辊式管材矫直机：斜辊式矫直方式及工作原理

辊式管材矫直机矫直辊轴线与钢管轴线保持一定夹角，属于旋转弯曲式矫直机，也叫斜辊矫直机，如图4-6所示。斜辊矫直是当今管材生产中使用最多的矫直方式，该矫直机一经问世就很快发展起来。

图4-6　旋转弯曲矫直机类型

斜辊矫直机采用旋转反弯矫直原理，可以认为是连续的横向和纵向同时进行的三点压力矫直过程。由于圆管材的原始弯曲是多方位的，在矫直时要使管材绕轴线自转，并在旋转的同时能使其反弯程度由小到大，再由大到小连续变化，才能使管材任何方位的原始弯曲都能得到可靠的反弯矫直。斜辊矫直机的作用是强迫管材在反弯状态下旋转前进，达到矫直的目的，如图4-7所示。管材在斜辊间反弯前进，走过每一个螺旋导程时反弯量的减少梯度和管材塑性变形层的深度及均匀度是矫直质量的决定因素。因此，管材在塑性区内旋转次数越多，各处纵向纤维的变形量差别越小，结果各处的残余曲率差也越小，从而使管材变直。除此之外，上下对辊的多辊矫直机还能够施加一碾轧或归（规）圆的载荷，这个力也有助于达到所期望的矫直效果，如图4-8所示。这种压扁使管材内壁受压缩，外壁受拉伸，在这个过程中不同长度的纤维得到一定程度的统一，从而在反弹后使弯曲残留得到一定程度的改善，起到辅助矫直的目的。同时，管材的椭圆度也得到一定的改善。

2.1　斜辊矫直机的类型与结构

斜辊矫直机按辊系来分类，有二辊和多辊；多辊又分五辊、六辊、七辊、九辊、十辊、十一辊等多种。

下面重点介绍二辊、六辊两种常用辊系的斜辊矫直机。

图4-7　旋转反弯矫直过程中弯矩与塑性区分布示意

1—K-x曲线　2—M-x曲线

图4-8　压扁矫直受力示意

2.1.1　二辊矫直机

属于二辊系，由两个矫直辊构成，采用上下安装形式，如图4-9所示。它的矫直功能来自辊形的凸凹变化，它是以矫直短、厚壁管、棒材的独特性而受到重视。二辊矫直机可以看作是多斜辊矫直的简化版，管棒材在辊缝间一边旋转，一边前进并受压产生弯曲。这种弯曲必须使圆材达到足够的塑性变形程度，并且为了获得矫直还要有一定的塑性变形长度，管棒材在该长度内获得必要的旋转次数，使管棒材任一截面沿圆周方向各条纵向纤维有较均匀的塑性变形。

图4-9　二辊矫直机辊形示意

二辊矫直在矫直原理上有其特殊性，它的矫直过程和矫直原理与多斜辊矫直有很大不同，矫直的质量既不取决于辊数，也不取决于辊子配置，而取决于辊形。辊形必须保证管棒材在凹辊之间获得矫直所需要的反弯曲率，因此不宜采用全接触的双曲线辊形。管棒材的反弯全靠它与辊子接触后所形成的接触曲率，而且这个曲率应该由小到大，保持一段等曲率，再由大到小逐渐变化。要达到矫直目的，还必须保证圆材在接触区内获得一定转数。这种矫直机的矫直效果是全程性的，因此鹅头弯的矫直效果比其他矫直方法都好。二斜辊矫直机工作速度低、工作范围小，阻碍了它发展和应用。

