六輥管材矯直機設計摘要管棒材矯直機是用于消除圓截面軋材的彎曲變形、橢圓變形以及其他類型的復雜變形的機器，目前使用的矯直機主要有二輥、五輥、六輥、和七輥矯直機等。本設計的主要內容包括介紹了無縫鋼管的開展狀況、無縫鋼管的生產流程、管棒材矯直機的概述、管棒材矯直機矯直理論技術的開展、矯直原理以及矯直工藝等理論，確定了矯直機的總體方案。在力能計算局部完成了管材彎矩、管材變形能、管材接觸線長度、矯直力、矯直機驅動功率等計算，此外萬向接軸及矯直輥傳動軸等主要部件進行了強度校核，并對角度調整機構的傳動裝置進行了分析，對其進行了結構設計。關鍵詞：矯直機、矯直輥、強度校核ThedesignofsixrollerpipestraighteningmachineAbstractThefunctionoftube-barsstraighteningmachineisreaducingbendingdeform,ovalingdeformandothercomplexdeformoftubebars.Atpresent,thereare2、5、6and7-rollsstraighteningmachineThemaincontentsofthismanualintroducedthedevelopmentofseamlesssteelpipe,theproductionprocessofseamlesssteelpipe,straighteningmachinetubedevelopment,StraighteningprincipleandStraighteningprocesstheories,todeterminetheoverallprogramofstraighteningmachine.Incalculationofforceandenergyparameters,ithascalculatedthemomentofpipe,thedeformationenergyofpipe,thelengthofcontactlineofpipe,straighteningforceandthedrivepowerofstraighteningmachine.Inaddition,checktheinstensityofuniversalcouplingofstraighteningrollandsoon,andThemaincomponentsofStraighteningrollerandShaftarechecked.Atthesametime,itanalysisesanddesignsthedrivingdeviceofangnlaradiustablemechanism.Keywords:straighteningmachine;straighteningroll；StrengthCheck目錄TOC\o"1-4"\h\z\u摘要 I第一章緒論 1我國無縫鋼管行業的開展狀況 1無縫管的生產工藝流程 3矯直機概述 6矯直理論技術的研究方向 8彎曲矯直理論 11矯直彎曲時的變形過程 13矯直過程中的曲率變化 14第二章六輥矯直機的結構分析及矯直原理 16矯直機的結構配置 16六輥管材矯直機矯直原理 16壓扁矯直 16彎曲矯直 17第三章力能參數計算 18技術參數確實定 183.2管材彎矩確實定 18確定彈性區半徑 18管材彎矩確實定 19管材變形能確實定 20管材的彈塑性彎曲變形能 20管材彈塑性旋轉彎曲變形能 22管材接觸線長度確實定 23力能參數的計算 23矯直力的計算 23驅動功率的計算 25第四章矯直輥的設計 28矯直輥的結構設計 28輥數確實定 28輥徑確實定 28輥長確實定 28輥距確實定 29矯直機中主要部件的強度校核 29電動機的選擇 29矯直輥的強度校核 30第五章矯直機主要零部件的選擇與校核 33傳動軸的校核 33萬向接軸的校核 33萬向接軸十字軸的校核 33萬向接軸叉頭強度校核 35軸承的選擇與校核 36鍵的校核 37主傳動局部電機軸上鍵的校核 37矯直輥軸伸出鍵的校核 38第六章角度調整機構的設計及計算 39電機容量的選擇 39蝸桿傳動設計計算 40耐磨性計算 41自鎖性的校核 43螺桿強度計算 43螺紋牙的強度計算 44結束語 46參考文獻 47第一章概述隨著國民經濟的飛速開展，通信、電子、軍工、航天等高科技領域對高精度管材的要求越來越嚴格，現行GB3639-1983?冷拔或冷軋精密無縫鋼管?和GB8713-1988?液壓和氣動缸筒用精密內徑無縫鋼管?遠遠不能滿足客戶的要求，更嚴格的指標只能表達在供貨合同之中。面對高精度管材的需求日益增多，開展制造各種規格的高精度矯直機是非常必要的。但目前，我國高精度管材占需求總量的比例還較小，而且高精度管材矯直機的價格是同規格矯直機價格的2至2.5倍〔僅指國內大于10輥的矯直機〕。