 3 矫直精度 a ) 直线度： 头部及尾部1 m 范围内：直线度误差l m m m 中间部分：直线度误差o 5 m m m 全长范围：直线度误差5 r a m b ) 椭圆度： 按下式计算的椭圆误差小于钢管名义直径的0 2 5 。 2d m a x - d m i n 1o o ：0 2 5 d 。+ d 。 ( 2 - 1 ) 式中：d 。钢管的最大直径，m m ：d 。钢管的最大直径，m m 2 2 1 4 矫直速度：最大2 2 0 m m i n 。 第1 2 页 上海交通大学工程硕士学位论文 第二章钢管生产工艺及钢管矫直机简介 2 2 2 进料槽 进料槽位于矫直机主机前部。进料槽有两个作用：其一是将钢管逐根送入矫 直机；其二是限制钢管甩尾。 进料槽呈连续的圆桶状。进料槽设置有输送辊和斜压辊。输送辊用于输送钢 管，斜压辊用于限制钢管甩尾。在进料槽末端设置有入口导卫。入h 导卫可以对 钢管起到导向的作用。 2 2 3矫直机主机 矫直机主要用于矫直钢管并且消除钢管横断面的椭圆度。矫直机的结构可以 参见图2 2 。十辊矫直机共有1 0 个矫直辊，分为5 对上下对称布置，属于2 2 辊 系配置。2 2 辊系配置的矫直机咬入条件好，钢管表面不易产生擦伤。而且成对配 置的2 个矫直辊之间能够产生极大的压力，对管材椭圆度有较好的圆整作用。 十辊矫直机比传统的六辊矫直机多两对矫直辊。增加辊数可以加长塑性区， 而且可以增加管材的旋转次数，这样可以改善管材的矫直质量。如果管材在各辊 下的变形区域不同步，则同样也可以改善矫直质量。 2 2 3 1 机架 矫直机机架由上机架和下机架两部分构成。上机架装有5 套上辊及平衡、调 整与锁紧装置。下机架装有5 套下辊及调整锁紧装置。上机架与下机架通过1 2 根 预应力立柱连成一体，承受矫直过程中产生的矫直载荷。 2 2 3 2 矫直辊装配 矫直辊的辊形曲线为近似双曲线。对于所有规格的钢管，均采用同一辊形曲 线。根据传统的管材矫直理论3 1 ，对于一种辊形曲线，其适用钢管的直径跨度一 般为d d 。= 4 5 。而该矫直辊适用钢管的跨度为d d 。= 9 ，远远大于4 5 。这是宝钢十辊管材矫直机的一大特点。 第1 3 页 上海交通大学工程硕士学位论文第二章钢管生产工艺及钢管矫直机简介 图2 - 2 十辊矫直机结构示意图 f i 9 2 - 2a s s e m b l y o f t e n - r o l lt u b es t r a i g h t e n e r 矫直辊支承轴承可以沿轴线方向左右调整。调整的范围为5 m m 。这可以消除 由于矫直辊装配误差引起矫直机中心线的左右偏移，保证5 对矫直辊处于一直线 上，提高矫直精度。 第1 4 页 上海交通大学工程硕士学位论文第二章钢管生产工艺及钢管矫直机简介 2 2 3 3 上辊调整装置 上辊调整装置包括所有矫直辊的平衡装置、高度和角度调整装置及锁紧装置。 每个上辊设置有气缸平衡装置，用于平衡上辊的重量和消除调整丝杆螺母的间隙， 避免钢管咬入时产生冲击。 5 个上辊的高度可以由电机驱动分别单独调整。调整机构采用蜗轮蜗杆机构， 蜗轮上装有丝杆。当蜗轮旋转时，带动丝杆上下移动，从而驱动矫直辊上下运动。 1 个矫直辊的调整机构中总共有2 套蜗轮蜗杆机构。在每个上辊的2 套蜗轮蜗杆调 整机构中的1 套装有压力传感器，用于检测矫直辊的负载。负载传感器的读数可 以在操作台上显示。