二辊矫直滚光机的辊形设计

赵西韩，王仕杰，卢 星，马 强，刘 磊，周文浩，陈 灿

(1．中国重型机械研究院有限公司，陕西 西安710032;2．陕西省冶金设计研究院有限公司，陕西 西安710032)

二辊矫直滚光机的辊形设计

赵西韩1，王仕杰1，卢 星2，马 强1，刘 磊1，周文浩1，陈 灿1

(1．中国重型机械研究院有限公司，陕西 西安710032;2．陕西省冶金设计研究院有限公司，陕西 西安710032)

针对传统的二辊滚光机只有滚光作用，且矫直作用不明显的问题，提出了一种新的二辊矫直滚光机矫直辊的设计方法，通过改进矫直辊变形区域的组成，使二辊滚光机同时具有良好的矫直和滚光作用。

二辊矫直滚光机;矫直机;二辊滚光机;辊形设计

0 前言

随着机械工业和国民经济的发展和技术进步，对钢材产品质量的要求越来越高。对于管材和圆棒料(以下简称圆材)的矫直，就是使圆材在螺旋前进过程中各断面受到多次弹塑性弯曲变形，最终消除各方向的弯曲和椭圆度。二辊矫直机是圆材后部精整过程中的重要设备，其主要功能是对其进行矫直。圆材在矫直过程中，矫直辊与其线接触状态是获得矫正质量的重要保证。而矫直辊辊形，是按某一基准圆材半径和基准倾角设计的。相对一定的矫直条件和矫直精度要求，存在着最少弯曲次数允许值，虽然增加弯曲次数可提高矫直精度，但机体的尺寸、重量、加工、维护及能耗等都相应有所增加，因此有必要确定矫直轧件所需的最佳弯曲次数，以便获得稳定的矫直效果。

1 二辊矫直机的辊形

二辊矫直机亦称二斜辊矫直机。它的矫直过程与矫直原理和多斜辊矫直机有很大的不同，决定矫直质量的关键既不取决于辊数，也不取决于辊子的布置方式，而是取决于辊形，辊形必须保证圆材在两辊之间获得所需要的反弯曲率。采用直圆材全接触的双曲线辊形对于二辊矫直机而言是无法达到矫直目的的，在设计辊形的时候我们必须首先假设圆材在矫直辊内已经得到了弯曲，因此必须采用弯曲的圆材和矫直辊接触的曲线为辊形设计曲线。圆材的反弯全靠它与辊子接触后所形成的接触曲率来达到矫直反弯的目的，因此在辊形设计过程中，所假设的弯曲圆材的曲率即接触曲率是否使圆材达到了弹塑性变形是很重要的。要达到矫直的目的，还必须保证圆材在接触区域内被辊子带动获得一定的导程，该导程至少不能少于一圈，以保证圆材各个方向的弯曲都得到了矫直反弯。其等曲率塑性区长度为S，则

式中，D为圆材直径;α为斜倾余角;N为导程数。

二辊矫直机的矫直效果是全长范围的矫直，因此对于矫直圆材头尾的弯曲或者圆材局部弯曲效果比较明显。多辊矫直机在矫直时，圆材是在接触区域以外就已经开始弯曲;二辊矫直机矫直时，圆材进入接触区域以后才开始弯曲，塑性弯曲发生在辊子中央附近，塑性弯曲区域内等曲率塑性区越长，矫直效果越好。一般情况下，在确定矫直辊长度时应保证圆材在矫直塑性区域内转3～4圈，便可以达到较高的矫直精度。因此确定矫直辊的长度的主要依据是圆材的直径及矫直速度的要求。而确定矫直辊的长度就(即确定等曲率塑性区)是保证矫直质量，提高矫直速度的关键。其矫直速度v为

扩大等曲率塑性变形区的方法是依靠正确的辊形设计及增加辊子长度，减小辊子的倾斜角度(即矫直辊轴线与矫直中心的夹角)。但是在减小辊子倾斜角的同时，却造成了矫直速度的降低。对于二辊矫直机而言，矫直速度低是限制其发展的关键因素之一。二辊矫直机辊形如图1所示。

