CN102151719B

CN102151719B - 一种钽铌合金管材高精度矫直机

Info

Publication number: CN102151719B
Application number: CN2011100339322A
Authority: CN
Inventors: 谈业勤; 谭叶林; 崔甫; 崔志昌; 李再斌
Original assignee: Liaoning Yinjie Machinery & Equipment Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Liaoning Yinjie Equipment Technology Co ltd
Priority date: 2011-01-31
Filing date: 2011-01-31
Publication date: 2012-08-01
Anticipated expiration: 2031-01-31
Also published as: CN102151719A

Abstract

一种钽铌合金管材高精度矫直机，包括矫直主机、液压伺服系统、电气控制系统；矫直主机采用2-2（12）复合辊的构造，共设置6对上、下对称布置的矫直辊，其中第一、二、三对辊为大辊，第四、五、六对辊为小辊，各矫直辊的辊形均为分段等曲率反弯辊形，辊距为异辊距；所述液压伺服系统、电气控制系统对矫直辊的位移量、矫直主机的压力采用闭环控制，对矫直速度采用无级调速；本发明的矫直机可以达到被矫材直径比达到1:5；被矫材直径为Φ15mm-Φ70mm，壁厚为0.254mm-0.381mm，矫直精度可以达到0.3mm/m；该矫直机也可以矫直如高品质合金钢等高强度合金材料的管材。

Description

一种钽铌合金管材高精度矫直机

技术领域

本发明属于机械技术领域，涉及一种管材矫直机，具体涉及一种稀有金属合金管材高精度矫直机，尤其是适用于钽铌合金、大管径、薄管壁的合金管材的高精度矫直机。

背景技术

目前稀有金属及其合金材料在航空航天、电子通讯、核发电等工业领域应用的越来越广泛，对其管材、棒材的直线度(弯曲度)提出了更高的要求，特别是对高质量的合金材料要求直线度达到0.3mm/m以下。国内外现有技术的管材矫直机，已经能使合金管材达到直线度≤0.3mm/m。如中国专利号为ZL200820010643.4、申请日为2008.2.3(是本申请在先申请的专利)中，公开了一种“合金圆材高精度矫直机，具体公开了该矫直机主要由布料台、上料辊道、矫直主机、下料辊道、集料装置、液压系统、电气控制系统构成，特点是矫直主机采用二段等曲率反弯辊形，构造为2-2(8)复合辊系，共设4对上下对称的矫直辊，其中一、四对辊为双曲线辊形，二、三对辊为等曲率反弯辊形。该矫直机对合金圆管的矫直精度达到了0.3mm/m”，但该矫直机对大管径、薄管壁的高强度合金管材矫直，特别是对被矫直管材直径为Φ15～70mm、壁厚为0.254～0.381mm的钽铌合金管的矫直，仍然难以实现。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种管材矫直机，特别适用于钽铌合金管材的高精度矫直机，实现对管材直径为Φ15～70mm、壁厚为0.254～0.381mm的钽铌合金管材的矫直，并达到矫直精度0.3mm/m。

本发明矫直机主要由布料台、上料架、上料辊道、矫直主机、下料辊道、下料架、集料装置、C型架、液压站、液压伺服系统、电气控制系统组成；

所述液压伺服系统包括位置传感器、液压伺服阀或比例阀、驱动器；

所述电气控制系统包括PLC、变频器、人机界面；

实现本发明目的的技术解决方案是：所述矫直主机采用2-2(12)复合辊的构造，共设置6对上、下对称布置的矫直辊，其中第一、二、三对辊为大辊，第四、五、六对辊为小辊，各对大辊之间的辊距相同，各对小辊之间的辊距相同，每对大辊之间的辊距与每对小辊之间的辊距不相同，即为异辊距，各矫直辊的辊形均为分段等曲率反弯辊形；所述液压伺服系统、电气控制系统对矫直辊的位移量、液压管线内的供给压力采用闭环控制方式，对矫直速度采用无级调速；

