CN1010562B - 摆辊式四辊型材滚弯机 - Google Patents

Abstract

本发明属于冷弯型钢轧机技术领域。它公开了一种摆辊式四辊型材滚弯机的辊位布置和滚弯成型原理，并利用此原理设计制造拱型支架滚弯机，其主要技术特征表观在摆辊轴装置，箱形摆臂，摆辊摆动与定位机构上。本发明的优点是拱型支架弓形弧梁可使其展开长度定长下料，自动连续入料，不停机调辊位，贯穿式连续滚弯成型，滚弯后工件两端的直边长度小于截面高度1.5H，此滚位布置及滚弯原理可应用在各种型材和卷板机上。

Description

本发明属于冷弯型钢轧机技术领域。

目前国内外在冷弯型钢轧机的技术领域中，已有的各种型材滚弯机，国内外检索有：

1.美国：WELDING    DESIGN    AND    FABRICATION    1979年6月，vol，52NO·6P84。

题为《Has    anything    changed    in    bending    roll    design》

2.西德海茵兹曼设备公司（Bochumer    Eisenhlitte    Heintzmann    GmbH    and    Co.KG）提供的。我国煤炭部准备引进的31-型拱形支架专用滚弯机（Sperial-Biegemaschine    Type    31.32）1982-1985年。

3.日本压力加工手册，日本塑性加工学会编，机械工业出版社出版，1984年10月第一版。

4.中国专利局检索：检索期限1963-1987。

根据上述检索资料，将各种型材滚弯机可用辊位布置图及其滚弯成型过程分述如下：（所有辊位布置图中直线箭头表示辊轮移动的方向;旋转箭头表示主动滚轮的旋转或绕另一中心摆动的方向;辊轮中心线上的斜剖线表示该辊位固定。）

①不对称三辊机

不对称三辊机典型的辊位布置如图9所示，为西德31-型拱型支架专用滚弯机的辊位布置图。侧辊9-2，9-3的中心距是该滚弯机的实际尺寸，它是根据被滚弯型材的截面系数，抗弯强度，及滚弯后两端的直边长度，对中心辊轴9-1及侧辊轴9-2进行强度与结构设计所决定。其中心距是不可能再小，尽管把侧辊9-2的直径尽量减小，但其与侧辊3中心距之和仍等于500毫米，这就决定了弓形弧滚弯成型后，前后两端的直边长度之和不小于500毫米。所以这种滚弯机对弓形弧零件，不能按展开长度定长下料，滚弯后必须将两端的直边部分截掉。

②四辊滚弯机

四辊双夹紧型滚弯机的辊位布置及其滚弯成形过程如图6所示。图7所示的万能式四辊机与图6不同之处在于中心辊7-1可作水平方向调节，因此可作为矫正设备使用。图8为四辊卷板机的辊位布置图。辊8-1和8-2可进行垂直调节，侧辊 8-3，8-4可以摆动。其滚弯成型过程与图6所示基本相同。

上述三种四辊滚弯机，它们集中了三辊机的优点，一次入料即可消除两端直边而滚弯成型。但滚弯过程中，侧辊3、4交替调节至滚弯工作位置，中间必须停车，特别是其滚弯过程不连续，因此变形不均匀，滚弯精度较低，为了得到均匀和精确的圆度，需往复滚3、4次以上。因此，仍不适于大批量的高效生产。

总之，无论不对称三辊机还是现在已有的各式四辊机，它们共同的不足之外是对于弓形弧零件或整圆工件，都不能按零件展开长度定长下料，一次入料，不停机调辊位，通过式连续滚弯成型，且滚弯过程中功率消耗不能达到经济合理，生产效率较低。

