19辊六重矫直机

硕士学位论文

铝合金板材19辊

六重矫直机设计研究

姓名：

申请专业：机械设计制造及其自动化指导教师：

日期：2012.11.11

太原科技大学硕士学位论文

目录

摘要

本文根据XXX铝业有限公司，矫直铝及铝合金板材产品的参数需求，设计开发了2200六重19辊矫直机。该产品已在国内某企业的生产线上进行了调试运行，并已投入生产取得了好的经济效益。

文中介绍了矫直机及矫直技术的发展概况和种类、特点，通过研究辊式矫直机（冷矫）辊系参数的确定方法、辊式矫直机力能参数的计算方法和辊式矫直机的结构设计，完成了2200六重19辊矫直机整机结构的确定及设计，基本参数、力能参数的确定及校核，并通过有限元分析，验证了矫直过程中压下量、矫直力、矫直过程中板材的应力变化情况等。同时为公司开发设计适用于不同规格产品的矫直机，提供理论及实践依据，使以后在新设计时对设备基本参数的确定，力能参数的计算更准确、更合理，整个设备更经济实用。

此19辊六重矫直机辊系类型为平行辊等辊距辊系，设有中间辊，上、下辊系各采用了7列短支承辊，交错布置，其调整方向与工作辊轴线垂直，通过弧度支撑面及斜楔调整各列段支承辊，从而改变工作辊凸度，这是目前比较先进的机械调凸机构。上工作辊系通过压下装置实现整体上下升降，以满足反复及双向咬入矫直；通过摆动机构，实现上矫直辊系的整体倾斜调整，在纵向形成递减的压弯量，实现每个工作辊单独升降，提高矫直质量和效率。

1、绪论

1.1矫直设备在冶金行业中的用途

矫直是金属材料加工的后部工序，是应用弹塑性理论将弯曲的、断面不规则的型材变直和整形的一种机械加工方法，广泛应用于机械工业和冶金工业中。这道工序可以大幅度的提高产品的质量水平，大大改善产品在轧制、冷却和运输过程中产生的各种形状缺陷。尤其是在轧制过程中产生的缺陷。

钢板在热轧时，由于加热后的原料存在一定的内外温度差、上下表面温度差，以及轧制过程降温的不均匀性、压下控制的不尽合理等，会造成轧件延伸不均匀，其后在辊道停留产生的黑印和冷却等因素影响下，钢板往往会产生形状缺陷，如纵向弯曲、横向弯曲、边缘浪形、中间浪形等，为了保证钢板的平直度符合产品规定，对热轧后的钢板必须进行矫直。

矫直机是板带材工艺线上的主要生产设备，可以单独的用于机械加工车间，也可在连续生产线中使用。它的性能高低对成品钢板的外观质量有这决定性的作用，它的先进与否在很大程度上反映了生产厂家的技术装备水平。

1.2矫直设备的分类及特点

现代矫直设备品种及规格较多，结合本文设计的19辊矫直机，将设备按结构特征及用途分为五类。

图1.2-1矫直机的基本形式

1.2.1压力矫直机

压力矫直机的工作原理是将带有原始弯曲的工件支撑在工作台的两个活动支点之间，用压头对准最弯部位进行反向压弯的。当压弯量与工件弹复量相等时，压头撤回后，工件的弯曲部位变直。如此进行，工件各弯曲部位必将全部变直，从而达到矫直的目的。传统的压力矫直机，通常靠人的感观和经验确定压弯量，常需要3次以上的修正工作。虽然可以进行有选择的补充矫直，但压弯精度不易保证且生产率低。近年来，液压及微机技术运用到压力矫直机中，大大提高了其工作精度及工作效率。

1.2.2平行辊式矫直机

平行辊式直机与压力矫直机同属于利用反复弯曲并逐渐减小压弯挠度方法达到矫直目的的设备。必须具备两个基本特征：第一是具有相当数量交错配置的矫直辊，以实现多次的反复弯曲；第二是压弯量可以调整，能实现矫直所需要的压弯方案。这种矫直机克服了压力矫直机断续工作的缺点，使矫直效率成倍提高，使矫直工序得以进入连续生产线。它是目前应用范围最广的矫直机，其门类、品种和规格是最多的。可分为板材和型材两类矫直机。一般以厚度来区分板材矫直机，板宽及板厚与矫直机的能力及结构复杂程度有密切关系。首先是板厚决定辊

