钢丝矫直机系统设计

钢丝矫直机设计摘要钢丝矫直机是钢质线材等进行矫直的设备。

矫直机通过矫直辊对线材进行挤压使其改变直线度。

一般有两排矫直辊，数量不等。

也有两辊矫直机，依靠两辊（中间内凹，双曲线辊）的角度变化对不同直径的材料进行矫直。

主要类型有压力矫直机、平衡滚矫直机、鞋滚矫直机、旋转反弯矫直机等等。

矫直机的矫直过程是：辊子的位置与被矫直制品运动方向成某种角度，两个或三个大的是主动压力辊，由电动机带动作同方向旋转，另一边的若干个小辊是从动的压力辊，它们是靠着旋转着的圆棒或管材摩擦力使之旋转的。

为了达到辊子对制品所要求的压缩，这些小辊可以同时或分别向前或向后调整位置，一般辊子的数目越多，矫直后制品精度越高。

制品被辊子咬入之后，不断地作直线或旋转运动，因而使制品承受各方面的压缩、弯曲、压扁等变形，最后达到矫直的目的。

前言矫直技术属于金属加工学科的一个分支，已经广泛应用于日用金属加工业，仪器仪表制造业，汽车、船舶和飞机制造业，石油化工业，冶金工业，建筑材料业，机械装备制造业，以及精密加工制造业。

矫直技术在广度和深度方面的巨大发展迫切要求矫直理论能进一步解决一些疑难问题，推动开发新技术和研制新设备。

尤其在党的十六大之后，要求用信息化带动工业化，矫直技术也要跟上时代。

首先要在矫直机设计、制造、矫直过程分析、矫直参数设定及矫直质量预测等方面搞好软件开发；其次要进行数字化矫直设备的研制，使矫直技术走上现代化的道路，不断丰富金属矫直学的内容。

矫直技术多用于金属条材加工的后道工序，在很大程度上决定着产成品的质量水平。

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。

例如矫直辊负转矩的破坏作用在20世纪下半叶才得以解决，但其破坏作用的机理直到20世纪80年代末才被阐明。

另外，就矫直理论的总体来看，仍然处于粗糙阶段，首先就是其基本参数的确定还要依靠许多经验算法和经验数据，如辊数、辊距、辊径、压弯量及矫直速度等；其次是许多技术现象如螺旋弯废品、矫直缩尺、矫直噪声、斜辊矫直特性、斜辊辊形特性、拉弯变形匹配特性等都缺乏理论阐述；再次是理论的概括性不够，一套公式不仅不能包括各种断面型材，甚至不能包括同类断面而尺寸和材质不同的工件，如弯距和矫直曲率等都缺少通用表达式。

正文一、概述钢丝在拉拔过程中，由于加工变形、受热或冷却的不均匀，不可避免地会产生残余应力。

残余应力的在，对成品钢丝的质量是非常有害的，比较直观的是影响钢丝的平直度。

严重的会产生“鸡窝线”、“元宝线”等，使钢丝无法正常使用。

目前许多客户除对钢丝的力学性能有较高要求外，对钢丝平直度的要求也愈来愈高。

如某些用于高档床垫的床用钢丝，要求线盘平整，无大小圈，螺距不大于20inill等为了满足客户的这些要求，就必须对成品钢丝进行有效的矫直。

国内矫直器的主要类型有两种，即辊轮式和回转式矫直⋯。

辊轮式矫直通过在同一平面或两个互为90°平面内的辊轮，对钢丝进行反复弯曲，以达到矫直钢丝的目的；回转式矫直是利用矫直轮围绕前进的钢丝旋转，对钢丝进行辗压，消除钢丝附加的内应力，达到矫直的目的。

二、残余应力的产生及分类钢丝在生产过程中产生的残余应力一般分为3类:第1 类残余应力即钢丝体积的不均匀变形而引起的彼此平衡的附加应力,如拉拔中由于线材在拉丝模孔内不均匀的滑移或由于弯曲所产生的残余应力;第2 类残余应力即变形体内两个或几个相邻晶粒之间由于不均匀变形而引起的彼此平衡的附加应力,如晶粒大小、方位等不同而引起的残余应力;第3 类残余应力即在滑移带中由各部分彼此之间平衡起来的晶格畸变所引起的应力,如晶粒内部的不均匀变形导致在发生滑移的滑移面附近的原子层产生晶格畸变,从而引起的应力。

