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钢筋矫直切断机的设计正文,毕业设计论文

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1 1 绪论 1 1 国内外钢筋矫直切断技术的发展状况 钢筋矫直切断机在建筑行业运用广泛，国内外对钢筋矫直切断机的研究也比较多， 国内对于钢筋矫直切断机的需求空间很广，但国内的矫直切断机只能满足一般的需求，对于一些矫直精度较高，切断质量要求也较高的钢筋就无法满足了，需要从国外进口有关设备， 总体来说国内的技术还落后于国外。 由于冷轧带肋钢筋需要经矫直切断后才可使用，但目前对于冷轧带肋钢筋矫直的理论研究还不是很完善，冷轧带肋钢筋矫直的无划伤问题一直没有得到很好的解决，冷轧带肋钢筋矫直机的系统参数设计也主要是依 据普通圆钢筋矫直机的有关参数 。 国内还没有能满足矫直性能要求的数控冷轧带肋钢筋矫直切断机，而从国外进口一台数控冷轧带肋钢筋矫直切断机需要 8 万美元，一般用户难以承担。市场上急需一种矫直质量较好、自动化程度及生产效率较高的矫直切断机。 国内的机器最缺少的技术就是矫直技术了，而这一方面国际上有些国家发展的较好，如前苏联，德国和日本在这方面起步较早。国内有关技术人员也在矫直理论和技术的研究方面作出了很大的努力 ，其中有部分成果的水平居领先地位，如列入 1998 河北省企业技术开发第二批计划的 GTK6/12 数控冷轧带肋钢筋矫 直切断机已经解决了有关技术上的难题其水平已达到国内领先地位，它在提高矫直质量、保证矫直后钢筋表面无划伤的基础上，采用了数控技术，提高了自动化程度，实现了自动定长切断、记数（钢筋长度、单根重量、总重、钢筋总数）及自动停车等功能。 1 2 冷轧带肋钢筋的概述 1 2 1 钢筋的种类 建筑上常用的钢筋分为热轧钢筋，冷拉钢筋，热处理钢筋，钢丝和钢绞线等许多类。 在常温下对钢筋进行加工称为“冷加工”。用冷加工方法可以使热轧钢筋的强度得以提高，是节约钢材行之有效的方法之一。常用的冷加工方法有冷拉和冷拔两种，近十年来，又发 展了冷轧和冷轧扭等方法。 冷轧带肋钢筋是采用强度较低，塑性较好的普通低碳钢或低合金钢热轧圆nts 2 棚条钢筋为母材，经冷轧或冷拔工艺减径后在其表面冷轧成具有三面或两面月牙形的钢筋。轧制冷轧带肋钢筋的普通低碳钢牌号为 Q215 和 Q235 热轧圆盘条钢筋，低合金钢牌号有 24MnTi和 20MnTi 等热轧圆盘条钢筋。 鉴于目前国内生产的冷轧带肋钢筋的母材品种较多，冷轧加工工艺也不尽相同，冷轧带肋钢筋的强度差异较大，国际冷轧带肋钢筋将冷轧带肋钢筋分为 LL550、 LL650、和 LL800 三个级别。在本课题中所设计的钢筋基本性 能。 LL550 级钢筋强度较低，主要用以替代钢筋混凝土结构中的小直径热轧 I级光圆钢筋，做钢筋混凝土机构中的受力钢筋、架立钢筋、分布钢筋。 LL550 级钢筋宜用 Q215 热轧圆盘防金轧制，钢筋的公称直径有 4、 5、 6、 7、 8、 9、 10、12mm八种规格。 冷轧带肋钢筋是近三十多年国外发展的一个新钢种，具有抗拉强度高和延伸率好的特性，与普通热轧线材比较，可节约金属材料 30 40%以上，并使钢筋混凝土强度和预应力混凝土构件强度提高，节约水泥。 1968 年由德国、荷兰、比利时研制成功，七十年代在欧美得到了大力发展应用，并有 各自相应的国家标准。 我国起步较晚，自八十年代后期起，我国开始引进冷轧带肋钢筋生产设备。先后有南京、苏州、上海、青岛等地分别从德国、意大利等国引进 11 套设备。九十年代中期又有安徽、广东、江苏等省的合资或外商独资企业，从国外引进几条生产线。与此同时，国内有些科研单位和企业着手研制或仿制冷轧设备。迄今已有十多个单位在生产和销售冷轧带肋钢筋全套设备，分布于北京、辽宁、江苏、河北、天津等地。 国家科委已将冷轧带肋钢筋列入国家重点推广项目。建设部将它纳入“九五”期间建筑业重点推广的 10 项新技术之一。 1997 年 8 月，建 设部将国家跨世纪重大技术推广工作命名为“广厦工程”，冷轧带肋钢筋的推广作为“广厦工程”的先期启动项目最先开始实施。据不完全统计，仅 1998 年全国的推广量已超过60 万吨。用于城乡住宅及公共建设的建筑面积达 1.5 亿平方米，今后还将有较大的增长。 1.2 2 冷轧带肋钢筋的表面形式 我国生产的冷轧戴了钢筋大部分为三面带有月牙形横肋，钢筋的外形如图nts 3 1-1 示。横肋沿钢筋横截面周圈上分布，且其中必须有一面的方向与另两面反向。肋中心线与钢筋纵轴夹角 B 为 40 60 。肋两侧面与钢筋表面斜角 a 不得小于45 。肋间隙总和tf应不大于公称周长的 20%，即 0.2tfd。相对肋面积 f按下式计算： s i nRr KFf dc 式中 K=3（三面带肋）； F 一个肋的纵向截面积： B 肋与钢筋轴线的夹角； D 钢筋公称直径； C 肋的间距。 