板坯连铸机扇形段辊子的选择与设计
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[ 3] [ 2] 图 8 各种辊子变形对比典型图
5 结论
本文从理论上对辊子的结构及受力情况进行 分析 , 通过比较, 指出每种结构的辊子适用的情 况及其优缺点 , 为扇形段辊子的设计提供依据; 并通过韶钢 ( 300 2 300)、江阴宽厚板 ( 350 2 600)板坯连铸 机现场实 际使用和 反馈情况 , 证 实了辊子的设计与选择的正确性与合理性。 参考文献 :
图 7 芯轴式 辊子 , 分段 组合 式辊 子及 整体 辊的 受力 分析图
( a) 三跨梁结构 ( b) 三个简支梁结构 ( c) 一个简支梁结构
假设每段辊的长度相等都为 L, 每段辊的受 力一样都是 Q ( 均布载荷 ) , 每个轴承的受 力计 算如下 F 1 = F 4 = 0 4Q F 2 = F 3 = 1 1Q F= 1 Q 2
图 2 钢水静压力简图
图 3 整体式分段辊
Q = (W - 2 ti )H i a 式中, W 为铸坯宽度; 厚度, ti = K 为钢水密度 ; H i 为计算 处的钢液压头高度 ; a 为辊子节距 ; ti 为凝固层 L /v; K 为凝固系数 ; L 为从结晶 器液面到计算点的弧线长度; v 为拉坯速度。 设轻压下轧制力为 P, 我们设计的扇形段有 四个夹紧活塞缸 , 轻压下时, 有杆腔进油进行轻 压下。 P= (D - d )p
2 2
3 2 芯轴式辊 ( I- STAR) 驱动辊和自由辊都有采用这种形式的, 几段 辊套用键与一根芯轴连接, 轴承安装在支点上, 其中只有一端轴承 固定, 其余各 轴承均为 游动 端, 受热时向游动端膨胀。辊套通过平键与芯轴 固定在一起, 并与芯轴一起转动。图 4 为其结构 和受力分析。
式中, p 为轻压下时液压系统的压力 ; D 为夹紧 液压缸的 活塞直径 ; d 为夹 紧液 压缸的 活塞杆 直径。 对于矫直辊 , 辊 子所受主 要外力 应为矫直 力、钢水静压力及轻压下轧制力的合力。
2010 ( S1 )
重型机械
211
的受力比芯轴式中部轴承受力的一半还要小 , 固 此轴承选择可以比芯轴式辊的轴承的承载能力要 小的。从轴承的受力来看 , 分段组合式辊的受力 最小, 对轴承来说工作条件最好, 轴承的寿命也 会相应增加 , 减少维修量 , 降低生产成本。 从辊子的理论变形情况可以看出整体辊 ( 非 分段 )的挠度最大, 变形越大, 坯子的鼓肚越严 重 , 整体辊 ( 非分段 ) 现在已经没有使用在铸坯 导向段上。分段组合式辊的挠度比芯轴式辊的要 大 , 但其安装, 装配容易 , 现在应用很广泛。图 8 为这三种辊子的实际变形的典型图, 从实际来 看 , 与理论上的分析相互吻合。芯轴式辊对安装 要求高 , 容易形成过定位问题 , 由于辊套套在芯 轴上, 配合面较大, 且受力较大, 会产生变形 , 使辊套的拆装维修困难, 需要要有专门的辊子拆 装台。现在的板坯连铸机 , 驱动辊都采用芯轴式 辊 , 自由辊可根据实际需要及用户要求可选择芯 轴式辊或分段组合式辊。 韶钢松山 4号板坯连铸机的扇形段, 根据设 计的需要及 用户的要求 , 驱动辊选用 芯轴式辊 ( 参见图 4) , 自由辊采用分段组合式辊 ( 参见图 6) 。通过近一年半 的连续生 产, 没有 发生漏钢 现象, 也没有出现辊子非正常的事故 , 轻压下的 使用保证了铸坯的内部质量, 用户对铸坯的表面 和内部质量都是十分满意 , 从生产实际上看 , 铸 坯导向段的设计十分成功。
[ 1] 刘名延 , 李平 . 板 坯连 铸机 设计 与计 算 [M ]. 北 京 : 机械工业出版社 , 1990 . 成大先 主编 . 机 械设 计手 册 [M ]. 北 京 : 化 学工 业出版社 , 2009 . 机械 设手 册 编 委 会 . 机 械 设计 手 册 [ M ] . 北 京 : 机械工业出版社 , 2007 .