2.1.2　六辊矫直机

六辊矫直机属2-2-2或2-2辊系，如图4-10所示，采用3对辊上下排列，6个辊子全部为主动辊。这种辊系的两端辊主要起压扁矫直和圆整作用，并有利于工件的咬入，中间辊可以保证较长的塑性弯曲区，使已经压扁矫直部分尚存的弯曲得到矫直。这种矫直机既可以矫直管材又可以矫直棒材，由于适用性好，被广泛用于各无缝管材厂管材冷、热矫直。该矫直机的工作辊辊形具有较长的双曲线，因此可以使碾轧及弯曲载荷尽可能长地分布在管材上，从而降低接触应力，以及造成管材外部和内部矫直痕迹的趋势。这个特点对承受内部高压的比如石油用管件特别重要。长的工作辊包罗线还能保证管材被完全“抱住”并且不需要额外的导向装置控制管材位置，也避免由此产生的划痕。目前斜辊的辊形曲线普遍采用等距双曲线辊形，在制造上也有很大优越性，可以用棒形铣刀按范成法进行加工。这种等距双曲线辊形与二辊凸凹辊形相比又称为无反弯辊形，它是以直线型管材按一定斜角与一马鞍形辊面接触。通过与辊轴垂直的截面上各接触点所处的圆周，而这些圆周沿辊轴连续构成的曲面就是辊形曲面，如图4-11所示。

图4-10　六斜辊矫直机的2-2-2辊系

2.2　矫直辊的设计

2.2.1　二辊矫直机辊形设计

图4-11　六辊矫直机矫直辊空间曲面示意

图4-12　二辊矫直机辊型示意

二斜辊矫直机最关键最重要的部分就是矫直辊的辊形。二斜辊矫直机的轧辊有两种辊形：一种是“线接触”型，另一种是“悬空弯曲”型，如图4-12所示。“悬空弯曲”型的辊子矫直机，由于辊子倾斜角比较小（5°～15°），矫直速度较低，一般只有10～20m/min。管材的矫直度虽然很高，但管材的端部矫直不了。“线接触”型辊由于塑性长度大，这种辊子的倾斜角较大，因此矫直速度很高，可达50m/min。所矫直管材的直度可达1/4 000，甚至达1/10 000，并且管材的端部也可以得到矫直。

二辊矫直辊缝应具备的三段矫直能力。中段为辊腰段，它的辊形需使圆材受到较大而且均匀的弯曲变形，达到先统一残留弯曲的目的。第二段为腹段，要把已经统一的残留弯曲矫直，达到消除残留弯曲的目的。第三段为辊胸段，要把一些意外未被矫直或误差的部位进行补充性的矫直，达到精矫的目的。辊腰段辊形的弯曲程度应使各种原始弯曲受到反弯后的弹复能力趋于一致。由于二辊矫直机对工件原始弯曲要求较严格，一般不超过弹性弯曲曲率，即C0≤1。但考虑工件在进入二辊矫直机前往往要经过预矫工序，故其内部的原始变形历史已经存在，应把原始变形量包括在内，则取C0=2。此时留给辊腹段的残留曲率比为Cc1=Cw-Cf=1.34～3.32。将其视为辊腹段的原始曲率比，则此段辊形应具有的矫直曲率比为Cw2=1.59～1.67。经辊腹段矫直后总曲率比的变化为Cz=2.39-4.99，弹复能力为Cf2=1.6～1.66此段的残留值为Cc2=1.59～2.6=-0.01及Cc2=1.67～1.66=0.01。可见辊腹段的Cc2=±0.01。这个残留值相当于σs=940MPa的高强度直径为10mm棒材残留1mm/m的矫直精度。考虑到更高强度、更细棒材或更高精度要求进一步在辊胸段采用Cw3=1.3或1.4的辊形曲率比，并按每半周一次线性递减方式减到辊段。从第一次压弯实地曲率比差值为2，第二次为0.08，第三次为零的规律来看，辊腰处的压弯量可以有较大的变化范围，而辊腹及辊胸段的压弯可以认为是基本不变的。这样结合矫直原理中的辊缝模型可以写出各段辊缝长度及其曲率半径值。如图4-13所示。