图1 二辊矫直辊形Fig.1 Roll shape of double-roll straighteningmill

2 二辊矫直滚光机

二辊矫直滚光机主要的用途有两个:一个是矫直;二是滚光。

以矫直为目的的传统二辊矫直机辊形设计是以凸凹辊为设计原型的。其辊形的等曲率塑性区是由圆材与凸辊的接触决定的，其辊形的支撑区是由圆材与凹辊的接触决定的，因此我们在辊形设计的时候一般直接将凸辊设计为中间一段直径相等，两端具有一定倾斜角度的简单辊形;设计凹辊的时候我们保证圆材反弯必要曲率的同时直接将凹辊简化为圆弧辊形。这一辊形的设计基本上可以满足矫直质量与矫直效率的要求。

传统的以滚光为目的的二辊矫直机其曲线为简单的双曲线辊形，双曲线辊形对于二辊矫直机而言，它只有滚光的作用，没有矫直的作用。为了达到矫直的目的，通常的做法是将其中一个矫直辊的倾斜角度加大，另一个的角度减小，通过改变两个矫直辊与圆材接触长度的，使两个辊子分别起到凸凹辊的作用。但是，由于接触曲线与实际曲线的差异过大，无法做到圆材与矫直辊的良好接触，从而导致矫直过程中的圆材失稳，对导板造成严重的磨损。

因此，要在一台二辊矫直机上同时具备矫直和滚光的两种作用，以传统的方式是行不通的。如何在一台设备上实现两种功能呢，首先必须解决辊形设计问题。如果解决了这一问题，具有双重功能的新型“二辊矫直机”就可以投入到生产实践中去了。

3 矫直滚光辊形的提出

对于二辊矫直机的辊形，最初采用的双曲线辊形，但是双曲线辊形对于圆材的反弯曲率变化梯度过大，会造成矫直过程的失稳和矫直辊的快速磨损，因此二辊矫直机上出现了拟合圆弧辊形，该辊形曲线是由不同曲率的圆弧组成，以解决曲率变化过大的问题。在这一基础上，又推出了等曲率圆弧辊形。在生产实践中，现在大多采用的是简单易行的拟合圆弧辊形。

在二辊矫直机上之所以可以采用拟合圆弧辊形，是因为其矫直辊的使用角度很小，其真实的接触曲线与圆弧曲率很接近。在设计中，我们首先求出真实的接触曲线的曲率，然后根据它来确定圆弧曲率，从而确定矫直辊的曲线。

二辊矫直机的辊形和滚光机的辊形是有比较大的差异的，如图2所示。在二辊矫直机的矫直辊中间段，圆材和矫直辊是不接触的，叫做空弯辊形。而对于二辊滚光机的辊形，辊子与圆材全长接触的长度越长，滚光效果越好，叫做全接触辊形。怎样在辊形设计过程中将两种辊形有效的结合在一起，就成为设计二辊矫直滚光机辊形的关键。本文提出了一种新型辊形，该辊形曲线是由矫直区、过渡区和滚光区组成。

由于圆材矫直的等曲率接触线长度是有凸辊决定的，因此在设计凸辊的时候，尽量保证圆材与辊子的接触长度即可，在设计中可以将凸辊设计成为中间一段直径相等，两端具有一定倾斜度的简单辊形。为保证圆材在两个矫直辊之间是等反弯曲率，在设计中一般让凸辊辊腰处的直径略小于凹辊辊腰处的直径，具体的直径差异应由矫直不同圆材所需要的反弯曲率决定。凹辊的拟合圆弧辊形设计，经过多年的发展，相关设计计算方法已经成熟，本文不再赘述。

对于二辊滚光机，滚光就是对圆材施加足够的压紧力，压紧力应使圆材超过屈服强度，从而提高圆材的表面质量，使圆材表面接近辊子的表面质量，即生产所谓的银亮材。在提高圆材表面质量的同时，可以起到规圆的目的，所以二辊矫直滚光机的有效载荷远大于二辊矫直机。

