一种管材辊式连续矫形设备及加工方法与流程

背景技术：
随着石油化工、航空航天、船舶等行业的发展，不仅对卷板机卷板能力和范围提出了更高的要求，而且对卷板精度的要求也越来越高。目前，任何卷板机(二辊、三辊或四辊)成形后管材均存在以下缺点：(1)管材截面均不是正圆；(2)管材包含有处于平衡状态的残余应力，曲率不均匀：(3)板端存在一定长度的直边段(或预弯部分与滚弯部分曲率不同)，导致管材焊接处会出现“内噘嘴”或“外噘嘴”现象；(3)开口管材焊接后存在较大的残余应力，影响使用性能。所以需要后续矫圆辅助工序提高管材截面的圆度和长度方向的均匀度，减小残余应力。目前矫圆方式主要利用传统卷板机对焊接后管材进行粗矫圆，过度依赖工人的经验，并且由于卷板机结构的限制，导致生产效率低、产品精度不高。另外，现有的矫直方式主要通过两辊或交错排列的多辊多次反复弯曲来实现，矫圆与矫形在一次加工中不能同时完成。

技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种高效、高精度且同时完成矫圆和矫直的管材辊式连续矫形设备及加工方法。

本发明的设备主要包括矫形机和送料机构。其中，送料机构主要包括动力组件、链条、推板组件及送料支撑辊。其中，动力组件中的电动机通过联轴器与减速机相连，减速机输出端与主动链轮相连，该主动链轮与设在同一水平线上的从动链轮通过链条相连，并且主动链轮和从动链轮之间的距离大于被矫管材的长度。在链条上设有至少两套推板组件，且每套推板组件之间的链条长度相等。该推板组件有与机架中部通孔对应的三叉形支撑板，其每个叉上各设一对轴承座，每对轴承座内各设一根短轴，每根短轴外面各设一个轴套，最好轴套的外径呈阶梯形，以适应不同直径的管材。该支撑板的一个叉端部设有与支撑板垂直相连的连接板，该连接板形状与链条节相同，其上的两个通孔分别通过铰链与相邻的链条节相连。所述支撑板上的三根短轴其轴线相交于一点，该点位于被矫管材的轴线上，同时非设连接板的两支叉上的短轴轴线又是以设连接板的支叉上的短轴轴线为对称。另在链条上间断地设有送料支撑辊，该送料支撑辊下部设有与支撑板的连接板结构相同的连接板，该连接板通过铰链与相邻的链条节相连，送料支撑辊上部为支座，其内设有转轴。在链条运行的轨迹上，最好靠向链轮的位置设有矫形机。该矫形机主要包括机架、滑块、液压缸、上下转辊、驱动装置、液压系统和数控系统。其中，底盘上固定两个竖直相对的机架，每个机架上各设一个与支撑板中部通孔对应的通孔，其上面为一个通孔，下面为两个通孔且下面两个通孔是以过上通孔中心的面为对称，其中上通孔可以是圆孔，使设在其内的上辊位置则固定，上通孔也可以是中心线呈竖直的条孔，使上辊可实现竖直方向调节；两个下通孔均为以上通孔中心线为对称的条孔，其可以是水平条孔，使两下辊实现水平调节，也可以是斜条孔，使两下辊实现倾斜调节。在所述每个条孔内各设一个滑块，每个滑块各与一个液压缸活塞杆相连，该液压缸缸体固定在机架上，所述液压缸分别与液压系统相连，该液压系统又与数控系统相连。在每个滑块的中心通孔内各置有一根转辊的一端，其中两端设在两机架上两竖直条孔内的一根转辊为上辊，另有两端设在两机架上两条孔内的两根转辊为下辊，并且上下转辊的工作部分进口端一段即加载区和出口端一段即卸载区均呈截锥体形。所述三个转辊位于加载区和卸载区内的一段均为圆柱体即矫圆区，其与加载区和卸载区圆滑过渡。在两矫圆区之间的一段为矫圆矫直区，该区域内的上辊中间部分内凹且内凹部分以该段中心面为对称，下辊中间部分外凸且外凸部分以该段中心面为对称，同时上辊内凹的弧度等于下辊外凸的弧度，最好矫圆矫直区与两侧的矫圆区圆滑过渡。上下辊之间的加载区、矫圆区、矫圆矫直区、矫圆区和卸载区五个区的长度比例为1:1:4:1:1。上下辊凹凸弧度的设计原则为：上下辊凹凸弧度可使被矫管材变形塑区比达到80％。所述三个转辊至少有一根的一端设有驱动装置，该驱动装置与数控系统相连。若上辊和下辊刚度不足时，则在各转辊外侧设置支承辊。