所述各对大辊之间的辊距：390mm～450mm；

所述各对小辊之间的辊距：245mm～305mm；

所述大辊系与小辊系之间的辊距：325mm～385mm；

所述分段等曲率反弯辊形为三段等曲率反弯辊形，大辊系的三段曲率半径范围分别为950mm～1200mm、2050mm～2300mm、3550mm～3800mm，小辊系的三段曲率半径范围分别为350mm～600mm、850～1100mm、1550mm～1800mm；

所述每对矫直辊的等曲率反弯辊缝的长度不小于一个导程t，而为了完成高精度矫直目标，则需要矫直辊的每段辊形的工作长度不小于3个导程t；

所述6对矫直辊均设有液压油缸，液压活塞在缸体内的位移量由位置传感器反馈信息，经PLC信息处理，通过控制液压伺服阀或比例阀的阀口油流量来控制伺服阀开口度和阀口压力差，从而控制矫直辊的位移量、液压管线内的供给压力，布料台、上料架、下料架、C型架闭合均由液压控制。

本发明的有益效果：采用液压伺服控制装置和位置传感器，实现了矫直辊位移量(即油缸位置的位移量)的闭环控制，保证了各矫直辊位移量的一致、准确，实现了对被矫直管材均布矫直力的矫直效果；采用异辊距大小辊系布置结构，扩大了矫直机的矫直范围；矫直辊为三段等曲率反弯辊形，提高了矫直精度及表面光洁度，尤其对高强度薄壁管材(如钽铌合金)进行矫直时，矫直辊的矫直能力有了很大提高，被矫管材在上、下辊形成的辊缝中旋转一个导程后，就可产生一个导程长度的全圆周等厚度的塑性变形区，通过3个导程，可实现全导程的反弯矫直，不会漏掉任何长度和任何相位而达到真正全长度和全方位的矫直目的，达到0.2mm/m～0.3mm/m的高精度矫直。

附图说明

图1为本发明的矫直机的结构示意图；

图2为矫直主机的结构示意图；

图3为矫直辊为大辊的辊形图；

图4为矫直辊为小辊的辊形图；

图5为矫直辊的位移量的闭环控制流程图；

图6为液压管线内的供给压力的闭环控制流程图；

图7为矫直力计算模拟示意图；

图8为电气控制系统的方框图；

图中：1、主电机I，2、主电机II，3、主电机III，4、主电机IV，5、主减速机I，6、主减速机II，7、主减速机III，8、主减速机IV；9、第一对大辊上辊、下辊，10、第二对大辊上辊、下辊，11、第三对大辊上辊、下辊，12、第一对小辊上辊、下辊，13、第二对小辊上辊、下辊，14、第三对小辊上辊、下辊；15、压下调整机构I，16、压下调整机构II，17、压下调整机构III，18、压下调整机构IV，19、压下调整机构V，20、压下调整机构VI；21、压上调整机构I，22、压上调整机构II；23、前导套，24、后导套，25、上横梁，26、调角机构，27、立柱，28、主机底座；29、上料架，30、下料架。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的矫直机作进一步详细描述；

本发明矫直机主要由布料台、上料架29、上料辊道、矫直主机、下料辊道、下料架30、集料装置、C型架、液压站、液压伺服系统、电气控制系统组成；

所述布料台位于矫直机的前端，布料台与上料辊道相接，上料辊道通过导向装置与矫直主机相连，矫直主机通过导向装置与下料辊道相连，在下料辊道之后设有集料装置。

布料台：钢性结构，主要完成待矫直材料拨料入上料装置；与上料辊道前端并列放置，拨料拨叉由液压系统控制将排列好的圆材拨入上料辊道。

上料辊道：刚性结构，安装柔性辊道用于输送待矫直圆材并防止损害合金材料；C型防护架防止圆材进入矫直机后甩动造成机械伤害；完成待矫直材料自动进入矫直机主机；与矫直主机通过导向装置相连。