二辊矫直滚光机其辊形的设计，凸辊采用二辊矫直机的辊形设计方法，即将辊形直接简化为直径略小的两端带倾角的圆柱体，凹辊的设计将其分解为不同的区域，即矫直区、过渡区和滚光区。矫直区即为支撑区，与凸辊结合达到矫直的目的;而将原空弯辊形的空弯区设计成滚光区，使其具有滚光的作用;为使整个辊形具有平滑的过度及等曲率，在矫直区及滚光区之间设计成为过渡区。这样整个辊形就成为全接触的接触辊形，并具有矫直滚光的双重作用。

图2 二辊矫直机辊形示意图Fig.2 Schematic diagram for roll shape of double-roll straighteningmill

4 矫直滚光辊形的设计方法

该辊形接触曲率半径是由最小圆材决定的。

其中，E为弹性模量;Rmin为被矫直圆材最小直径;σs为被矫直圆材屈服极限;K为不考虑原始曲率时，由接触曲率所造成的弹曲比，一般对于合金钢圆材取0.3～0.5。

辊形的接触曲率半径确定后，依据圆弧辊形计算公式计算在最小规格圆材与最小角度下的和在最大规格圆材和最大角度下计算的接触曲线，将两种曲线进行比较，使其重合长度大于圆材的一个旋转导程，达到辊形优化的目的。

凸凹辊形几何关系及坐标关系如图3所示，可得弯曲圆材与矫直辊空间接触曲线方程为

式中，r为圆材的半径;α为矫直辊轴线与圆材轴线的夹角;β为一变量，是接触曲线与垂直轴之间的夹角;ρ为圆材曲率半径;φ值可由下式得出

给出变量β不同的值，即可通过上述方程计算得出一条辊形曲线。将该辊形曲线近似成一条的圆弧曲线。

对于滚光区的曲线，可以将其设计为双曲线，为保证圆滑过渡在双曲线与圆弧曲线之间，采用一条平滑的过渡圆弧将两条曲线相接即得到近似的矫直滚光曲线。

图3 凸凹辊形几何关系及坐标关系图Fig.3 Geometric relationship and coordinate relationship of convex-concave roll shape

5 结论

二辊矫直滚光机是一种新型的矫直设备，它兼顾了矫直和滚光的双重作用。由于其矫直精度高，亦可成为精矫滚光机。但它同时避免不了二辊矫直机所固有的缺陷，如矫直速度低、入料要求高等等。此类矫直机主要用在精密银亮材的生产中，产品的直线度、圆度和表面质量均有了很大提高。随着辊形研究的突破，相关辅助设备及控制设备的提高，此类矫直机的前景是非常广阔的。

［1］AM．马斯基列逊．管材矫直机［M］．北京:机械工业出版社，1979．

［2］王仕杰，卢星，李勤勇等．棒材矫直机设备及工艺论述．冶金设备．2011(特刊1):50-52．

［3］刘志亮．两辊矫直机辊形参数确定［J］．机械设计与制造，2005(6):25-26．

［4］陈建国，胡大超．二辊矫直机凸辊辊形参数的研究［J］．机械设计与研究，2008(1):100-105．

Roll shape design of double-roll straightening tumbling m ill

ZHAO Xi-han1，WANG Shi-jie1，LU Xing2，MA Qiang1，LIU Lei1，ZHOUWen-hao1，CHEN Can1
(1．China National Heavy Machinery Research Institute Co．，Ltd．，Xi'an 710032，China;2．ShaanxiMetallurgical Design＆Research Institute Co．，Ltd．，Xi'an 710032，China)

A new roll shape designmethod of straightening roll in two-roll straightening tumblemill is proposed since the conventional two-roll tumblingmill only has a function of finishing，but the straightening effectiveness is not obvious．By improving the composition of transmutative region of the traditional two-roll tumbling mill，the new two-roll straightening tumblingmill has better effect in straightening and finishing．

two-roll straightening tumblingmill;straightener;tumblingmill;roll shape design

TG333.8

A

1001－196X(2012)04－0073－04

2012－01－10;

2012－01－28

赵西韩(1970－)，男，中国重型机械研究院有限公司管棒型材装备研究所高级工程师，从事棒材精整设备及技术研发。