650型钢矫直机

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第2章
矫直理论
第 2 章 矫直理论
轧件的矫直就是使轧件承受某种方式和一定外力作用，产生一定的弹 塑性变形，当上述外力去处后，在内力作用下又产生弹性恢复变形，直到 内力达到新的平衡，得到所有的形状，矫直过程实质就是弹塑性变形过 程。
2.1 弹塑性弯曲的基本概念
为了说明在辊式矫直机上，弯曲的轧件是怎样被矫直的，需要多大的 弯曲力矩，怎样确定矫直机的力能参数，需要对弹塑性弯曲的基本概念有 所了解。
ε z0 = ε s =
式中
σs E
（2—5b）
ε s ——应力等于屈服极限 σs 时的相对变形量；
弯曲率的选择是决定轧件能否矫直的关键。轧件矫直的实质就是要选择 “适量的”反弯曲率，以便使轧件在外负荷消除后，经过弹性恢复而变直 （即
1 = 0） 。在辊式矫直机上，反弯曲率是通过辊子的压下来获得的。 r0
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（3）残余曲率
1 （图 2—2b） 。当除去外负荷后，轧件在弹性内力矩 r 1 。如果轧件得到 r
图 2—1 轧件弯曲变形示意图
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（1）纯弹性弯曲.在外负荷弯曲力矩作用下轧件表面层的最大应力小 于或等于材料的屈服极限（其应力状态如图 2—4b）,各层的纵向纤维都处 于弹性变形状态。外负荷去除后 ，在弹性内力矩的作用下，纵向纤维的 变形能够全部弹性恢复。这种弯曲变形称为纯弹性弯曲。 （2）弹塑性弯曲.随着外负荷弯曲力矩的增大，轧件各层纤维继续产 生变形。当外负荷增加到一定数值，轧件表层纵向纤维应力超过了材料的 屈服极限时，纤维产生塑性变形。外负荷越大，塑性变形区由表层向中性 层扩展的深度越大（其应力状态如图 2—4a 所示） 。当除去外负荷后在弹 性内力矩的作用下，各层纵向纤维的变形可弹性恢复一部分，但无法全部 恢复。这种弯曲变形称为弹塑性弯曲变形。 （3）纯塑性弯曲.随着外负荷力矩的继续增大，整个轧件断面的纵向 纤维应力都超过了材料的屈服极限（应力状态如图 2—4c 所示） ，则所有 纵向纤维都处于塑性变形状态。当除去外负荷后，在弹性内力矩的作用 下，纵向纤维的变形只能恢复弹性变形的部分。这种弯曲称为纯塑性弯曲 变形。 由上可知：在外负荷弯曲力矩 M 的作用下，轧件中同时有弹性和塑 性变形的弯曲变形称为弹塑性弯曲变形；轧件弹塑性弯曲变形的过程有两 个阶段组成，在外负荷弯曲力矩作用下的弹塑性弯曲阶段和除去外负荷后 的弹性恢复阶段（轧件产生弹性恢复变形） 。
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第2章 1 ρy
矫直理论
1 1 。弹复曲率的数值与轧件的尺寸，材料性质及原始曲率等 = ρy ρ
因素有关。 现在，可以用上述的曲率变化来进一步说明弹塑性弯曲的变形过程。 弹塑性弯曲的变形过程分为弹塑性弯曲和弹复两个阶段。在弹塑性弯曲阶 段，在弯曲力矩 M 的作用下，将具有原始曲率
2.1.2 弹塑性弯曲时的曲率变化
轧件弯曲时的变形过程可以用以下几个曲率变化来说明。 （1）原始曲率
1 （图 2—2a） 。轧件在弯曲前所具有的曲率称为原始 r0
曲率，以
1 表示，其中 r0 是轧件的原始曲率。曲率的方向用正负号表示， r0
+
1 1 1 表示弯曲凸度向上的曲率； − 表示弯曲凸度向下的曲率。 = 0 r0 r0 r0
弹复曲率
1 ，它是反弯曲率与残余曲率的代数差，即 ρy 1 1 1 = − ρy ρ r
（2—2）
显然，当残余曲率
1 等于零时，公式（2—2）为： r
