二十三辊矫直机特点与设计优化

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随着国民经济和工业技术的发展,用户对铜及铜合金板带材各项质量指标的要求越来越高。近年来,虽然铜板带的热、冷轧机设备日趋先进,在很大程度上提高了带材轧制板型的平直度。但是从生产效率、设备投资费用、设备维护等实际使用效果来看,仅仅依靠轧机装备和轧制工艺将无法满足电器、电子等行业对带材板型度的要求。目前,专门为矫直铜板带材板型度而设计的设备———二十三辊拉伸弯曲矫直机,可以有效地矫直带材的板型,并在铜板带加工中得到了广泛的应用和发展。但是,在铜加工领域,由于影响铜板带材板型度的因素比较多,板型往往不容易得到控制。其中，最为关键的决定性因素是拉伸弯曲矫直机设备本身的精度及稳定性。本文重点介绍如何通过二十三辊拉伸弯曲矫直机的结构设计优化和提高零部件加工精度来保证拉伸弯曲矫直机设备的高精度及稳定性。

　　拉伸弯曲矫直机是我单位重要民品项目之一，常年生产各种型号拉伸弯曲矫直机，如650mm、750mm、800mm、850mm、1450mm等型号钢带拉伸弯曲矫直机，还包括2300mm铝带五辊拉伸弯曲矫直机。不久前，我厂为安徽某铜业有限公司研制生产了600mm铜带二十三辊拉伸弯曲矫直机，安装调试后，投入生产取得了良好的效果，经过一段时间的考验，产品性能稳定。受到了客户一致好评，我现在将研制过程中积累的一些经验与各位共享，希望对各位读者能够从中有所启发和借鉴。

　　拉伸弯曲矫直机组的工作原理
拉伸弯曲矫直利用开卷机、卷取机提供的前、后初张力,经s辊放大使带材承受一定的张力。同时采用小直径的工作辊正反交替弯曲带材,拉伸应力和弯曲应力叠加,使带材中不等长纵向纤维组织在全厚度上同时被塑性延伸拉长,弹性收缩后在全宽度上保持相同长度,减小或基本消除导致板形不良的带材内应力,从而获得很高的平直度。见图1为拉伸弯曲矫直机内部应力变化图。根据人们研究及试验分析的结果表明:只有当带材的中性轴相对于中间轴产生偏移,塑性变形区域超过横截面的50%时,即中心层发生塑性流动后,才能真正地矫直板型。

( a) 带材在弯曲辊上的弯曲　　　　     ( b) 不同位置应力变化情况
图1　拉伸弯曲应力变化情况
　　拉伸弯曲矫直机主要由三部分组成(见图2)一部分是带有弯辊调节装置的辊式矫直机本体;另一部分是张力辊组(也称S辊组) 和传动部分。

图2　拉伸弯曲矫直机组示意图
　　由于矫直机上下矫直辊之间的缝隙是可调的,可根据被矫带材的材质、板厚、板形等不同来选择不同的辊缝。矫直的主要工艺参数有:初始张力T0、矫直张力T、矫直辊啮合量h、延伸率δ。图3为带材在矫直单元受力及被压下情况的示意图,其中L为工作辊的间距; h是工作辊啮合量; T是矫直张力; d是矫直辊直径, 2 t是带材厚度;θ是带材在工作辊上的包角。

图3　带材在矫直单元受力及被压下情况的示意

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二十三辊矫直机结构特点及设计优化
拉伸弯曲矫直是在辊式矫直法和拉伸矫直法基础上发展起来的矫直方法,是上述两种方法的综合。二十三辊拉伸弯曲矫直机与以往的普通矫直机有较大的区别，它在最大程度上体现了辊式矫直法和拉伸矫直法优点。它之所以具有使矫直带材得到最佳矫直效果,是由其结构特性所决定。该设备具有:

　　(1) 非传动的特殊结构的上下辊组。
　　(2) 上辊组的中心高度调节装置。
　　(3) 上辊组的倾斜调节装置。
　　(4) 下辊组的弯辊装置(锲铁调节) 。
　　(5) 工作辊数量多。