径尺寸；其次是板宽决定辊长尺寸；第三是辊数决定矫直质量；第四是辊子重叠数决定着矫直质量及表面粗糙度；第五是矫直温度决定矫直机的结构特点。

1.2.3斜辊式矫直机

斜辊矫直机是旋转矫直的主要设备，适用于矫直圆形断面的轧件。这种矫直机的工作辊具有类似双曲线的空间曲线的形状，两排工作辊轴线相互交叉。管棒材在矫直时边旋转边前进，从而获得对轴线对称的形状。

旋转矫直机中最常用的是多斜辊矫直机和二辊式矫直机。近年来还出现了八辊和九辊的斜辊式矫直机，它们的工作原理基本相同，轧件在垂直于横断面的各个平面上发生弯曲。多斜辊矫直机是一种规模大、品种多、规格齐全的矫直设备。其除有辊系不同之外，在结构上由卧、立之分；按辊座数量有双辊座和三辊座之分；按辊子长度有同辊长与异辊长之分；按驱动方式有单机驱动和集体驱动之分；按传动方式有万象联轴器传动和锥齿轮传动之分。二辊式矫直机属于高精度矫直设备，结构比较简单，品种比较单纯，辊子倾角调节范围小，操作容易，但矫直速度低。分类同多斜辊矫直机基本相同。

1.2.4旋转反弯式矫直机

旋转反弯式矫直机根据工作原理、用途及运转方式不同分为两大类。第一类是转毂式矫直机，矫直工具在绕工件轴线旋转中利用工具与工件的相对运动来达到反弯矫直目的，主要用于圆材矫直。矫直机的工作主体在转动中运行。第二类是平动式矫直机，矫直工具处在工件的固定方向上做上下左右的平行移动，而与工件之间没有相对运动，只靠全方位的平移产生全方位的反弯而达到矫直目的，主要用于非圆断面薄壁型材的矫直。其工作主体在平动中运行。

转毂矫直机按转毂内部结构不同分为四类：滑动模转毂矫直机、滚动模转毂矫直机、斜辊转毂矫直机、复合转毂矫直机。

1.2.5拉伸与拉弯矫直机

拉伸矫直机是利用金属工件不直时，其纵向纤维长短不齐，受到塑性拉伸达到长短相等之后卸掉外力时必然以基本相等的弹复量恢复到稳定状态，以达到矫直目的。主要用于矫直薄钢板和有色金属板材，有辊式和夹钳式之分。夹钳式用于单根钢筋、型材和单张薄板的矫直，不能用于连续生产线上，并且容易造成钳口夹痕和板材幅向变形不匀，引起切头损失。辊式拉伸矫直机多用于薄带板材的生产线上，但不适用于型材矫直。

拉弯矫直机是在拉伸的的同时加上弯曲，使带材一侧的拉伸得到叠加，用较小的拉力便可得到较大的拉伸变形，使带材另一侧的拉压互相抵减而不产生塑性变形。一般作用在连续生产线上，可以矫直各种金属带材，（包括高强度极薄钢板）也可用于酸洗机组上进行机械破磷，以提高酸洗速度。

2、课题研究内容

2.1 课题来源

本课题主要完成了太原北方重工机械有限公司为XXX铝业有限公司设计制造的六重十九辊板材矫直机。在已形成的钢板矫直理论基础上，对该设备基本参数进行确定，力能参数及工艺参数进行计算及校核，并结合实践验证计算方法，进行优化。得出矫直机矫直过程的矫直力、矫直力矩、板材的应力、变形、各个矫直辊的压下量等参照数据。压下量的计算为调整板型提供了现实基础。压弯量的几种调节各有短长，根据来料和设备性能，进行适当的选择。

2.2目的和意义

矫直技术同其他金属加工技术一样在20世纪取得了长足的进展，相应的矫直理论也取得了很大的进步。不过理论滞后于实践的现象比较明显，因此，必须对矫直理论、矫直机的设计不断研究，发现新问题，寻找新突破，使新产品开发更成熟，设计更合理、好用。轧件在矫直过程中发生弹塑性变形，内部应力应变

