國產(chǎn)Φ280mm十一輥高鋼級精密鋼管矯直機組
Φ280 mm Eleven-roller High Grade Precision Steel Tube Straightening Machine in China Domestic
我國自行開發(fā)的精密管材矯直機適用管材規(guī)格范圍不斷擴大(Φ3mm-Φ220mm) ，但被矯管材的屈服強度均小于650MPa，難以適應(yīng)新近市場急需的高鋼級精密管材高效矯直的要求。針對這一問題，開發(fā)了 Φ280mm十一輥高鋼級精密鋼管矯直機。該矯直機組為離線設(shè)備，用于退火之后或者不經(jīng)退火的冷軋、冷拔鋼管的矯且，被矯管材屈服強度達(dá)到 850MPa，矯后管材直線度小于0.25mm/m，矯立盲區(qū)控制在400mm以內(nèi)。近兩年生產(chǎn)實踐表明，針對高鋼級、大直徑精密矯直工藝中的敏感因素，采用輪式多環(huán)節(jié)矯直的設(shè)備方案是可行的。同時對機組傳動系統(tǒng)、前臺C形套內(nèi)襯材料、 換輥機構(gòu)及矯直輥噴淋系統(tǒng)存在的問題提出了改進(jìn)方向。
目前，精密管材已經(jīng)在高檔轎車的減震器、抽油泵、核電站熱交換器、工程機械液壓缸、非 API標(biāo)準(zhǔn)的石油管、爆發(fā)力強的自動式連發(fā)槍械用管、細(xì)長的航空器材用油氣傳輸管和高檔氣瓶管等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。由于此類管材的屈服極限偏低，直徑偏小，通過多個環(huán)節(jié)的矯直可實現(xiàn)0.3 mm/m的精度，因此常用于普通的減震器和抽油泵用管。但是對于爆發(fā)力強的自動式連發(fā)槍械用管和高檔氣瓶用管而言.其材質(zhì)較硬，屈服極限在850MPa左右，通過多環(huán)節(jié)且降低速度的矯直手段較得好的直線度時，會存在管材斷面尺寸超差、生產(chǎn)效率偏低的問題，因此實現(xiàn)高精度矯直就存在一定難度。所以開發(fā)適合高鋼級鋼管高效精密矯直設(shè)備成為精密管材生產(chǎn)中較為迫切的問題。
2011年為江蘇某廠工程機械用液壓缸租氣瓶營生產(chǎn)線項目配套的Φ280mm十一輥矯直機的研制就要求解決高效精密矯直高鋼級管材的工藝問題。在有效解決工藝問題的前提下，研發(fā)人員開始嘗試抑制鋼管擴徑的微張力矯直工藝，同時驗證了有關(guān)經(jīng)典計算矯直力的公式。其短輥距的設(shè)計也為大直徑鋼管頭尾矯直盲區(qū)的縮小提出了解決辦法。
一、 國內(nèi)精密矯直機的研究現(xiàn)狀
普通管材矯直機的矯后直線度為 1mm/m , 精密矯直機的矯后直線度為0.5mm/m，高精度矯直機的矯后直線度為0.3mm/m、矯后直線度0.2mm/m的矯直機也劃分到高精度矯直機之列。精密矯直設(shè)備的矯直環(huán)節(jié)多，矯直速度低，而且其矯直輥和矯直機工藝調(diào)整機構(gòu)的精度普遍較高，同時要求矯直機生產(chǎn)現(xiàn)場環(huán)境優(yōu)良。