矫直主机：主机采用12辊“异辊距”辊系结构设计，构造为大辊2-2(3)共6辊；小辊2-2(3)共6辊，计12辊，形成大、小辊复合辊系。所述异辊距设计可以扩大矫直管材直径比达到1∶5，扩大了矫直机的矫直范围。6对矫直辊(12辊)的上辊、下辊均采用分段等曲率反弯辊形设计，能全方位矫直各种金属合金管材及其薄壁管，精度可达0.3mm/m。6对矫直辊的6个上辊均可进行压下调整，并设有液压油缸及平衡油缸保护，第2、第5对辊的下辊可以进行压上调整。矫直主机通过导向装置与上、下料辊道相连。

下料辊道：刚性结构，安装柔性辊道用于输送被矫直后圆材，并防止损害合金材料。C型防护架防止造成机械伤害。完成矫直后的材料自动进入集料装置。后部并列放置集料装置。本发明的矫直机如图1，图2所示：

主电机I 1：驱动电动机(变频调速)，通过主减速机I 5及万向联轴器驱动3个大辊上辊(3辊集中式驱动)。与主减速机I 5通过输出轴法兰连接。

主电机II 2：驱动电动机(变频调速)，通过主减速机II 5及万向联轴器驱动3个大辊下辊(3辊集中式驱动)。与主减速机II6通过输出轴法兰连接。

主电机III3：驱动电动机(变频调速)，通过主减速机III7及万向联轴器驱动3个小辊上辊(3辊集中式驱动)。与主减速机III7通过输出轴法兰连接。

主电机IV4：驱动电动机(变频调速)，通过主减速机IV8及万向联轴器驱动3个小辊下辊(3辊集中式驱动)。与主减速机IV8通过输出轴法兰连接。

主减速机I 5：直尺减速机用于将主电机I 1进行一次性减速，满足驱动功率的要求。与主电机I 1安装在同一底板之上，输出三根传动轴，通过万向联轴器传动3个大辊上辊。

主减速机II6：直尺减速机用于将主电机II 2进行一次性减速，满足驱动功率的要求。与主电机II 2安装在同一底板之上，输出三根传动轴，通过万向联轴器传动3个大辊下辊。

主减速机III7：直尺减速机用于将主电机III3进行一次性减速，满足驱动功率的要求。与主电机III3安装在同一底板之上，输出三根传动轴，通过万向联轴器传动3个小辊上辊。

主减速机IV8：直尺减速机用于将主电机IV4进行一次性减速，满足驱动功率的要求。与主电机IV4安装在同一底板之上，输出三根传动轴，通过万向联轴器传动3个小辊下辊。

第一对大辊9：为输入辊，用于薄壁管的咬入与粗矫。其上辊与该辊压下装置相连并设有过载保护油缸，可进行角度调整。上辊受主电机I 1驱动，下辊受主电机II 2驱动，可进行角度调整。

第二对大辊10：即中间对大辊，用于薄壁管的精矫与传送。其上辊与该辊压下装置相连并设有过载保护油缸，可进行压下及角度调整。上辊受主电机I 1驱动，下辊受主电机II 2驱动，可进行角度调整。

第三对大辊11：用于薄壁管矫直后的圆整与传送。该对辊速度略高于其他对辊，以利于对管材形成微张力，提高矫直精度同时对被矫直材料起到拉出作用。其上辊受主电机I 1驱动与该辊压下机构相连，设有过载保护油缸及平衡油缸，可进行压下及角度调整。其下辊受主电机II 2驱动可进行角度调整。

第一对小辊12：为输入辊，用于薄壁管的粗矫与传送。其上辊与该辊压下装置相连并设有过载保护油缸，可进行角度调整。上辊受主电机III3驱动，下辊受主电机IV4驱动，可进行角度调整。

第二对小辊13：即中间对小辊，用于薄壁管的精矫与传送。其上辊与该辊压下装置相连并设有过载保护油缸，可进行压下及角度调整。上辊受主电机III3驱动，下辊受主电机IV4驱动，可进行角度调整。