计算出各支点的载荷后, 选择合适的调心滚 子轴承。选择轴承时应考虑在保证满足受力的条 件下, 兼顾设备的结构要求。结构尺寸确定后 , 应验算芯轴的刚度。 3 3 分段组合式辊 整个辊子由若干段辊子组成, 每段辊子分别支 承在两个轴承座上。由于两个辊子之间传递扭矩很 小或根本不能传递扭矩, 因此这种辊子只能用在自 由辊上。两段辊子之间每段辊子都有一轴承, 故这 种结构的两段相邻的辊子之间的距离很大, 造成不 支承铸坯的跨度较大, 会在一定程度上影响铸坯的 表面质量。分段组合式辊又有两种形式, 图 5 为这 种分段组合式辊的其中一种结构图, 这种辊子结构 每段辊子相互独立, 不能传递扭矩, 只能用在两分 节辊上, 每个辊子都有一个双路的旋转接头。图 6 是分段组合式辊的另一种结构图。这种辊子结构适 合三段以上的分节辊, 每个辊都有一对轴承支承, 两段辊子之间的水路通过一个带有 O 形圈密封的套 管连通, 这样的辊子装配只需用一对单路的旋转接 头, 一端进水, 另一端回水, 扇形段本体上的水路 的设计简单。由于两段辊子之间有相对的转动, 套 管上的密封 O 圈磨损会使水泄漏至轴承座中, 影响 轴承的使用寿命。这种辊子还有一种结构, 在两段 辊子之间, 两辊轴头相互咬合, 能传递一定的转 矩, 使每段辊子能同步转动, 会提高铸坯的表面质 量, 但这种结构的辊子在受到较大转矩时, 会将咬 合处撕裂。由于辊子之间没有相对转动, 套管上的 密封为静密封 O 形圈几乎没有磨损, 很少会出现漏 水现象。
208
Байду номын сангаас
重型机械
2010 ( S1 )
板坯连铸机扇形段辊子的选择与设计
周保鸿
( 中冶京诚工程技术有限公司 , 北京 摘 100176)
要 : 常规板坯连铸机扇形段辊子 装配 按其 结构 可分 为整 体辊、 芯轴 结构 辊子、分 段组 合辊
子。本文通过对这几种形式的辊子详细地做了 结构分析 , 受力分析 , 提出各种辊子的优缺 点及适用的 场合 , 为辊子的设计及选型提供依据。 关键词 : 板坯连铸 ; 扇形段 ; 辊子 ; 设计 中图分类号 : T F777 文献标识码 : A 文章编号 : 1001- 196X ( 2010) S1- 0208- 04
210 轴承处的载荷为 F1 = l1 - a 1 P1 l1 F2 = l2 - a 2 P2 l2
重型机械
2010 ( S1 )
4 各种辊子的受力及挠度对比
芯轴辊和整体式分段辊的受力情况一样, 三 分节可简化为三跨梁结构 , 如图 7a 所示 ; 而分 段式分节辊每段辊的受力可简化为三个简支梁结 构, 如图 7b所示; 整体辊 ( 非分段 ) 的受力可简 化为一个简支梁结构, 如图 7c 所示。
F5 = 1 5 Q 每段辊的最大挠度如下 ( 其中 E 为辊子材料 的弹性模量, I 为辊子断面的惯性矩 ) f1m ax = 0 006 8 f2m ax = 0 000 5 fm ax = 0 013 QL EI QL EI
3 3
3
QL EI
f5m ax = 1 054
QL EI
3
从受力情况可知 , 整体辊的两端轴承受力最 大, 要选择承载能力大的轴承 ; 芯轴式辊子中部 轴承的受力也很大 , 由于其中部只有一个轴承, 应该选择承载能力较大的轴承 ; 分段组合式辊子
影响到铸坯的质量及 铸机的使 用。以 韶关松 山 四号板坯连铸机工程 设计的实 例, 对 扇形段 辊 子结构和受力进行分 析比较 , 并提出 在扇形 段 辊子设计中应注意的问题及计算方法等。
图 1 扇形段分段辊布置图
收稿日期 :
2010 - 04- 21 ; 修订日期 : 2010- 05- 01 限公司炼钢工程技术所工程师。