本发明的加工方法具体如下：

1、根据被矫管材的外径调整好矫直机上下辊的位置；

2、开启矫直机，将被矫管材置于送料机构上，开启动力组件的电动机，驱使链条运转，在送料支撑辊和推板的共同作用下，被矫管材由一端开始陆续进入矫直机；

3、被矫管材在矫直机中的部分，受各转辊挤压同时还在上下辊带动下周向转动，在矫圆区被矫管材周向各截面均多次交替经历正向和反向弯曲，到达矫圆矫直区被矫管材周向各截面和纵向各截面同时交替经历正向和反向弯曲，最后经过卸载区卸载后，全部被矫管材与支撑板一起穿过两个机架从矫直机出来，然后被取走；

4、期间链条在不停地运行，新的被矫管材又被送至另一套送料机构上，重复上述过程。

本发明的工作原理大致如下：当被矫管材与转辊接触时，由于进口端的辊形呈截锥型，不但可使被矫管材方便地进入转辊之间，而且同时实现对管材的径向加载。被矫管材在各转辊之间受到径向载荷，于是被矫管材截面发生弹塑性变形，其中与转辊接触的局部区域为反弯区(曲率减小)，转辊之间的管材部分区域为正弯区(曲率增大)，转辊下压的同时主动辊旋转，在摩擦力的作用下带动被矫管材周向转动数圈，被矫管材周向各截面均多次交替经历正向弯曲和反向弯曲；管材继续前进进入矫圆矫直区，管材周向和长度方向同时进行往复弯曲；在此过程中，被矫管材在送料组件的带动下连续通过矫直机，完成整根管材的矫圆过程。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、以往的矫圆和矫直两种工艺分别加工，本发明为在一次加工中完成。矫直工艺根据三个辊形的设计，由之前的斜辊交错矫直改进为上辊为凹形辊，两个下辊为凸形辊平行放置进行矫直，与矫圆工艺有效的配合，大大提高了管材的矫形效率。

2、矫圆过程中将所有转辊置于管材外部，而不是将上辊置于管材内部(传统卷板机矫圆方法)，这样矫圆设备无需翻缸装置，在送料装置的带动下，既可以方便的送进和取出被矫管材，又降低了矫圆过程操作的复杂性。

3、本发明中转辊刚度不足时，可为每个辊子设置支承辊，从而提高辊子刚度，可以大大提高矫圆设备的矫圆能力；然而，传统卷板机矫圆方法将上辊置于管材内部，当管材直径较小时无法设置支承辊。这样突破了传统卷板机矫圆结构上的缺陷。

4、由于上下辊两端辊型的变化，对同一规格管材在矫圆过程中无需调整上下辊的位置，即可实现对管材施加位移载荷的目的，极大地降低了加工工艺的复杂性。

5、本发明特别适用于长径比较大、径厚比较小的管材。

6、可实现连续自动化生产。

附图说明

图1是本发明设备的主视示意简图。

图2是本发明设备的动力组件主视示意简图。

图3是本发明设备的推板组件主视示意简图。

图4是本发明设备的推板组件侧视示意简图。

图5是本发明设备矫直机主视示意简图。

图6是图5的A-A视图。

图7是本发明设备机架与支撑板同在一起的视图。

图8是本发明设备各区域示意简图。

图9是本发明三辊矫圆结构形式之一侧视示意简图。

图10是本发明三辊矫圆结构形式之二侧视示意简图。

图11是本发明三辊矫圆结构形式之三侧视示意简图。

图12是本发明转辊外设支撑辊的侧视示意简图。

图中：1.被矫管材、2.上辊、3.下辊、4.机架、5.上辊驱动装置、6.下辊驱动装置、7.底盘、8.液压缸、9.滑块、10.数控系统、11.液压系统、12.链轮、13.链条、14.取料辊、15.轴套、16.短轴、17.轴承座、18.支撑板、19.支撑辊、20.减速机、21.联轴器、22.电动机、23.连接板、24.送料支撑辊、25.推板组件。