1 1 或 1 = 1 = ρy ρ ρ ρy
（2—3）
1 的轧 r0
公式（2—3）表示了矫直轧件的基本原则：要使原始曲率为
件得到矫直（
1 1 = 0 ） ，必须使反弯曲率 在数值上等于弹复曲率 ρ r0
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图 1—1 矫直机的基本形式
拉伸，弯曲矫直机是近十多年发展起来的一种新型矫直机。它综合了 辊式拉伸矫直机和平行辊矫直机的特点，对板材在反弯的同时施加张力， 实现板材的连续矫直。这种矫直机能够矫直横向和纵向的波浪弯，剽曲和 镰刀弯，一般用在连续作业线上。拉伸弯曲矫直机能矫直厚度小于 10mm 宽 1000—3000mm 的板材及厚度为 0.2—0.5mm 的薄板材，能获得较好得 矫直效果。
εz =
式中
∆l z (ϕ 0 + ϕ1 ) = l (r0 − z )ϕ 0
（2—4）
l ——该处纤维拉伸或压缩的变形量； ∆
l——该处纤维的原始长度；
ϕ0——弯曲前，横断面 A0A0 与垂直轴线间的夹角；
ϕ1——反弯后，横断面 A1A1 与垂直轴线间的夹角；
r0——轧件的原始曲率半径；
z——纤维距中性层的距离。
1 的轧件向相反方向弯 r0
曲，其反弯曲率为
1 ；当外负荷去除后，进入弹复阶段。此时，再弹性 ρ 1 ） ，最终得到残余 ρy
内力矩 My 的作用下，轧件弹性恢复（弹复曲率为
曲率
1 。如果所取得的反弯曲率在数值上等于弹复曲率，则弹复后的扎件 r
将得到矫直。
2.1.3 弹塑性弯曲时应力和应变的分布
为了进一步研究轧件弯曲时的变形过程，需要了解弹塑性弯曲时轧件 断面上的应力和应变的分布。 （1）弹塑性弯曲阶段的应力和应变的分布图。弹塑性弯曲实验表 明：弹性弯曲时的平断面假设在弹性弯曲时仍然适用。图 2—2a 所示，具 有原始曲率 1 的轧件，其横断面 A0 A0 为一平面，它以中性层轴线 OO 垂
式中
（2—4a）
h ——扎件的厚度。
由图 2—2ａ及公式（2—5）可知，弹塑性弯曲阶段轧件的层纤维的长 度与其距中性层的距离成正比，它的应变分布图与弹性弯曲相似，也是按 直线规律分布的。因此，有了轧件的应力—应变曲线（图 2—3）即可按照 材料力学的规律画出弹塑性弯曲阶段的应力分布图（图 2—4） 。
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第1章
矫直机综述
1.2 型钢辊式矫直机
辊式矫直机的矫直辊上下平行排列成布棋式或交错排列。其轴线彼此 平行，轧件通过上下矫直辊间做反复的弹塑性弯曲变形而得到矫直。由于 轧件能以较高的速度在运动中得到矫直，故生产效率高，易于实现机械化 流水作业。因此得到广泛的应用。 根据结构形式的不同，型钢辊式矫直机一般分为开式和闭式两种两种 类型。 开式型钢辊式矫直机的特点是：矫直辊相对于机架是悬臂的，即矫直 机的两个轴承配置在矫直辊的一侧，如图 1—2。
2.1.1 弹塑性弯曲的变形过程
轧件在矫直机上弯曲变形时，实际上是一个横向弯曲过程。但若轧件 厚度 h 与矫直轧件时的两个支点距离 t 的比值（h/t）很小时，可忽略剪应 力的影响，近似的认为矫直轧件时的弯曲是个纯弯曲变形。轧件在外负荷 弯曲力矩 M 作用下产生弯曲变形时，中性层以上的纵向纤维受到拉伸变 形，中性层以下的纵向纤维受到压缩变形（如图 2—1） 。根据外负荷力矩 M 的大小，轧件弯曲变形有三种情况：
1 1 = 时，原始曲率为最大。 r0 (r0 ) min
时，表示轧件是平直的。
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第2章
矫直理论
图 2—2 弹塑性弯曲时的曲率变化 a—弹塑性弯曲阶段；b—弹性恢复阶段