状态变得复杂难于进行精确的计算分析。因此，设计及参数计算校核过程是在一定的假设前提下进行，并结合实际数据验证。

本次通过对六重十九辊矫直机的设计，进行理论分析和实践的相结合，为以后公司在进行适用于不同规格产品的新设计时提供理论及实践依据，对矫直设备基本参数的确定，力能参数的计算能够更准确、更合理，使整个设备更经济实用。

3、平行辊板材矫直机

3.1平行辊式板材矫直机典型辊系布置

平行辊矫直机发展历史较长，辊系结构形式很多，且主要与用途有关；其次也与矫直质量要求有关。以下介绍几种典型辊系布置：

辊系（a）是上辊组平行升降的辊系，主要用于热矫厚板、粗矫板材和在展卷机后平整带材等工作。

辊系（b）是两端辊单独调整，有利于中间各辊加大压下，也有利于两端辊的咬入及提高矫直质量。采用这种调整方式的一般是7~11辊钢板矫直机，主要用于热矫4mm~12mm以上中厚板。它用于冷矫时相当于5辊矫直机，但中间各辊等于增加反复弯曲次数，提高了统一残留弯曲的能力，使最后一辊的矫直效果更稳定。

辊系（c）是一种灵活性较大的多用途辊系，上辊可以调成平行升降，单向倾斜和双向倾斜等形式。可以进行反复及双向咬入的矫直，适合于矫直薄板。

辊系（d）是按线性递减压下的板材矫直辊系。轧件在入口端的第二、三辊上的反弯曲率最大，产生大变形，迅速消除轧件的原始曲率不均匀度。以后各辊的压下量线性递减。这种工作辊调整方式符合矫直过程的变形特点，主要用于矫直4mm以下的薄板材。

辊系（e）是型材矫直的常用辊系，各上辊单独调整可采用各种压下方案。主要用于辊数较少，辊距较大的型钢矫直机。

图3.1-1 7种典型辊系

辊系（f）是矫直板材的辊系，即四重式矫直辊系。带有支承辊，其作用有两种，第一是在矫直宽板时辊子太长，刚度不够，用支承辊来保持工作辊的刚度；第二是矫直薄板是要消除波浪需要用支撑辊来改变工作辊的凸度。

辊系（g）即六重式矫直辊系，增加了一排中间辊，它们是浮动辊，设有轴颈，用周围的粗辊包围着只能随转而不能移位。由于支撑辊多为盘形，长期工作中使工作辊表面被压出痕迹，这时若矫直工件的表面要求光亮，而辊面压痕很可能在工件表面上留下条状暗影甚至印痕。故用中间辊隔离上述压痕的传递。而且这些中间辊容易修磨和更换。

除上述典型辊系外，近年来出现了变辊距辊系等新型辊系，更适应生产的需求，提高矫直质量。

3.2平行辊式板材矫直机矫直理论

3.2.1平行辊式矫直机矫直过程的曲率变化及矫直原理：

图3.2.1-1 板带矫直机工作原理

板材在辊式矫直机上的矫直过程必经两个阶段，一时减少差值，二是消除残弯。实质上是板材通过矫直辊时，产生弹性变形的过程，假设有原始曲率1/r0的板材通过图3.2.1-2所示的三个矫直辊，由于上排的矫辊的下压作用，使板材向其相反的方向弯曲，此时板材产生的曲率称为反弯曲率1/ρ，而板材离开矫直辊后经弹性变形恢复后的曲率1/r称为残余曲率，显然，弹性恢复曲率应为反弯曲率和残余曲率的代数差。即：1/ρy=1/ρ-1/r，由上式可见，要使原始曲率为1/r0的板材通过这三个矫直辊矫平，即使残余曲率1/r=0。必须使所选择的反弯曲率等于复弹曲率。即：1/ρy=1/ρ因此，正确计算弹复曲率1/ρy进而确定反弯曲率1/ρ的大小是完成轧件矫直的前提和关键所在。弹复曲率1/ρy与板材尺寸、材质及原始曲率有关。具有单值原始曲率的板材，当由矫直辊施加适量的反弯曲率反向弯曲后，可以变得平直。