具体实施方式

在图1所示的管材辊式连续矫圆设备的主视示意简图中，本发明的设备主要包括矫直机和送料机构。其中，送料机构动力组件中的电动机22通过联轴器21与减速机20相连，减速机输出端与链轮12相连，如图2所示，该链轮与设在同一水平线上的另一链轮通过链条13相连，并且两链轮之间的距离大于被矫管材1的长度。在链条上设有两套推板组件，且每套推板组件之间的链条长度相等。在图3和图4所示的推板组件示意简图中，推板组件有与机架中部通孔对应的三叉形支撑板18，其每个叉上各设一对轴承座17，每对轴承座内各设一根短轴16，每根短轴外面各设一个外径呈阶梯形的轴套15。该支撑板的一个叉端部设有与支撑板垂直相连的连接板23，该连接板形状与链条节相同，其上的两个通孔分别通过铰链与相邻的链条节相连。所述支撑板上的三根短轴其轴线相交于一点，该点位于被矫管材的轴线上，同时非设连接板的两支叉上的短轴轴线又是以设连接板的支叉上的短轴轴线为对称。另在链条上间断地设有送料支撑辊，该送料支撑辊下部设有与支撑板的连接板结构相同的连接板，该连接板通过铰链与相邻的链条节相连，送料支撑辊上部为支座，其内设有转轴。在链条运行的轨迹上，且靠向链轮的位置设有矫直机。在图5、图6和图7中，该矫直机底盘7上固定两个竖直相对的机架4，每个机架上各设一个与支撑板中部通孔对应的通孔，其上面为一个通孔，下面为两个通孔且下面两个通孔是以过上通孔中心的面为对称，在所述每个条孔内各设一个滑块9，每个滑块各与一个液压缸8活塞杆相连，该液压缸缸体固定在机架上，所述液压缸分别与液压系统11相连，该液压系统又与数控系统10相连。在每个滑块的中心通孔内各置有一根转辊的一端，其中两端设在两机架上两竖直条孔内的一根转辊为上辊2，另有两端设在两机架上两斜条孔内的两根转辊为下辊3，并且上下转辊的工作部分两端的外形为截锥体，如图8所示，所述三个转辊位于加载区和卸载区内的一段均为圆柱体即矫圆区，其与加载区和卸载区圆滑过渡。在两矫圆区之间的一段为矫圆矫直区，该区域内的上辊中间部分内凹且内凹部分以该段中心面为对称，下辊中间部分外凸且外凸部分以该段中心面为对称，同时上辊内凹的弧度等于下辊外凸的弧度，并且矫圆矫直区与两侧的矫圆区圆滑过渡。上下辊之间的加载区、矫圆区、矫圆矫直区、矫圆区和卸载区五个区的长度比例为1:1:4:1:1。上下辊凹凸弧度的设计原则为：上下辊凹凸弧度可使被矫管材变形塑区比达到80％。所述三个转辊各有一根的一端设有驱动装置5、6，该驱动装置与数控系统相连。

实例1

以外径150mm、壁厚3mm长度为1500mm的管材为例，该管材力学性能为：弹性模量210GPa，屈服极限302MPa，塑性模量为2160MPa，泊松比0.3。被矫管材1拟合椭圆度为3.5％。上辊2和两个下辊3直径均为55mm，分别可在12点钟、4点钟和8点钟方向直线往复运动，三个运动方向的交点为原点O。根据被矫管材的外径调整好矫直机上下辊的位置；开启矫直机，将被矫管材置于送料机构上，开启动力组件的电动机，驱使链条运转，在送料支撑辊和推板的共同作用下，被矫管材由一端开始陆续进入矫直机；被矫管材在矫直机中的部分，受各转辊挤压同时还在上下辊带动下周向转动，周向各截面均多次交替经历正向和反向弯曲，同时还交替经历往复弯曲，最后经过卸载区卸载后，全部被矫管材与支撑板一起穿过两个机架从矫直机出来，然后被取走；期间链条在不停地运行，新的被矫管材又被送至另一套送料机构上，重复上述过程。

实例2

其与实例1基本相同，只是机架上的两个下通孔均为以上通孔中心线为对称的水平条孔，而且上辊为不设驱动装置的从动辊，如图9所示。

实例3

其与实例1基本相同，只是机架上的两个下通孔均为以上通孔中心线为对称的斜条孔，而且上辊为不设驱动装置的从动辊，如图10所示。

实例4

其与实例1基本相同，只是机架上的上通孔是圆孔，而且上辊为不设驱动装置的从动辊，两个下通孔均为以上通孔中心线为对称的斜条孔，如图11所示。

实例5

当上辊2和下辊3刚度不足时，则为各转辊设置支承辊19，如图12所示。