体式分段辊。早期的整体辊就是指一个辊子只有 一段且只在两端有轴承支承, 这种辊子的轴承受 力大 , 辊子的挠度大 , 辊径大 , 辊间距也大。铸 坯的质量差, 寿命短 , 维修量大。为了实现较高 的浇注速度, 并提高铸坯的质量, 这种整体辊逐 渐被分段辊代替, 板坯连铸机上现在已没有这种 单一的整体辊。分段辊由于支承点比较多, 受力 情况好, 挠度也小, 而且允许利用较小直径的辊 子, 因此减少了辊子的间距和挠度引起的板坯的 鼓肚变形。由单一 的整体辊优化 出整体式 分段 辊, 参见图 3 。这种结构的辊子一般只用在驱动 辊上 , 能传递较大的扭矩。其轴承的受力情况与 芯轴式辊的情况基本一样 ( 参见下面的芯轴式辊 的受力分析 )。这种结构的辊子刚度好, 受力情 况较好, 但辊子加工要求高, 装配容易形成过定 位。采用剖分 式轴承 , 安 装拆卸容 易, 但造 价 高, 使用和维修成本高。
图 4 芯轴式辊子结构及受力分析图
3 辊子的结构分类
辊子根据其结构及支承形式可分为几种 , 下 面分别介绍。 3 1 整体辊 辊子根据支承形式可分为两种, 整体辊和整
P 1, P 2 为 各段 辊子 所承 受的钢 水静 压 力, F 1, F 2 为各轴承座所承受的载荷, 则得 P1= Q b1 W P2 = Q b2 W
2 辊子的受力情况
铸坯导向段的受力比较复杂, 但作用在辊子
作者简介 : 周保鸿 ( 1975 - ) , 男 , 硕 士, 中冶京 诚工程 技术有
2010 ( S1 )
重型机械
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上的载荷主要是机械和热的合成载荷。机械方面 的载荷 包括: 辊子的 自重, 铸 坯变形 产生的反 力 , 铸坯的重量 , 驱动扭矩 ( 对于 驱动辊 )。在 这些载荷中 , 反力是主要的, 其他各项除特殊情 况外, 则可忽略不计。而辊子的反力包括 : 钢水 静压产生的鼓肚力, 矫直力, 拉坯力和轻压下轧 制力。影响辊子的热载荷主要是铸坯传给辊子的 热量。下面计算一下辊子所受到的最主要的力 , 钢水静压力和轻压下轧制力。 设钢水静压力为 Q ( 见图 2)。
In the paper ,
out . T he paper offers som e suppo rt for the des igning o f ro lle r as we l. l slab continuous casting ;
1 前言
板坯连铸机依 靠辊子把结晶 器内形成 的具 有一 定厚 度 坯 壳的 板 坯 , 沿 导 向 段将 铸 坯 拉 出。坯子表面质量及内 部质量的好坏 与铸坯导 向段的设计有直 接关系。铸坯导向段 在结晶器 和 出坯 辊 道 之 间 , 主 要 由结 晶 器 足 辊 , 弯 曲 段 , 弧形扇 形段, 矫 直水平段等组 成。这 些段 上支承铸坯的是 大量的密排辊 子, 如 韶关松山 四号板坯连铸机 ( 300 mm 2 300 mm ) 铸坯导向 段在线有 102 对 各种辊子 , 图 1 为其扇形 段上 分段辊的典型布 置图。提高连铸辊子 的使用寿 命是直接影响连铸设备 作业率和炼钢 生产成本 的一个重要课题 , 辊子 设计的是否合 理会直接
Selection & design of the segm ent rollers for slab con tinuous caster
ZHOU Bao hong
( C ap ital Eng ineering & R esearch Incorporation L i m ited, Be ijing 100176, Ch ina) Ab strac t : T he ro llers o f seg m ent can be d istributed into three c lasses : and sectiona l comb ination ro lle r acco rd ing to the ir structu res . done in details, K ey words : and advan tages and disadvantages are put fo r w ard, seg m ent ; ro ller ; design in teg ra l ro ller , m andrel roller ( I Sta r) structure and force ana lysis are and their applied case a re a lso po inted