根據這一現狀，筆者認為，如果矯直機的使用頻率較高，可使用輥數較多的高精度管材矯直機；如使用頻率不太高，那么可采用二次矯直工藝〔即采用普通矯直機進行兩次矯直，同樣可到達很高的精度〕，用低本錢換取高效益。矯直機是焊管生產線中的重要輔助設備,管材在焊接及飛剪后存在著比擬明顯的彎曲,以至影響在精整工序中的流動,管材經過矯直機,鋼管通過互相交差傾斜的輥子,一面旋轉一面前進,承受均勻的徑向力和連續的縱向彎曲,使沿整根管子的長度和圓周方向發生連續的縱向和徑向彈性變形和塑性變形,從而到達矯直和減小橢圓的目的,并對鋼管外表起到光潔和強化作用.鋼管是一種重要的經濟鋼材，世界各國都十分重視鋼管生產的開展，近年來，我國對鋼管需求的增長速度遠遠超過了粗鋼的增長速度，但我國目前生產數量仍比擬少，鋼管產量僅占鋼材產量的2.5～3％，同時品種和質量也不能滿足國民經濟開展的需求。因此，通過技術改造和改善管理來發揮無縫鋼管機組的作用有重要意義。我國無縫鋼管行業近幾年出現了有史以來最快的開展，產品結構調整成效顯著，鋼管自給率逐年提高。鋼管產量到達2123萬噸，占全球鋼管產量的25％以上。技術改造和投資創歷史新高，技術裝備大為改善，出現了兩個百萬噸級的無縫鋼管生產企業，跨入全球大鋼管集團的行列。如同中國鋼鐵工業的開展一樣，盡管近幾年鋼管行業取得了令人矚目的成就，從產量上已占全球1/4以上，但從技術裝備、產品質量、產品檔次、企業的經營規模和主要技術經濟指標等與國際先進水平仍有一定的差距。通過分析無縫鋼管行業相關產業的開展趨勢和格局，以及我國無縫鋼管行業所取得的成績和存在的問題，使我們認識到：國內市場具有一定優勢和開展空間，國際市場空間越來越大，主要靠競爭來提高市場占有率。為進一步提高競爭力，必須抓住目前的大好時機，盡快縮小產品在品種、質量和本錢上與國際先進水平的差距，盡快使生產裝備和工藝技術到達國際先進水平，使我國成為真正的世界鋼管生產強國。無縫鋼管是國民經濟建設的重要原材料之一，是一種經濟型鋼材品種，被廣泛應用于石油、電力、化工、煤炭、機械、軍工、航空航天等行業。世界各國，特別是工業興旺國家都十分重視無縫鋼管的生產和貿易。中國經濟增長帶動了無縫鋼管行業的開展，從國際經驗來看：快速增長并不是各個產業均衡增長的產物，而是由幾個更快增長的主導產業帶動。不同時期主導產業不同，主導產業的轉換和推動經濟的持續、快速增長。從國內經驗來看：近幾年來，一批新的主導產業浮出水面，帶頭的是住宅、汽車、電子通訊和城市根底設施建設，這些是具有一定的最終產品性質的先導行業。這些先導行業拉到了一批中間投資品性質的產業，主要是鋼鐵、有色金屬、建材、機械、化工等材料和裝備行業。以上兩個方面又拉到了電力、煤炭、石油等能源行業和港口、鐵路、公路等運輸行業的增長。正是以上各行業的快速增長帶動了整個無縫鋼管市場的需求，促進了無縫鋼管行業的快速開展。國內外無縫鋼管市場，目前均處于消費增長期，國內無縫鋼管消費量將保持較快的增長速度，為我國無縫鋼管的開展提供了有利時機。隨著能源、交通、石化用管需求量不減，高性能品種增長迅速。能源、交通、石油化工等設施的建設和維修所需無縫鋼管仍在鋼材市場需求中占有相當重要的地位。近幾年對高性能、新品種的需求量增長較快，例如高性能油井管、大口徑電站鍋爐用管、耐腐蝕、耐低溫的石化用管以及不銹鋼管等。另外，輸送石油、天然氣、成品油、煤漿、礦漿等流體的管線管，尤其是高強度管線用管的需求量將大幅上升。由于國內的生活水平不斷提高，人們對住房、汽車、家電的需求也不斷增大，從而促進建筑業、設備制造等行業的高速開展。同時，對無縫鋼管的需求增加、品種及質量要求的提高，無縫鋼管品種向高技術含量方向不斷有新的開展。無縫鋼管生產已有一百多年的歷史，隨著新技術的不斷開發與應用，特別是近幾十年液壓和自控技術的應用，使各種軋管方法日趨完善，產品精度和品質越來越高。不管用哪種方法生產無縫管，大體上都包括以下根本工藝環節：管坯準備→加熱→穿孔→鋼管延伸→再加熱→定減徑→冷卻→鋼管精整無縫鋼管工藝流程圖如下圖：圖1.1無縫鋼管工藝流程圖1.管坯準備：無縫管生產用坯料多采用連鑄管坯或軋制坯。管坯質量由管坯生產廠工藝來保證。來自管坯生產廠的長坯料，需在管子廠分截成成品管所對應的長度，管坯截斷常采用剪斷，折斷，鋸斷和火焰切斷四種方式，其中以鋸切最好，已被廣泛采用。2.加熱：管坯加熱的目的是降低金屬的變形抗力和改善剛的塑性。管坯加熱在環形加熱爐內以一定的速度經過低溫預熱，高溫加熱和均勻加熱三個階段后到達金屬接受變形時所需要的最正確溫度。3.穿孔：穿孔的工藝任務是將實心管坯料穿軋成壁厚均勻，無缺陷的空心毛管，作為后工序繼續加工的毛坯，是無縫管生產的關鍵工序。4.連軋機、脫管機：該局部的工藝目的是將毛管壁厚進一步軋薄到滿足機組工藝所需要的壁厚。5.再加熱爐：由于軋管延伸后的荒管已有較大的不均勻降溫，需進行再加熱爐進行第二次均勻加熱，加熱到定減徑和再線處理所需要的溫度。再加熱一般采用步進爐，也有采用感應爐。6.定減徑：定徑或減徑是熱軋鋼管成型的最后一道工序環節。