【正文】 第 1 頁 1 緒 論 為什么要進(jìn)行鋼板矯直 隨著我國板材生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，各廠家日益認(rèn)識(shí)到板材在生產(chǎn)與市場(chǎng)銷售中的重要性。不良板材的外部表現(xiàn)是 常見的中心波浪、邊浪、瓢曲、扭曲、鐮刀彎或局部‘鼓包’等。這些缺陷往往在板材軋制、熱處理、矯直、冷卻過程中形成，往往是由于溫度、輥形、壓下、冷卻水溫、水壓等因素不合適造成的。 若將板帶看作由無數(shù)條縱向金屬纖維連結(jié)而成的材料，則不良板材 中內(nèi)應(yīng)力的出現(xiàn)，正是因相鄰纖維間存在長(zhǎng)度差之故。由于鄰近纖維間的相互制約，長(zhǎng)纖維受壓應(yīng)力，短纖維受拉應(yīng)力。因此，板帶橫向厚度差與板形有著密 切的關(guān)系。橫向厚 度差大的板帶，一般板形都不好， 只需幾微米的橫向厚 度 差，即可造成明顯的板形缺陷。因此，有些橫向厚 度 差很小的材料，板形也完全有可能不符合要求 。 隨著民用類消費(fèi) 產(chǎn)品需求不斷增加，市場(chǎng)對(duì)薄板需求也大幅度提升，同時(shí)對(duì)板材的質(zhì)量要求也在大幅提升。只有有了好的材料，才能加工出好的產(chǎn)品來。因此這些變形如果得不到及時(shí)有效的矯正，將嚴(yán)重影響著產(chǎn)品質(zhì)量和數(shù)量的提高，尤其是本身作為工具的高精密儀器和刀具，它們對(duì)用材平整度要求更加苛刻。 對(duì)于薄板，平行多輥矯直機(jī)應(yīng)用最廣，技術(shù)也最成熟。這種矯直機(jī)克服了普通壓力矯直機(jī)斷 續(xù)工作的特點(diǎn)，成倍地提高了矯直效率，使矯直工序得以進(jìn)入連續(xù)生產(chǎn)線，而且可以達(dá)到很高地矯直精度。本課題研究的也就是平行輥矯直機(jī)。 平行多輥薄板矯直機(jī)國內(nèi)外發(fā)展很不平衡，國內(nèi)基本上還停留在傳統(tǒng)的手動(dòng)調(diào)節(jié)及機(jī)械傳動(dòng)方式，位置精度只 有 177。，而國外已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)電液自動(dòng)控制，位置精度已經(jīng)達(dá)到 ，且有良好的人機(jī)界面，便于現(xiàn)場(chǎng)工程師操作。 在中國銷售高精度薄板矯直機(jī)的公司主要有三家，瑞士海莫樂公司、臺(tái)灣雙郁機(jī)械公司和美國的 IOWA 精密工業(yè)公司，后兩家公司矯直機(jī)都作為卷板材加工流水線工序設(shè)備，而瑞士海莫樂 公司作為專業(yè)矯直機(jī)制造公司，性能最好。它采用液壓系統(tǒng)來控制矯直機(jī)的輥縫，公司產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于汽車、建筑玻璃、精密儀器儀表和工具等領(lǐng)域。這三家的矯直機(jī)都能實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)數(shù)字控制 (CNC)，而且海莫樂公司矯直機(jī)能自動(dòng)感應(yīng)壓應(yīng)力，采用雙閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)了智能化，但價(jià)格不扉，一臺(tái) 2030 萬美金。 