在生产实际中，除三面冷轧带肋钢筋外，还有少数厂家生产两面带肋的冷轧钢筋，有的生产表面有压痕的冷轧带肋钢筋。个别厂家还生产表面带阴螺纹的冷轧钢筋，以减少肋造成的应力集中现象 。 根据许多单位所做的材料性能实验，两面冷轧带肋钢筋与三面冷轧带肋钢筋的力学性能并无显著的区别。 GB13788-92 和冷轧带肋钢筋混凝土结构技术规程未将两种带肋钢筋的力学性能加以区别。同时考虑到三面冷轧带肋钢筋应用最广泛，在本文设计计算中将参考三面冷轧带肋钢筋的各方面参数 。 1.2.3 冷轧带肋钢筋基本性能 由图 1-2 可知，冷轧带肋钢筋均无 物理屈服点的硬钢，则条件屈服强度nts 4 采用0.2，图中所示，其 曲线表现 一段较长的非弹性过程，说明弹性和塑性关系比较优化，综合力学性能较好。对于 LL550 级钢筋，0.2相当于 0.91 b，伸长率按10计算，在新制定的国家标准中， LL550 级钢筋伸长率10 8%，与国际标准规定相同。 LL550 级冷轧带肋钢筋的曲强比在 0.9 左右。 JGJ95-95 编制组根据 LL550，LL650 和 LL800 级三种强度级别，测得冷轧带肋钢筋的弹性模量变化范围为（ 1.8881.984） x 5210 /N mm ，钢筋的弹性模量 E=1.9x 5210 /N mm . 1 3 课题的提出和意义 我们所设计的该种钢筋切断机在参考国内已有机型的基础上加以改进，减低了成本，在矫直技术上又加以改进，增加了行程开关使其可以自动定长切断，承料槽也加以改进，使得钢筋可以自动落下，上面研究重点即课题研究内容： 1. 针对冷轧带肋钢筋，提出新的系统参数设计，提高矫直质 量、保证矫直后钢筋表面无划伤。 2. 针对新的辊系配置方案，确定力学模型，精确矫直功率计算。 3. 提高效率，使得矫直速度达到 36m/min,提高了效率，但提高矫直速度的同时又要保证矫直质量。 4. 定尺切断，在 36m/min 的条件下进行切断，且达到切断误差小于 5mm。 5. 采用行程开关提高自动化程度。实现自动定长剪切，钢筋可以自动落料。 nts 5 2 钢筋矫直理论及金属材料的弹塑性弯曲 2 1 矫直理论与技术总体概况 冷轧带肋钢筋具备十分显著的社会效益和经济效益，因此将 得到广泛应用。但是由于冷轧带肋钢筋直径较细和受加工方法的限制，一般都是成卷供货。在使用过程中，除采用长线台座先张法生产预应力空心板等构件不存在矫直外，采用短线法生产预应力构件以及做非预应力钢筋用时，一般多需要经过矫直处理后方可以使用，否则混凝土构件中的曲折钢筋将会影响构件受力性能。因此，钢筋矫直是钢筋加工中的一项重要工序。钢筋矫直切断机能自动矫直和定尺切断钢筋，并可清除钢筋表面的氧化皮和污迹。同时要求矫直后钢筋表面无划伤、无扭转、强度不受损失、切断长度准确。因此，对冷轧带肋钢筋采用的精整技术 矫直工艺和技术 的研究，其作用就愈为突出。 对矫直技术和理论的研究，目的在于正确的分析和描述矫直过程中呈现的一系列现象，寻求和实际相吻合的规律；确定矫直参数见的相互关系，用以指导生产；研制和开发新型、高效、高精度的矫直设备，使钢材产品的质量和精度不断得到提高。 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，取得了许多研究成果。许多成果已应用于实际生产中，产生了巨大的经济效益。矫直技术发达的国家，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作了大量的工 作，并取得了一批较有影响的成果。 国内有关的技术人员在矫直理论和技术的研究方面亦作出了很大的努力，使矫直理论和技术的研究工作得到了广泛的重视，并取得了不少令人属目的研究成果。其中部分成果的水平居领先地位。随各行业对矫直设备的种类、数量日益增加的需要，我国目前已形成了自行设计和生产板、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。在引进和吸收国外先进的矫直设备和技术的基础上，更加高效，高精度的矫直设备相续问世，不断的推动矫直理论和技术的研究工作向前发展。 2 1 1 国内外对矫直理论和技术 的研究综述 新的矫直设备的出现及矫直技术的新发展，必然在很多方面引起对矫直理nts 6 论和技术的深入研究。目前，国内外有关这方面的研究工作抓哟集中在以下几个新型矫直设备的研制、开发和改进；产品矫直精度的提高？。 2 1 2 矫直基本理论和技术的研究 在矫直基本理论和技术的研究方面，国外发展的较早。二十世纪六十年代，前苏联的一些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、矫直工艺以及介绍管材矫直机的基本型式和结构的文献？ /近些年来，国内外的科技人员对矫直参数问题作了很多研究。 