中大直径钢材棒料二辊矫直机凹辊设计方法与流程

本发明涉及棒材轧制与冶金领域，一种中大直径钢材棒料二辊矫直机凹辊设计方法。

背景技术：

目前，涉及对矫直凹辊辊型曲线的创新，特别是基于φ50-φ70直径的中大直径的钢材棒料。随着机械工业和国民经济各部门生产的发展和技术进步，对钢材产品质量的要求越来越高。为了获得较为平直的钢材棒料，消除弯曲，则钢材棒料需要在矫直机上进行矫直。

二辊矫直具有精度高、质量好的特点，并且实现全程性矫直，它作为一种精整技术，始终在矫直领域占有重要的一席之地。

二辊矫直在矫直原理上有其特殊性，它的矫直过程和矫直原理与多斜辊矫直有很大的区别，它的矫直质量既不取决于辊数，也不取决于辊子配置，而是取决于辊型。由于二辊矫直的矫直效果取决于辊型，故二辊矫直的凹辊的辊型设计成为能否获得理想工件的核心内容。

现阶段的辊形设计方法主要有双曲线式辊型，拟合圆弧式辊型，单圆弧式辊型以及反弯式辊型，而前3种辊型在综合设计方法和矫直效果等方面不如反弯式辊型，所以反弯式辊型得到广泛的应用。

反弯式辊型必须保证棒材在两辊之间获得矫直所需要的反弯曲率。而目前大多数的二辊矫直矫辊辊型的反弯曲率是依靠经验取值，对于特定直径的棒材，尤其是中大直径的钢材棒料，缺乏特定矫辊的反弯曲率，使矫直后的棒材难以得到直线度与椭圆度的要求，并且矫直后的棒材表面质量也不达标，导致废品的产生。

技术实现要素：

根据上述提出的技术问题，而提供一种中大直径钢材棒料二辊矫直机凹辊设计方法，用以解决现有的二辊矫直矫辊辊型的反弯曲率是依靠经验取值，对于特定直径的棒材，尤其是中大直径的钢材棒料，缺乏特定矫辊的反弯曲率，使矫直后的棒材难以得到直线度与椭圆度的要求，并且矫直后的棒材表面质量也不达标，导致废品的产生的缺点。本发明采用的技术手段如下：

一种中大直径钢材棒料二辊矫直机凹辊设计方法，包括以下步骤：

—取值：读取待矫直棒材的最小直径dmin，最大值直径dmax，待矫直棒材的屈服极限σ_t，辊子的斜角最小值α_min，端部圆角R，凹辊辊径D_g；

—设计反向三段式的二辊矫直凹辊辊形，凹辊曲线从中间对称轴开始到凹辊末端分别为辊腰段、辊腹段、辊胸段和圆角区，设定辊腰段曲率半径为ρ₁，辊腹段曲率半径为ρ₂，辊胸段曲率半径为ρ₃；

将dmin和σt代入公式(1)得出棒材的弹性极限曲率半径ρ_t；

ρ_t＝Ed min/2σ_t (1)；

公式中，E＝2.1e⁵Mpa为标准值；

将棒材的弹性极限曲率半径ρ_t代入公式(2)、公式(3)和公式(4)，得出辊腰段曲率半径为ρ₁，辊腹段曲率半径为ρ₂，辊胸段曲率半径为ρ₃；

ρ₁＝0.5ρ_t (2)；

ρ₂＝0.68ρ_t (3)；

ρ₃＝0.833ρ_t (4)；

—将dmax和α_min代入公式(5)得出导程t，

t＝π×d_max×tanα_min (5)；

—由于按反向设计，凹辊的各段曲率半径为：辊腰段曲率半径为-ρ₁，辊腹段曲率半径为ρ₂，辊胸段曲率半径为ρ₃；

因此，根据上述-ρ₁、ρ₂、ρ₃、t、R和D_g参数，根据空间矢量法即可求出设计的凹辊辊形。

作为优选所述公式(2)、公式(3)和公式(4)由如下步骤得出：

通过矫直过程中棒材残余曲率比的变化规律确定出辊腰段，辊腹段，辊胸段这三段反弯曲率比的选择；

每一段的曲率半径如公式(6)所示：

ρ_x＝(1/C_wx)×ρ_t (6)；

其中，ρ_t为棒材的弹性极限曲率半径，

ρ_x为不同段的反弯曲率半径，

C_wx为不同段反弯曲率比取值，

x＝1为辊腰段，x＝2为辊腹段，x＝3为辊胸段；

由于二辊矫直过程为“先统一，再矫直”，因此，假设棒材在辊腰部分达到曲率的统一，在辊腹与辊胸部分实现矫直，在二辊矫直过程中，棒材要经过多个导程进行矫直，原始曲率C₀只是相对与棒材进行第一次反弯矫直而言，而之后的每次反弯认为其原始曲率是上一次反弯的残留曲率，通过分析确定矫直过程中的曲率变化情况是一个迭代的过程，如公式(7)所示：