本发明的目的是消除现有各型滚弯机的不足，达到下列理想目的：

1.按最佳工艺流程对弓形弧轧件滚弯成型，即对弓形弧零件按展开长度定长下料，一次入料以通过式地滚弯成型为产品。

2.一次入料，不停机调辊位，连续滚弯成型，在滚弯过程中把辊位调节的时间耦合于工件的滚弯过程中，达到滚弯效率等同于辊轮滚圆的线速度。滚弯后，其两端直边长度之和的大小，不受辊轮直径或两轮中心距的影响，可随意大小;滚弯精度高，并具备对称三辊机省力，功率消耗低的特点。

3.采用新型滚轮结构，以最经济合理的滚弯力，突破经验公式，Lmin≥1.5H

其中：Lmin滚弯后的最小直边长度（mm）

H型钢弯曲截面高度（mm）

从而达到充分发挥摆辊式四辊机可随意减小两端直边长度的性能。

本发明的主要技术特征分述如下：

1.摆辊式四辊型材滚弯机的辊位布置

摆辊式四辊型材滚弯机的辊位布置如图1所示。它是由固定的中心辊1、摆辊2及可沿箭头方向调节的左、右侧辊3和4组成，它和旧式四辊滚弯机不同之处，主要是中心辊1与摆辊2之间用摇臂6铰接起来。摆辊2不仅是主动轮，而且可绕中心辊1的轴摆动。其工作原理的实质是相当于图2所示两台不对称三辊机的组合。在滚弯过程中，摆辊2先后获得如图2中侧辊2-2和2-2′的位置。摆辊式四辊机中，中心辊1和摆辊2都是主动辊，侧辊3、4为从动辊，如图1及图3所示。图3中辊5为校正辊，对被滚工件的圆弧曲率进行校正。由于摆辊2是绕中心辊1的轴线摆动，由图3可知，轴Ⅰ和轴Ⅱ可用中心距不变的圆柱齿轮i= (z₁)/(z₂) 传动。为了补偿中心辊1和辊2的滚圆线速度的不同步，轴Ⅱ和齿轮Z₂的联接设有超越离合器。

根据滚弯载荷的大小及对辊轴Ⅰ、Ⅱ刚性的不同要求，摆臂6可设计成如图3b）所示的闭式箱形摆臂或辊轴上端为开式的摇臂。箱形摇臂把中心辊1和摆辊2在滚弯工件两端小直边长度时的最大径向力变为内力，具有结构紧凑及刚性大等优点。适合于大批量滚弯同一型材截面的弓形弧零件。而开式则有利于换辊和加工圆环形零件成型后的卸活。

摆辊的摆动由摆动机构来传动。通过摆动油缸8上的齿条往复运动，传动中间齿轮7，带动摆臂6上的扇形齿轮，使与摆臂铰接的摆轴2围绕中心轴Ⅰ摆动，摆辊摆动量的大小根据被滚弯工件两端中的最小直边长度决定，用控制摆动油缸8的单向行程L来控制。

L_mmK·a/2sin^-1（ (R+r₂)/(a) × (1₁)/(R) ） （1）

式中：r₂-摆辊的滚动圆半径（mm）

K-工件滚弯塑性变形的回跳系数，由试验确定，一般可取k＝1-1.5

d/2-摆臂扇形齿轮的节圆半径（mm）

a-中心辊1与摆辊2的中心距（mm）

R-工件外滚动圆半径（mm）

L-被辊弯工件两端允许的直边长度的最小值（mm）

摆动油缸的行程L是通过调节可调挡块9使其在滑尺上的读数为L，用挡块定位油缸10作行程定位，再在摆臂的另一端用摆臂定位销进行刚性定位。双向定位消除了齿轮齿条传动的间隙，保证摆辊有精确的刚性定位。

2.摆辊的运动轨迹及其设计

摆辊及其摆动机构是新型滚弯机的核心，摆辊的运动轨迹及其摆动量的大小是工件滚弯后两端直边长度的决定因素。

由图4可知，摆辊的运动轨迹就是摆辊的轴线 O₂的运动轨迹，它是以O₁为轴心，O₁O₂为半径的圆弧;摆辊的工作轨迹近似是以O₁O₂为半径摆辊2摆动时圆周的包络线 ，包络线 与与工件成型后的外工作圆弧的交点分别为A、B，则AC、BC分别就是工件滚弯成型后的前端与后端的直边长度。