Ruppin 深入探讨了多辊弯曲 矫直过程中轴向拉伸载荷和压下量的关系，并对压下量和矫直效果的关系做了详细的研究，得到了一些有意义的结论； Rrdolf Bruhl 应用旋转矫直机矫直，深入研究了矫直工艺对线材性能的影响，给出了详细的实验数据，指出钢筋矫直后一般表现为延伸率增大，强度降低，矫直后抗拉强度值平均下降 5%？。德国的 W.Uerche 分析了辊式矫直提高棒、带性能的先决条件和可能性？； Fryderyk Knap 认为弯曲后的残余应力是弯曲时的应力和卸载应力的集合叠加，最大残余应力发生在介于线材中心和表面的区域，弯曲半径越小，残余应力越 大，其研究结果表明，辊式矫直也可以看成弯曲变形，多辊单方向矫直就可以显著降低残余应力，矫直过程中大的弯曲半径对残余应力的消除是有利的？。 同时许多研究人员对矫直机结构参数也进行了较为深入的研究。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，而对矫直辊辊型的设计和研究一直是矫直机结构单数研究的中心。资料针对在管棒材矫直机的辊型研究中均假定矫直过程中管棒材是理想圆柱体，而与实际情况中管棒材均呈弯曲状态的情况不相符合的问题，作者由等距曲面的观点出发，研究了管棒材呈弯曲状态时与之接触的辊型 曲面，而且讨论了矫直辊的角度调整问题，使得在实际中得到更好的接触状态。文献中 /则简化现有的辊型曲线的理论公式，通过引入无量纲的中间变量 U，使得用参数方程表达的辊型曲线方程式变得便于记忆和求解。文献中对有关问题的简单、直观及实用的处理方法在设计中有较好的借鉴作用。文献 5 在国内外对辊型研究成果的基础上，对直圆材全接触双曲线辊型的研究成果进行了系统的总结，并提出了高度概括性的意见，找出了更为简明的计算方法和辊型曲线的作图方法。在文献 13 中德国的 W.Guericke 确定矫直扭矩时，考虑了塑性变形区的长度和旋转弯曲 的变形能，使得计算结果的精度得到nts 7 提高；文献 14 对“ 313”钢管矫直机的矫直力、矫直功率的计算进行了分析，并引入了叠加原理，对矫直机的设计工作有一定的参考价值。 2 1 3 对矫直设备和矫直质量的研究 对于理论的研究就是为了更好的指导实践，所以改进现有的矫直设备，研制和开发新的设备以及不断的提高矫直质量，一直是研究工作者的目标。文献1523 均涉及了这个问题，其中，文献 15 对提高管材的矫直精度的途径进行了探讨和试验。提出了“综合矫直”的理论观点，使多种矫直效果叠加和巩固，进而提高了矫直效果。文 16 论述了提高 矫直质量的先觉条件和可能性，即增加被矫轧材的塑性变形区的长度。文献 1723 各自发表了所研制的管材的新型矫直机，从各个不同的角度使管棒材矫直的精度、生产率和矫直机的适用范围等个方面得到了提高。 在众多的文献中，文献 3/在使矫直理论系统化方面进行了总结。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。 2 2 对钢筋类金属材料弹塑性弯曲的分析 2 2 1 概述 钢筋在矫直机上被矫直 ,是通过自身的弹塑性弯曲变形来实现的。因此，探究钢筋的矫直原理 以及制定矫直方案应从研究金属材料的弹塑性弯曲变形着手。 金属材料的弹塑性弯曲变形过程在外力矩作用下的弯曲阶段和外力矩去除后的弹性恢复阶段组成。金属材料在外力矩的作用下弯曲时，除中性层因应力为零不会变形外，其它各层纵向纤维都要发生伸长或缩短的变形。外力矩去除后的变形恢复是个内力释放过程，亦称弹性恢复。 金属材料在矫直过程中的弹塑性弯曲变形是既有弹性变形又有塑性变形的弯曲，弯曲变形达到屈服极限之前，各条纵向纤维的变形可以看作简单的拉（压）变形，应力与应变之间的关系遵守虎克定律。弯曲变形达到屈服极限以后， 纵向纤维的应力与应变的关系呈现为增量的线形关系，而且必然有一部分变形得不到恢复被保留下来而成为永久变形。因此，总变形应包括弹性恢复变形和永久变形或称残余变形。对于弯曲，只能说总弯曲包括弹性弯曲和塑性弯曲，塑性弯曲并nts 8 不等于残余弯曲。仅仅在原始为平直状态下进行弯曲时，弹复后的残余弯曲才等于塑性弯曲。一般的弹塑性弯曲不仅其纵向纤维既有弹性变形又有塑性变形，而且也包含外层纤维的弹塑性变形与内层纤维的纯弹性变形的双重含义。 在弯曲方式上，有受弯矩作用的纯弯曲；有受横向载荷作用的梁弯曲；有绕过圆柱体受拉力作用而产生 的拉弯；有圆形材料在旋转中受横向载荷作用而产生的旋转弯曲如图 2-1 所示；有板材在轧制过程中由于变形不均而产生的双向波浪弯曲。前三种弯曲都属于单方向的弯曲，称之为一维弯曲；旋转弯曲与波浪弯曲为二维弯曲；综合弯曲为三维弯曲。 实际上，在弯曲过程中，弯曲变形的应力应变关系不能简化为简单弯曲或压缩的应力应变关系。在金属材料的横截面上，除表层和中性层以外，各层均处于三向应力状态，如图 2-2 所示。材料横截面上所发生的应力应变关系只与弯曲程度有关。在材料的纵向，应力应变的分布与变化情况随弯曲的类型而异。在纯 弯曲的情况下，材料纵向各截面的应力应变都是一样的。