國內(nèi)的情況是：北京機(jī)械工業(yè)自動(dòng)化研究所機(jī)器人工程中心開發(fā)的一套開卷、矯平 、黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（ 論文） 第 2 頁 剪切、堆垛生產(chǎn)線技術(shù)中，矯平機(jī)能實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)數(shù)字控制 ，但矯直機(jī)的間隙調(diào)整由標(biāo)尺指示，并沒有采用閉環(huán)控制，所以位置 精度僅有 177。生產(chǎn)制造公司有 西北機(jī)器 廠、富地機(jī)械、山東省淄博市桓臺(tái)齊光鍛壓機(jī)床廠、無錫梅里精品機(jī)械和湖北重型機(jī)器集團(tuán)，前后輥縫間距全部采用手動(dòng)機(jī)械調(diào)節(jié)，位置精度僅依靠蝸輪控制。所以產(chǎn)品的矯直精度不高，不能應(yīng)用在精矯工序。 由湖北重型集團(tuán)有限公司同華中理工大學(xué)威奇數(shù)控公司合作開發(fā)的輥式板材矯直機(jī)系列，經(jīng)過多年的完善和發(fā)展，在理論上和實(shí)踐上形成了較成熟的體系。結(jié)構(gòu)上，采用機(jī)械傳動(dòng)和液壓傳動(dòng)相結(jié)合的方案，并重點(diǎn)加入了液壓墊這 一專利技術(shù)，使得設(shè)備結(jié)構(gòu)更為緊湊，精度高，噪聲低，控制方便，提供了良好的交互環(huán)境，在實(shí)時(shí)性和預(yù)警上對(duì)液壓、機(jī)械和電氣各環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn) 了全面管理。整套控制系統(tǒng)由一臺(tái)工控機(jī)和 PLC 組成，矯直精度 達(dá)到了 。 平行輥式矯直機(jī)的發(fā)展趨勢(shì) 中薄板生產(chǎn)線在線的輥式矯直機(jī)以熱矯直機(jī)數(shù)量為多，總的趨勢(shì)是以發(fā)展大矯直力的強(qiáng)力四重式矯直機(jī)為主，該系列設(shè)備總體趨勢(shì)如下： 用數(shù)字控制系統(tǒng)精確調(diào)整上矯直輥位置，并借助自動(dòng)測(cè)厚儀自動(dòng)控制矯直輥負(fù)荷和在線過程計(jì)算機(jī)進(jìn)行全自動(dòng)操作。 高剛度矯直機(jī)機(jī)座，可滿足大矯直力條件下的使用，變形小，精度高。 為了提高矯直效果，矯直機(jī)出口處的上（下 ） 輥 可以單獨(dú)調(diào)整，且在矯直過程中也可以進(jìn)行調(diào)整。 上 矯直輥可以橫向傾動(dòng)，能分別調(diào)整各段支撐輥，以改變矯直輥的撓曲，消除鋼板的單側(cè)或者雙側(cè)邊浪。 下矯直輥可以沿矯直方向傾斜以調(diào)整矯直輥負(fù)荷。 裝備液壓安全裝置和快速松開裝置以便在設(shè)備過載、卡鋼和停電時(shí)快速松開矯直輥。 上、下矯直輥和支撐輥分別裝在各自的框架上，框架及其輥?zhàn)涌梢詡?cè)向移動(dòng)進(jìn)行快速換輥，實(shí)現(xiàn)輥系的線外整備（即擁有兩套以上的輥系裝備供給一套矯直機(jī)使用）。 矯直機(jī)入口處裝有水或壓力空氣，以清除殘留的氧化鐵皮。 在矯直輥入口處安裝一彎頭壓直機(jī)，消除頭部鋼板的上翹。 為了避免矯直輥輥 面的滑傷，輥面應(yīng)具有一定的硬度。對(duì)四重式矯直機(jī)必須保黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（ 論文） 第 3 頁 證工作輥和支撐輥的輥面硬度有一個(gè)差值。 