第1章 前言拉伸弯曲矫直机应用于精整机组中,对薄带材进行矫直.目前,国外已经开发生产出多种机型,并已广泛应用.我国尚在研制开发阶段,需加速发展独立成套.1.1 拉弯矫直机及其发展由于冷轧带钢中存在较大的残余应力,使得板面产生波浪和翘曲,不能满足用户的使用要求,需要对其进行矫直.板带材的矫直设备主要有以下三种形式:辊式矫直机,拉伸矫直机和拉弯矫直机.辊式矫直机对中厚板矫直效果良好,而对于薄带材则效果较差;拉伸矫直机依靠夹紧装置或张力辊组产生拉伸变形,使带材产生一定的塑性变形而达到矫直的目的,但由于张力较大,会降低带材的机械性能.基于以上原因便产生了拉弯矫直机,他综合了拉伸矫直机和辊式矫直机的优点,用较小的张力使带材产生较大的塑性变形,达到矫直带材的目的.这种设备对于薄带材矫直效果非常好,便于成卷作业,在薄带材矫直中逐渐取代了其他两种形式的矫直机.早期的拉弯矫直机只是拉伸矫直机和辊式矫直机的简单组合,见图1.1a,矫直效果并不显著.后来出现了如图1.1b所示类型的拉弯矫直机,这种矫直机既减少了矫直辊的数量,又达到了较好的矫直精度.经过不断的开发研究,近年来又出现了多重拉弯矫直机,如图1.1c,使用了两组以上的矫直辊组,并增加了支撑辊的数目,提高了矫直辊的抗弯刚度和强度,这样就可以矫直高强度的薄带材.拉弯矫直机的设计制造方法,在国外已较为成熟,而国内只作过小型样机及理论探讨,还未达到在生产中应用的程度.设计拉弯矫直机的难点是矫直理论相当复杂,张力辊组的速度和张力控制也较复杂.图1.11.2 翁格勒拉弯矫直机的结构与特点下面通过武钢冷轧厂从德国(Ungerer) 机器制造有限公司引进的拉伸弯曲矫直纵横剪机组来认识一下这一类矫直机的结构特点。
1.2.1 拉弯矫直机的特点拉伸弯曲矫直机主要由三部分组成一部分是带有弯辊调节装置的23 辊式矫直机本体;另一部分是张力辊组(也称S 辊组) 和传动部分 1.2.1.1 弯曲矫直机弯曲矫直机为23 辊式,辊径为25mm在每个工作辊的宽度上有相应的中间辊,辊径30mm每列中间辊上又有9 组支撑辊,支撑辊径33mm如图1.2 所示矫直机上部设有矫直辊倾斜和压下机构,即辊缝调节装置它由电机通过一套传动装置带动横梁使上辊组作升降调节,而通过蜗轮蜗杆带动偏心辊实现上辊组的倾斜调节整个上机架可由液压缸推向前翻转90°打开,以便于清理辊面和更换上下辊组矫直机下部则采用每组支撑辊均由一个液压带动锲铁进行升降调节,使工作辊实现“ + 、- ”弯辊达到弯曲矫直目的这种多辊组式的矫直机具有辊式矫直机的优点,同时又有弯曲辊的特点,两种功能组合,在张力的作用下,使带钢产生弹塑性延伸,消除了难以矫直的带钢缺陷,从而达到最佳的平直度由于矫直辊是被动的,所以能很好地与带钢保持同步,避免了带钢表面擦伤图 1.21.支撑辊 2.中间辊 3.工作辊 4.上机架 5.下机架 1.2.2 张力辊组张力辊组为四辊式由于带钢以“S”形经过这些辊子传导出来,所以又称四辊式“S”辊组。