图3.2.1-2 板材在矫直辊作用下的曲率变化

3.2.2轧件反弯阶段的外力矩及力矩方程

轧件在反弯阶段产生的弹塑性弯曲变形，将呈现三种状态。当外力矩M 作用于轧件使其反向弯曲时，轧件首先产生弹性变形，如图3.2.2-1所示。当外力矩增大到一定数值时轧件表层纤维开始达到塑性变形，此时为弹性弯曲极限状态，如（a ）所示。外力矩继续增加，塑性变形由表层向中性层扩展，外力矩越大，塑性变形区由表层向中性层扩展的的深度也越大，如（b ）所示，此时为弹塑性弯曲状态。整个轧件断面都达到塑性变形时，为弹性弯曲极限状态，也称为纯塑性弯曲状态，如（c ）所示。

（a ）弹性弯曲变形 （b ）弹塑性弯曲变形 （c ）纯塑性弯曲变形

图3.2.2-1 理想弹塑性材料应力分布图

由应力分布图（b ）所示，根据静力矩平衡条件，可以得出中性层对此的理想弹塑性材料在反弯阶段外力矩M 的计算公式为

00z h/22s 0z d 2d M Z F Z F =+??σ

式中σ—弹性变形区内，距中性层Z 处纤维的应力

dF —微分面积 因为s

0=Z Z σσ带入上式，则得

00z h/22s 0

z d 2d M Z F Z F =+??σ 轧件产生纯弹性变形时的外力矩最小，其值为屈服力矩w M

，对应的轧件

总变形曲率为屈服曲率1w

ρ。 如（a ）所示，此时0/2Z h =，外力矩计算式为

2h/2s s 04d =w M Z F W h =?σσ

式中W —轧件的弹性断面系数

当轧件弯曲至图（c ）所示的纯塑性状态时，外力矩最大，其值为塑性弯曲

力矩s M ，对应的轧件总变形曲率也将达到最大值s

1ρ。 此时00Z =，外力矩计算式为

h/2s s s 02d =M Z F S =?

σσ

式中S —轧件的塑性断面系数。 s w =e M S M W =

e 称为断面的形状系数。下表列出了不同断面形状轧件在不同放置方式下的e 值

表3.2.2-1各种断面形状轧件在不同放置方式下的形状系数e 的数值 通常，外力矩M 介于两个极限值w M 和s M 之间。其值与轧件材料的机械性能弯曲变形程度以及轧件断面形状和尺寸等因素有关。

外力矩M 与弯曲变形总曲率0

1r 的关系称为力矩方程，轧件断面形状不同，其力矩方程也不同。矩形断面轧件的力矩方程为：

w = 1.5S M M M =

图3.2.2-1所示为这一力矩方程的图形。从图中可以看出，当c 1r →∞

时是弹性

变形，M 与c 1r 成直线关系；当c w 11r ＝ρ时，w

=M M ；当c 1r →∞时，w = 1.5S M M M =。

图3.2.2-1矩形轧件弯曲力矩M 与弯曲变形总曲率c

1r 的关系

3.2.3轧件弹复阶段的弹复曲率即曲率方程 轧件的弹复变形是轧件弯曲时各层纤维所储存弹性势能的释放，是一个纯弹性恢复过程。利用材料力学中弹性弯曲时曲率与力矩的关系，弹复阶段的弹复曲率y 1ρ与弹复力矩y M 满足y y 1=M EI ρ,考虑到弹复阶段的弹复力矩y M 在数

值上与轧件被反弯时的外力矩M 相等，则y 1=M EI

ρ

式中I —轧件断面惯性矩 与轧件反弯阶段外力矩的两个极限值w M 和s M 相对应，理想弹塑性材料轧件弹复曲率的两个极限值为

w y w min 11=M EI ??= ? ???ρρ

s y s w max 111==e M EI ??= ? ???ρρρ 弹复曲率y

1ρ与弯曲变形总曲率c 1r 的关系称为曲率方程。最终可得矩形断面轧件的曲率方程表达式为

2w s y c 21311=-/22h r M EI ?????? ???????ερ

2w s 0213111=-/22h r M EI ???????????? ?????????ερρ 在已知材料性能、断面尺寸及原始曲率0

1r 的情况下，求解方程，即可定量计算反弯曲率1ρ

。 通过以上分析可知，轧件的力矩方程和曲率方程给出了轧件在反弯阶段的外力矩及轧件在弹复阶段的弹复曲率与总变形曲率之间的定量关系，从而给矫直过程分析以及力能参数的计算奠定了基础。