它的目的是最終確定鋼管的外徑和壁厚。定徑是在多機架定徑機和減徑機中通過變徑變形進行的。為了克服荒管在減壁過程中的增壁效應，現代定減徑機均帶有張力。現代化機組都采用三輥式。7.冷床、管排鋸：定徑后的鋼管在專門的冷床上冷卻到常溫。現代軋管機組上，定減后的鋼管往往是成品管長度的2～7倍尺，所以在冷床后設有排鋸將鋼管切成所需要的單倍尺長度。8.精整：定徑冷卻后的鋼管根據產品標準要求分別進行矯直，切頭，熱處理，無損探傷，管端加工，噴標志，測長稱重，包裝等不同的工藝組合，然后入成品庫存放。這一系列工序統稱為精整工藝。Φ180機組生產在管坯、熱軋和精整三個區域內進行。管坯區：管坯由煉鋼廠連鑄車間供給，來料長度為4m～8m，其直徑為Φ180mm。成捆管坯經稱重后進入管坯區存放在倉庫料架內，經測長、稱重后送往兩組冷鋸線上進行切割，切成1.5m～4.5m的定尺坯，然后送往環形爐上料臺架存放。進入加熱區的管坯在入爐輥道上逐支稱重后用裝料機裝放環形爐中加熱。坯料均勻加熱到所需溫度后用出料機取出放在臺架上，經過鏈式移送機快速送到菌式穿孔機前臺。熱軋區：在菌式穿孔機前臺，液壓推料機將管坯送入菌式穿孔機內將管坯穿孔成空心毛管，再由鏈式移送機將毛管快速移送到MPM軋機前穿入芯棒。將穿有芯棒的毛管送到連軋機軋制線上依靠芯棒限動機構直接穿棒，穿棒后的毛管經前臺高壓水除鱗裝置除鱗，由芯棒限動機構送入五機架連軋管機軋成荒管。軋制完的荒管進入脫管機中將荒管從芯棒上脫下。芯棒通過芯棒限動機構快速返回原始位置，側向翻出，經返回輥道上的冷卻噴嘴噴水進行冷卻。再經過再加熱爐加熱〔也可略去該工序〕。進入張力減徑機中軋制的鋼管必須經脫管機后的切頭切尾鋸切割后才能進入機內軋制。經過定張減機后的鋼管逐根測徑、測厚、測長，由移鋼機輸送到冷床上冷卻到100℃以下。冷卻后的鋼管被送到冷鋸機切成定尺，進入中間庫存放或直接送往精整線。精整區：定尺的鋼管經過矯直機的六輥斜矯到精度要求，再進行無損探傷，倒棱，熱處理等工序加工成成品，包裝，庫存。矯直機概述軋件在加熱、軋制、精整、運輸及各種加工過程中，由于外力作用，溫度變化及內力消長等因素的影響，往往產生不同程度的彎曲、瓢曲、浪形、鐮歪曲等塑性變形或內部剩余應力。為了消除這些形狀缺陷和剩余應力，獲得平直的軋件，軋件需要在矯直機上進行矯直。產業革命后，機械生產代替手工生產，機械矯直成為主流。英國于1905年制造出輥式板材矯直機，20世紀初已經有矯直圓材的二輥式矯直機。到1914年英國創造了“212〞型五輥矯直機〔阿布拉姆遜式Abramsen〕,解決了鋼管矯直問題，同時提高了棒材矯直速度。20世紀20年代，日本已能制造多斜輥式矯直機。20世紀30年代中期創造了“222〞型六輥矯直機，顯著提高了管材矯直質量。20世紀60年代中期，美國Sutton公司研制成功了“313〞型七輥式矯直機〔KTC型矯直機〕解決了大直徑管材矯直問題。20世紀30—40年代國外技術興旺國家的型材及板材矯直機得到迅速開展。與此同時出現了拉伸矯直機。20世紀50年代，蘇聯的矯直機大量進入我國，同時隨著電子技術和計算機技術的開展，工業進步速度加快，矯直機的品種、規格、結構及控制系統都得到了不斷的開展和完善。我國在引進國外先進技術及設備的同時，研制成功了反彎輥型七斜輥矯直機、多斜輥薄壁管矯直機、三斜輥薄銅管矯直機、雙向反彎輥形二輥矯直機、復合輪轂式矯直機、平行輥異輥距矯直機及矯直液壓自動切料機等，在矯直高強度合金鋼方面也已獲得很好的矯直質量。所謂矯直就是使軋件的彎曲部位承受相當大反向彎曲或拉伸，是該部位產生一定的彈塑性變形，當外力去除后，軋件經過彈性回復，然后到達平直。因此，腳趾甲是軋制車間必不可少的重要設備，而且廣泛用于以軋材作坯料的各種車間，如汽車、船舶制造廠等。由于軋件品種規格的多樣化和對其形狀精度要求的不同，所需的矯直方式和矯直設備也各有不同。按用途和工作原理，矯直機可分為以下幾種根本形式。=1\*GB1⒈壓力矯直機壓力矯直機是將軋件的彎曲部位支撐在工作臺的兩個支點之間，用丫頭對準最彎部位進行反向壓彎。壓頭撤回后工件的彎曲部位變直。這種矯直機用來矯直大型鋼梁、鋼軌、型材、棒材和管材。=2\*GB1⒉平行輥矯直機平行輥矯直機是由上、下兩排相互交錯排列的矯直輥、機架和傳動裝置等部件所組成。這種矯直機克服了壓力矯直機斷續工作的缺點，從入口到出口交錯布置假設干個相互平行的矯直輥，被矯軋件通過上述排列的輥子，按遞減壓彎規律對軋件進行屢次反復壓彎以到達矯直目的，能獲得很高的矯直質量。廣泛應用于板材和型材的矯直。這種矯直機生產率高且易于實現機械化，得到了廣泛應用。=3\*GB1⒊斜輥矯直機斜輥矯直機采用具有類似雙曲線形狀的工作輥相互交叉排列，圓材在矯直是邊旋轉邊前進，從而獲得對軸線對稱的形狀。主要用于矯直棒料和管材。=4\*GB1⒋拉伸〔張力〕矯直機板帶材的縱向或橫向彎曲可以在一般輥式矯直機上有效的矯直，而其中間瓢曲或邊緣浪形需要采用拉伸矯直的方法，使金屬長短不齊的纖維受到塑性拉伸后到達矯直目的。