这样布置的辊,传导通过的带钢与辊子之间接触摩擦的总包角是最大的可以使带钢产生最大的制动、拉力为了使带钢与辊面之间摩擦力增加,同时又不伤害带钢表面,所以辊面必须衬一层既耐磨又耐油的聚氨脂橡胶四辊式张力辊安装在钢结构制成的“U”形支架上辊径为500mm安装的位置是:第一辊 中左,上第二辊 外左，下第三辊 外右,下第四辊 中右,上具体布置见图1.3 所示为了便于带钢顺利地通过“S”辊组,在每个辊子与带钢接触部分均有弧形导板,在辊组的带钢入口处和出口处各安装一个导板台,在辊组的两个内辊之间安装一个摆动式压紧辊,穿带过程是压紧带头引导穿带压紧辊的左右摆动均由一液压缸驱动通常情况下压紧辊停在中间位置四辊式张力辊组,由于合理地配置了导板台、弧形导板、压紧辊和穿带皮带运输机,使得带钢在穿带过程中通过实现自动化图1.31. 弧形导板 2.入口张力辊 3.中间摆动辊 4.弯辊矫直机 5.张力测量辊 6.出口张力辊 7.导板台 8.穿带皮带 9.U形框架1.2.3 张力辊组传动系统来自开卷机的带钢被位于弯曲矫直机之前后的张力辊组导入由于各个辊子上传送的带钢有较大的接触包角,可以在带钢中产生一个越来越大的拉应力。
此拉应力与弯曲矫直机的弯曲应力重叠这种叠加的应力可以达到比较理想的矫直效果张力辊组的传动特点有多种如图1.4 所示的张力辊组为机械传动方式它的前后张力辊组的各个张力辊是通过齿轮箱、行星差动齿轮等由一个电动机而传动的这种机械式传动的特点是通过机械联锁方式使延伸率恒定,机械方面较复杂而张力辊组的传动采用了每个张力辊由功率各异的直流电机传动,如图1.5 所示这种传动的特点是,前后张力辊组的速差均由电气系统控制与调节每个辊子所作用的力矩大小可调由于前后张力辊组中的电机处于不同的工作状态,前张力辊各辊的直流电机是在带钢的拖动下旋转的,此时的前张力辊组是制动辊,所以在各张力辊上传动的功率是逐渐加大的反之后张力辊组则是在直流电机的传动下旋转的,各张力辊上传动功率是逐渐减小的这样可不致于因为加速度太大而出现打滑由于目前在电控方面已趋成熟,采用该传动方式的比较多图 1.4 张力辊组机械传动系统图图 1.5 张力辊组直流电机传动系统图1.3 式拉弯矫直机的工作原理拉伸弯曲矫直是在辊式矫直法和拉伸矫直法基础上发展起来的矫直方法,是上述两种方法的综合翁格勒拉伸弯曲矫直机是在两组张力辊之间,用一种最新形式的21 辊矫直机。
它之所以具有使矫直带材得到最佳矫直效果,是由其结构特性所决定该设备具有:(1) 非传动的特殊结构的上下辊组2) 上辊组的中心高度调节装置3) 上辊组的倾斜调节装置4) 下辊组的弯辊装置(锲铁调节) 通过这些装置可以使矫直机的上下矫直辊之间的缝隙任意可调根据被矫带材的材质、板厚、板形等不同,可选用不同的辊缝被矫带材通常在弯曲矫直机的入口处产生较大的弯曲,这种弯曲程度是沿着出口方向逐渐减弱经过很多辊子反复矫正,带材的曲率逐步减小而逐渐变得平直,这是其一其二,带材在张力的作用下,通过弯曲矫直机时产生了纵向拉应力与横向弯曲应力由于弯曲应力的作用面与纵向拉应力不同,实际矫直过程是发生在两个作用面叠加范围中如图1.6 所示的叠加应力分布,两种叠应力作用的结果,使被矫带材内的各种应力,通过拉伸和弯曲应力而产生变化,即带材中产生形状不同的长短纤维组织同时被延伸拉长在它们弹性收缩之后,延伸变长的纤维仍然保留由于拉应力所产生的永久性塑性变形表现为延伸形式,使带材不均匀的纤维组织均匀,内应力值相同且方向一样,达到了矫直的目的图 1.6 拉伸弯曲应力叠加应力分布图1. 带钢厚度 2. 压应力 3. 拉应力 4. 拉应力截面 5.7. 塑性区 6. 弹性区 8. 压应力截面 9. 曲率半径1.4 拉弯矫直理论拉弯矫直是拉伸与弯曲联合作用的矫直方法.下面以矩形断面的理想材料为例进行研究.由于其中的拉伸作用，弯曲变形的同时中性层必须发生移动，如图1.7所示,当断面中拉伸区和压缩区都存在塑性层时(),移动量e由水平方向外力与内力的平衡条件求得： 式中 -----平均单位外拉力, ； ------总的外拉力； ------被矫直金属的宽度。
