新型纯张力矫直机的研究_杨建军

1、文章编号：16720121（2013）04002103新型纯张力矫直机的研究杨建军，石磊，潘恩海，朱蔚（江苏亚威机床股份有限公司，江苏 扬州 225200）摘要：本文介绍了一种新型纯张力矫直机，该矫直机采用可变凸度矫直辊新技术，可根据不同板形缺陷 自动调整辊形，改变张力沿板宽的分布。具有板形控制精确、结构紧凑、使用寿命长、保养维护方便等优点。通 过理论研究和实验研究证实了此项技术的可行性。关键词：机械设计；矫直机；辊形；板形缺陷；有限元分析中图分类号：TG333.2+3文献标识码：A1 前言随着工业的发展，对矫直高强度极薄带材和不 锈钢带材的需求量日益增加，同时对板材平直度的 要求也逐渐提高。

2、辊式矫直机由于结构和辊径的限 制，几乎无法矫直高强度极薄带材的三维形状缺陷。 传统张力矫直机对带材矫直时，必须施加很大的张 力，需要消耗很大的能量，同时矫直脆性材料容易断 带，造成设备事故1。拉弯矫直机虽克服了纯张力矫 直机的缺点，但小直径辊子造成带材表面呈较大张 力状态且分布不均，如经下游加工不平衡力会释放， 造成带材变形2。为了解决上述问题，许多学者和工程技术人员 都进行了研究，如对矫直理论的新探索3、BWG 公司 的 levelflex 张力矫直技术4、Ungerer 公司的 AFC 技 术5等。我公司自主研发了具有可变凸度矫直辊的新 型纯张力矫直机，此新型矫直机没有传统拉弯矫直收稿日期

3、：2013-01-15作者简介：杨建军（1968-），男，高级工程师，从事锻压机械的设计、研 究与生产机复杂的张力辊单元和多元多重式弯曲辊和矫直辊单元，也克服了传统辊式矫直机难以矫直极薄带材 以及张力矫直机能耗高、易断带的缺陷，可根据板形 改变辊凸度，从而改变张力沿板宽的分布，作用于有 需求的部位。此技术的运用，不但保证了高强度极薄 带材的矫正质量，还延长了矫直辊的使用寿命。2 矫直机结构与原理新型纯张力矫直机由入口张力辊组、出口张力 辊组、可变凸度矫直辊组成，如图 1 所示。出口张力 辊的速度高于入口张力辊的速度，带材的张力就是 由线速度差产生。张力辊的布置形式和辊数取决于 带材所需的最大张

4、力与场地条件。为了避免带材在 辊子上打滑，入口张力辊组和出口张力辊组的辊径期4第 年3102入口张力辊组可变凸度矫直辊出口张力辊组带钢图 1 矫直机结构简图!The kinematic analysis of mechanical pressCHEN Qisheng（Shandong Guanhong CNC Equipment Co., Ltd., Zhucheng 262200, Shandong China）Abstract: The kinematics of mechanical press has been analyzed in the text, as well as the

5、displacement, velocity, acceleration of slider-crank mechanism. The symbolic computation function of MATLAB software has been used to obtain the arithmetic solution. The displacement, velocity, and acceleration kinematic curve graph of slider have been drawn. The computation function of MATLAB softw

6、are has been adopted in the design of mechanical press, which is accurate, fast and convenient.Keywords: Kinematics; Mechanical press; MATLAB software21装 备 EQUIPMENT 是不一样的。入口辊组的辊径逐渐增大，出口辊组的辊径逐渐减小，辊子直径依次增减的数值分别取决 于带材在入口张力辊组中各辊间的弹性拉伸变形率 和出口张力辊组中各辊间的弹复率。新型纯张力矫直机的传动如图 2 所示。入口张 力辊组和出口张力辊组由主电机驱动，两个辊组的入 入

7、出 出 口 口 口 口 张 辊 辊 张 力 组 组 力 辊 辊 组 组 传 传 动 动 箱 差动传动箱 箱调速电机主电机 图 2 传动简图转速差由辅助电动机经差动机构补偿。差动机构驱 动组成了闭环传力系统，比两个辊组采用单独传动 方式可节省功率，也 简 化 了 控 制 系 统。可变凸度矫直 辊 是 从 动 辊 只 有 一个，没有驱动装 置，因而可与带材同步运动，不会因 打 滑 而 擦 伤 带 材 表面。3 矫直辊结构与原理外套 内圈 密封圈输入、输出管 比例调压阀 液压泵可变凸度矫直辊是整个机组最关键的部位，其 取代传统式拉弯矫直机的弯曲辊与矫直辊，通过改 变矫直辊的凸度作用于有需求的带材部位

8、，增加带 材的延伸率矫直带材。因此避免了小直径弯曲辊高 速转动时刮伤板材的危险和需要经常保养的缺陷。 可变凸度矫直辊主要由液压泵、比例调压阀、输入、 输出管、密封圈、内辊、外套等组成，其中密封圈沿板 宽方向将矫直辊分为多个独立的腔室，如图 3 所示。图 3 可变凸度辊简图由板形检测装置测到即将进入矫直机的带材板 形，输入控制系统后控制相应的比例调压阀开启，使压力油进入相应腔室使之膨胀，以达到精确控制辊期4第 年3102形。矫直辊膨胀后的形状可呈现凸形、凹形、圆锥形 以及更为复杂的形状。矫直辊外径为 800mm，膨胀 范围可控制为 0400m。图 4 为矫直瓢曲板形缺陷 的矫直辊凸度变化示意图。