图4-13　二辊矫直机辊型曲线示意

图4-14　圆材与凸辊相接触的空间几何关系

辊形曲线的计算，主要利用空间封闭的矢量关系和立体解析几何原理结合上述辊缝形态，制出相应的数学模型，通过计算机可以完成各种辊形设计。先从凸辊来讨论参见如图4-14所示的凸辊空间解析。举例说明矫直机辊形计算：已知数据：dmin=4mm，dmin=16mm，v=25m/min。被矫直材料的屈服极限：σsmax=60kg/mm2，E=2.06×104 kg/mm2，辊子的斜角为 α=10°～20°，设计同向反弯的娇直辊辊形。圆材弹性极限弯曲半径：

按细圆材计算在α=20°时，得出凹辊的辊形矫直各段半径列于表4-1中，凸辊辊形矫直各段半径列于表4-2中，可以绘出矫直辊的辊形图。

表4-1　凹辊的辊形矫直各段半径（mm）

2.2.2　六辊矫直机辊形设计

矫直机的辊型曲线是一条包络线，它应该包络所矫直管径的范围，理论上应该是一条双曲线。一般来说，管径包络的范围越大，矫直性能就越差。因为在矫直过程中，辊型曲线与管材外径需保持一定的接触长度。接触线有两个作用，第一个作用：当矫直中间辊向上调节时，使管材在形成矫直挠度，接触线长度很小或只有点接触时，矫直挠度曲线将变得很陡，这使得管材只能在很短的长度内产生塑性变形，无法在较长间距内消除应力；第二个作用：当三道矫直辊全部压下时，管材在旋转中径向产生塑性变形，接触线越长，径向压力越均匀，塑性变形面积就越充分，管材圆度就越好。由此可见，合理的辊型曲线是矫管材直性能的保障，接触线长度越长，其矫直性能就越好；接触线长度越短，其矫直性能就越差。矫直机经过一段时间的使用，辊面会造成磨损，从而改变辊形的曲线，影响矫直效果，所以必须定期对矫直辊的曲线进行修正。

表4-2　凸辊的辊形矫直各段半径（mm）

目前斜辊的辊形曲线普遍采用等距双曲线辊形，在制造上也有很大优越性，可以用棒形铣刀按范成法进行加工。由于这种辊形与直线形的管材能保持良好的接触关系，故在压弯量不大的矫直机，如大直径管材矫直机上使用效果较好。这种等距双曲线辊形又称为无反弯辊形，它是以直线型管材按一定斜角与一马鞍形辊面接触。通过与辊轴垂直的截面上各接触点所处的圆周，而这些圆周沿辊轴连续构成的曲面就是辊形曲面，如图4-11所示。

下面以140六辊管材矫直机为例，说明计算过程。

被矫直管材的规格和材质如下：

斜辊矫直机的基本结构参数是矫直辊腰部直径和矫直辊辊身长度，这两个参数的确定是设计矫直辊的前提。辊径对管材的矫直质量有很大的影响。矫直辊腰部直径的大小，取决于管材对矫直辊的压力，根据载荷特性的大小来确定。为了得到最大的变形量，辊径不能太大。最大辊径值从保证轧件在该处能产生塑性弯曲变形为依据。在实际生产中采用的辊径数值应既能保证轧件产生塑性弯曲变形，又能保证轧件在矫直过程中矫直辊对其有足够大的拉力，这样可以提高生产效率。在矫直管材的直径范围内，一般设计时应采用最大直径的最大壁厚管材参数来选择辊径。