主要用來矯直極薄帶材和復雜斷面異型材。=5\*GB1⒌拉彎矯直機當帶材在小直徑的彎曲輥子上彎曲時，同時施加張力，使帶材產生彈塑性延伸，從而矯直。一般設在連續作業線上，用以矯直各種金屬帶材尤其是薄帶材。=6\*GB1⒍扭轉矯直機對發生扭轉變形的軋件，施加外扭矩使其反向扭轉而矯直。是用來消除軋件斷面相對軸線發生扭轉變形的一種矯直設備，主要用于矯直型材。除上述矯直機外，還有一種特殊用途矯直機，如與連鑄機組融為一體的拉坯矯直機等。總之，隨著矯直技術的開展，矯直設備也將不斷創新，出現更多新型的矯直機，以滿足生產的不同要求。隨著科學技術的開展進步，新的矯直設備和矯直技術的研究越來越深入，但在一些領域還不能滿足需求。如矯直根本參數確實定還要依靠許多經驗算法和經驗數據，如輥數、輥距、輥徑、壓彎量及矯直速度等；許多矯直技術現象如螺旋彎廢品、矯直縮尺、矯直噪聲、斜輥矯直特性、斜輥輥型特性、拉彎變形匹配特性等都缺乏相應的理論闡述。這些都嚴重影響了矯直理論和技術的開展，同時它們也是關于矯直理論的研究重點。目前，國內外有關矯直理論技術的研究方向主要集中在以下幾個方面=1\*GB1⒈數學模型的精度及矯直設備結構參數的計算精度。=2\*GB1⒉對矯直理論和技術的實驗方法的研究。=3\*GB1⒊新型設備的研制、開發和改良。=4\*GB1⒋產品精度的提高。在矯直根本理論和技術的研究方面，國外的研究人員開展的較深入。早在六十年代，前蘇聯的研究人員就發表了全面、系統的論述和分析管材的矯直理論、矯直工藝及介紹管材矯直機的根本型式和結構。他們應用彈塑性根本理論說明了管材的矯直理論，發表了確定矯直機根本計算參數的方法；詳細地探討了管材矯直機主要部件的結構，并推薦了矯直機的選型原那么。明確被矯直管材在矯直過程中所受的彎矩分布及管材內部的應力、應變關系的討論，始終是管材矯直理論研究中的重點內容。我國的崔甫在矯直理論系統化作出了很大的努力。他從彈塑性彎曲的根本理論出發，總結和歸納了國內外有關的研究成果，對各種金屬軋材的矯直原理和矯直工藝做了較為系統和細致的描述和分析。提出了在各種矯直條件下矯直機的力能參數、工藝參數和結構參數的計算和確定方法；同時還介紹了許多現代矯直技術和工藝。他成功地運用了“相對量〞地概念；將“相對量〞的概念引入矯直理論的分析中，較好的解決了矯直中軋材內部的彈性變形區和塑性變形區的分布界區的劃分；從而能夠拋開各種彎曲狀態的宏觀形式，而只針對彈性區和塑性區的界區參數——彈區比ζ和塑彎比M時只提出了理論處理意見；但作為制定實際矯直工藝方案的根本參數ζ和M，應該有一種更簡便、更適合應用于實際確實定方法；以對實際矯直工作起到確切的指導作用。在這方面的工作還有待于進一步的研究。改良現有的矯直設備、研制和開發新的設備；不斷地提高管材矯直的質量和精度，一直是矯直研究工作者的一大目標。劉德漢采用增加矯直輥數量，增多管〔棒〕材在矯直過程中反彎次數的方法即“綜合矯正〞，它克服了斜輥矯直機不能矯直管〔棒〕材的頭尾，及高速矯直時由于管〔棒〕材高速旋轉而產生的甩擺等缺點；使管〔棒〕材在張緊的狀態下進行反復彎曲和壓扁成型矯正。這樣可以使多種矯正效果迭加和穩固，互相補充，進而提高矯正效果。實踐證明“綜合矯正〞是提高管〔棒〕材矯直質量的途徑之一。八十年代許多新型矯直機的研制，從不同的角度使管〔棒〕材的矯直精度、矯直生產率和矯直機的使用范圍等各方面得到了提高、增長和擴大。它們的出現使矯直技術提高到一個新的水平。矯直機的結構參數包括矯直輥的傾斜角度、反彎曲率、接觸長度、輥身長度及輥型曲線等，其中對矯直輥輥型的設計和研究是矯直機結構參數研究的重點。我國在70—80年代取得了一批研究成果。馬香峰在研究管〔棒〕材矯直機的輥型時假定矯直過程中管〔棒〕材是理想圓柱體，由等距曲面的觀點出發，既研究了管〔棒〕材呈直狀態下和呈彎曲狀態下的輥型曲面；還討論了直管輥如何進行角度調整而得到更好的接觸狀況，為多輥鋼管矯直機和二輥矯直機的輥型設計提出了統一的計算方法。姚中從輥型曲線理論公式出發，簡化了輥型曲線方程式，并證明計算精度是適宜的。劉天明在國內外有關學者對輥型研究成果的根底上，對直圓材接觸雙曲線輥型的研究成果進行了系統的歸納和總結，提出了更為簡便的計算方法和輥型曲線的作圖方法。建立正確的矯直模型使矯直力能參數的理論計算更符合實際，計算精度進一步提高，這一問題至今還沒有令人滿意的結果。崔甫對二輥管材矯直機矯直管材的情況作了詳盡的分析和研究，并根據沖模中金屬受力狀況的力學處理方法建立了二輥矯直機的矯直力學模型，還通過實驗驗證精確度。結果證明，力學模型根本正確。它側重理論，對一些實際的影響因素考慮不全，使其計算精度不夠高。德國的W.Guericke論述了管〔棒〕材在斜輥矯直機上進行矯直時，當管〔棒〕材處于矯直力的作用后的彎曲狀下，使管〔棒〕材產生塑性彎曲所需扭矩確實定，它不同于其他通過效率系數或摩擦系數來估算扭矩的方法，他考慮了塑性變形區的長度和旋轉彎曲的變形能而使計算結果的精度提高。