第三对小辊14：用于较小薄壁管矫直后的咬出及圆整。该对辊速度略高于其他对辊，以利于对管材形成微张力，提高矫直精度同时对被矫直材料起到拉出作用。其上辊受主电机III3驱动与该辊压下机构相连，设有过载保护油缸及平衡油缸，可进行压下及角度调整。其下辊受主电机IV4驱动，可进行角度调整。

压下调整机构I 15：为液压伺服控制，是第一对大辊上辊压下调整机构，通过蜗轮蜗杆形式进行传动，该机构设置在输入辊过载保护油缸之上。可通过主电机I 1进行自动调整，也可通过手轮进行人工微调。

压下调整机构II 16：为液压伺服控制，是第二对(中间对)大辊上辊压下调整机构，通过蜗轮蜗杆形式进行传动，该机构设置在第二对大辊上辊过载保护油缸之上。可通过主电机I 1进行自动调整，也可通过手轮进行人工微调。

压下调整机构III17：为液压伺服控制，是第三对大辊上辊压下调整机构，通过蜗轮蜗杆形式进行传动，该机构设置在第三对大辊上辊过载保护油缸之上。可通过主电机I 1进行自动调整，也可通过手轮进行人工微调。

压下调整机构IV18：为液压伺服控制，是第一对小辊上辊压下调整机构，通过蜗轮蜗杆形式进行传动，该机构设置在第一对小辊上辊过载保护油缸之上。可通过主电机II 2进行自动调整，也可通过手轮进行人工微调。

压下调整机构V 19：为液压伺服控制，是第二对(中间对)小辊上辊压下调整机构，通过蜗轮蜗杆形式进行传动，该机构设置在第二对小辊上辊过载保护油缸之上。可通过主电机II 2进行自动调整，也可通过手轮进行人工微调。

压下调整机构VI20：为第三对小辊上辊压下调整机构，通过蜗轮蜗杆形式进行传动，该机构设置在第三对小辊上辊过载保护油缸之上。可通过主电机II 2进行自动调整，也可通过手轮进行人工微调。

压上调整机构I 21：为液压伺服控制，是第二对(中间对)大辊下辊压上调整机构，通过蜗轮蜗杆形式进行传动。该调整机构既可通过主电机III3进行自动调整，也可通过手轮进行人工微调。

压上调整机构II 22：为液压伺服控制，是第二对(中间对)小辊下辊压上调整机构，通过蜗轮蜗杆形式进行传动。该调整机构既可通过主电机IV4进行自动调整，也可通过手轮进行人工微调。

此外还有前导套23、后导套24、上横梁25、调角机构26、立柱27、主机底座28、上料架29和下料架30等。

本实施例的辊距如下：

各对大辊之间的辊距：420mm；

各对小辊之间的辊距：275mm；

大辊系与小辊系之间的辊距：355mm；

大辊辊腰的直径：Φ200mm；

大辊的长度：280mm；

小辊辊腰的直径：Φ120mm；

小辊的长度：180mm；

各矫直辊的辊形均采用三段等曲率反弯辊形，如图3，图4所示；

大辊系矫直辊的三段曲率半径分别为ρ1＝1000mm、ρ2＝2100mm、ρ3＝3600mm；

小辊系矫直辊的三段曲率半径分别为ρ4＝400mm、ρ5＝900mm、ρ6＝1600mm；

本发明的矫直机的主要参数通过如下方式确定：

1)每段辊形的出口角；

研究两组双向反弯辊形，建立空间曲线三维设计法，在计算三维辊形的同时，计算出每段辊形的出口角，再按照出口角归零的要求来确定辊形尺寸。

依据反弯辊辊缝进行矫直时，出口辊缝曲线的斜角β为：

β_{i} = \arcsin (\frac{w_{i} + z_{i}}{ρ_{i}})