本課題研究的內(nèi)容和意義 當(dāng)今世界上先進(jìn)矯直機(jī)技術(shù)快速發(fā)展，板材矯直機(jī)正向重型化、全液壓、自動(dòng)化過渡。本設(shè)計(jì)就是設(shè)計(jì)一個(gè)矯直 機(jī)，對(duì)現(xiàn)有矯直機(jī)進(jìn)行部分改進(jìn)，獲得一個(gè)新型設(shè)備。 異輥距輥系技術(shù) 這種形式的矯直機(jī) 的特點(diǎn)是各輥的輥距不相等，一般是加大入口側(cè)的輥距，以減少入口側(cè)各輥的壓力，特別是可以減少入口端第 3 個(gè)輥的斷軸事故。同時(shí)出口側(cè)隨著矯直力的減小，輥距也減小，以縮短空矯區(qū)，從而明顯減輕補(bǔ) 矯工作。如果采用各輥單獨(dú)驅(qū)動(dòng)，我們可以將兩側(cè)的輥距都縮短，這樣空矯區(qū)就更小了。 彎輥技術(shù) 在寬板和特寬中 薄 板生產(chǎn)線 中 ， 具有彎輥能力的矯直機(jī)已成為必選 。 這種矯直 機(jī)可以產(chǎn)生一定量曲率的矯直工作輥 ， 可消除機(jī)架的彈跳 ， 同時(shí)由于彎輥的存在 ， 可有效地改善板材的橫向板形 。 液壓壓下 技術(shù) 液壓壓下取代機(jī)械壓下成為一種矯直機(jī)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì) 。 根據(jù)壓下量設(shè)定值與輥 縫 檢測(cè)裝置實(shí)測(cè)壓下量之間的偏差 ， 使壓下用的液壓缸運(yùn)行 ， 經(jīng)常修正設(shè)定值補(bǔ)償壓下量 。另外通過采用自動(dòng)控制 、 計(jì)算機(jī)模型設(shè)定和液壓 ACC 動(dòng)態(tài)輥縫調(diào) 整先進(jìn)技術(shù) ， 來提高中 薄 板的矯直質(zhì)量 。 中薄板 凸起量 的調(diào)節(jié) 遇到各種波浪彎的鋼板，要求其支撐輥的調(diào)節(jié)裝置比較復(fù)雜。主要是各排支撐輥能成組靈活調(diào)節(jié)凸起量，達(dá)到局部彎輥效果以適 應(yīng)中浪或邊浪及 矯直的需 要。調(diào)節(jié)凸起量的方法多采用電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)絲杠來推拉楔塊迫使支撐輥組 升或降。 通過對(duì) 板材 平整工業(yè)的分析，可知平行輥矯直機(jī)在 板材 加工方面應(yīng)用廣泛，但從國內(nèi)現(xiàn)狀可以看出，高精度的液壓多輥薄板矯直機(jī) (位置精度 以下 )國內(nèi)還相當(dāng)缺乏。本設(shè)計(jì)將既實(shí)現(xiàn)液壓壓下、換輥等自動(dòng)化操作，同時(shí)在調(diào)節(jié)凸起量上做了仔細(xì)的設(shè)計(jì)。 液壓壓下能夠使運(yùn)行更加平穩(wěn)、反應(yīng)快，更重要的是它能夠?qū)崿F(xiàn)過載保護(hù)。當(dāng)輥縫被板材頂起時(shí)，液壓壓下裝置會(huì)相應(yīng)地改變輥縫來適應(yīng)板材厚度的變化；特別是兩輥發(fā)黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（ 論文） 第 4 頁 生粘著時(shí)，液壓缸會(huì)馬上卸載，對(duì)傳動(dòng) 等部件實(shí)行及時(shí)保護(hù)。這些在工程上有很重要的意義。