目前，中國重型機械研究院股份公司是國內(nèi)對精密矯直機研究最深入、最系統(tǒng)、業(yè)績最多的企業(yè)，其對精密矯直機的矯直環(huán)節(jié)數(shù)量與精度的關(guān)系、矯直機矯直棍子參數(shù)、矯直輥初始傾斜角度、矯直速度、矯直工藝調(diào)整量、整機加工工藝以及使用情況作了詳細(xì)的研究，形成了大量的文獻(xiàn)資料。其試驗數(shù)據(jù)和理論研究是在一臺設(shè)備上多個環(huán)節(jié)矯直環(huán)境下研究，而其他學(xué)者是在一臺設(shè)備上通過兩次以上矯直過程來模擬多環(huán)節(jié)矯直，兩者的研究在矯直環(huán)節(jié)數(shù)量和矯直速度上得到了相同的認(rèn)識，即要想獲得高的矯直精度，矯直環(huán)節(jié)要多，矯直速度要降低。但后者對于各個矯直環(huán)節(jié)之間相互影響和每個環(huán)節(jié)所要達(dá)到的矯直效果的研究顯得力不從心，而前者已經(jīng)得到了經(jīng)實踐驗證的結(jié)論，例如前者對輥身長度、矯直過程中的負(fù)作用原理、矯直輥初始角度等都有深入的研究。
國內(nèi)目前使用精密矯直機較多的行業(yè)為小直徑焊管、液壓缸制造、核電站用管等行業(yè)。矯直管材直徑范圍在3-220mm之間，鋼管D/t值大于16，屬于中厚壁鋼管，生產(chǎn)線年產(chǎn)量在3萬噸以下。除小直徑焊管利潤略低之外，其他行業(yè)目前產(chǎn)出的附加值較高，因此設(shè)備的管理和技術(shù)支持到位，能夠及時發(fā)現(xiàn)和排除矯直過程中出現(xiàn)的問題，對于推廣和發(fā)展精密矯直技術(shù)有著相當(dāng)積極的作用。
二、 Φ280mm十一棍矯直機的主要技術(shù)要求和方案設(shè)定
2.1 被矯管材參數(shù)
管材外徑范圍: 80-280mm;
管材壁厚范圍: 10-30mm;
管材長度范圍: 7-14m;
管材屈服強度:≤850 MPa;
矯直機生產(chǎn)節(jié)奏: 8 t/h;
被矯管材特性:未經(jīng)退火的冷軋、冷拔鋼管，表面粘附有軋制和拔制潤滑油; 退火后的軋制，冷拔鋼管。
2.2 矯直后產(chǎn)品質(zhì)量要求
矯直后管體直線度: ≤0.25mm/m;
鋼管端部直線度:管端400mm以內(nèi)直線度≤0.75mm/m;
鋼管斷面尺寸要求: 18≤D/t≤28時，擴徑量≤0.28mm;
鋼管表面狀態(tài):不得產(chǎn)生任何新的缺陷;
鋼管內(nèi)部狀態(tài):沿端部用光源通長照射鋼管內(nèi)部，不得有竹節(jié)狀光圈。
2.3 設(shè)備方案的初步擬定
方案的初步擬定內(nèi)容包括:矯直環(huán)節(jié)、設(shè)備結(jié)構(gòu)形式、矯直機關(guān)鍵輥距以及矯直輥參數(shù)等的確定。
2.3.1 主要技術(shù)參數(shù)的確定
根據(jù)Φ280mm矯直機矯后直線度的要求，矯直環(huán)節(jié)必須在3.5個環(huán)節(jié)以上，即矯直棍數(shù)在10棍以上，管材屈服強度較以往精密矯直機最大屈服強度提高1.3倍，又有端部直線度和擴徑量的較高要求，從力能參數(shù)上計算，矯直機輥距變大，和端部盲區(qū)的要求發(fā)生矛盾，若采用組合式輥距的輥系排列方式才有可能保證鋼管端部矯直效果。依據(jù)來料鋼管的機械特性，結(jié)合文獻(xiàn)[5]和文獻(xiàn)[6]以及實際生產(chǎn)經(jīng)驗確定矯直機的輥數(shù)為11棍，組合輥系，關(guān)鍵輥距定為960mm，關(guān)鍵輥距的提出是解決縮小矯直盲區(qū)的重要手段，關(guān)鍵輥距960mm和端部盲區(qū)長度之間的差值需在矯直輥參數(shù)設(shè)計時子以考慮和保證，矯直棍直徑定為480mm，據(jù)此展開詳細(xì)設(shè)計。