9、4 理论与实验研究以矫直 800mm 板宽的矫直机为例，其他板宽的密封圈内圈外套输入、输出管图 4 矫直辊凸度变化示意图矫直机有很好的类似性。此矫直机的送料速度为带材 矫直辊300m/min，辊形对板形的响应速度短于 1s，拉伸带 材时张力值为材料屈服极限的 1/101/3。通过非线 性有限元软件 MARC 按照实际工况建立矫直有限 元模型，如图 5 所示。模拟带材中比较常见的边浪、 中浪及瓢曲的矫直过程，分析张力沿带材宽度方向 分布。此时根据板形，该矫直辊的辊面形状如图 6 所 示，矫正中浪板形缺陷时为凹面辊形，矫正边浪板形 缺陷时为凸面辊形，矫正瓢曲板形缺陷时为边凸辊形。（a）中浪（b）边

10、浪（c）瓢曲图 5 矫直有限元模型图 6 矫直原理图由轧制理论可知，在带材坯料板形良好的条件 下，带材波浪或瓢曲的产生，主要决定于带材轧制时纵向延伸量的不均匀程度。例如，中浪是由于轧制时带材中部纵向延伸量较大，两边的纵向延伸量小。边 浪是由于两边纵向延伸量较大，中部纵向延伸量较 小。瓢曲是由于一边的纵向延伸量较大，另一边的纵 向延伸量较小6。因此矫正带材中浪缺陷需要带材两 边的纵向延伸量大于中部的纵向延伸量，减小中部 与边部纵向延伸量的差值，也就是需要带材的纵向 张力应力由边部向中部逐渐减小。矫正带材边浪缺 陷需要带材中部的纵向延伸量大于两边部的纵向延 伸量，减小中部与边部纵向延伸量的差值，也

11、就是需 要带材的纵向张力应力由边部向中部逐渐增大。矫22正带材瓢曲需要带材非瓢曲部分的纵向延伸量大于瓢曲部分的纵向延伸量，减小两者纵向延伸量的差 值，也就是需要带材的纵向张力应力从瓢曲部分到 非瓢曲部分逐渐增大。2000中浪1800边浪1600瓢曲P 1400aM力 1200/应 10008006004000200400600800板宽/mm由图 7 有限元分析的纵向拉伸应力沿板宽的分 布图可知，矫正带材中浪缺陷时纵向拉伸应力由两 边向中部减小，矫正带材边浪缺陷时纵向拉伸应力 由两边向中部增大，矫正带材瓢曲缺陷时纵向拉伸 应力由非瓢曲边向瓢曲边逐渐减小。此纵向拉伸应 力的分布与带材缺陷矫正的理

12、论完全相符，因此理 论上此辊形的调整完全可行。图 7 拉伸应力沿板宽分布曲线为验证实际矫正效果，通过在某钢厂精整车间 半年的使用和在线测试，该设备能精确矫正高强度极薄带材的瓢曲、边浪、中浪等三维缺陷，并且带材 的机械性能有明显改善，质量完全达到客户要求。5 结论新型纯张力矫直机与传统的拉弯矫直机和拉伸 矫直机相比有如下优点：（1）采用可变凸度矫直辊新技术，可根据不同板 形缺陷自动调整辊形，改变张力沿板宽的分布，作用 于有需求的部位，因此板形控制精确。（2）传统拉弯矫直机组含有的小直径辊子需经常保养，在高速时有噪声高、易振动等问题，纯张力矫直机的大直径矫直辊代替了小的矫直辊与弯曲 辊，避免了此问

13、题。（3）传统拉弯矫直机需要辊子清理系统，而清理 系统含有易燃物，需防火安全系统。纯张力矫直机无 需辊子清理系统，亦无需防火安全系统。（4）传统拉弯矫直机矫直带材时，带材经弯曲辊 瞬间剧烈弯曲产生塑性延伸，易造成带材内部形成 残余应力且带材在整个宽度方向张力呈现不平衡状 态，带材如经下游加工此内应力会释放出来造成带 材变形。纯张力矫直机矫直时，由于带材经过可变凸 度矫直辊缠绕角度大于 240°（图 1），带材塑性延伸 时间大大延长，因此带材内部残余应力较小。（5）传统拉弯矫直机和拉伸矫直机穿带困难，而 本机则无此问题。通过理论与实验研究证实，该矫直机能明显克 服传统矫直机矫直高强度极

14、薄带材矫直效果差、容 易断带等缺陷，具有板形控制精确、结构紧凑、使用 寿命长、保养维护方便等优点。随着对带材矫直质量 要求的提高，该项技术必将具有广阔的市场前景。【参考文献】1 邹家祥.轧钢机械M.北京：冶金工业出版社，2011.2 周鸿章，谢水生.现代铝合金板带M.北京：冶金工业出版社，2012.3 井永水，窦忠强，等.矫直理论新探索计J北京科技大学学报，2002，24（7）：64-66.4 BWG 公司.交流资料.2005-2010.5 Ungerer 公司.交流资料.2005-2010.6 冶金工业部有色金属加工设计研究院. 板带车间机械设备设计M，北京：冶金工业出版社，1983.7 管

15、 俊，蒋国美，等.薄板开卷线中矫直机结构探讨J锻压装备 与制造技术，2011，46（3）：10-13.8 原加强.辊式矫平机的一种新型传动方式J锻压装备与制造技 术，2011，45（5）：23-28.期4第 年3102Study on a new type of pure tension levelerYANG Jianjun, SHI Lei, PAN Enhai, ZHU Wei（Jiangsu Yawei Machine Tool Co., Ltd., Yangzhou 225200, Jiangsu China）Abstract: A new type of pure tension leveler has been introduced in the text. The pure tension leveler has a flexible roll, which can change roll shape automatically according to defects of strip, thus in this way the stress in the strip can be better distributed. The pure tension leveler also has lots of advant