精度的提高使 產(chǎn)品質(zhì)量提高，從而滿足了社會(huì)、市場(chǎng)的需求。 黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 5 頁 2 矯直機(jī)工作原理和 方案選擇 “ 矯直”的定義 金屬 條 材 （具體指型材、棒材、管材、線材、板材、帶材等長(zhǎng)條狀的金屬型材） 在軋制、加熱、運(yùn)輸 、鍛造、擠壓、拉拔、冷卻 等各種加工過程中 因外力作用 常常產(chǎn) 生不同程度的彎曲、歪扭等塑性變形； 內(nèi)部殘余應(yīng)力 使金屬條材發(fā)生彎曲或扭曲變形 ； 為了獲得平直的成品金屬條材就必須使其縱向纖維或縱向截面由曲變直，橫向纖維或橫向截面也由曲變直。實(shí)現(xiàn)這一要求的工藝過程就稱為“矯直”。 反彎矯直的基本原理 在壓力矯直機(jī)、輥式矯直機(jī)、 斜輥式矯直機(jī)和拉伸矯直機(jī)中， 軋件都是經(jīng)過反向彎曲后矯直的，而軋件的彎曲狀態(tài)可以用曲率表示， 軋件的彈塑性彎曲變形過程則可以用曲率的變化來說明。 原始曲率 軋件在矯直前的曲率稱為原始曲率，以 01r 表 示。（圖 ）。 r0是軋件的原始曲率半徑。彎曲的方向用正負(fù)號(hào)表示，如 + 01r 表示彎曲凸度向上的曲率， 01r 則表示彎曲凸度向下的曲率，而軋件的平直段用 01 0?r 表示。 反彎曲率 軋件在外力矩 M作用下強(qiáng)制反彎的曲率稱為反彎曲率，以 ?1 表示。在壓力矯直機(jī)和輥式矯直機(jī)上，反彎曲率是通過矯直機(jī)的壓頭或輥?zhàn)拥膲合聛慝@得的。反彎曲率大小的選擇是決定 軋件能否被矯直的關(guān)鍵。 黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 6 頁 a彎曲階段； b彈復(fù)階段 圖 彈塑性彎曲時(shí)的曲率變化 總變形曲率 它是軋件彎曲變形的變化量，是原始曲率與反彎曲率的代數(shù)和，以 cr1 表示，即：?111 0 ?? rrc () 使用上式時(shí)，應(yīng)將曲率的正負(fù)號(hào)代入。原始曲率與反彎曲率方向相同時(shí)符號(hào)相反；方向相反時(shí)符號(hào)相同。 彈復(fù)曲率 它是當(dāng)外力矩去除后，軋件在變形內(nèi)力形成的彈復(fù)力矩 My作 用下彈性恢復(fù)的曲率黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 7 頁 變化量，以 y?1 表示。 殘余曲率 它是軋件經(jīng)過彈復(fù)后所具有的曲率（圖 ），以 r1 表示。如軋件被矯直，則01 ?r ； 如軋件未被矯直，在輥式矯直機(jī)上，前一輥的殘余曲率將是下一輥的原始曲率，即 ? ? 1011 ?? ii rr ，式中 i指輥數(shù)。 殘余曲率 r1 是反彎曲率與彈復(fù)曲率的代數(shù)差 ， 即： yr ?? 111 ?? （ ） 顯然欲使軋件矯直，則必須使殘余曲率01 ?r ，由公 式 （ ） 得： y?? 11 ? ，此式是一次反彎矯直時(shí)（壓力矯直機(jī)）選擇反彎曲率的基本原則。 本矯直機(jī)的 工作原理和壓下方案 選擇 平行輥矯直機(jī) 屬于連續(xù)性反復(fù)彎曲的矯直設(shè)備，這種矯直機(jī)克服了壓力矯直機(jī)斷續(xù)工作的缺點(diǎn)，使矯直效率成倍提高，使矯直工序得以進(jìn)入連續(xù)生產(chǎn)線。 金屬材料在較大的彈塑性彎曲條件下，不 管其原始彎曲程度有多大區(qū)別，在彈復(fù)后所殘留的彎曲程度差別會(huì)顯著減小，甚至?xí)呌谝恢?。