通过公式(7)确定统一曲率的迭代次数，残余曲率比与反弯曲率比三者之间的关系，来确定每一段的反弯曲率比；

得出，辊腰段曲率比：C_w1＝2，辊腹段曲率比：C_w2＝1.47，辊胸段曲率比：C_w3＝1.2；

将C_w1、C_w2和C_w3分别代入公式(6)，即得出

ρ₁＝0.5ρ_t (2)；

ρ₂＝0.68ρ_t (3)；

ρ₃＝0.833ρ_t (4)。

作为优选所述棒材的直径范围为50mm至70mm。

作为优选设定辊腹段辊长：L₁≈t；辊腹段长度：L₂≈t；辊胸段长度：L₃≈2t。

作为优选所述圆角区的端部圆角R＝20～40mm。

与现有技术相比较，本发明所述的中大直径钢材棒料二辊矫直机凹辊设计方法，设计反向三段式的二辊矫直凹辊辊形，通过矫直过程中棒材在矫辊中的曲率比变化情况，结合矫直特性对凹辊辊形每段反弯曲率比C_wx的取值进行确定。辊型在中间段实现棒材曲率的统一，并且在棒材离开矫直机后得到全程性矫直，经实验验证此凹辊辊型使被矫直的工件达到符合要求的精度，并且矫直过程稳定，加工制造也很简单，解决了矫辊反弯曲率取值不当而造成产品质量不达标这一问题，依据三段式反向辊型设计一种基于φ50-φ70钢材棒料二辊矫直机凹辊设计方法，使矫直后的产品精度高，表面质量好。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明凹辊辊形图。

图2是本发明三曲率反弯曲率比取值图。

图3是本发明棒材在二辊矫直过程中曲率的变化情况示意图。

具体实施方式

如图1到图3所示，一种中大直径钢材棒料二辊矫直机凹辊设计方法，包括以下步骤：

—取值：读取待矫直棒材的最小直径dmin，最大值直径dmax，待矫直棒材的屈服极限σ_t，辊子的斜角最小值α_min，端部圆角R，凹辊辊径Dg。

所述的辊子斜角最小值的夹角是凸辊和凹辊都有的。

本发明所述的中大直径钢材棒料二辊矫直机凹辊设计方法，棒材的直径范围为50mm至70mm，所述圆角区的端部圆角R＝20～40mm，具体的取值根据结构与装配关系确定。

—设计反向三段式的二辊矫直凹辊辊形，凹辊曲线从中间对称轴开始到凹辊末端分别为辊腰段、辊腹段、辊胸段和圆角区，设定辊腰段曲率半径为ρ₁，辊腹段曲率半径为ρ₂，辊胸段曲率半径为ρ₃；