3.2.4变形矫直方案

一般板材其形状缺陷大多具有多值原始曲率，应对其先采用多辊矫直加压，使之产生交变弯曲变形，以消除其原始曲率不均匀率，再逐渐矫平。板材上不同方向、不同数值的原始曲率，经过同一个反弯曲率的弹塑性反弯后，其参与曲率有趋向一致的特性，形成单值残余曲率，进而矫平，辊式矫直机就是利用这一原理矫平板材的。

为保证具有任何原始曲率的钢材都能得到矫直，辊式矫直机各辊弯曲变形的大小和分布可以有不同的方案。在所有的各种方案中可分为两种基本的方案，根据辊子使轧件产生的变形程度和最终消除残余曲率的不同方法，分为小变形矫直方案和大变形矫直方案。

3.2.

4.1小变形矫直方案

小变形矫直方案的基本特点是：采用较小的弯曲变形来使钢材矫直，并且各个辊的弯曲变形时逐渐减小的。该方案的主要优点是轧件的总变形曲率小，矫直轧件时功率消耗少。

小变形矫直方案中矫直辊的调整根据不同的结构形式也有不同的方法。当每个辊允许单独调整时，这种方案的调整方法表示在下图上。假设钢材的原始曲率在0

10~r ±的范围内，±表示凹向下和凹向上。 钢材的弯曲从第2辊开始，第2辊的弯曲变形这样调整，使得凹向下的曲率01r 被完全矫直，即原始曲率为01

r 的断面经过第2辊时按箭头m 的方向向反方向弯曲到曲率21ρ，当此断面走出第2辊时，曲率21

ρ完全恢复。这样，具有原始曲率01r 的断面经过第2辊时完全得到矫直，而

310~r 中间的曲率则由于过度弯曲都变成凹向上的曲率。原来凹向上的曲率此时没有变化，仍保持原来的弯曲

方向。因此，钢材进入第3辊时，只剩下01~0r -的原始曲率了。

第3辊的调整原则与第2辊的相同，即向反方向弯曲到曲率32

11=ρρ，使得具有曲率01r -的断面完全矫直，而0

1~0r -中间的曲率则由于过度弯曲重新变成凹向下的曲率。原来平直的部分（即原始曲率为0的断面）得到的过弯曲最大，即按箭头n 的方向重新被弯曲而得到残余曲率41

-r 。因此，经过第3辊以后，

就只剩下31

0~r 的曲率了。

第4辊的调整原则与上述两个辊相似，即向反方向弯曲到曲率41

ρ，使得

31

r 的曲率完全矫直，而曲率为0的部分又重新得到残余曲率41-r 。以下其他各

辊也照此规律进行调整。这样，经过第i 个辊以后，残余曲率的范围就只剩下

i 10~r 。 残余曲率i

1r 是逐渐减小的，因为弯曲程度越小，残余曲率也就越小，但不可能绝对消除，因此，可以得出以下结论：

1） 辊式矫直机不可能使具有不同原始曲率的钢材绝对矫直，即不可能没有一点残余曲率。

2）增加矫直辊的数目，即增加弯曲的次数，就可以提高矫直的精度。

图3.2.4.1-1小变形矫直方案示意图

图3.2.4.1-2小变形矫直方案残余曲率变化规律示意图

3.2.

4.2大变形矫直方案

大变形矫直方案的主要特点是：采用比小变形矫直方案更大的变形程度，以提高矫直精度，即减小残余曲率的数值。

大变形矫直方案中矫直辊的调整方法也是各不相同的。对矫直辊可以单独调整的矫直机，调整方法如下图表示。

采用大变形可以大大减小弹复曲率的差值，这是因为总的弯曲变形与弹复变形不是线性关系的缘故。因此，总弯曲曲率越大时，原始曲率的不均匀独家对弹复曲率的不均匀度影响越小。越是接近于理想塑性体的材料（强化系数η很小），采用大变形矫直方案对提高矫直精度的效果就越好。

评述调整方案的标准，最重要的是产品的合格率，即轧件残余曲率要尽量趋于零，同时也要考虑设备的承载能力和能量消耗。最佳矫直工艺的实质就是在保证矫直质量的前提下，选用最合理的针对某一种板材规格的方案，使残余曲率最小，2号、3号最大矫直力小，各辊压下量分配最佳。

3.2.