5 结论
本文从理论上对辊子的结构及受力情况进行 分析 , 通过比较, 指出每种结构的辊子适用的情 况及其优缺点 , 为扇形段辊子的设计提供依据; 并通过韶钢 ( 300 2 300)、江阴宽厚板 ( 350 2 600)板坯连铸 机现场实 际使用和 反馈情况 , 证 实了辊子的设计与选择的正确性与合理性。 参考文献 :
图 7 芯轴式 辊子 , 分段 组合 式辊 子及 整体 辊的 受力 分析图
( a) 三跨梁结构 ( b) 三个简支梁结构 ( c) 一个简支梁结构
假设每段辊的长度相等都为 L, 每段辊的受 力一样都是 Q ( 均布载荷 ) , 每个轴承的受 力计 算如下 F 1 = F 4 = 0 4Q F 2 = F 3 = 1 1Q F= 1 Q 2
图 2 钢水静压力简图
图 3 整体式分段辊
Q = (W - 2 ti )H i a 式中, W 为铸坯宽度; 厚度, ti = K 为钢水密度 ; H i 为计算 处的钢液压头高度 ; a 为辊子节距 ; ti 为凝固层 L /v; K 为凝固系数 ; L 为从结晶 器液面到计算点的弧线长度; v 为拉坯速度。 设轻压下轧制力为 P, 我们设计的扇形段有 四个夹紧活塞缸 , 轻压下时, 有杆腔进油进行轻 压下。 P= (D - d )p
2 2
3 2 芯轴式辊 ( I- STAR) 驱动辊和自由辊都有采用这种形式的, 几段 辊套用键与一根芯轴连接, 轴承安装在支点上, 其中只有一端轴承 固定, 其余各 轴承均为 游动 端, 受热时向游动端膨胀。辊套通过平键与芯轴 固定在一起, 并与芯轴一起转动。图 4 为其结构 和受力分析。
式中, p 为轻压下时液压系统的压力 ; D 为夹紧 液压缸的 活塞直径 ; d 为夹 紧液 压缸的 活塞杆 直径。 对于矫直辊 , 辊 子所受主 要外力 应为矫直 力、钢水静压力及轻压下轧制力的合力。
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的受力比芯轴式中部轴承受力的一半还要小 , 固 此轴承选择可以比芯轴式辊的轴承的承载能力要 小的。从轴承的受力来看 , 分段组合式辊的受力 最小, 对轴承来说工作条件最好, 轴承的寿命也 会相应增加 , 减少维修量 , 降低生产成本。 从辊子的理论变形情况可以看出整体辊 ( 非 分段 )的挠度最大, 变形越大, 坯子的鼓肚越严 重 , 整体辊 ( 非分段 ) 现在已经没有使用在铸坯 导向段上。分段组合式辊的挠度比芯轴式辊的要 大 , 但其安装, 装配容易 , 现在应用很广泛。图 8 为这三种辊子的实际变形的典型图, 从实际来 看 , 与理论上的分析相互吻合。芯轴式辊对安装 要求高 , 容易形成过定位问题 , 由于辊套套在芯 轴上, 配合面较大, 且受力较大, 会产生变形 , 使辊套的拆装维修困难, 需要要有专门的辊子拆 装台。现在的板坯连铸机 , 驱动辊都采用芯轴式 辊 , 自由辊可根据实际需要及用户要求可选择芯 轴式辊或分段组合式辊。 韶钢松山 4号板坯连铸机的扇形段, 根据设 计的需要及 用户的要求 , 驱动辊选用 芯轴式辊 ( 参见图 4) , 自由辊采用分段组合式辊 ( 参见图 6) 。通过近一年半 的连续生 产, 没有 发生漏钢 现象, 也没有出现辊子非正常的事故 , 轻压下的 使用保证了铸坯的内部质量, 用户对铸坯的表面 和内部质量都是十分满意 , 从生产实际上看 , 铸 坯导向段的设计十分成功。
[ 1] 刘名延 , 李平 . 板 坯连 铸机 设计 与计 算 [M ]. 北 京 : 机械工业出版社 , 1990 . 成大先 主编 . 机 械设 计手 册 [M ]. 北 京 : 化 学工 业出版社 , 2009 . 机械 设手 册 编 委 会 . 机 械 设计 手 册 [ M ] . 北 京 : 机械工业出版社 , 2007 .