钢丝拉拔过程中所产生的3 种残余应力钢丝拉拔时,在模具内产生形变,其轴线处和其它部位周向和径向承受着显著的应力,作用到轴向的应力在模具入口处为零,越往出口处拉应力越大,在这些应力作用下,由于截面内各处不均匀变形而产生残余应力,这种残余应力表现为以下3 种类型:(1) 表面压应力,心部拉应力。

此时,部分压缩率过小,仅仅为表面变形,变形时表面与模具间摩擦作用大,故表面为压缩残余应力(如图1a 所示) 。

(2) 外表是拉应力,心部也是拉应力,而其中部是压应力。

这是由于变形材料较硬或拉拔条件不同使材料心部不产生塑性变形的原因。

而中部的压应力,表示变形到此为止(如图1b 所示) 。

(3) 外表是拉应力,心部是压应力。

这是由于材料较软,而断面收缩率又比较大时,从表面至钢丝的中心都发生塑性变形,这时得到的残余应力为表面是拉应力,心部是压应力(如图1c 所示) 。

影响以上3 种残余应力的因素有:钢丝的断面收缩率、材质特性以及变形速度等。

图1 钢丝拉拔过程中产生的3 种残余应力三、钢丝矫直的基本原理钢丝生产过程中常用矫直的方法来消除钢丝的残余应力。

矫直分为回转式矫直和辊式矫直两种。

实际应用中,根据对产品的不同要求而采用不同的矫直方式,如矫直回火预应力钢丝采用回转式矫直;而弹簧钢丝、制绳钢丝等采用辊式矫直。

辊式矫直的过程和基本原理是使经成品拉拔后的带有某一原始曲率的钢丝通过安装在一个平面内(称为标准矫直) 或两个互为垂直平面内(称为完全矫直) 的两排相互交错排列的滑轮即辊轮,钢丝呈波形或弯曲形通过矫直器,经受反复弯曲变形,曲率由大变小,使得钢丝内部的残余应力逐渐消除,最终达到平直而实现矫直的目的,如图2 所示。

钢丝通过矫直辊轮时,处于弹塑性变形状态,钢丝横截面上的应力分布如图3 所示。

钢丝被矫直的条件是反弯后弹回到平直,即弹性变形的反弯曲率应等于弹回曲率。

图2 辊式矫直基本原理示意图图3 弹塑性变形应力图四、矫直机主要参数设计根据矫直原理可知，影响矫直器的主要参数有：辊轮直径D、轮距T、轮数N和压下量A。

在矫直机结构、材料屈服强度一定的情况下，都有一个最大、最小加工厚度极限。

最大厚度受矫直机挠度的限制；而在最小厚度时，材料的外层纤维产生极小的屈服，整个材料几乎不产生变形。

对于双臂支撑的辊轮结构，可采用更小的辊轮，而且带支撑辊的中心封闭式矫直机加工的材料厚度可以更小。

辊距小并不意味着在最大材料厚度时矫直效果更好。

事实上，表层纤维产生的屈服深度并不大。

图5 悬臂支承辊轮结构可以控制工作辊的挠度对于所有的矫直机及矫平机，都存在一个最小材料长度问题。

若材料长度不能跨过3个辊轮，即一个辊轮位于材料一边，另两个辊轮位于材料另一边，则根本不会被矫正(如图6所示)。

例如，一条8英寸长的材料通过辊距为2英寸的矫直机时，材料的头、尾各2英寸将得不到矫直，只有中间部位的4英寸(即整个材料的一半区域)被矫直。

采用更小的辊距，效果也许会好些但不是很明显。

工艺局限性矫直或矫平卷料，很容易实现自动化，并且在大批量产生时效率高、效果好。

卷材方式矫直是对整个材料长度及厚度进行矫直，即对成品进行100％的矫直；而对零件或坯料矫直，只能属于部分矫直。

图6 若材料长度不跨过3个辊轮，则不会被矫直图7 双层送料使设备承受双倍栽荷在小批量生产时，对坯料矫直可能会减少辅助时间及减少料头、料尾损失，并且板材及坯料比卷材更加经济，故可以降低成本。