（2）反弯曲率
1 （图 2—2a） 。在弯曲力矩 M 的作用下，将原始曲 ρ
率为
1 1 的轧件向反方向弯曲后，轧件所具有的曲率称为反弯曲率 。反 ρ r0
My 的作用下，经过弹复后所具有的曲率称为残余曲率
矫直，则残余曲率等于零（
1 = 0 ） ；如果轧件还未矫直，则此残余曲率 r0 1 1 = r r0 0 i +1
即为下一次再弯曲时的原始曲率，即 （2—1）
其中，符号 i 是指第 i 次弯曲。 （4）弹复曲率
1 。在弹性恢复的阶段，轧件弹性恢复的曲率称为 ρy
闭式
刚 度 好 ， 辊 子 轴 矫 直 过 程 不 易 看 适用于大型型钢矫 承支点受力平衡。 清。调整困难，矫 直。 直辊拆装不便。
本次设计的矫直机主要是矫直断面的规格为 50—90mm 的方圆钢目的 就是对弯曲曲率过大或精度较高的产品进行矫直，以消除材料的弯曲，特 别是端部弯曲。 近年来，开式矫直机改进了压下调整装置的结构，并将矫直机的支撑 轴承用滚动轴承代替滑动轴承。所以，当今的大型矫直机也开始广泛应用 开式结构。由于开式结构的优点和机器制造行业的趋势，并且为了进一步 开发其生产潜力。本次设计的为七辊开式型钢变节距矫直机。
公式（2—4）分母中的 z与 r 0 相比可以忽略不计，并考虑到中性层纤 维长度在弯曲前后是不变的，即 r0ϕ 0 = ρϕ1 ，则得下式
1 ε z = z r0 + ρ
式中
（2—5）
ρ ——反弯曲率半径。
扎件表层处， z = h ，故该处的相对变形 ε h 为
2
2
h 1 1 εh = + 2 2 r0 ρ
r0
直。当轧件在外力矩 M 作用下，反向弯曲成反弯曲率 1 以后，根据平断
ρ
面假பைடு நூலகம்，其横断面 A1A1 仍为一平面且与中性层平面 O1O1 垂直。A0 A0 与 A1A1 之间的水平线段表示了纵向纤维的变形量。距离中性层 Z 处的纵向 纤维相对变性量 ε z 可用下式表示：
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第1章
矫直机综述
第 1 章 矫直机综述
1.1 概述
轧件在加热，轧制，热处理，各种精整等工序及运输过程中。由于塑 性变形不均，加热和冷却不均，剪切以及运输和堆放等原因，必然产生不 同程度的弯曲，浪形，镰弯和歪扭的塑性变形或内部产生残余应力。这在 成为合格产品之前，都必须采用矫直机进行矫直加工，矫正轧件形状和消 除内应力。所以矫直机是轧制车间内必不可少的重要设备。而且广泛应用 于轧材做胚料的各种车间，如汽车，船舶制造厂等。 目前，轧材品种规格的多样化和对其精度要求的提高，促进了矫直理 论和矫直机结构的研究工作的快速发展及矫直技术水平的不断提高。矫直 不同品种规格的轧材，采用不同结构形式和规格的矫直机。所以矫直机的 结构形式繁多，矫直方式也不相同。 根据其结构和工作原理，矫直机的基本形式可分为压力矫直机，平行 辊矫直机，斜辊矫直机，拉伸矫直机，拉弯矫直机和扭转矫直机。如图 1—1。 压力矫直机一般设置在型钢和钢管车间，用来对型钢或钢管进行补充 矫直。 平行辊矫直机结构形式很多，就矫直机来说，辊数由 5 辊到 29 辊， 辊径从 20mm 到 520mm。矫直型钢和板材的范围很广。可以矫直 38— 75Kg/m 的轻轨，No.6—60 的工字钢，槽钢以及各种规格的角钢，方钢等 型钢。矫直板材的范围为 0.2—60mm,但是，辊式矫直机难于矫直宽而薄的 板材。平直度要求很高的铝合金薄板和难于在这些辊式矫直机上达到要求 的板材，有时采用拉伸矫直机，其矫直板材厚度一般小于 0.6mm。 斜辊矫直机主要应用于钢管车间。这种矫直机的矫直辊具有类似双曲线的 形状，两排矫直辊轴线相互交叉一个角度。钢管火棒材在矫直时边旋转边 前进，从而获得对轴线对称的平直形状。