在受横向集中载荷压弯的情况下，塑性变形区按抛物线规律沿纵向分布在两个边层之间，如图 2-3 所示。在受均布载荷的横向压力nts 9 下，塑性变形区按双曲线规律分布在两个边层之间，如图 2-3 所示。拉弯时，塑性变形区将按一个特殊的曲线规律分布在边层，如图 2-3 所示。根据平截面原理，各层纤维的变形协调关系必然是线形的，而且塑性变形必将由最外层纤维开始。由于钢筋的弯曲与矫直过程中曲率半径值比其本身直径大得多，从塑性变形的最外层到最内层，纵向应力都可按 1 或 1.15 1 取值 ，为了便于理论分析，纵向应力极限都按取值，造成的误差是不大的，也就是不计三向应力的影响来处理钢筋的弯曲和矫直问题。 2.2 2弹塑性弯曲的变形过程 轧件在矫直机上的弹塑性弯曲的变形过程，实际上是一个横向弯曲过程。矫直时，轧件在横向力作用下产生弯曲变形，纤维的变形如图 2-4所示。根据外载荷的大小，轧件的弯曲变形有如下三种情况：（ 1）纯弹性弯曲变形 在外载荷作用下，其所受外力矩较小，轧件表层的最大应力小于材料的屈服极限（其应力状态如图 2-5a 所示），其余各层的纵向纤维都处于弹性变形状态。外载荷去除 后，在弹性内力矩作用下，各层纵向纤维的变形将全部恢复。这种弯曲变形称之为纯弹性变形。这是最大的弹性弯曲状态，又是最小的弹塑性弯曲状态。 （ 2） 弹塑性弯曲 随着外载荷的增加，轧件各层纤维继续产生变形。当所受外力矩达到一定数值后，轧件表层纵向纤维应力超过了材料的屈服极限，靠近表面层一部分区域的纤维层产生塑性变形。外力矩越大，塑性变形区由表层向中nts 10 性层扩展的深度越大（其应力状态如图 2-5b所示）。去除外载荷后，在弹性内力矩作用下，各层纵向纤维的变形可弹性恢复一部分，但无法全部恢复，轧件中将保留残余应变和残余应力。 这种弯曲变形称为弹塑性弯曲变形。 （ 3）纯塑性弯曲变形 随着外载荷的继续增大，整个轧件断面上的纵向纤维应力都超过了材料的屈服极限（其应力状态如图 2-5c 所示），所有纵向纤维都处于塑性变形状态。去除外载荷后，在弹性外力矩作用下，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。 由此可知： （ a）在外载荷的作用下，有轧件中同时有弹性变形和塑性变形的弯曲变形称为弹塑性变形； （ b）轧件弹塑性弯曲变形过程由两部分组成；在 外载荷的作用下的 弹塑性弯 曲 阶 段 和 去 除 外 载 荷 后 的 弹 性 恢 复 阶 段 。2 2 3 弹塑性弯曲的弯矩 2 2 3 1理想金属材料弹塑性弯曲的弯矩 弯矩是引起轧件弯曲变形的外因，任何弯曲状态都是内力与外力平衡的结果。在这里，本文只讨论圆形断面金属材料的弯矩。 按图 2-6的应力应变模型，求其弹塑性弯矩为 nts 11 将 = z/R 代入上式，积分后将 =R/R 代入并整理，得 1112 2 2 202 2 2 2 2RR RM R z z d z R z z d z 式中 弹区比， = tRRM 弹性极限弯矩， 314ttMR其塑弯比为 12 224 5 1( ) ( 1 ) a r c s i n6 3 2tMMM 当 0 时 ,得最大塑弯比为 1.7，则最大弹塑性弯矩为 1.7Mt。 为了在以后矫直理论分析的需要，下面对原形弯曲塑性区的分布规律加以明确。按图 2-7及内外弯矩的平衡条件可知 12 224 5 1( ) ( ) ( 1 ) a r c s i n2 2 6 3 2xtFlM x M 故 12 228 51( ) ( 1 ) a r c s i n2 6 3 2tMlx F 这是一条类似立方抛物线的 -x 曲线，它随 L 及 F 值的改变而改变。如使材料中点受力最大，即达到极限弹塑性弯矩时，得 m ax 6.8 tFMl将此值代入式（ 2-2）后，得 nts 12 12 223 5 11 ( ) (1 ) a r c s i n2 4 6 3 2lx 式（ 2-3）表示一条在材料中点产生“塑性铰”的塑性区分布规律的曲线， 图 2-7 中的 -x曲线。 在最大载荷情况下，极限弹塑性弯矩 Mt 发生在 2 0 . 2 12 m a xtMlxlF 处，即材料中点两侧 0.21L 范围内为塑性变形区 S=0.42L. 在这种载荷作用下 ,塑性区内各截面的塑弯比 的变化规律可由下式 1 . 7 3 . 4xtM xM Ml 看出 M 与 x的线形关系 ,它同图上 M-x曲线的 Mt 以下部分是一致的。 圆材的 M 关系，即式（ 2-1）所代表的曲线，与 -x曲线相似而方向 反。 2 2 4 强化金属材料弹塑性弯曲的弯矩 冷轧带肋钢筋为强化金属材料。由于强化金属材料的屈服限不大明显，在塑性区内存在着弹性增强现象；塑性区的范围又较窄，容易出现表面裂纹损伤等原因。要使轧件产生足够的塑性变形，常需适当加大其弯曲程度和增加弯曲次数。这就要求尽量精确的计算其弯曲力矩和 其弯矩的最大许可值，以及与此最大许可值相对应的最大弯曲程度，以此来确定其设备能力和工艺方案。 