2.3.2 設(shè)備結(jié)構(gòu)形式的確定
據(jù)文獻(xiàn)[4]的研究成果，采用十輥對置的方案可以使矯直精度達(dá)到0.3mm/m，文獻(xiàn)[7]描述了大直徑十棍滑架式的矯直設(shè)備。對于可否采用文獻(xiàn)[4]和文獻(xiàn)[7]的成果將主機設(shè)備設(shè)計為對置輥系滑架式結(jié)構(gòu)，以通過降低矯直速度來實現(xiàn)高矯直精度的問題，經(jīng)過分析認(rèn)為:
①若采用上述方案存在矯直精度不易保證的缺點，文獻(xiàn)[7]中的Φ920mm鋼管矯后實際直線度僅為 1.5mm/m;
②存在成本增加的不利因素，用于Φ500mm 以下鋼管的多輥矯直機，采用滑架式的結(jié)構(gòu)質(zhì)量遠(yuǎn)大于轉(zhuǎn)轂式結(jié)構(gòu)，制造成本不易接受，但大直徑的滑架式結(jié)構(gòu)(如圖1所示)具有制造工藝方便的優(yōu)勢，這也是文獻(xiàn)[7]采用滑架式結(jié)構(gòu)的原因;
③滑架式結(jié)構(gòu)強調(diào)整機立柱布局對稱，限制了矯直輥的初始角度，降低了管材和矯直輥的實際等效接觸長度，不利于矯直精度的提高，或者是對管材的對壓作用過于明顯，造成矯后管材端面尺寸偏差較大，且對于Φ280mm矯直機提出的端部400mm以內(nèi)的矯直精度無法通過輥距和矯直輥參數(shù)的優(yōu)化得到補償，達(dá)不到Φ280mm矯直機的技術(shù)要求。因此，主機的結(jié)構(gòu)形式應(yīng)優(yōu)先選用轉(zhuǎn)轂式組合輥系(如圖2所示)。
三、機組設(shè)備組成及功能描述
Φ280mm 十一輥矯直機組為離線設(shè)備，用于退火之后或者不經(jīng)退火的冷軋、冷拔鋼管的矯直。機組設(shè)備由前臺、主機、后臺、矯直輥在線清潔機構(gòu)以及相應(yīng)的電氣和液壓裝置組成。除主機滿足相關(guān)矯直直線度的技術(shù)要求外，前臺設(shè)備需要考慮成捆鋼管的存儲散料問題，主機需要考慮高速喂料和矯直輥面清潔問題，后臺考慮在線直線度的簡易測量問題，以提高生產(chǎn)效率，盡可能地降低操作工人的勞動強度。
3.1 前臺
前臺由散料臺架、撥料機向以及C形扣瓦等經(jīng)典工藝裝置組成，但在設(shè)計上對機構(gòu)做了很大改進(jìn)與創(chuàng)新，解決了長期以來困擾彎曲鋼管的散料和喂料勞動強度大的問題。
3. 1.1 散料機構(gòu)
由于被矯鋼管單重較大，若采用人工散料，勞動強度過大，且存在不安全因素。設(shè)置新型散料機構(gòu)的目的是為了將成捆的鋼管散開， 方便單根撥人矯直機前臺C形扣瓦。散料臺架由兜料機構(gòu)、抖動機構(gòu)、平鋪臺架、運輸鏈以及過度篦條組成，其，結(jié)構(gòu)如圖3所示，它是專門為大直徑鋼管散料開發(fā)