蘭清國那么對“313〞型鋼管矯直機的矯直力、矯直功率的計算進行了分析。他將處于輥下的鋼管處理為兩端固定梁的力學模型。分別計算鋼管在反復彎曲過程中的矯直力和矯直功率；然后在計算鋼管在夾持輥中產生橢圓壓扁變形所需要的矯直力和矯直功率，最后將其疊加，即得到總的矯直力和矯直功率。但結果與實際相比偏大，它只對矯直機的設計有一定的參考價值，對掌握設備的能力和狀況來說，精度是不夠的。在管材矯直機的實驗研究方面，除優化矯直機的結構參數外，對矯直機的力能參數的測定是一項很重要的內容，其中二輥矯直機是重中之重。目前，國內外對矯直理論、矯直工藝和矯直設備的研究正在進一步擴展和深化。如向大斷面型材、一機多用和提高矯直速度等方向開展。同時，研究領域也不斷地拓展，研究分支也越來越多。如進一步向提高矯直精度、提高數學模型精度、減少剩余應力、減少頭尾的損失、減少外表的損傷及功率消耗等方面深入。彎曲矯直理論隨著工業領域中冶金技術的迅速開展和新技術的不斷涌現，新的生產設備及生產工藝相繼出現。特別是在鋼鐵產品方面，對鋼鐵材料的質量和精度都提出了較高的要求。在鋼鐵產品的生產中，經熱加工或冷加工的產品有的由于材料內部缺陷或和剩余應力的影響；有的由于外部機械的作用或外部環境的改變等，都產生一定程度的形狀缺陷。盡管隨著生產設備及工藝水平的不斷改良和提高，產品的形狀缺陷已經大大減少，但仍需進一步減少或消除其形狀缺陷，使其質量和精度得到進一步的提高。因此，矯直理論的研究有了必然。矯直理論就是對各種形狀缺陷的產生機理進行研究，消除各種形狀缺陷。一句話，矯直是與彎曲相反的工藝過程。它的目的就是正確地分析和描述矯直過程中呈現的一系列的現象，尋求與實際相吻合的規律；確定矯直參數間的關系，用以指導生產；并研制和開發新型、高效、高精度的矯直設備，使產品的質量和精度不斷得到提高。矯直技術的歷史可以追溯到人類勞動開始，先是感性認識，然后才產生了手工反彎矯直。隨著生產規模的日益擴大，提高矯直生產率和擴大矯直產品的規格和品種的要求愈高，這就出現了機械反彎矯直，它標志著連續矯直技術的誕生。隨著相關技術和工藝的進步，矯直技術和工藝和設備得到了迅速開展，對矯直理論和技術的研究工作也逐漸開展并系統化。國外對矯直理論和技術的研究起步較早，具有相當的廣泛性，得到了許多已應用于實際生產中，產生了重大的經濟效益。矯直技術較興旺的國家如前蘇聯、德國、英國、和日本等，從四十年代起生產的矯直設備就形成了系列產品。在矯直理論、工藝和設備的研究方面也做了大量的工作，并取得了大量的較有影響的成果。國內的有關技術人員在矯直理論和技術的研究方面亦做出了很大的努力，是矯直理論和技術的研究工作得到了廣泛的重視；并取得了不少令人矚目的研究成果，其中局部成果的水平居世界領先地位。隨著我國科學技術水平的開展，各行業對矯直設備種類、數量、矯直精度的要求日益增加，我國目前已形成了自行設計和生產的板、帶、線、型、管材的矯直設備的能力，設備的精度和控制水平也不斷提高。特別是改革開放以來，在引進和吸收國外先進的矯直設備和技術的根底上，不斷推動矯直理論和技術的研究工作向前開展。為適應眾多生產領域開展的需求，在矯直理論和技術研究成果的根底上，國內外目前已開發研制了許多新型矯直設備。這些矯直設備從不同角度加強了設備的能力，拓寬了應用范圍。其中有些設備突破了傳統的矯直概念，從而開拓了矯直理論和技術研究工作的新領域，使矯直技術得到了極大開展，如輥式矯直機的進一步開展，出現了超薄管材、高強度合金材、異形截面材等新的矯直方法；拉伸矯直的開展引起了對拉伸矯直方法的更大規模的理論研究；其他如液壓張力矯直機、行星多輥矯直機等高精度的矯直設備也相繼問世。除此以外，矯直理論和技術的開展正趨向于在機械機構方面和傳動方式方面向便于操作和維護、擴大設備適用性、降低能量消耗、改善工作條件等方面開展。如壓下量的數字顯示技術、無級調速技術、可變輥距矯直機等。軋件的矯直就是使軋件承受一定方式和大小的外力，產生一定的塑性變形，當除去外力后，在內力作用下產生彈性恢復變形，從而得到正確的軋件形狀。軋件的矯直過程，實質是彈塑性變形的過程。按軋件的應力和應變狀態，可分為彎曲矯直、拉伸矯直、拉彎矯直、扭轉矯直等根本矯直方式，彎曲矯直方式廣泛應用與壓力矯直機、平行輥矯直機、斜輥矯直機和拉彎矯直機。在這類矯直機上，軋件的矯直過程由兩個階段組成，在外負荷彎曲力矩作用下的彈塑性彎曲階段即反彎階段和除去外負荷后的彈性恢復階段即彈復階段。下面簡要介紹彎曲矯直理論。軋件在矯直機上的彎曲變形，實際上是一個橫向彎曲過程。但假設軋件厚度h與矯直軋件時的兩個支點間距離t的比值〔h/t〕很小時，可忽略剪應力的影響，近似認為矯直軋件時的彎曲是純彎曲變形。軋件在外載荷彎曲力矩M作用下產生彎曲變形時，中性層以上的縱向纖維受到拉伸變形，中性層以下的縱向纖維受到壓縮變形，如下圖。根據外載荷力矩M的大小，軋件彎曲變形有三種情況:圖1.2軋件彎曲變形示意圖=1\*GB1⒈純彈性彎曲。