设工件滚弯成型后前端与后端允许的直边长度分别为l₁、l₂由图4可知，设计时必须满足L₁≤ AC，L₂≤ BC，设摆辊2左侧为工件入料端，则摆辊摆动后与工件的接触点B、A分别在工件的直边和已弯曲成型的弧面上，其摆动量

，所以 AC< BC

对于弓形弧或圆环的滚弯件，一般要求：

l₁＝l₂因此取

＜l₁＝l₂

为了简化计算，取AD≤l₁＝l₂（∵ AD＜ AC）

设摆辊滚动圆的包络线

的曲率半径为r，由图4可得：

r＝（r₁+δ）+C（2）

又r＝O₁E≈O₁A由△OAD与△O₁AD求得

$\mathrm{r\; =}\sqrt{\mathrm{AD}{}^2{\mathrm{+［（r}}_1\mathrm{+\delta \; ）-R-}\sqrt{R{}^2\mathrm{-AD}{}^2}{］}^2}$

式中：

R-工件圆弧的外曲率半径R_min～R_max（mm）

r₁-中心辊的滚圆半径（mm）

r₂-摆辊的滚圆半径（mm）

δ-工件型材断面在r₁与r₂滚动圆之间的厚度（mm）

C-摆辊在中间位置时，与工件外圆弧之间的平均间隙CE（mm）

参数选择：

1.r₁根据中心辊轴及辊轮的强度与结构设计进行初步确定，选择最大的r₁值。

2.R为被加工的R_min～_max，计算时，R与δ应相应分别代入公式计算r

3.根据型材滚弯后可能得到的最大直边长度（包括采用新型的滚轮结构）l₁＝l₂＝AD

将上述加工范围内的各组数值分别代入（3）式，计算出r_min与r_max值。

则C_min＝r_min-（r₁-δ）

C_max＝r_max-（r₁+δ）

取C＝ (Cmin+Cmax)/2 ＞0 （4）

C值是决定摆辊最大摆动量的关键参数，也是决定摆辊式滚弯机在设计的加工范围内。工件滚弯后两端直边长度大小的重要参数。按一定的加工范围设计出滚弯机的辊位布置参数后，使用时，则依靠下述辊轮直径计算公式来满足不同型材截面（包括厚度δ）的工件的最小直边长度的要求。

滚弯后工件的最小直边长度 AD值可用下述公式进行验算：

AD＝ $\sqrt{R{}^2\mathrm{-(R-CD)}{}^2}$

其中：CD＝ (y²-k²)/(2(R-k))

K＝r-C

中心辊和摆辊的滚动圆半径可根据下述公式计算：

r²＝ (a-c)/(i+1) （6）

r₁＝ir₂-δ （7）

式中前面未说明的代号：（参阅图3）

a-中心距（mm）见图3b

i-中心辊轴与摆辊轴间的传动比i＝ (z₁)/(z₂)

根据上述原理和方法设计成的摆辊式四辊机的辊位布置图，可满足在设计加工范围内不同工件滚弯成型后两端的最小直边长度要求，其l₁l₂值的变化范围为±5%

3.滚弯过程

摆辊式四辊型材滚弯机的滚弯过程如图5所示，可分解为四步：

1）图5a/为试调辊位的情形，预调摆辊向右摆到位，根据样板检查工件曲率的误差，反复调节左、右侧辊3、4，必要时，同时修正摆辊向右，向左的摆动量，保证各弯曲辊的辊位都在理想的工件弯曲工作面上。只有这样，才能保证在连续滚弯过程中，下述三步工作准确可靠地进行。当各辊位试调好后，即可按预调辊位按自动循环连续滚弯成型。