而对成形零件加工或矫直却没有什么优点。

当零件截面大小不一致、截面强度低，或已经过其它成形时，甚至不能再矫直加工。

如果在加工时要送进坯料或零件，则要选择一台带开口的矫直机。

在封闭人口矫直机上送料时，材料前沿的抬高可能未能越过第三辊轮，从而引起卡料(如图8所示)。

有些制造者使用快速张开的方法来实现零件或坯料的送进，但实现起来比较困难并且耗费时间。

调低人口第一个辊轮，则很容易形成一台带开口的矫直机。

矫直机在用卷料送料时则通常没有这一问题。

图8 在封闭入口矫直机上遗抖时，材料萌语的抬高可能未能越过第三辊轮，从而引起卡料工作辊轮可弯曲的精密矫平机可以消除或控制一些诸如油壶效应、凹凸及波纹起伏等问题(如图9所示)。

从理论上讲，在此情况下．零件或材料应足够宽，至少跨过三个可调节支承辊轮的距离。

但作者也曾见过材料宽度小于此值时仍能正常工作的情况。

图9 精密矫平机带有可分别调节的支承辊．以控制工作辊的弯曲如果产生诸如油壶效应、波纹起伏之类的形状问题，加工设备则不能夹金属，从而不能有效地对坯材或零件进行矫直若是对冲压后的零件进行矫直，则会影响到零件的一些关键尺寸、角度、孔形及孔的位置若要在冲压或成形之后才矫直，工件还不能带有法兰、加强筋等，并且断面刚度必须足够大、断面应均匀一致。

例如，计算机的驱动磁带的收卷轮一侧上有三个呈120度均布的非常大的孔口。

无论怎样加工，包括大孔在内的溥弱断面，均会产生变形。

形状修正对于船舶的锚链，不管各链环如何连接，只要它们完成相应的功能即可。

同理，无论在成形前后，矫直机或矫平机也能控制成品的形状，但有几个问题值得考虑。

冲压或成形工艺本身及加工过程中引起的材料变亿会在成品中产生不理想的凹陷及波纹起伏现象。

矫平机可以修正卷材或坯料形状、凹凸及波纹起伏，使材料保持平直状态。

操作员只要仔细检查从压力机出来的零件，并在冲压前调整材料的形状即可。

另外，对于激光切割或高速转盘冲床加工的坯料，事先就需要压平。

冲压后还需要矫直或矫平，但此时孔的公差、圆度及位置会发生改变。

矫直机是对材料起矫直作用，而矫平机则是对材料起平整作用。

该设备也可以对材料作形状控制，进行“不平整”加工，以修正在成形中所产生的一些缺陷。

（1）辊轮直径和轮距辊轮直径D=(k*E/σs-1)*d式中：D——辊轮直径；k——钢丝塑变深度系数(一般取k≤1／3)；E——钢丝弹性模量；σs——钢丝屈服极限；d——钢丝直径。

以1.0 mm钢丝取样得σb=1 775 Mpa、取E=210 Gpa、取k=0．185.σs=0．85×σb=l 508．75 MPa。

通过计算得D=25．75 mm，求整选用D=28 mm的辊轮。

轮距2D≥T≥1．4D，T max=2D=56 mm，T min。

=1．4D=39．2 mm，T=45 mm。

辊轮数目越多，消除曲率范围越宽，调节余量越大，较为经济的轮数是7～9个。

（2）压下量压下量 A max=D-(1/2) √（4D ²-T ²）由上式得 A max=12．45 mm钢丝在矫直过程中，随着弯曲曲率半径的逐渐减少，要求压下量也应逐渐减小，故压下量要求在一定范围内可以调节，以满足工艺要求，设计中采用螺纹调节方式。

矫直器的整体结构设计1一动底板；2一辊轮；3一锁定块；4一动板定位套；5一动板定位套；6一底板；7一支架；8一定底板矫直器在每个平面内布置7个辊轮，钢丝通过动底板，在动底板的一侧还设置了一个锁定块，矫直两个互为90°。