4.2-1大变形矫直方案示意图

4、2200 19辊矫直机整体方案及结构特点

图4-1 19辊六重矫直机示意

1.机架及压下装置

2.摆动体

3.上支承辊调整装置

4.上支承辊组

5.上矫直辊组

6.下矫直辊组

7.下支撑辊组

8.下支承辊调整装置

9.定位销10.底座

11.矫直辊纵向倾斜调整用电机12.矫直辊开度调整用电机13.滑块14.上枕座

19辊矫直机本体装在底座10上，调整好工作位置后由定位销9定位。上辊组4装在摆动体2内。此摆动体与滑块13铰接在一起，由压下装置控制滑块的升降来调节上下辊间的开度。电机12可带动两根长轴，并通过轴两端的蜗杆传动4根压下螺丝上的涡轮，使滑块13同摆动体2一起升降，可根据板材厚度、宽度、材料及原始曲率调整其开口度大小，压下工作行程-3~+30mm。最大开口度约250mm。压下丝杠上部为渐开线花键导向，下部是梯齿形螺纹，承受矫正力和实现辊系的上下移动。压下量可通过位移传感器显示。为了避免矫正时的冲击，压下装置中装有弹簧平衡机构，用以平衡上辊系及活动横梁的全部重量，消除压下螺母与丝杠之间的间隙。上枕座14有一对弧形摩擦块装在两侧，固定在摆动体2上。摆动体上部有一根偏心轴，由电动机11驱动。当它转到某一角度时，摆动体上部随同摩擦块一起受偏心轮推动产生相应的倾斜，并以下部的弧面为导轨，使上矫直辊组产生纵向倾斜，达到递减压弯的目的。摆动量可通过刻度盘显示。为了便于矫直板形的单侧波浪弯和镰刀弯，通过上支承辊调整装置3和下支承辊调整装置8，使上、下辊组产生横向倾斜并可调整支承辊与工作辊之间的间隙。下支撑辊调整装置由电机驱动，一般根据来料，调整好上辊后，基本不动，主要由下辊的调节来保证矫直质量。另一种方式是，通过两根横向长轴中间装有一套离合器。当离合器分开时，只有一侧蜗杆工作，使上辊组产生横向倾斜，来保证矫直质量。

5、2200 19辊矫直机基本参数的确定

19辊矫直机的技术特性指标：

1）矫正板材材料：铝及铝合金

2）矫正板厚：1~3 mm

3）矫正板宽：2000 mm

4）屈服极限：350 MPa

5）矫正辊直径：Φ60 mm

6）矫正辊辊距：63 mm

7）矫正辊辊身长度：~2200 mm

8）矫正辊数量：上9个、下10个

9）中间辊辊数：21 个

10）中间辊直径：Φ40 mm

11）中间辊辊距：63 mm

12）支承辊直径：Φ120 mm

13）支承辊排数：上、下各7排

14）主电机：选用交流变频电机，90KW，750 rpm

15）工作辊最大预弯量：±1.2mm

5.1辊系形式及基本参数的确定

根据3.1典型辊系形式分析，为了满足生产高精度板材工艺的要求，此矫直机选择六重矫直辊系。

5.1-1 19辊矫直机辊系示意图

衡量一台矫平设备性能结构的好坏，很重要的一个指标就是使用的效果，即板材矫平后的平直度，而平直度与板材在矫直过程中的塑性变形有关。因为所矫直板材为铝及铝合金材质，具有较大的强化系数，所以采用小变形矫直方案。但为了提高矫直精度，保证矫直质量，辊径的选择必须保证有采用大变形矫直方案的可能性，即使板材在矫直过程中在横截面上沿高度方向（即板厚）产生80%以上塑性变形区，并使板材上下表面变形应力均匀。为此，在设计中需选用合理的设计参数。在工作辊辊径和辊距选择中，合理的选择起关键作用，它既要满足