首先需要计算载荷特性U：

式中　U——载荷特性，kg·m，载荷特性取决于管材的直径、壁厚及材质的屈服极限；

　　　σs——屈服极限，已知常温下σs=1 138 MPa；查图4-15得到在400℃时，钢材高温屈服强度下降50%，故：σs高温=1 138×0.5=569MPa；

　　　W——弹性断面系数m3，W＝×（D4-d）4 /（32×D）

选矫直钢管最大外径最厚壁的规格是Φ139.7mm×10.54mm

W＝×（0.139 74-0.118 62）4 /（32×0.139 7）=1.285×10-4 m3

k1——断面系数，k1根据管材内外径比值λ确定的断面系数；

图4-15　钢材高温力学性能

表4-3　λ与k1关系图表

λ——管材内外径比值，λ=d/D，λ=118.62/139.7=0.849

查表4-4，得到k1=1.4。

U=k1×σs×W=1.4×569×128.5/9.8=10 445 kg·m

查图4-16，得到矫直辊腰部直径Dh=280mm。

另外，也可按经验公式计算矫直辊的腰径：

Dh=（1.8～2.5）dmax

dmax——管材最大直径，mm；

Dh=2×139.7=280mm。

矫直辊辊身长度主要应考虑辊面与管材之间要有一定的接触长度和较大的包角以保证矫直过程的稳定性，同时从结构上要保持在辊子倾斜条件下两端的轴承座与管材有一定距离，防止管材甩动（摆动）时打坏轴承。

按下面的经验公式确定矫直辊辊身长度L：

图4-16　U与矫直辊喉径关系图表

还要计算辊距，斜辊的辊距为同侧2辊间的距离，它主要受结构条件、强度条件和矫正可能性的约束，既影响矫正质量，又决定着矫正机的尺寸，在此间距内要容纳辊子支架、辊座、调角与锁紧机构等。

首先，须从矫正机的结构尺寸进行考虑，辊距的选取要确保矫正辊在最小调角时辊与辊之间互不干涉，某钢铁公司的矫正机因结构参数不合理，造成传动轴与立柱的严重干涉，致使立柱被严重磨损；其次，须对机器受力进行考虑，在矫正弯矩一定的情况下，辊距越大，矫正力越小，机器受力情况越好，矫正辊和机架的强度要求也就越易满足；最后，还须对矫正可能性进行考虑。要求基准管材在弹塑性变形区内应旋转2周以上。

对于基准管材，其旋转一圈前进的导程为：

t=×dmax×tgα

α——基准管材与矫直辊夹角，这里选α=32°；

t=3.1415×139.7×tg 32°=274mm。

辊距p应满足：

p≥2×t～4×t

p=2.56×274=700 mm

辊间距确定得是否合理，还要考虑管径的因素。每对矫直辊与管子的相对旋转运动形成一条螺旋线，辊子的压力使管子产生的塑性变形会使管端失圆。为了避免这种情况的产生，三对辊的间距布置需要保证三条螺纹线之间有均匀分布的相位差，理想的状态是成圆周120°的分布。但实际上当管径大小变化而辊间距不变时，三道辊的辊压螺旋线的相位将发生很大的改变。以Φ180mm管为例：当辊间距为1 050mm时，设定Φ180mm管的相位差为0°/78°/155°； 当辊间距 1 080mm 时，Φ180mm 管的相位差变为 0°/110°/220°； 当辊间距1 100mm时，Φ180mm管的相位差又变为0°/133°/266°。

辊间距的设定需要根据管径来确定，一般来说，辊间距越小，所需要的矫直力就越大，也就越有利于矫直。在实际上，矫直辊受到其尺寸和位置的影响，不可能将间距做得很小，我们只能根据实际生需要的管径来确定间距。不过矫直辊之间的间距也不能做得太大，否则过大的间距会使小规格的管子发生末端的离线弯曲。

矫直机的辊形设计：

如前所述，矫直机的辊型曲线是一条包络线，它应该包络所矫直管径的范围，理论上应该是一条双曲线。在理想状态下，管材弯曲很小，而且不考虑管材的压扁变形，可以看成辊子的整个工作段与圆管材全部接触。为了给出数学模型，需要在矫直辊距离腰部L处作剖面加以说明，如图4-17所示。

图4-17　矫直辊与管材接触剖面示意

从图4-17看出，若在距B-B面（腰径位置）为L长的A-A面位置作垂直于辊子轴线的截平面，则截平面与管材的交线是一个椭圆。为了求出截平面上的辊外圆与椭圆的切点，我们将O点与辊轴重合，设辊圆心O点坐标为（0，0）；管材倾斜投影成椭圆的圆心O′坐标为（m，n），根据几何关系可得出：