十辊矫直机还设有传感器用于检测矫直辊的高低位置。传感 器的读数可以在操作台上显示。 5 个上辊与矫直机中心线的夹角均为4 5 。各上辊与矫直机中心线的夹角可 以单独调整，范围为3 5 。5 0 。( 即一1 0 。5 。) 。该矫直机设有传感器用于检测 矫直辊与中心线的夹角。传感器的读数可以在操作台上显示。根据矫直理论分析， 夹角越大时管材的矫真速度越高，这有利于提高生产效率。但是根据矫直理论， 矫直速度过高可能会影响钢管矫直质量。 在矫直机工艺参数调整完成后，液压锁紧装置将矫直辊锁紧，保证在矫直过 程中每个矫直辊位置保持不变，从而保证钢管的矫直质量。 2 2 3 4 下辊调整装置 5 个下辊中，由于入口与出口的矫直辊高度不需要调整，故不设调整装置。中 间三个矫直辊高度可以进行调整。3 个下辊不仅可以单独调整高度，还可以与相应 的上辊一起同向调整高度。该矫直机设有传感器用于检测矫宣辊的高低位置。传 感器的读数可以在操作台上显示。5 个下辊与矫直机中心线的夹角均为4 5 。5 个 下辊均可以单独进行角度调整。5 个矫直辊的角度通过传感器可以在操作台上显 示。下辊的锁紧装置与上辊完全一样。 入口侧第一个下辊，由液压缸驱动可以上下升降。当钢管头部尚未进入矫直 机时，该矫直辊处于低位。当钢管头部通过第一对矫直辊进入矫直机后，该矫直 辊提升参与工作。当钢管尾部通过第一对矫直辊后，该矫直辊下降。这样设计可 以避免头部弯曲的钢管撞击矫直辊，减少矫直辊的损坏和矫直辊辊形的磨损。 第1 5 页 上海交通大学工程硕士学位论文 第二章钢管生产工艺及钢管矫直机简介 2 2 3 5 主传动装置 十辊矫直机的1 0 个矫直辊均为主动辊。这样可以改善钢管的咬入条件，改善 钢管的表面质量，减少钢管的表面擦伤。1 0 个矫直辊设有两套传动装置，其中一 组传动装置传动5 个上辊，另一组传动装置传动5 个下辊。主传动电机采用s i m e n s 公司的变频电机。电机传动功率为1 0 0 n ，。电机通过三角皮带、齿轮分配箱和万 向轴驱动矫直辊。在钢管矫直过程中，采用低速咬入钢管和低速抛出钢管，以提 高管端的直线度。 2 2 4 出料槽 出料槽位于矫直机主机的后部，其主要作用是接受来自矫直机的钢管。出料 槽的另一个作用是沿钢管全长方向支撑钢管，限制钢管头部的摆动。 出料槽与进料槽一样，也是全封闭的。在矫直过程中，槽盖关闭，保证钢管 在出料槽中做螺旋运动。出料槽沿长度方向布置有输送辊，用于支撑钢管。 2 2 5液压系统 由于十辊矫直机自动化程度较高，所以系统配备了液压系统。系统共有3 台 液压泵。其中，主泵2 台，其中1 台备用。另外，系统还设置了循环泵1 台，用 于油液的冷却和过滤。系统的主要组件采用德国r e x r o t h 公司的产品。整个系统 采用液压站加液压阀台的形式。即主机设置一套集中供油的液压动力源，液压控 制阀分散在执行元件周围。 2 2 6综述 宝钢钢管分公司的十辊矫直机具有矫直精度高、产量高、自动化程度高等 系列优点。特别是一套辊形适用于全部规格的钢管的优点给生产的管理和组织带 来极大的便利。由于十辊矫直机的自动化程度高，这降低了操作人员的劳动强度， 但增加了检修维护的工作量。该矫直机结构紧凑，也增加了日常检修维护的难度。 2 3 本章小结 第1 6 页 上海交通大学工程硕士学位论文第二章钢管生产工艺及钢管矫直机简介 1 简要介绍了宝钢钢管分公司连续轧管机组的工艺流程。