的機構(gòu)，降低了操作工人的勞動強度。其工藝過程為: 成捆的鋼管落入兜料機構(gòu)的布袋上，在布袋纏繞機鉤的收縮過程中，鋼管呈層狀滾落到運輸鏈條上，隨著鏈條將鋼管運往C形扣瓦。運輸?shù)倪^程中，鋼管與鋼管之間的距離拉開.最終散布于運輸鏈條之上，達(dá)到了自動散料的目的。
3. 1.2 便于更換內(nèi)襯的C形扣瓦
C形扣瓦內(nèi)部襯有軟材料保護(hù)層，防止鋼管在甩動過程中被劃傷，為了節(jié)省軟材料內(nèi)襯的更換時間，設(shè)置為內(nèi)膽式機構(gòu)，即軟材料黏附在薄壁鋼筒之上，鋼筒固定在外部C形扣瓦的焊接架上。不僅使磨損后的內(nèi)襯更換方便，而且使內(nèi)襯的備件制作更為容易。
3. 1.3 方便鋼管導(dǎo)入的喂料機構(gòu)
喂料導(dǎo)人機構(gòu)位于前臺和主機之間.設(shè)置導(dǎo)入機構(gòu)的目的是為了保證鋼管順利準(zhǔn)確地進(jìn)入主機1#矯直輥，且不發(fā)生卡阻及管頭跑偏現(xiàn)象。精密矯直機一直使用圓筒型導(dǎo)衛(wèi)，這種導(dǎo)衛(wèi)具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、易于更換等優(yōu)勢，但是這種導(dǎo)衛(wèi)和鋼管外圓之間的間隙過大，在高速喂料時，極易發(fā)生鋼管跑偏和頂撞導(dǎo)衛(wèi)事故，因此開發(fā)了一種強迫鋼管對中的導(dǎo)衛(wèi)裝置，具有機構(gòu)質(zhì)量輕、導(dǎo)向準(zhǔn)確等優(yōu)勢，用于該機的鋼管喂入導(dǎo)向。
喂料導(dǎo)入機構(gòu)可簡單描述為: 喂料輥呈上下對置布置，下輥為驅(qū)動輥，上輥為被動輥，下輥的V形角為100°(如圖4所示)，上輥為平輥，便于鋼管準(zhǔn)確和矯直中心線對中。上、下兩輥均
能升降，便于喂料時接觸鋼管，矯直時迅速和鋼管脫離。
該喂料導(dǎo)入機構(gòu)的特點是: 在喂料過程中給鋼管以前進(jìn)的動力，并能嚴(yán)格限制鋼管前進(jìn)的方向，實現(xiàn)準(zhǔn)確喂料導(dǎo)人的功能。
3.2 主機
主機是實現(xiàn)鋼管矯直的關(guān)鍵設(shè)備，主機輥系如圖5所示，經(jīng)過3.5個矯直環(huán)節(jié)的矯直和3對輥的對壓實現(xiàn)被矯鋼管直線度的提高以及橢圓度的歸圓。主機由主機本體以及相應(yīng)的矯直輥傳動機構(gòu)組成，并設(shè)置了矯直輥換輥機構(gòu)和矯直棍在線修磨、清潔系統(tǒng)。
主機本體主要特點:
(1). 運用組合式輥系布置方式回避了多環(huán)節(jié)矯直過程中出現(xiàn)的負(fù)作用因素。
(2). 組合式輥系中出現(xiàn)的短輥距(圖5中和L2)，一方面減小了管頭和管尾的矯直盲區(qū)，同時使短輥上管子和輥子實現(xiàn)了全接觸，有利于被矯鋼管圓度的提高。
(3 ). 矯直輥的轉(zhuǎn)角系統(tǒng)(角度調(diào)節(jié)系統(tǒng))采用液壓比例系統(tǒng)控制，提高了矯直輥的角度精度及矯直輥鎖緊的可靠性。
(4). 獨特的壓絲杠消除螺母間隙，實現(xiàn)間隙調(diào)節(jié)的數(shù)字化顯示，極大地抑制了矯直過程中矯直棍彈跳的可能性; 1#下輥可實現(xiàn)快開，以方便頭部彎曲的鋼管咬入。