计算出各支点的载荷后, 选择合适的调心滚 子轴承。选择轴承时应考虑在保证满足受力的条 件下, 兼顾设备的结构要求。结构尺寸确定后 , 应验算芯轴的刚度。 3 3 分段组合式辊 整个辊子由若干段辊子组成, 每段辊子分别支 承在两个轴承座上。由于两个辊子之间传递扭矩很 小或根本不能传递扭矩, 因此这种辊子只能用在自 由辊上。两段辊子之间每段辊子都有一轴承, 故这 种结构的两段相邻的辊子之间的距离很大, 造成不 支承铸坯的跨度较大, 会在一定程度上影响铸坯的 表面质量。分段组合式辊又有两种形式, 图 5 为这 种分段组合式辊的其中一种结构图, 这种辊子结构 每段辊子相互独立, 不能传递扭矩, 只能用在两分 节辊上, 每个辊子都有一个双路的旋转接头。图 6 是分段组合式辊的另一种结构图。这种辊子结构适 合三段以上的分节辊, 每个辊都有一对轴承支承, 两段辊子之间的水路通过一个带有 O 形圈密封的套 管连通, 这样的辊子装配只需用一对单路的旋转接 头, 一端进水, 另一端回水, 扇形段本体上的水路 的设计简单。由于两段辊子之间有相对的转动, 套 管上的密封 O 圈磨损会使水泄漏至轴承座中, 影响 轴承的使用寿命。这种辊子还有一种结构, 在两段 辊子之间, 两辊轴头相互咬合, 能传递一定的转 矩, 使每段辊子能同步转动, 会提高铸坯的表面质 量, 但这种结构的辊子在受到较大转矩时, 会将咬 合处撕裂。由于辊子之间没有相对转动, 套管上的 密封为静密封 O 形圈几乎没有磨损, 很少会出现漏 水现象。
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Байду номын сангаас
重型机械
2010 ( S1 )
板坯连铸机扇形段辊子的选择与设计
周保鸿
( 中冶京诚工程技术有限公司 , 北京 摘 100176)
要 : 常规板坯连铸机扇形段辊子 装配 按其 结构 可分 为整 体辊、 芯轴 结构 辊子、分 段组 合辊
子。本文通过对这几种形式的辊子详细地做了 结构分析 , 受力分析 , 提出各种辊子的优缺 点及适用的 场合 , 为辊子的设计及选型提供依据。 关键词 : 板坯连铸 ; 扇形段 ; 辊子 ; 设计 中图分类号 : T F777 文献标识码 : A 文章编号 : 1001- 196X ( 2010) S1- 0208- 04
210 轴承处的载荷为 F1 = l1 - a 1 P1 l1 F2 = l2 - a 2 P2 l2
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4 各种辊子的受力及挠度对比
芯轴辊和整体式分段辊的受力情况一样, 三 分节可简化为三跨梁结构 , 如图 7a 所示 ; 而分 段式分节辊每段辊的受力可简化为三个简支梁结 构, 如图 7b所示; 整体辊 ( 非分段 ) 的受力可简 化为一个简支梁结构, 如图 7c 所示。
F5 = 1 5 Q 每段辊的最大挠度如下 ( 其中 E 为辊子材料 的弹性模量, I 为辊子断面的惯性矩 ) f1m ax = 0 006 8 f2m ax = 0 000 5 fm ax = 0 013 QL EI QL EI
3 3
3
QL EI
f5m ax = 1 054
QL EI
3
从受力情况可知 , 整体辊的两端轴承受力最 大, 要选择承载能力大的轴承 ; 芯轴式辊子中部 轴承的受力也很大 , 由于其中部只有一个轴承, 应该选择承载能力较大的轴承 ; 分段组合式辊子
影响到铸坯的质量及 铸机的使 用。以 韶关松 山 四号板坯连铸机工程 设计的实 例, 对 扇形段 辊 子结构和受力进行分 析比较 , 并提出 在扇形 段 辊子设计中应注意的问题及计算方法等。
图 1 扇形段分段辊布置图
收稿日期 :
2010 - 04- 21 ; 修订日期 : 2010- 05- 01 限公司炼钢工程技术所工程师。