由塑弯比强化法则，即强化材料的塑弯比等于理想塑弯比减去强化系数与理想塑弯比的乘积，再加上强化系数与弹区比的比值。得圆形断面塑弯比为 nts 13 M M M 12 224 5 1( 1 ) ( ) ( 1 ) a r c s i n6 3 2 其强化弯矩为 34ttM M M R M 由式（ 2-5） 11 ( 1 )dt 式中 边层应力比； 边层最大应力。 代入（ 2-4）中，求出 m a x 0 . 7 (1 )M 2 2 5弹塑性弯曲的变形能 2 2 5 1一次弯曲的变形能 材料弯曲时外力作功的一部分用于弹性变形；另一部分用于塑性变形；还有一小部分变成热量而散失。为了计算 矫直功率，需要把它们分开计算出来，首先讨论的是前两种变形所需之能量。 计算弹塑性弯曲变形能可以采取两种方法：一是用弯矩曲率关系式，即M C 曲线进行积分求得；另一是采用变形与压力关系的积分求得。由文献 25的理想金属的一次弯曲变形能为 其中 t 弹性变形能， E 塑性变形能， 即 122 22 21 3 1( ) ( 1 ) ( 1 ) a r c s i n1 2 6 2 4tRu E 对于多次弯曲，第二次弯曲的屈服点稍有降低，其余各次弯曲的屈服点基本一致，可以认为矫直过程中的反复弯曲所需之弯矩和变形功基本不受弯曲次数的nts 14 影响，而只与弯曲程度有关。也就是说，一次弯曲与多次反复弯曲，其变形能的计算方法是一样的，两者只有次数之差。 2 2 5 2 强化金属材料的弯曲变形能 如前所述，则在考虑强化金属材料的一维弯曲变形能时，只需求出一次弯曲变形能即可。对于圆形断面材料，按图 2-8 和图 2-9，先写出弹性变形能积分式 2 2 2 202 2 2 222ttRR ttt Ru R Z d z R Z d z 将t tz R;t tz R ; ()t t t ttzE R t tzR; ()tt t t ttzER 代入上式， 可得 31122 2222 2 2 222221 a r c s i n 4 ( 1 )( ) ( 1 ) ( 1 ) ( 1 ) a r c s i n ( 1 ) ( 1 )2 4 4 2 3 8ttRuE 塑性变形能的积分 式为 2222tRs t tRu R Z d z nts 15 积分得 3 11222 2 22224 ( 1 ) 1 a r c s i n( 1 2 ) ( 1 ) 2 ( 1 ) 2 a r c s i n ( ) ( 1 ) ( 1 )3 4 2 2ts RuE 总变形能为弹性变形能和塑性变形能之和， 当弯曲次数为 n 时，式 2-10 乘以 n 即可。 2 2 6 旋转弯曲的变形能 2 2 6 1 理想金属旋转弯曲的变形能 旋转弯曲的弹塑性变形常发生在轴类零件的超负荷工作中及圆材旋转矫直过程中。在本课题中，转 毂 转动而钢筋只向前运动，但这与一般形式斜 矫直中（钢筋旋转前进），矫直 与被矫直钢筋的相对运动方式一样。因此，在这里仍采用旋转弯曲这一概念。 为了分析上的方便，取单位长度圆材，求出其在弹塑性弯曲状态下，转 毂 旋转一周时所需能量。按图 2-10 所示的圆形断面瞬时应力应变模型，转 毂 旋转一周后，在断面上形成弹塑性变形的环形区，其宽度在 Rt 与 R两个半径区。 Rt 以内的圆面积为纯弹性变形区。在这个区域内弹性变形将随着转 的旋转，一边增加，一边弹回。在转 毂 旋转一周内，圆材每条纵向纤维所消化的能量和所反馈的能量是相等的。因此其弯曲状态就是它的弹性变形的能量状态，同一次弯曲的弹性变形能相同。而塑性变形，以微小面积 dA 来说，转 毂 由零位转到 /2 时，为钢筋逐渐拉伸过程；转 毂 由 /2 转到时，是钢筋的弹性变形部分得到恢复，塑性变形部分被残留下来的过程；转 毂 由转到 3 /2 时，将是钢筋的逐渐压缩过程，转 毂 由 3 /2 转到 2时，将是钢筋压缩得到恢复、塑性压缩被残留下来的过程。因此，转 毂 旋转一周之后，纯消耗的能量是塑性变形能。于是旋转弯曲的弹性变形能可由文献 3中的一次弯曲弹性变形能求出 而塑性变形能可由下面的积分式求出 nts 16 122 22 211( ) ( 1 ) ( 1 ) a r c s i n2 2 4 4txt Ru E 将 t tz R 代入上式，积分整理得 22 22 233 txsRuE 压弯之后的总的变形能为 x xt xsu u u122 222 22 2 9 1 1( ) ( ) ( 1 ) ( 1 ) a r c s i n3 4 2 4 4tR E 2 3 本章小结 本章运用材料力学和弹塑性力学的基本原理，分析了金属材料弹塑性弯曲的变形过程，引入弹区比的概念，并应用弹区比系数 ，强化系数，推导计算了强化金属材料的弹塑性弯曲的弯矩。运用变形能概念，详述了理想金属材料和强化金属材料的一次弯曲和多次弯曲过程，及其旋转弯曲过程，并计算了相应的变形能公式，为以后的矫直力功率的计算打 下了理论基础，为进一步阐述矫直原理作了很好的理论铺垫。 