(5 ). 簡化上矯直輥和下中間矯直輥的壓下及壓上傳動鏈以及其數(shù)值檢測系統(tǒng)的檢測鏈，提高傳動精度，檢測元件設(shè)置在壓上、壓下絲杠頭部，便于直接檢測壓上、壓下數(shù)據(jù)。
(6). 矯直機上、下橫梁的定位依靠立柱，矯直機矯直輥的初始角度也以立柱定位，定位基準(zhǔn)統(tǒng)一，并在矯直輥輥盤上加工定位面，精確矯直輥的初始角度，較以往通過樣棒檢查矯直輥和樣棒切合程度標(biāo)定矯直輥初始角度的方法，在精度上有很大提高，并且降低了大規(guī)格矯直機初始角度定位時的人工勞動強度。
(7 ). 分區(qū)甘油潤滑機制，減少了甘油配管交錯，設(shè)備檢修維護(hù)方便，設(shè)備外觀整齊，在主機上設(shè)置 2個集中甘油潤滑區(qū)，上橫架的矯直輥壓下、矯直棍轉(zhuǎn)角以及矯直輥鈾承潤滑設(shè)置在矯直機頂部，下橫梁的矯直輥壓上、轉(zhuǎn)角以及矯直輥軸承的潤滑設(shè)置在下橫梁側(cè)邊的地坑。
主機矯直輥傳動系統(tǒng)主要特點 :
①多環(huán)節(jié)矯直過程中的擴徑現(xiàn)象一直是困擾精密嬌直機的難題，英國BONX和意大利麥爾公司采用增大矯直輥初始角度來減小擴徑量，雖然能減小擴徑量，但矯直精度降低約 30% ;
②采用小角度的組合輥系方案 .一方面輥系的優(yōu)勢使得擴徑量不大，但是材質(zhì)偏軟的鋼管仍然會表現(xiàn)出擴徑，雖然可以通過對這部分鋼管的擴徑量進(jìn)行統(tǒng)計，以此來調(diào)節(jié)上游加工工序的尺寸偏差，保證最終成品鋼管的尺寸精度，但是這種方法存在工作量偏大、人工干預(yù)因素過多、得到的擴徑量數(shù)值不能在不同的企業(yè)中通用等缺點。
由于目前該設(shè)備是國內(nèi)精密矯直機中直徑最大的矯直機，矯直輥間距較大，空間上具備實現(xiàn)單獨傳動的可能性，能否通過矯直輥的單獨傳動使各個矯直輥之間的被矯鋼管建立起微小的張力而達(dá)到限制擴徑的目的成為研究的焦點。在該矯直棍單獨傳動矯直機上實際的矯直過程表明: 單個矯直輥扭矩分布情況和目前的經(jīng)典公式計算情況趨于一致; 對于 D/t<18時，不用調(diào)節(jié)各矯直輥的速度差; D/t>24時，有必要實現(xiàn)微張力，張力系數(shù)1.05左右，并且不用各輥之間遞增，但是輥子的基準(zhǔn)速度不能太高。由于單獨傳動矯直機是國產(chǎn)首套設(shè)備，且其工藝過程類似于斜軋微張力，和我們目前基本掌握的縱軋方式下的微張力存在一定的區(qū)別，認(rèn)識和使用上還存在在一定難度，因此期望在設(shè)備實際使用經(jīng)驗的鋪墊下，進(jìn)一步加大微張力矯直過程中的基本理論研究。
3.3 后臺
精密矯直機所矯鋼管為經(jīng)冷軋、冷拔鋼管，表面不允許有二次損傷，嚴(yán)禁在矯直過程中發(fā)生磕碰。在矯直過程中，后臺是易于和鋼管發(fā)生碰撞的部位，特別是在矯直速度提高之后，后臺既要抑制鋼管甩動(鋼管頭部甩動嚴(yán)重影響矯直質(zhì)量) ，又要防止磕碰，為此開發(fā)了被動交錯運輸輥道和夾送輥相配合的方案。
方案的優(yōu)勢在于夾送輥只有在鋼管矯直完畢需要徹底從主機中拋出時才和鋼管接觸，矯直過程中與鋼管脫離，排除了與送料機構(gòu)磕碰的可能性。