自动循环连续滚弯时，第一步是摆辊如图5a/所示右摆复位，左侧辊3视入料情况可预调 到位，亦可采用自动控制与工件入料同步到位。

2）如图5b/所示，1、2、3辊按左不对称三辊机辊位布置工作，滚工件前端成型。当工件前端已成型部分到达侧辊4上时，摆辊2开始向中间位置摆动。

3）摆辊2向左摆至中间位置，如图5c/所示，1、3和4辊按对称三辊机辊位置工作。工件除前、后两端部分外，大部分滚弯工作在此完成。

4）如图5d/所示，当工件尾端脱离侧辊3的工作面时，摆辊2向左摆动到位，工件后端由1、2、4辊按右不对称三辊机辊位弯曲成型。

当工件的入料角小于滚轮的咬入角时，侧辊3、4可按预调辊位调好固定不动，直接入料按左不对称三辊机-对称三辊机-右不对称三辊机辊位布置连续滚弯成型，在每件工件的滚弯过程中，只有摆辊辊位按预调位置摆动，工件毛料可连续入料，滚弯机具有接近滚轮滚圆线速度的高生产效率。

本发明的优点是：

1.弓形弧或整圆工件，可按零件的展开长度定长下料，一次入料即可完成预弯前端、滚弯中段及后端等三步工作;三步工作的连续转换是通过摆辊按预调摆动到位来实现的。

2.工件从入料到滚弯成型的全过程是连续的。摆辊的辊位调节时间完全耦合于工件的滚弯过程之中，消除了一般滚弯机为预弯前、后端需停机调节辊位的辅助时间。并可连续滚弯三曲率弓形弧和椭圆弧。摆辊式滚弯机具有辊位调节简单、精确及具有最高的生产效率。

3.摆辊式滚弯机具有不对称和对称滚弯机的综合性能。因此与不对称滚弯机比较具有功率消耗最经济的特点。

4.这种新型的滚位布置，可推广应用各类型的滚弯机，从而使滚弯机在新设计及其在实现自动循环操作和提高生产效率方面产生一个飞跃。

实施本发明的技术经济效果与社会效益是：

1、摆辊式拱形支架滚弯机最适合于加工拱形支架的弓形弧梁，是唯一能以贯穿式连续把弓形梁滚弯成型的滚弯机，可以替代从西德引进31或32型拱型支架专用滚弯机。与引进设备相比，按设备生产能力年产三万吨拱型支架计算，由于免于切除滚弯后两边的直边长度，每年可节约U型钢29Kg/M型材九万米，并可简化工艺，节省大量的二次切除料头的工时费。

2、摆辊式型材滚弯机比旧式滚弯机容易实现自动化。与已有滚弯成型、模压成型等设备比较，可提高生产效率2倍以上，而且消除了笨重体力劳动。

图1为摆辊式四辊机的滚位布置。

图2为两台不对称三辊机流水作业的组合布置。

图3为立式型材摆辊式四辊机结构原理图。

其中：a/表示平面布置图

b/表示1、2辊轴剖面图

3-1表示中心辊;3-2表示摆辊;3-3表示左侧辊;3-4表示右侧辊;3-5表示校正辊;3-6表示摆臂;3-7表示中间齿轮;3-8表示摆动油缸;3-9表示可调挡块;3-10表示挡块定位油缸;3-11表示摆臂定位销。

图4为摆辊的运动轨迹。

图5为摆辊式四辊机的滚弯过程。

其中：a/表示起始位置，入料，侧辊3、4进给到位;b/表示侧辊4工作，摆辊2开始左摆;c/摆辊2摆到中间位置，1、3、4辊按对称三辊机工作;d/摆辊2向左摆动到位，1、2、4辊将尾端滚弯成型。