nts 17 3 矫直装置的选取和分析 3.1 矫直原理 可用于盘条料矫直的方法有反弯矫直、拉伸矫直、拉弯矫直及旋转矫直等。 3.1.1 反弯矫直、拉伸矫直及拉弯矫直 反弯矫直是发展最早的矫直方法，它是直观地将弯曲的金属条料，根据原始的弯曲程度不同，加以不同程度的反 向弯曲，达到矫直的目的。为适应大量生产的要求，常采用一种连续式多辊 递减压下的反弯矫直方法。该方法比较适合于板材的一维弯曲矫直。 拉伸矫直法是不管轧材原始弯曲形态如何，只要拉伸变形超过 金属的屈服极限，并达到一定程度，使各条纵向纤维的弹复能力趋于一致。这样在弹复后，轧材即被矫直。 拉伸矫直是全断面同时被拉伸，容易拉裂或拉断轧材，如果在拉伸的同时加上反复的弯曲，则各断面将在不同时间内，两侧都受到较大的拉伸变形，从而取得很好的矫直效果，这就是拉伸矫直。 拉伸和拉弯矫直虽然动力消耗小，但矫直设备纵向长度太长，不宜和剪切机配合使用。并且比较适合薄板矫直，对于盘条料，断面常为圆形，由于在全圆周各个方向上抗弯能力的一致性，造成了圆材弯曲方向的随机不定，所以采用平面性多 辊 反弯矫直法对圆材进行矫直，很难 达到满意的矫直下效果。 从以上的分析可看出，反弯矫直、拉伸矫直和拉弯矫直方法都不太适合盘条料的高效矫直。 3.1.2 旋转矫直 鉴于单纯的反弯矫直存在上述问题，针对具有圆断面或类圆断面的棒材，如果棒材能一面旋转，一面进行反弯矫直，正好可以得到全圆周性的矫直效果。圆材轴向纤维在经受了较大的弹塑性变形后，弹复能力逐渐趋于一致，这种变形的反复次数越多，弹复能力越接近一致，矫直质量越好。在旋转矫直中最常见的方法是多斜 辊 矫直，在一般斜 辊 矫直机中，被矫直钢筋一边旋转，一边进行反弯矫直，在螺旋前进过程中各断面受到 多次弹塑性弯曲，最终消除各方向的弯曲，得到全周性的矫直效果。 据图 3-1 得出一般斜 辊 矫直机 子与钢筋的转速，分别如下： nts 18 sinSD Vn D（ 3-1） vdn sdsin （ 3-2） 式中 v-矫直速度（ mm/min） ； D-辊子转动直径（ mm） ； d-钢筋公称直径（ mm） ； a-辊子倾斜角度（ 。 ） 。 由式（ 3-2）可看出，当 d 值减少而其它条件不变时， nd值会增大。另一方面，为保证一定的生产率（以重量计）， nd值将进一步增大，产生很大的离心力，由此在导向装置上将产生很大的冲击、振动和噪音。另外，钢筋长度较长时容易产生甩尾现象，有时可能造成人身事故。当 dnd值超过一定数值时，钢筋加剧振动，撞击设备，产生擦伤和扭曲现象。显然，这种旋转矫直方法，也不适合于盘条料的边开卷边矫直的 生产要求。所以，当矫直直径小的盘料钢筋时，采用转毂式矫直机。 图 3-1 斜辊矫直时钢筋与矫直辊的关系 转毂矫直也是一种旋转矫直方法，但该矫直方法是利用转毂的旋转代替圆材的旋转，可达到同样的矫直目的。而且由于圆材不旋转，因此很适合于边开卷边矫直的盘料。 3.1.2.1 孔模式转毂矫直法 如图 3-2 所示为转毂矫直法中的一种孔模式转毂矫直装置的简图。它是发展最早的一种转毂矫直装置。由于孔模的交错布置，使圆材在前进中要经受多次反弯。孔模数越多，反弯次数越多。这个弯曲次数属于低频弯曲次数。由于孔模随转毂旋转，由 此圆材的弯曲变成了全圆周性的旋转弯曲，它属于高频弯曲。但由nts 19 于孔模没有送料作用，故在转毂前后要装设送料和拉料辊子，转毂矫直机所用的孔模按等间距配置在转毂内，其交错的偏心量可调，孔模的形状可作成圆孔形或开口形，如图 3-2 所示。两端孔模起定位作用，中间孔模起反弯作用，孔模常采用偶数个，以减少偏心量。拉料辊与送料辊同时工作，因此两者常采用一个电机带动。 1-送料辊 2-转毂 3-孔模 4-拉料辊 图 3-2 孔模式转毂矫直机简图 但孔模式转毂矫直本身有许多缺点： 1）摩擦损失大； 2）孔模的消耗大； 3）圆材表面容易损 伤； 4）头部送料困难； 5）因转动摩擦力很大，盘料尾部常随转毂转动，得不到矫直，造成损耗大； 6）送料受阻时，孔模将把条材磨细，甚至磨断。采用斜辊代替孔模，即斜辊式转毂矫直，会显著地克服上述缺点。因而又发展了斜辊式转毂矫直方法。 3.1.2.2 斜辊式转毂矫直法 转毂内装有多个倾斜布置的矫直辊，与钢筋保持相适应的角度，构成多个弯曲单元。矫直过程中，斜辊随转毂高速公转的同时，斜辊绕本身轴线自转，钢筋从矫直辊所形成的孔形中通过（钢筋被拉动而不转动），在前进过程中钢筋各断面受到多次弹塑性弯曲，最终消除各方向的弯曲， 得到全周性的矫直效果。圆材轴向纤维经受较大的弹塑性变形后，弹复能力逐渐趋于一致。各条轴向纤维在全长范围上都经过数次以上的由小到大，再由大到小的拉压变形。在此过程中，即使由于原始状态不同而经受的变形量互有差异，但只要变形是足够的，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。 该方法用斜辊代替孔模，以克服上述孔模式矫直的缺点。