　　通过这些装置可以使矫直机的上下矫直辊之间的缝隙任意可调。根据被矫带材的材质、板厚、板形等不同,可选用不同的辊缝。被矫带材通常在弯曲矫直机的入口处产生较大的弯曲,这种弯曲程度是沿着出口方向逐渐减弱。经过很多辊子反复矫正,带材的曲率逐步减小而逐渐变得平直。

　　机架部分
　　设备机架是一台设备的基础，只有基础好，才能使设备具备良好的精度和稳定性，好比盖高楼一定要打好地基一样。同时，在不影响使用性能的基础上，还要兼顾尽量减少重量节省原材料、降低加工难度和外观要求。
　
　　压下机构、上辊系装配在上机架上，由于压下机构与上辊系重量较大，工作状态承受一定的载荷。在工作时上机架经常需要开启闭合，依靠油缸动力进行翻转运动，因此，上机架的结构应轻巧并且稳定性好。我们选用框架结构，在很大程度上提高机架的强度（见图4）。下机架采用了箱体结构，使之能够承受较大载荷，并在关键受力部位增加了筋板。

图4 上机架
　　辊系
　　辊系（图5）是该设备的核心部件，它是由上、下辊系两部分组成，通过压下机构调节上辊系与下辊系的压下量，同时通过摆动机构可以实现与下辊系夹角的调节。被矫带材通常在弯曲矫直机的入口处产生较大的弯曲,这种弯曲程度是沿着出口方向逐渐减弱。使带材从入口到出口，在交变应力作用下，所受应力强度从大到小逐渐变化，从而消除带材在轧制过程中产生的残余内应力，达到改善带材机械性能和矫直的目的。下辊系是由五组活动的支撑辊、中间辊及工作辊组成，它可以通过五个丝杠带动下斜楔分别单独调整每组辊子与上辊系工作辊之间的压合量。

图5　辊系
二十三辊矫直机制造工艺
　　该套设备矫直单元部分重量不到两吨，设计精度要求很高，共包括五个运动系统，由压下装置、摆动系统、矫直辊系、机架装配及油路部分组成。其中矫直辊系与机架是关键部件，直接影响产品的性能。

辊系剖面图
　　 辊子的加工
　　工作辊φ16 长度L=680MM   数量：23根
　　中间辊φ20 长度L=612MM   数量：25根
　　支撑辊φ24.5长度L=81MM   数量：135根
　　
　　由于工作辊、中间辊均属于细长辊，材料6CrMoV，热处理硬度HRC59-61，同轴度、圆柱度均为0.002，要求非常高。由于辊子长径比大，在加工过程中，极易变形，为了控制变形，我们在加工过程中，安排了多次时效工序，经过多次试验摸索，最终取得了很好的效果。

　　工作辊加工流程:下料→调质→车→去应力→车→去应力→车→去应力→车→去应力→车→去应力→磨→表面淬火、回火→车→磨。
　　轴承座的加工
　　由于该轴承座孔位精度要求非常高，每相邻三孔间距50MM的累计误差不大于0.01MM。考虑到左、右轴承座孔位的一致性，我们安排左、右轴承座组合成对,打销子定为在坐标镗镗孔加工

　　斜楔的加工
　　斜楔是用来通过油缸保证支撑辊与中间辊及工作辊之间的接触。

　　斜楔共五件，为了保证五件长度及止口尺寸的一致性，五件安排在一起加工。斜楔在加工过程中应与下斜楔、定位板把合后，来加工A、B、C面。

　　辊系的装配
　　在装配上辊系时,每一组辊子在装配完支撑辊之后，五组辊子支撑辊的面向下放在平磨机床上，把底面重新磨平，保证五组辊子高度一致。

　　下一步，把五组辊子与底板用螺栓连接好后，将中间辊放在支撑辊上，搓动中间辊，观察是否能够带动支撑辊转动，通过调节每一组辊子的前后窜动来达到支撑辊都能被中间辊带动后，上紧连接螺栓，打定位销，固定每一组辊子。