图6为四辊双夹紧滚弯机的滚位布置及其滚弯成型过程。

图7为万能式四辊机。

图8为1、2辊可调，3、4辊为主动辊的四辊机的辊位布置。

图9为带校正辊9-4的不对称三辊机的辊位布置。

图10为摆辊式四辊拱形支架滚弯机。

其中：10-1表示中心辊轴装置;10-2表示摆辊轴装置;10-3表示左进给辊;10-4表示右进路辊;10-5表示校正辊;10-6表示箱形摆臂;10-7表示机身;10-8表示摆动油缸;10-9表示定位挡块;10-10表示定位装置;10-11表示主传动系统。

图11、12为组合摆辊的主视图和侧视图。

其中：11-1表示下摆辊体;11-2表示凸辊圈;11-3表示上摆辊体;11-4表示下凹辊环;11-5表示滚针;11-6表示上凹辊环。

摆辊式四辊拱形支架滚弯机是采用摆辊式四辊机的辊位布置及其滚弯成型原理设计并试制成功的机床，适用于大批量滚弯成型矿用U型钢拱形支架的弓形弧。

本发明的主要技术性能是：

能滚弯的U型钢型号（kg/m）

U18，U25，U29，U36

能滚弯的最大截面模数（cm³）

δ_s＝450N/mm²W_x＝175

δ_s＝650N/mm²W_x＝137

滚弯的圆周长＜ 2/3 πR R≥1500mm

滚弯后两端的最小直边长度

U18，U25≤60mm

U29，U36≤80mm

滚弯效率：三种速度9-14吨/小时

主电机功率：40KW

拱形支架滚弯机的辊位布置如图3a所示，它的传动系统原理，如图10所示。本发明系立轴式滚弯机，全机主要由下述部件组成：中心辊轴装置10-1，摆辊轴装置10-2，左、右进给辊装置10-3、10-4，校正辊装置10-5，箱形摆臂10-6，摆辊摆动油缸10-8，定位机构10-9、10-10，机身10-7及主传动系统10-11，另外还有液压传动与控制系统及电气控制系统等。

本机的技术特征主要表现在摆辊轴装置，箱形摆臂、摆辊摆动及定位机构上。与已有双夹紧式四辊机比较，从图3a）和图6可知，本机用摆辊2取代了图6中的垂直可调的夹紧辊6-2，其位置也是在左、右侧辊之间。摆辊轴与中心辊轴的两端轴颈用一箱形摆臂10-6铰接起来，使滚弯时两轴辊之间的最大滚弯力成为内力，由摆臂承受，刚性大，结构紧凑。摆臂除用滚动轴承铰接在固定的中心辊轴及摆动辊轴上外，摆臂在摆动轴的一端还有摆动导轨支承，摆臂上有扇形齿轮与摆动机构啮合，通过摆动油缸10-8上的齿条及定位装置10-9、10-10，使摆辊绕中心辊轴按预调位置摆动和定位。中心辊和摆辊都是主动辊，摆辊是由一对与中心辊轴的中心距保持不变的圆柱齿轮传动。摆臂上两轴中心距a＝718.33mm，中心辊与摆辊的速比U 45/25 ＝1.8，齿轮模数m＝20。摆辊与工件外圆的设计间隙△＝2.5～3.5mm，滚弯后两端的直边长度如上所述。为了补偿两轴辊之间在滚弯时与工件接触的滚圆线速度的差异，在摆辊轴上设有速度补偿离合器。

摆辊式四辊拱形支架滚弯机的摆辊结构是组合式的，如图11、12所示。摆辊主要由下摆辊体11-1，上摆辊体11-3，凸辊圈11-2，下凹辊环11-4，上凹辊圈11-6和滚针11-5组成。滚弯时，上、下凹辊环和凸辊圈分别与U型钢轧件滚弯成型时最大外圆与最小外圆面滚动接触，通过与相应的中心辊轮的共同作用，可成型对U型钢截面高度进行力的分解，达到了减少弯曲截面高度H及其截面模数W_x的目的，如矿用U₂₉型钢（29公斤/米），其弯曲方面的截面模数W_x＝94cm³，采用本机的组合摆轮后，W_x值减小到30cm³左右。因此，以相同的滚弯力，采用组合摆辊可使滚弯后工件的直边长度L减小到原来的三分之一，即L≥0.5H。