式中：β_i-为i点处出口辊缝曲线的斜角

w_i-曲率中心到辊缝截面的距离

z_i-圆材轴线上计算点到辊腰截面的坐标值

ρ_i-圆材在计算点处的曲率半径

2)矫直力

在辊形确定之后，可按辊缝曲线计算矫直力F，见图7。

圆材的导程t为：

t＝πdtanα

式中d为圆材的直径，α为圆材轴线与辊轴间的夹角。

设圆材的弹性极限弯矩为M_t，根据上图的受力模型简图可以计算矫直力F为：

F_{3} = \frac{M_{3}}{S_{b}} = 0.7 \frac{M_{t}}{t}

F_{2} = \frac{2}{S_{d}} (M_{2} - M_{3}) = 0.4 \frac{M_{t}}{t}

F_{1} = \frac{2}{S_{d}} = (M_{1} + M_{2}) = 0.54 \frac{M_{t}}{t}

F_{Σ} = 2 (F_{1} + F_{2} + F_{3}) = 15.28 \frac{M_{t}}{t}

Sd：分段拐点值(mm)

3)矫直速度

一般矫直速度都是根据产量提出，如v＝30～60m/min等，然后根据矫直辊斜角α计算工件的导程t＝πdtanα，再根据t计算工件的转速由工件转速计算矫直辊转速

其中D为矫直辊直径，d为圆材的直径。

上述计算结果有时显示n太高时，则需要减少v值，n_g太高时也可加大D值。

4)矫直功率

矫直机的功率N有以下四部分构成：

N_{1} = μ_{1} F_{Z} \frac{π d_{g} n_{g}}{60}

N_{2} = μ_{2} F_{Z} \frac{π (D_{g}^{'} - D_{g}) n_{g}}{60}

N_{3} = \frac{f F_{Z} π D_{g} n_{g}}{30 d} \cos α

n_{4} = 0.175 \frac{D_{g}}{d} L_{g} u_{t} n_{g} \cos α

式中D′_g、D_g分别为凸、凹辊辊腰直径，d_g为棍子轴颈直径，n_g为棍子转速，L_g为辊子工作长度，u_t为弹性弯曲变形能。

电机功率为

N = \frac{1}{η} (N_{1} + N_{2} + N_{3} + N_{4})

上式中η为传动效率。

5)液压站、液压伺服系统

依据上述计算的矫直速度和矫直力及相关液压、电气控制参数，选择液压伺服阀和传感器，并在PLC控制下实现闭环控制，保证各矫直辊位移量准确和一致；液压伺服系统对矫直辊的位移量采用闭环控制，位移量闭环控制程序流程图见图5；液压站具有过载保护。

6)电气控制系统

依据机械操作各种动作和液压伺服控制对电气要求的若干参数，设计电气控制(强、弱电控制、人机界面系统)系统，编制PLC控制的软件程序；该电气控制系统的方框图见图8；该电气控制系统通过矫直辊施加给管材的压力采用闭环控制，压力闭环控制程序流程图见图6；

整机运行时，依据控制软件已设定的参数，使大小辊运行线速度达到匹配。本发明矫直机的主要功能特点如下：

I、采用CPU与ASIC分工架构技术开发

II、两组独立脉波产生器A/B，DIR/CLOCK CW/CCW 200KHZ

III、丰富的指令集，高速脉波输入/输出功能超越FX2N FX1N

IV、内建RS-485(MASTER/SLAVE选择)并备有多种功能卡选择，应用弹性

V、数字(Max.512)、模拟(14bit)、温度(PT100)

VI、多功能扩展模块(PU，HC，BCD，DISP，KEY，AI/AO，DI/DO)

本发明的矫直机所采用的主要控制设备的型号和功能如下：

◆人机界面

采用DOPA1OTCTD型人机接口(触摸屏)智能操作系统。该操作系统具有通讯能力强，操作安全、可靠等特点，主要功能特点：

I、10.4″彩色TFT液晶显示，256色

II、ARM9CPU，266MHZ

III、640*480像素

IV、图形和文本显示

V、7个可定义的功能键

VI、7M字节用户程序FIash存储器

VII、256字节电池保护SRAM存储器

VIII、支持SMC卡功能及USB1.1版本

IX、2个COM口：com1支持RS232，com2支持RS232/422/485

X、DC24V供电，IP65面板

◆PLC(可编程控制器)