在外載荷彎曲力矩作用下，軋件外表層的最大應力小于或等于材料的屈服極限，各層的縱向纖維都處于彈性變行狀態。外載荷去除后，在彈性內力矩的作用下，縱向纖維的變形能夠全部彈性恢復。這種彎曲變形稱為純彈性彎曲變形。=2\*GB1⒉彈塑性彎曲。隨著外載荷彎曲力矩的增大，軋件各層纖維繼續產生變形。當外載荷增加到一定值是，軋件表層縱向纖維應力超過了材料屈服極限，纖維產生塑性變形。外載荷越大，塑性變形區有表層向中性層擴展的深度也越大。當去除載荷后，在彈性內力矩的作用下，各層縱向纖維的變形可彈性恢復一局部，而無法全部恢復。這種彎曲變形稱為彈塑性彎曲變形。=3\*GB1⒊純塑性彎曲。隨著外載荷力矩的繼續增大，整個軋件斷面的縱向纖維應力都超過了材料的屈服極限，所有縱向纖維都處于塑性變形狀態。當去除外載荷后，在彈性內力矩作用下，縱向纖維的變形只能恢復彈性變形局部。這種彎曲變形稱為純塑性彎曲變形。由上述可知：當軋件矯直彎曲變形時，在軋件中同時存在有彈性變形和塑性變形，稱為彈塑性彎曲變形；軋件彈塑性彎曲變形過程由兩個階段組成，即在外載荷彎曲力矩作用下的彈塑性彎曲變形階段和除去外載荷后的彈性恢復階段。矯直過程中的曲率變化軋件的矯直過程可以用曲率的變化來說明。=1\*GB1⒈原始曲率軋件在矯直前所具有的曲率，以表示。是軋件的原始曲率半徑。曲率的方向用正負號表示：+表示彎曲凸度向上的曲率；—表示彎曲凸度向下的曲率。=2\*GB1⒉反復曲率在外力矩的作用下，軋件被反向強制彎曲后所具有的曲率。反彎曲率的選擇是決定軋件能否被矯直的關鍵。在壓力矯直機和輥式矯直機上，反彎曲率是通過矯直機的壓頭或輥子的壓下獲得的。=3\*GB1⒊總變形曲率它是軋件彎曲變形的曲率變化量，是原始曲率和反彎曲率的代數和，即=+=4\*GB1⒋剩余曲率它是軋件經過彈性恢復后所具有的曲率。在輥式矯直機上，前一個輥子下的剩余曲率為進入后一個輥子軋件的原始曲率，即其中符號i是指第i次彎曲=5\*GB1⒌彈復曲率它是軋件彈復階段的曲率變化量，是反彎曲率與參與曲率的代數差，即=—顯然，軋件被矯直時有，那么由上式得=或=上式表示了矯直軋件的根本原那么：要使原始曲率為的軋件得到矯直，必須是反彎曲率在數值上等于彈復曲率。因次，正確計算彈復曲率進而確定反彎曲率的大小是完成軋件矯直的前提和關鍵所在。第二章六輥矯直機的結構分析及矯直原理矯直機主要由傳動裝置、回轉圓盤裝置、上下輥調整裝置和機架幾局部組成。矯直機上裝有六個相同尺寸的雙曲面形矯直輥。六個矯直輥成“2-2-2〞型布置。其中四個是轉動的，其余兩個是從動的；三個低于矯直中心線，三個高于矯直中心線。矯直輥相對矯直中心均傾斜一定角度布置，這樣才能使管材獲得旋轉前進的運動，并能保證管材的所有外表都獲得矯直。矯直機的機架由上橫梁、機座、三根立柱、螺母組成。機架上裝有工作機構和各部件。其中包括四個輥子的升降調整機構，其中三個位為上輥，一個為中間下輥。通過調整，可使上排三個輥子和中間下輥實現高度上的升降，已得到矯直中管材的反彎曲線。矯直輥除可沿高度方向調整外，全部六個輥子都可在水平面內實現傾角調整，適應與不同規格的管材相接處的要求。輥子的角度調整機構是由電動機經減速機和渦輪來構成的。矯直機上配置兩個傳動裝置，分別由兩個主電機經齒輪減速器和萬向接軸來驅動上排兩個端輥和下排的兩個端輥。而中間一對輥子的傳動是依靠它們與矯直管材外表間的摩擦而形成。六輥矯直機的輥系配置為“2-2-2〞型。管材在通過三對矯直輥的輥縫中時，將先后經歷三個塑性變形區，產生三次塑性變形。由此可見，只要使當地調整輥子的傾角，并選取適合的的壓下量，就可以產生較大的塑性變形區；使管材在塑性變形區內的旋轉次數增加，進而到達理想的矯直效果。由于矯直輥的壓下，輥縫小于管材外徑。管材通過三對輥時，均受到縱向反復彎曲和橫向反復壓扁，管材的直度和圓度均可提高。六輥矯直機正是將反復彎曲矯直和反復壓扁矯直兩種矯直方法有機的結合在一起，才使管材表層金屬纖維進入彈塑性狀態而產生拉、壓應力獲得矯直的效果。鋼管處于上下對置的兩矯直輥的輥縫中，假設調整輥縫間距，即調整輥子的壓偏量；使其小于鋼管的外徑，那么在輥子壓緊力的作用下，將鋼管斷面壓扁成為橢圓。鋼管與矯直輥接觸受壓的地方進入塑性變形狀態，其外邊緣產生壓應力；內邊緣產生拉應力。同時，在鋼管與矯直輥接觸點回轉90°角，鋼管外邊緣產生拉應力；內邊緣產生壓應力。從鋼管外表層到內表層均受力；產生的應力從拉應力到壓應力其量不等。外表層產生的壓應力遠大于拉應力；內表層產生的拉應力遠大于壓應力。由于壓扁時產生的拉、壓應力不等，因此，為獲得較好的矯直效果，還必須同時進行彎曲矯直，使應力得以平衡。六輥矯直機借助中間一對輥使鋼管產生反向彎曲。彎曲撓度的大小必須保證使作用于鋼管上的彎矩能使鋼管變形超過屈服極限而產生彈性變形。矯直時，鋼管由于被施加了縱向彎曲，使得每單元的邊緣均受壓作用。在中間一對輥處可形成較長的接觸區，使彈塑性變形區的長度相應增加。有前面的分析可知，這對提高矯直質量是非常有利的。