式中　d——钢管直径，mm

　　　Dh——矫直辊腰径，mm

　　　L——截平面距腰部距离，mm

式中　b——椭圆短半轴，mm

　　　a——椭圆长半轴，mm

设圆与椭圆相切的切点为P，切点坐标为（x0，y0）；Q1-Q2为通过切点P的切线；F-O为通过切点P的法线。根据椭圆标准方程可得：

式中　k——椭圆的切线斜率。

式中　kf——椭圆的法线斜率。

椭圆的法线方程为：

由于椭圆上的切线点也是圆的切点，根据圆的定义我们知道通过切点的法线必定通过圆心；故设x=0；y=0，代入公式（2）得：

利用计算机编程辅助计算，可对式（1）和（3）联合求解，计算出对应L值的切点P的空间坐标x0和y0。有了x0和y0的计算结果，对应矫直辊切点的半径可按圆的方程求出来：

式中　R——在L处的矫直辊半径，mm

计算机辅助编程画面如图4-18所示。

计算结果参见表4-4。

图4-18　计算机编程画面

表4-4　矫直辊曲线计算表

在制造过程中，曲线是在矫直辊表淬HRC60时数控精车加工的，不可用成型刀加工，因此需要求出倒圆坐标，如图4-19所示。在矫直辊端部要设计倒圆R1，辊端面圆角R1可参照工件及原始弯曲状况来确定，一般可按管径范围确定。

图4-19　矫直辊的倒圆坐标示意

求辊型曲线与倒圆切点坐标：

故，48.26＜R1＜139.7，选 R1=50mm。

下面分析求曲线与倒圆的切点（LQ，RQ），在LOR坐标系中，设倒圆圆心为（Lr，Rr），Lr为定值Lr=（Ll/2-R1），求出Lr时曲线辊半径Rr，R1得求，曲线上一点到倒圆圆心的距离为S：

根据前述公式（RL2=x2+y2），求出最小值Smin，使得Smin=R1，而确定Rr、LQ、RQ值，倒圆方程如下：

利用计算机编程计算结果显示参见图4-20。

2.2.3　矫直机的设备组成及特点

图4-20　矫直辊倒圆切点计算结果示意

以七斜辊矫直机为例，说明传动系统与结构组成，如图4-21所示。机架是由底座（1）和上盖（8）用8个立柱（7）连接而成的。在机架底座与上盖之间，布置着上下两排共7个尺寸相同的矫直辊（2）。矫直辊两端装有双列圆锥滚子轴承，并固定在回转圆盘上如图4-22之（6）。下排第一、三这2个矫直辊的回转圆盘固定在机架底座上，其余5个（上排4个、下排1个）矫直辊的回转圆盘均固定在上下移动横梁（3）上，上下移动横梁连同其上的矫直辊的升降与回转机构都装在立柱（7）上。由图4-21可见，矫直机的4个主动辊（顺钢管入口方向的第一对和第三对）分别由2台电机（1），功率为2×30kW，经减速机（2）和万向接轴（3）驱动，其余3个矫直辊是空转辊。因此矫直机本体由机架装配、上部装配、下部装配、辊子装配、上部调角装置、下部调角装置、矫直辊传动装置、入口导位、换辊小车等组成。另外还有上料辊道、下料辊道、液压系统、润滑系统、电气控制系统和操作台构成了整个矫直系统。

图4-21　七辊式钢管矫直机示意

1—机架底座　2—矫直辊　3—移动横梁　4—涡轮减速机5—电机　6—高度指示器　7—立柱　8—上盖

图4-22　七辊式矫直机的调整及传动装置示意

1—电动机　2—减速机　3—万向接轴　4—螺栓5—联轴器　6—回转圆盘　7— 蜗杆　8—手轮