中性层的拉应力为：中性层的相对变形为：中性层的残余相对变形为： 拉伸区的相对变形为：压缩区的相对变形为：弯曲矫直时，弯矩按式的推导方法，弯矩按下式计算： 拉弯矫直时，采用类似的推导方法，弯矩按下式计算：显然，M〈Mo，可有： 上式表明，拉力影响的结果，使拉弯矫直时的弯矩及其弹复曲率比单纯弯曲矫直的小，有利于提高矫直精度，或适于矫直弯曲矫直困难的薄带材当压缩区内不存在塑性层时，如图1.8所示，拉伸与弹性弯曲联合作用根据水平方向外力与内力平衡条件，中性层移动量e为： 式中-------轧件的弯曲半径， 中性层的拉应力为： 或 中性层的相对变形为： 或 中性层的残余相对变形为： 或 上式表明：轧件的长度变化决定于材质（ ），拉伸变形（ ）和弯曲变形（）。
图 1.7 拉弯矫直应力图图中的字母改小点!a-弯曲；b-拉伸；c-拉弯联合作用 图1.8 拉伸与弹性弯曲应力图a-弹性弯曲；b-拉伸；c-拉伸与弯曲1.5 设计任务和设计思路 1.5.1 设计任务与初步工艺参数设计任务：拉弯矫直机：工艺参数：宽度：750~1550mm、厚度：0.3~3.0mm、屈服强度：260～650MPa、矫直速度0~180m/min，前后张力：(1/5~1/15) 设计要求：计算并确定辊径、辊距及辊数，矫直辊的分布形式、辊数计算最大矫直力、最大矫直力矩，确定电机功率1.5.2 设计思路根据拉弯矫直机原理，知道此种矫直形式是拉伸矫直与弯曲矫直组合，翁格勒拉弯矫直机中间的弯曲矫直辊部分是辊式矫直机，其矫直辊负责对板带的弯曲和矫直，入、出口则采用拉伸矫直机，其张力辊负责对板带的拉伸矫直中间辊式矫直机与两侧的拉伸矫直机采用单独电机驱动，因此在结构和力能参数计算上可以简化为单独考虑由初步工艺参数中未给出轧件材料特性，根据[3]中选取普碳钢弹性模量，根据[6]初定包角完善后的工艺参数：宽度： 750~1550mm厚度： 0.3~3.0mm屈服强度： 260～650Mpa矫直速度： 0~180m/min前后张力： (1/5~1/15)弹性模量： 张力辊包角： 第2章 翁格勒拉弯矫直机的结构参数计算拉弯矫直机结构参数包括张力辊组的结构参数：张力辊辊径、辊身长度、辊数；还包括弯曲矫直辊组的结构参数：弯曲矫直辊的辊径、辊距、辊身长度。
2.1 中间辊式矫直机弯曲矫直辊的结构参数计算2.1.1 弯曲矫直辊的辊径确定弯曲辊矫直辊径应在满足强度条件下尽量采用较小辊径，以期达到或接近大弯曲的拉弯矫宣要求例如在某一拉弯矫直机上调整拉力，可以达到并与其中件层偏移系数基本接近时．按图2.1中曲线VI可知，其相应的或最大的图2.1 各种拉弯状态下的曲线因此所采用的弯曲辊直径就应保证带材能达到不超过的弯曲于是中性层的变形放大系数为=1.67，它要比纯拉伸变形增大67％现在就按这种变形匹配关系将其模型绘于图2.2中性层偏移后拉伸侧弹性区厚度由变为，两边除以后变为 正反拉弯后两侧的弹性区都缩小到，因此拉弯矫直后新弹区比要小于由前面已知来计算式的关系由图中两个三角形与相等条件也可求出图2.2 带材拉伸与弯曲变形的匹配模型可见拉弯后的等效弹区比确有明显减小，既有利于矫直又不利于断面畸变再以图2.2中点为例，其，用插值法可求出此时用式可算。