由于鋼管在回轉一周的過程中所產生的拉、壓應力差與壓扁矯直時所產生的拉、壓應力差之間的均衡作用，是鋼管沿圓周的縱向纖維的反復拉壓變形趨于一致，進而使彈復能力趨于一致。壓扁矯直時，三對矯直輥對鋼管斷面都有壓扁作用，使之進入彈塑性狀態；因此，在彎曲矯直時，即使鋼管不產生較大的反彎撓度，也有可能獲得較好的矯直效果。這樣，對六輥矯直機矯直管材的原理做出了比擬合理的解釋。關于高精度管材矯直原理的幾點看法為了提高矯直精度，目前國內已有數臺高精度管材矯直機，從原理上講這些矯直機是普通矯直機的組合，其根本原理就是盡可能地增加矯直單元，提高矯直精度。國內目前已有17輥管材矯直機，矯直精度可到達小于等于0.1mm/m。筆者運用二次矯直的理論及方法，在生產實踐中使矯直精度到達小于等于0.1mm/m。總結矯直理論與實踐的幾點看法如下。根據矯直理論應采用復合矯直機型。從目前國內的現狀來看，許多廠家仍采用單一的彎曲矯直機型，但該機型不具備矯直高精度管材的必要條件。對此，建議采用復合矯直機型，即選用立式主動對輥矯直機，其中上輥可以單獨調整，以滿足各種不同的矯直方案。輥矯直機，其中上輥可以單獨調整，以滿足各種不同的矯直方案。目前國內大多數生產廠家的矯直機，矯直輥仍采用20世紀五六十年代的輥型，即雙曲線輥型。筆者根據多年的研究認為，這種輥型作為精密矯直機輥型是不可取的，其理由如下：由于輥型曲線設計不合理，所以曲線與管材的接觸線太短而且不充分。在生產現場還往往出現矯直輥輥底不接觸而兩側曲線接觸的狀況，如圖"所示。當采用復合矯直方案中的壓扁矯直時，因壓扁矯直過程中兩輥間距小于理論圓，管材在雙曲線輥型上產生了三點彎曲單元，使已矯直的管材再次被矯彎，達不到高精度矯直的要求。筆者認為，合理的輥型應盡可能增加矯直輥外表與管材的接觸長度。圖1矯直輥兩側接觸示意根據矯直理論與矯直輥和被矯管材的幾何關系可知：矯直過程中它們的接觸線是一對相對180度的平行螺旋線。平行螺旋線長度的增加可減少單位壓力對管材外表的壓力，減少管材外表螺紋痕跡，減小成品管的矯直應力。在壓扁矯直中，增加管材在矯直過程中相互覆蓋的重迭率，有助于提高成品管材的矯直質量，這是因為當管材與輥子的接觸線增加時，其本質是增加了管材在壓扁矯直過程中的壓扁矯直次數。采用大變形矯直方案不同的矯直方案，其矯直效果是不一樣的。理論與實踐經驗證明，采用大變形量矯直，可以獲得高精度的矯直質量。所謂大變形矯直，就是前幾個輥子采用大的變形量，使管材得到足夠大的彎曲，很快縮小剩余曲率的范圍；后幾個輥子采用小變形量。變形量的分布為遞減狀態。圖2為矯直過程中的彎矩圖示。從圖2可以看到：ab段為彈性變形區，此時的Mw為彈性彎矩，該段的反彎變形撓度?為式中p———矯直力；l———輥距；E———被矯管材的彈性模量；J———被矯管材截面的慣性矩。由于管材是螺旋前進的，所以當管材進入bc段后將產生彈塑性變形。bc段是矯直中最重要的區域，該段管材的彎曲方向隨意且無任何規律。在理想狀態下應使通過bc段管材的任意斷面都得到一次以上的彎曲矯直，且矯直次數越多，矯直的質量就越好。因此，增加管材在bc段中的彎曲次數很重要。圖2矯直過程中的彎矩示意根據矯直輥與管材的關系，得出管材通過彈塑性bc段的彎曲次數m，即式中N———矯直輥組成的輥距個數；D———被矯管材直徑；Mw———彈性彎矩；Ms———塑性彎矩；α———矯直輥軸線與矯直中心線之間的夾角。在實際操作中可通過改變角度α的大小來改變彎曲次數，由于N、L、Mw、Ms在矯直機選型時已確定，所以應考慮選擇經濟合理的參數。2應用實例在立式七輥矯直機、六輥全主動傳動矯直機上進行了一次矯直和二次矯直試驗。矯直設備精良，一次矯直的精度很高，為二次矯直獲得更高的精度打下了根底。兩次矯直獲得了較高的精度(表1)。表1兩次矯直試驗的結果第三章力能參數計算矯直鋼管的直徑鋼管的壁厚㎜鋼管材料的強度極限Mpa3.2管材彎矩確實定給定原始撓度f=10㎜/m原始曲率：=12505㎜反彎曲率：取輥距離t=1530壓下量壓下率管子外徑=經查軋鋼機械[1]得因為所以此時將改為，已深入到r內，所以小圓有塑性變形。彈性彎曲時外力矩與軋材內部的彎曲力矩應是平衡的。即用內應力算出的軋件內部彎曲力矩必將與外力矩大小相等方向相反。所謂理想弾塑性金屬是只有明顯的屈服極限而沒有強化的金屬。其彎矩M的積分式為其中：b——矩形斷面寬度——彈性區應力將代入上式并積分得到上式是對于矩形斷面來說的，對于遠觀來說那么為即：式中：是圓形斷面的彈性極限彎矩，那么式子還可以寫為Nm其中塑彎比為：因為管材變形能與圓材變形能相似，所以用大圓變形能，減去小圓變形能，即可得到管材變形能由可知，U=〔3-5〕式中——————管材大圓彎曲變形能——————管材小圓彎曲變形能=〔3-6〕式中——————塑性變形能——————彈性變形能塑性變形能===彈性變形能=======式中===U===由可知，〔3-7〕大圓旋轉變形能==N.mm總變形能為:=Nm/m小圓旋轉變形能=====Nmm==Nmm所需數據轎直輥直徑400mm矯直輥長度800mm轎直輥兩輥間距1530mm轎直鋼管直徑mm壁厚mm屈服極限MPa斜輥矯直的壓下量不需要采用大變形方案。