隨著壓彎程度的減小其彈復(fù)后的殘留彎曲必然會(huì)一致趨近于零值而達(dá)到矯直目的。 因此 ， 平行輥矯直機(jī)必須具備兩個(gè)顯著的特征： （ 1） 具有相當(dāng)數(shù)量的交錯(cuò)布置的矯直輥以實(shí)現(xiàn)多次的反復(fù)彎曲； （ 2） 壓彎量可以調(diào)整，能實(shí)現(xiàn)矯直所需要的壓彎方案。 下面以 5 輥矯直法用圖形表示如圖 ： 圖 5 輥矯直法 平行多輥矯直機(jī)的壓下方案有三種 ： （ 1） 最小壓彎遞減方式，即矯直機(jī)每個(gè)輥的壓下量都可單獨(dú)調(diào)整的假想方案。矯黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 8 頁 直機(jī)上各個(gè)輥?zhàn)臃磸澢?率的選擇原則是：只消除軋件在前一輥產(chǎn)生的最大殘余曲率，使之變直。 （ 2） 最小殘差遞減方式，即使具有不同原始曲率的軋件經(jīng)過較少次數(shù)劇烈的大變形反彎，以迅速消除 其原始曲率的不均勻度，然后按矯直單值曲率的辦法加以矯直的方案。 （ 3） 線性遞減方式， 從第二輥 (第一個(gè)上輥 )到最后第二輥 (最后一個(gè)上輥 )的壓彎量按線性遞減，最后第二棍的壓彎曲率一般為彈性極限曲率， 前面第二輥的壓彎曲率則不受嚴(yán)格限制。由于這種壓下方式多用于薄板 矯直，故第二輥壓下曲率都較大。工 業(yè)生產(chǎn)中采用這 種方案的多輥矯直機(jī)的輥數(shù)一般都較多，有 11， 13， 17， 19， 21， 23 輥 等，同時(shí) 輥 徑要盡量小，這樣使板材得到較大的變形，變形愈大愈有利于消除波浪彎。 其中最常用的是線性遞減方 式，薄板矯直多采用這種方案， 也是本文討論的方式。 輥系方案選擇 平行輥矯直機(jī)發(fā)展歷史較長(zhǎng)，輥系結(jié)構(gòu)形 式很多，且主要與用途和矯直質(zhì)量有關(guān)。這里介紹幾種典型輥系，如 圖 所示： 圖 典型輥系 a 是 上輥組平行升降的輥系，主要用于熱矯直厚板、粗矯板材和在展卷機(jī)后平整帶材等工作； 黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 9 頁 b 有所改進(jìn)，兩端 輥單獨(dú)調(diào)整，有利于中間各輥加大壓下 量 ，也有利于兩端輥的咬入及提高矯直質(zhì)量，主要用 于熱矯直板材； c 是 一種靈活性較大的多用途輥系，上輥可以調(diào)成平行升降、單向傾斜和雙向傾斜等形式。第一個(gè)用途同 a,第二個(gè)同 d，第三個(gè)為可以進(jìn)行反復(fù)及雙向咬入的矯直； d 是按線形遞減壓下的板材矯直輥系； e 是 型材矯直的常用輥系，各上輥單獨(dú)調(diào)整可以采用各種壓下方案； f 是 矯直板材的輥系，帶有支撐背輥，它有兩個(gè)作用： （ 1） 矯直寬板時(shí)輥?zhàn)犹L(zhǎng)，剛度不夠，用支撐輥來保持工作輥的剛度； （ 2） 矯直薄板時(shí)要消除波 浪需要用支撐輥 來改變工作輥的凸度。這種輥系也稱為四重式矯直輥系； g 比前一種增加一排中間輥，由于支撐輥多為盤形，長(zhǎng)期工作中使工作輥表面被壓出痕跡，這時(shí)若矯直工件的 表面要求光亮，而輥面壓痕很可能在工件表面上留下條狀暗影甚至印痕， 故用中間輥隔離上述壓痕的傳遞。這種輥系也稱為六重式矯直輥系。 除這些典型輥系外，近代新研制設(shè)計(jì)了 不少性能更好的輥系。不過它們都是