同时斜辊还有送料nts 20 作用，使牵引辊消耗的功率减少很多甚至仅起导向作用，其矫直原理和斜辊矫直机一样。图 3-3 所示为多辊式转毂矫直机简图，也可以采用二辊式转毂矫 直方法，这种矫直机的牵引辊只需考虑承受一定的压紧力，以保证圆材不随转毂转动。 1- 钢筋 2-转毂 3-矫直辊 图 3-3 多辊式转毂矫直机简图 采用 斜辊式转毂矫直 机矫直的优点是：（ 1）钢筋在矫直过程中不旋转，没有甩尾现象，钢筋表面不受损伤，特别适合带肋钢筋的矫直。（ 2）由于采用复合辊系，个，钢筋在全长范围内都获得了矫直，矫直精度高。同时也克服了二辊框架矫直机速度低、侧导板磨损严重和咬入困难的缺点。（ 3）结构简单，既可矫直直定尺料，也可矫直盘卷料。 但若用它矫直粗钢筋时，由于转毂的离心力与其半径的立 方成正比，则旋转速度将受到限制而不宜采用，故仅适合于矫直直径较小的钢筋。冷轧带肋钢筋的截面最近似于圆形。因此，在本设计中采用 斜辊式转毂矫直 法。 3.1.2.3 斜辊式转毂矫直矫直原理 转毂式 斜辊 矫直采用交变弯曲小变形矫直方案，基本原则是，进入辊的棒材，经过反弯和弹复后，其最大原始曲率应完全消除。其优点是在原始曲率值较大时，能较快地消除原始曲率的差值，而在原始曲率值较小时，可以节省功率。 下面分析转毂式 斜辊 矫直过程中钢筋所受的变形情况。参见图 4-5，在其弯矩图中， M-x的关系为 2FMx 在 x=lt 处 ， M= Mt=Flt/2 ； S 代表弹塑性变形区长度。 S 以外部分为弹性变形区，这一区间的长度用tl表示，两端对称。 图中 c 为弹性边界曲线， x 关系式为： nts 21 223 5 a r c s i n 1 2 4 6 3 2px 12（ ） （ 1- ） 此式表明，在塑性区内值随着 x 的减少而迅速减少，即塑性变形迅速深入，直到钢筋中心处，钢筋通过矫直辊的过程恰好是塑性区由小变大，再由大变小的变化过程，因此周 围每条轴向纤维的变形将是不一致的。但是随着前进中转毂旋转次数的增加，可以明显减少这种不一致性。 图 3-4 多斜辊矫直的弯曲矩与塑性变形区 在 S 区内，当高频转数达到 4 以上时，钢筋矫直效果有明显提高，但提高高频转速受到各方面的限制，如转毂在高频转速中因偏心而产生很大的离心力，产生振动和噪音；钢筋尾部容易产生甩尾现象，造成事故等。增加矫直辊辊数相当于增加低频弯曲次数，加长塑性区，假设采用 5 个矫直辊，等于把 S 区扩大 3倍，若在每个矫直辊下的 S 区内的高频转数为 4，则相当于在 S 区内转毂旋转12 次，也等于增加了钢筋的高 频弯曲次数，而且在各个矫直辊下钢筋变形不同步性，进一步保证钢筋的矫直质量。 由此可以得出对斜辊矫直理论的几点概括： 1） 斜辊矫直不是依靠压下量的递减，而是依靠钢筋在转毂内前进过程中所受弹塑性弯曲的 由小到大，再由大到小的 连续变化，使得钢筋变直。 2） 斜辊矫直主要依靠足够的接触区长度及在接触区一定的高频弯曲次数，而不是单单依靠矫直辊数目的增加。不过增加矫直辊数目对提高矫直速nts 22 度的影响更为重要。 3） 斜辊矫直的压下量不需采用大变形方案。同时注意在转瞽式斜辊矫直过程中，后面矫直辊的压下量应比前面矫直辊的压下量小些。 4） 增设压紧辊和 正确设计辊型对斜辊矫直矫直质量有重要影响。 5） 斜辊矫直中矫直辊的倾斜角度不仅对于接触条件及高频弯曲次数有直接影响，也对于保证钢筋各个断面的变形在各矫直辊下不发生同步性的重复有决定作用。 3.2 冷轧带肋钢筋矫直机矫直系统参数设计 在本设计中，采用 1-1-2（ 3/3）辊系方案，曲线辊与钢筋保持相适应的角度，六个斜辊随转毂高速旋转，同时斜辊绕本身轴线转动，使得在矫直过程中，辊子与钢筋之间的摩擦形式由滑动变为滚动，大大减少了两者之间的摩擦损耗。被矫的冷轧带肋钢筋在辊间前进过程中，钢筋轴向各条纤维都经受一次以上的由 小 到大，再由大到小的 拉压变形，从而得到圆周性的矫直效果，最终达到一定的矫直精度。且能塑性变形反复的次数越多，矫直精度越好。其结构简图如图 4-6 所示： 图 3-5 辊系配置示意图 3.2.1 矫直辊的研究设计 3.2.1.1 辊形的设计 钢筋的矫直质量，很大程度上决定于辊形的设计。合理的矫直工艺对辊形的要求是，尽量增加钢筋与辊子接触区的长度，增大接触面积，并且在接触区内尽量使弯曲率一致。按照这一思想，在直钢筋的条件下导出理论辊形曲线公式，尽管有不同的表达形式，但均代表同一条曲线。在实际矫直过程中，由于斜辊的压 下量，使钢筋产生一定程度的反向弯曲，形成带有一定曲率的钢筋与辊子接触。因此实际辊形与理论辊形曲线相比必然有一定的误差。理论辊形曲线 Rx的表达nts 23 式为： 220s i n / c o s c o s xR X t g r R r r （ ） （ ） 式中 X-从辊腰（0R）到所取截面（垂直于辊子轴线）的距离（ mm）； Rx-距辊腰 处的辊形半径（ mm）； Ro-矫直辊辊腰半径（ mm）； r-被矫钢筋的最大半径（ mm）； a-矫直辊倾角（。）