将dmin和σt代入公式(1)得出棒材的弹性极限曲率半径ρ_t；

ρ_t＝Ed min/2σ_t (1)；

公式中，E＝2.1e⁵Mpa为标准值；

通过矫直过程中棒材残余曲率比的变化规律确定出辊腰段，辊腹段，辊胸段这三段反弯曲率比的选择；

每一段的曲率半径如公式(6)所示：

ρ_x＝(1/C_wx)×ρ_t (6)；

其中，ρ_t为棒材的弹性极限曲率半径，

ρ_x为不同段的反弯曲率半径，

C_wx为不同段反弯曲率比取值，

x＝1为辊腰段，x＝2为辊腹段，x＝3为辊胸段；

二辊矫直过程中弹复曲率比C_f是关于反弯曲率比C_w与原始曲率比C₀的函数，函数关系表示为公式(8)；

C_f＝f(C_w,C₀) (8)；

由于二辊矫直机两个辊子之间被同向旋转的凹凸两辊压弯并进行旋转，工件在辊缝中依靠凸凹两辊的摩擦力进行旋转前进，并且依靠凸凹两辊辊型的反弯曲率进行弹塑性变形过程。

所以我们假定棒材在矫直前有原始曲率比为±C₀的弯曲，由上述分析得到式残余曲率C_c的表达式如公式(9)所示：

C_c＝C_w-C_f＝C_w-f(C_w,C_o) (9)；

在二辊矫直为“先矫直，再统一”。假设棒材在辊腰部分达到曲率的统一，在辊腹与辊胸部分实现矫直，在这个基础上确定出矫直辊每段反弯曲率比的取值。在矫直过程中棒材要经过多个导程进行矫直，并且原始曲率C₀只是相对与棒材进行第一次反弯矫直而言，而之后的每次反弯认为其原始曲率是上一次的残留曲率，通过分析系确定矫直过程中的曲率变化情况是一个迭代的过程。并结合棒材变形与弯矩的关系得到相对残余曲率比的表达式为公式(7)：

通过公式(7)确定统一曲率的迭代次数，残余曲率比与反弯曲率比三者之间的关系，来确定每一段的反弯曲率比；

得出，辊腰段曲率比：C_w1＝2，辊腹段曲率比：C_w2＝1.47，辊胸段曲率比：C_w3＝1.2；

将C_w1、C_w2和C_w3分别代入公式(6)，即得出

ρ₁＝0.5ρ_t (2)；

ρ₂＝0.68ρ_t (3)；

ρ₃＝0.833ρ_t (4)。

将棒材的弹性极限曲率半径ρ_t代入公式(2)、公式(3)和公式(4)，得出辊腰段曲率半径为ρ₁，辊腹段曲率半径为ρ₂，辊胸段曲率半径为ρ₃；

ρ₁＝0.5ρ_t (2)；

ρ₂＝0.68ρ_t (3)；

ρ₃＝0.833ρ_t (4)；

—将dmax和α_min代入公式(5)得出导程t，

t＝π×d_max×tanα_min (5)；

设定辊腹段辊长：L₁≈t；辊腹段长度：L₂≈t；辊胸段长度：L₃≈2t。

—由于按反向设计，凹辊的各段曲率半径为：辊腰段曲率半径为-ρ₁，辊腹段曲率半径为ρ₂，辊胸段曲率半径为ρ₃；

因此，根据上述-ρ₁、ρ₂、ρ₃、t、R和D_g参数，根据空间矢量法即可求出设计的凹辊辊形。

本发明所述的中大直径钢材棒料二辊矫直机凹辊设计方法，是通过计算出反弯辊型的每一段反弯曲率比，结合每个辊段的长度和圆角的大小来确定出所设计的凹辊辊形形状。

本发明所述的中大直径钢材棒料二辊矫直机凹辊设计方法，设计反向三段式的二辊矫直凹辊辊形，辊型在中间段实现棒材曲率的统一，并且在棒材离开矫直机后得到全程性矫直，经实验验证此凹辊辊型使被矫直的工件达到符合要求的精度，并且矫直过程稳定，加工制造也很简单，解决了矫辊反弯曲率取值不当而造成产品质量不达标这一问题，依据三段式反向辊型设计一种基于φ50-φ70钢材棒料二辊矫直机凹辊设计方法，使矫直后的产品精度高，表面质量好。

实施例1，矫直钢材棒料的直径为50mm至70mm，σ_t＝900N/mm²，给出辊子的斜角最小值α_min＝14.5°，矫直速度为30m/min，设计反向三段式的二辊矫直凹辊辊形。

棒材弹性极限曲率半径：ρ_t＝Ed min/2σ_t＝5720mm；

辊腰段曲率半径：ρ₁＝0.5ρ_t＝2860mm；

辊腹段曲率半径：ρ₂＝0.68ρ_t＝3891.1mm；

辊胸段曲率半径：ρ₃＝0.833ρ_t＝4766.7mm；

螺旋导程t＝π×70×tan14.5＝56.8mm；取L₁＝57mm；L₂＝57mm；L₃＝111mm；端部圆角R＝35mm；凹辊辊径D_g＝178.6mm；

由于按反向设计，所以凹辊的各段曲率半径为：

ρ₁＝-2860mm；ρ₂＝3891.1；ρ₃＝4766.7mm；

通过上述参数，即可求出所设计的凹辊辊形。所设计辊型在中间段实现棒材曲率的统一，并且在棒材离开矫直机后得到全程性矫直。经实验验证此凹辊辊型使被矫直的工件达到符合要求的精度，并且矫直过程稳定，加工制造也很简单，表面质量也有所提高。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。