另外，根据中心辊与摆辊之间的传动比U＝1.8，故采用组合摆辊的最小滚动圆为主动辊，最大滚动圆则为从动辊，两者之间用滚针11-5分开，从而大大降低了摆辊在不同工作面与工件之间，由于线速度不同产生干涉滑动摩擦，实现了所有辊轮在滚弯过程中接近于纯滚动。

总之，采用组合摆辊，巧妙地突破了U型，π型等型钢，滚弯后两端直边长度L应大于或等于其弯曲方向的截面高度H的1.5倍的限制。因此，可充分发挥本机对滚弯工件的两端直边长度可通过调节摆辊摆动量的大小随意调节的性能。

本发明在技术性能方面的最大特点是对拱形支架弓形弧梁，可按其展开长度定长下料，自动连续入料，不停机调辊位，贯穿式连续滚弯成型。滚弯后工件两端的直边长度U₁₈，U₂₃型钢，不大于60mm;U₂₉，U₃₆型钢，不大于80mm。其最大滚弯力比联邦德国海因兹曼公司的31型，32型拱形支架滚弯机，当其两端滚弯后的直边长度等于200mm时还省力，本机在一个滚弯循环过程中，有五分之三的工作时间是按对称三辊机的省力省功率的状态下工作。

Claims (7)

1、一种摆辊式四辊型材滚弯机，它由轴位固定的中心辊轴装置，摆辊轴装置，左、右进给辊装置，校正辊装置，机身，主传动系统，液压传动与控制系统，电气控制系统等组成，中心辊和摆辊为主动辊，左、右侧辊为惰辊，其特征是摆辊轴装置与中心辊轴装置之间用箱形摆臂铰接起来，摆辊绕中心辊摆动，而且两轴之间用一对中心距不变的齿轮进行传动，摆辊的摆动是由摆动装置中的摆动油缸及定位装置传动和控制，在一个辊弯循环中，摆辊在不中断辊弯成型的过程中按预调位置分别向右、复位、向左摆动到位，先后与中心辊和左、右侧辊连续组成右不对称，对称及左不对称三辊机，所以能使滚圆一次入料，费穿式连续成型。

2、如权利要求1所述的滚弯机，其特征在于摆辊轴装置在左、右侧辊之间，摆辊轴与中心辊轴的两端轴颈用箱形摆臂铰接起来，使滚弯时两轴辊之间的最大滚弯力成为内力，由摆臂承受，摆臂除用滚动轴承铰接在固定的中心辊轴及摆动辊轴上外，摆臂在摆动轴的一端还有摆动导轨支承，摆臂上有扇形齿轮与摆动机构啮合，通过摆动油缸上的齿条及定位装置使摆辊绕中心辊轴按预调位置摆动和定位，摆辊摆动的弧度由调节摆动油缸的单向行程来控制。

3、如权利要求1或2所述的滚弯机，其特征在于摆辊结构是组合式的，摆辊主要由下摆辊体、上摆辊体、凸辊体、下凹辊环、上凹辊圈和滚针组成。

4、如权利要求1或2所述的滚弯机，其特征在于摆辊轴上装有速度补偿离合器。

5、如权利要求1或2所述的滚弯机，其特征在于摆臂上两轴中心距a＝718.33mm，中心辊与摆辊的速比u＝1.8，齿轮模数m＝20。

6、如权利要求1或2所述的滚弯机，其特征在于摆辊与工件外圆的设计间隙C＝2.5-3.5mm

7、权利要求1或2所述的滚弯机，其特征在于滚弯时，上、下凹辊环和凸辊圈分别与U型钢轧件滚弯成型时的最大外圆与最小外圆滚动接触，使滚弯后工件的直边长度小于截面高度1.5H，大于0.5H。

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