； -矫直辊对钢筋的包角。 在实际设计中， 值与理想假设有所不同，假定为 ，则求的近似辊形 xR： 2 20( s i n / c o s ) ( ) c o s xR X t g r R r r （ 3-3） 根据文献 12，光圆钢筋矫直时，辊子同钢筋的接触点 E 只能在 B 和 D 点之间，且假设点 E 为点 B 和点 D 的中点。如图 3-6 所示，剖面线处为冷轧带肋钢筋正截面图。当与光圆钢筋同一公称直径 d 的冷轧带肋钢筋被矫直时，考虑到冷轧带肋钢筋的表面形状，为保证矫直后的钢筋无划伤，矫直辊面应与钢筋的最大截面相接触，在 A-A 截面中，截面形状不规则，以最小椭圆包络截面。冷轧带肋钢筋外径 r1 大于公称半径 r，辊子上点 B 和点 D 发生变化。钢筋外径接触点 E 发生变化，靠近 D 点，而不是取点 B 和点 D 中间，设定 E 点所对应的中心角 为： 1 2 10 . 6 ( ) （ 3-4） 式中1、2分别为 B、 D 两点所对应的中心角。角度1由公式（ 3-5）确定 1 01X tga rctg Rr （ 3-5） 而角度2由下述方法求出。椭圆方程为： 221111( c o s )xrr rl （ 3-6） nts 24 将 B 点的横坐标1 1 1cosxr代入式（ 3-6），求得 B 点的纵坐标为 图 3-6 辊形设计分析 11s i n / c o sYr 由此可以求出角度2的正切值： 12 Ytg X 得 1rr设定 1rr取 1.081.13 即得 1 0 rX tga rc tg R （ 3-8） nts 25 2 0( ) c o srX t ga r c t g R （ 3-9） 将式（ 3-8）和 式（ 3-9）代入式（ 3-4），最后取得： 000 . 6 0 . 4( ) c o srrX t g X t ga r c t g a r c t gRR （ 3-10） 将公式（ 3-8）代入公式（ 3-4）即可看出，任一位置 X 处的矫直辊半径0R与 r和 有关，可以表示为 0()xR F X R r ， ， ， 即矫直辊辊形与基准钢筋半径 r、矫直辊辊腰半径0R、矫直辊倾角 等原始参数有关。 3.2.1.2 基准钢筋半径 r的选取 本文认为，应以矫直钢筋平均直径的偏大值来设计直辊，首先是因为以矫直机矫直范围中的之间钢材为基准设计矫直辊，当用于矫直可矫钢筋范围中的最大和最小钢筋时，矫直机调整幅度小；其次是因为在其它参数相同的情况下，基准直径越大，辊形愈平缓，（见图 4-8）矫直辊的磨损均匀性也就愈好，钢筋表面产生划伤的可能性也就愈小。这是因为转毂旋转角速度是一定的，与每个矫直辊相接触的钢筋上只有一点与矫直辊无相对滑动，而其它各点与矫直辊均存在相对滑动，而矫直辊辊形愈平缓，矫直辊辊面上各点的旋转线速度差就越小，矫直辊与被矫钢筋接触线上各点的相对滑动速度也就越小，矫直辊的磨损也就灰愈均匀，钢筋表面产生划伤的可能性就会愈小。即 m i n m a x(1 . 1 )2rrr I N T nts 26 图 3-7 矫直辊辊形比较 3.2.1.3 辊腰直径与辊距的设计 在选定基准钢筋半径 r 后，就应根据实际需要选择矫直速度，而矫直速度与矫直辊辊腰直径0R及矫直辊倾角 有关， 所以 的选择应考虑其对矫直速度的影响。此外矫直辊辊腰半径 的选择还应考虑矫直稳定性和矫直辊的磨损均匀性。在其它参数相同的情况下， 越大，矫直辊辊形越平缓（见图 3-8），矫直辊磨损就越均匀，也不易在被矫直钢筋表面产生划伤等矫直缺陷，但辊形越平缓，矫直辊对被矫钢筋的约束能力就越弱，矫直时钢筋易偏离矫直中心线，矫直稳定性就越差。此外，在矫直辊旋转角速度一定的情况下，0R越大，矫直速度也就越大，产量也就越高。反之，则情况相反。同时， 在斜辊矫直中，由于钢筋与矫直 辊的接触线较长，从而不必按斜辊接触强度来计算辊径。辊腰直径比辊端直径细，且辊身较长，因此要求辊子有足够的弯曲强度，辊子的两端不仅有可能与压弯的钢筋相接触而且是钢筋在矫直时必须通过的部分，因此，辊端成圆角。矫直辊辊长的选择首先要 保证钢筋与矫直辊之间的接触线达到足够的长度，以满足矫直辊和钢筋的接触长度要求，避免因应力过大而造成压痕、划伤等矫直缺陷；其次，辊长的选择还要与辊距相匹配，以保证机器结构尺寸要求。在统计数据的基础上，用类比法进行了参数的确定。 辊腰半径 R0=（ 2.55） r 辊子全 长 0 5l 0（ 4 ） Rnts 27 图 3-8 矫直辊辊形 对于转毂式多斜辊矫直机来说，辊距 P 是矫直机的一个基本结构参数，它主要受结构条件、强度条件和矫直可能性的约束，既影响矫直质量，又决定着矫直机的尺寸。首先，须从矫直机的结构尺寸进行考虑，辊距 P 的选取要确保矫直辊在最小调角时辊与辊之间互不干涉；其次，须对机器受力进行考虑，在矫直弯矩一定的情况下，辊距越大，矩直力越小，机器受力情况越好