体式分段辊。早期的整体辊就是指一个辊子只有 一段且只在两端有轴承支承, 这种辊子的轴承受 力大 , 辊子的挠度大 , 辊径大 , 辊间距也大。铸 坯的质量差, 寿命短 , 维修量大。为了实现较高 的浇注速度, 并提高铸坯的质量, 这种整体辊逐 渐被分段辊代替, 板坯连铸机上现在已没有这种 单一的整体辊。分段辊由于支承点比较多, 受力 情况好, 挠度也小, 而且允许利用较小直径的辊 子, 因此减少了辊子的间距和挠度引起的板坯的 鼓肚变形。由单一 的整体辊优化 出整体式 分段 辊, 参见图 3 。这种结构的辊子一般只用在驱动 辊上 , 能传递较大的扭矩。其轴承的受力情况与 芯轴式辊的情况基本一样 ( 参见下面的芯轴式辊 的受力分析 )。这种结构的辊子刚度好, 受力情 况较好, 但辊子加工要求高, 装配容易形成过定 位。采用剖分 式轴承 , 安 装拆卸容 易, 但造 价 高, 使用和维修成本高。
图 4 芯轴式辊子结构及受力分析图
3 辊子的结构分类
辊子根据其结构及支承形式可分为几种 , 下 面分别介绍。 3 1 整体辊 辊子根据支承形式可分为两种, 整体辊和整
P 1, P 2 为 各段 辊子 所承 受的钢 水静 压 力, F 1, F 2 为各轴承座所承受的载荷, 则得 P1= Q b1 W P2 = Q b2 W
2 辊子的受力情况
铸坯导向段的受力比较复杂, 但作用在辊子
作者简介 : 周保鸿 ( 1975 - ) , 男 , 硕 士, 中冶京 诚工程 技术有
2010 ( S1 )
重型机械
209
上的载荷主要是机械和热的合成载荷。机械方面 的载荷 包括: 辊子的 自重, 铸 坯变形 产生的反 力 , 铸坯的重量 , 驱动扭矩 ( 对于 驱动辊 )。在 这些载荷中 , 反力是主要的, 其他各项除特殊情 况外, 则可忽略不计。而辊子的反力包括 : 钢水 静压产生的鼓肚力, 矫直力, 拉坯力和轻压下轧 制力。影响辊子的热载荷主要是铸坯传给辊子的 热量。下面计算一下辊子所受到的最主要的力 , 钢水静压力和轻压下轧制力。 设钢水静压力为 Q ( 见图 2)。
In the paper ,
out . T he paper offers som e suppo rt for the des igning o f ro lle r as we l. l slab continuous casting ;
1 前言
板坯连铸机依 靠辊子把结晶 器内形成 的具 有一 定厚 度 坯 壳的 板 坯 , 沿 导 向 段将 铸 坯 拉 出。坯子表面质量及内 部质量的好坏 与铸坯导 向段的设计有直 接关系。铸坯导向段 在结晶器 和 出坯 辊 道 之 间 , 主 要 由结 晶 器 足 辊 , 弯 曲 段 , 弧形扇 形段, 矫 直水平段等组 成。这 些段 上支承铸坯的是 大量的密排辊 子, 如 韶关松山 四号板坯连铸机 ( 300 mm 2 300 mm ) 铸坯导向 段在线有 102 对 各种辊子 , 图 1 为其扇形 段上 分段辊的典型布 置图。提高连铸辊子 的使用寿 命是直接影响连铸设备 作业率和炼钢 生产成本 的一个重要课题 , 辊子 设计的是否合 理会直接
Selection & design of the segm ent rollers for slab con tinuous caster
ZHOU Bao hong
( C ap ital Eng ineering & R esearch Incorporation L i m ited, Be ijing 100176, Ch ina) Ab strac t : T he ro llers o f seg m ent can be d istributed into three c lasses : and sectiona l comb ination ro lle r acco rd ing to the ir structu res . done in details, K ey words : and advan tages and disadvantages are put fo r w ard, seg m ent ; ro ller ; design in teg ra l ro ller , m andrel roller ( I Sta r) structure and force ana lysis are and their applied case a re a lso po inted