可利用圓材與輥子的運動學關系，寫出圓材的導程關系式由可知，t=〔3-8〕式中D————————圓材直徑————————輥子的傾角令J＞t=該式稱為接觸線長度準那么，即矯直機在矯直的鋼管是的接觸線長度J＞t=〔3-9〕4×177×tan30.09°=㎜管材除受到矯直輥的彎曲作用外，還受到其碾壓，扭轉和摩擦作用。因此為簡化計算過程，須對其受力進行必要的簡化。由可知，〔3-10〕式中b———————壓緊輥與圓材的接觸寬度，㎜b=〔0.〕l取b=160㎜，㎜R————————————鋼管外徑，㎜=N〔3-11〕==N式中k————第一根輥與第三根輥支撐點間的距離。〔3-12〕==N〔3-13〕==N〔3-14〕==N輥子的摩擦阻力矩由，〔3-15〕式中m——————————輥子軸承的摩擦系數，=————輥子軸承處直徑，選雙列滾子軸承，根據[2]，選軸承號3003788，內徑=190mm,(GB286-64),B=104mm.==N.㎜摩擦功率〔3-16〕式中——————矯直速度，=m/s——————輥子直徑，=mm=kw塑性彎曲功率〔3-17〕==9Kw塑性旋轉彎曲功率〔3-18〕其中：——棍子的輥速其中：——轎直輥的傳動速度=矯直機的驅動功率〔3-19〕式中——————摩擦功率，kw—————塑性彎曲功率，kw———塑性旋轉彎曲功率，kw—————傳動功率，=第四章矯直輥的設計斜輥矯直機的根本結構參數主要包括：輥數、輥徑、輥長以及輥距選擇輥數n的原那么是在保證矯直質量的前提下，使輥數盡量少。輥數與輥系配置直接相關，用于管材矯直采用2-2-2型輥系，本設計采用的使六輥式，即輥數n=6。除輥型設計外，還有輥子腰部直徑，輥子長度等，輥腰直徑在管材直徑大于150mm時取。根據對一些經典斜輥矯直機的統計，輥腰直徑與管材直徑d有以下關系：由=mm=400mm棍子在d>150mm時，取輥子全長：==800mm0.9)兩排輥同樣長度，一般取短輥斜輥的另一個結構參數是輥距t，=26403520mm取t=3000mm根據前面計算的轎直鋼管所需要的驅動功率，可以選出適宜的電動機，但是由于本次設計除轎直普通大直徑鋼管還可以轎直小直徑的鋼管，所以進行綜合分析評價，才能確定出最大的驅動功率，并由此選出相應的電動機。經分析比擬，轎直，壁厚25mm，材質為合金鋼管所需的驅動功率最大為2X125Kw，據此選電動機。功率太大，所以選兩臺電機單獨驅動JZ-51異步電動機，額定功率22/FC%,14.5/FC60%。額定轉速750/1900r/min，設備重量340kg。電機的輸出扭矩由〔4-6〕==280選擇減速機NGW62,JB1799-76,i=20通過減速機連接軸后傳給矯直機的扭轉力矩為:〔4-7〕式中————減速器、連接軸的效率，i———————減速器的減速比，i=20==5320再根據軸的扭轉力矩，每根軸的扭轉力矩分別為：矯直輥分輥身和輥徑。在計算過程中，對輥身只進行彎曲計算，對輥徑進行彎曲與扭轉計算，對傳動端的軸頭只進行扭轉計算。=1\*GB1⒈輥身的彎曲校核使用滾動軸承，由于軸承外徑較大，輥頸尺寸不能太多大，可以接近取值，取；，取系數0.5。，d=200mm輥身收到的最大的彎矩是由引起的，由【3】查得〔4-8〕〔4-9〕==Mpa查得，即＜，輥身滿足強度要求=2\*GB1⒉輥頸的彎扭校核輥頸危險斷面上的彎曲應力和扭轉應力分別為：=式中===按第四強度理論計算：==即＜，輥徑滿足強度要求=3\*GB1⒊傳動端軸頭的扭轉校核由【3】查得45鋼[]=,那么計算的彎矩因單向回轉，是轉矩脈動循環，，那么截面C輥身處的當量彎矩為：==輥頸處計算：==軸頭處的計算彎矩：=25740Nm==傳動端頭滿足要求。第五章矯直機主要零部件的選擇與校核選擇材料為45鋼由(5-1)式中d———————連接軸直徑,㎜取d=250㎜查得，＜，萬向接軸滿足要求根據光彈試驗及有限元法的計算證實，十字軸的最大應力產生在軸頸直線與圓弧連接處，如下圖(5-2)式中R————圓周力Q至十字軸中心的距離那么A—A斷面的彎曲應力為：(5-3)=B—B斷面的彎曲應力為：=(5-4)查十字軸材料的許用應力，＜，＜，故十字軸滿足強度要求如下圖，一般情況下，危險截面是叉頭的弧形彎曲局部，即斷面A—A。因此只需校核A—A斷面即可，為使計算簡便，可將A—A斷面近似看做橢圓形，其長軸為a,短軸為b那么A—A斷面彎曲應力為：(5-5)對橢圓的A—A斷面(5-6)=(5-7)A—A斷面的扭轉應力為：(5-8)對橢圓的A—A斷面(5-9)按第四強度理論，A—A斷面的合成應力為：(5-10)查許用應力，即＜，所以斷面的強度校核滿足要求，故萬向接軸叉頭滿足強度要求由，選用型號為，3153138型調心滾子軸承。軸承的