交錯輥道呈V形并附鋼管前進(jìn)方向間隔布置，達(dá)到導(dǎo)向和抑制鋼管甩動的目的，輥道內(nèi)部采用尼龍芯，外部為纖維低彈性布套，既耐磨又避免了鋼管和輥道的磕碰。
在線簡易測量直線度對于精密矯直過程非常重要，精密矯直對于輥縫、角度等工藝調(diào)整因素非常敏感，根據(jù)矯直鋼管的情況 .經(jīng)常要對設(shè)備進(jìn)行工藝調(diào)整，通過簡易的方法在線對鋼管直線度進(jìn)行測量，迅速回饋給工藝調(diào)整者，不僅提高了生產(chǎn)效率，而且降低了操作工人的勞動強度。測量基本原理為: 在后臺和料架之間有一個過渡工位，鋼管落入過渡工位并靜止之后，在過被工位上有兩個升降支架將鋼管輕輕挺起 .隨后在兩支架之間有一滾輪滾過，通過測定滾輪的彈跳，簡易測量鋼管的直線度。
四、 使用情況及存在問題
( 1 ). 矯直輥傳動系統(tǒng)。從理論和實際使用情況表明，單獨傳動存在優(yōu)勢，但設(shè)備造價偏高，需要進(jìn)一步從使用經(jīng)驗上判斷性價比的問題。
( 2 ). 前臺C形套內(nèi)襯材料問題。目前該設(shè)備的內(nèi)襯材料仍采用精密矯直機前臺內(nèi)襯的普遍材料一尼龍。使用時發(fā)現(xiàn)隨著鋼管直徑增大，鋼管在前臺的甩動沖擊力增大，尼龍的消耗量明顯增大。通過在尼龍和C形鋼結(jié)構(gòu)之間增加吸收震動沖擊性能好的橡膠，尼龍襯的消耗明顯下降。
( 3 ). 換輥機構(gòu)存在問題。 輥系布置的特殊性，導(dǎo)致立柱布置不對稱，采用傳統(tǒng)的扁擔(dān)梁式的換輥機構(gòu)使得換輥過程困難，改為C形換輥機構(gòu). C形鉤勾住矯直傳動端的法蘭將矯直輥從主機中吊出。新設(shè)計時，必須考慮傳動端法蘭與C形鉤結(jié)合面的強度，以免發(fā)生事故。
( 4 ). 矯直輥噴淋系統(tǒng)存在問題。原設(shè)計為一套噴淋潤滑油箱，即噴淋在矯直輥上的煤油落在下橫梁面上經(jīng)過過濾回到油箱，在使用過程中發(fā)現(xiàn)，回收的油品雜質(zhì)太多，導(dǎo)致油品變壞，因此增加一套回油箱，待回油積滿后，在過濾機上過濾后再使用。由于煤油的揮發(fā)性較強，在矯直非退火狀態(tài)的鋼管時，采用低負(fù)荷齒輪潤滑油，該潤滑油也具有清潔輥面的作用。
( 5 ). 鋼管簡易測量裝置兩支架間的距離不能過長，不能適應(yīng)長尺鋼管的測量。在后臺設(shè)置2.5m寬的簡易平臺目測鋼管矯直情況，較為方便。
五、 結(jié)論
近兩年的生產(chǎn)實踐表明. 通過合理的參數(shù)設(shè)計，大直徑高鋼級精密鋼管可以通過輥式多環(huán)節(jié)矯直的方法獲得高精度矯直。對于D/t值較大的精密鋼管，通過矯直輥單獨傳動建立微張力的矯直，獲得了滿意的鋼管端面尺寸偏差。應(yīng)特別注意的是，在大直徑精密管材矯直過程中，前后臺的設(shè)計要充分考慮因管材直徑增大帶來的甩動沖擊的因素。該機組可以作為國內(nèi)新上高鋼級大直徑鋼管精密矯直機的參考。
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作者: 陳峰(1981一 )，男，工程師，主要從事管材精密矯直設(shè)備的研究和設(shè)計工作。
收稿日期: 2013-04-22
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