型号为西门子公司的S7-300，内建PID控制功能，PG回授控制。SIMATIC S7-300的丰厚功能支持，可以使本发明的矫直机控制系统实现更复杂的软件编程和更为复杂的算术运算。S7-300的人机界面和智能化诊断功能提高了本发明的矫直机控制系统水平。

◆变频器

VFD-B型变频器，具有运转速度快，通讯功能强等特点，主要功能特点：

I、无感测向量控制型，V/F控制模式，满足高精度控制要求

II、第四代高质量IGBT，0.01-400/2500HZ

III、高速稳定通讯接口，速度高达38400bps，支持MOdbus协议

IV、强大的保护功能，包括IGBT短路保护

V、可搭配三种不同的LED、LCD控制器，并具有COPY功能

VI、具有风机、水泵功能，可控制四台电机

VII、飞速启动功能，自动电机参数侦测

本发明的矫直主机针对钽铌合金薄壁管材矫直，采用“异辊距”结构设计，扩大了可矫直范围，满足被矫材直径比达到1∶5，矫直精度可以达到0.3mm/m；被矫材直径为Φ15mm-Φ70mm，壁厚为0.254mm-0.381mm。

本发明的矫直机也可以矫直如高品质合金钢等高强度合金材料的管材，矫直精度可达到0.2～0.3mm/m。

Claims

1.一种钽铌合金管材高精度矫直机，包括布料台、上料架、上料辊道、矫直主机、下料辊道、下料架、集料装置、C型架、液压站、液压伺服系统、电气控制系统，其特征在于：所述矫直主机采用复合辊的构造，共设置6对上、下对称布置的矫直辊，其中第一、二、三对辊为大辊，第四、五、六对辊为小辊，各对大辊之间的辊距相同，各对小辊之间的辊距相同，大辊之间的辊距与小辊之间的辊距不相同，即为异辊距，且各矫直辊的辊形均为分段等曲率反弯辊形。

2.如权利要求1所述的钽铌合金管材高精度矫直机，其特征在于：所述6对上、下对称布置的矫直辊是：

1)第一对大辊(9)：为输入辊，用于薄壁管的咬入与粗矫，其上辊与该辊压下装置相连并设有过载保护油缸，可进行角度调整；上辊受主电机I(1)驱动，下辊受主电机II(2)驱动，可进行角度调整；

2)第二对大辊(10)：即中间对大辊，用于薄壁管的精矫与传送，其上辊与该辊压下装置相连并设有过载保护油缸，可进行压下及角度调整；上辊受主电机I(1)驱动，下辊受主电机II(2)驱动，可进行角度调整；

3)第三对大辊(11)：用于薄壁管矫直后的圆整与传送，该对辊速度略高于其他对辊，以利于对管材形成微张力，提高矫直精度同时对被矫直材料起到拉出作用；其上辊受主电机I(1)驱动与该辊压下机构相连，设有过载保护油缸及平衡油缸，可进行压下及角度调整；其下辊受主电机II(2)驱动，可进行角度调整；

4)第一对小辊(12)：为输入辊，用于薄壁管的粗矫与传送，其上辊与该辊压下装置相连并设有过载保护油缸，可进行角度调整；上辊受主电机III(3)驱动，下辊受主电机IV(4)驱动，可进行角度调整；

5)第二对小辊(13)：即中间对小辊用于薄壁管的精矫与传送，其上辊与该辊压下装置相连并设有过载保护油缸，可进行压下及角度调整；上辊受主电机III(3)驱动，下辊受主电机IV(4)驱动，可进行角度调整；

6)第三对小辊(14)：用于较小薄壁管矫直后的咬出及圆整，该对辊速度略高于其他对辊，以利于对管材形成微张力，提高矫直精度同时对被矫直材料起到拉出作用，其上辊受主电机III(3)驱动与该辊压下机构相连，设有过载保护油缸及平衡油缸，可进行压下及角度调整；其下辊受主电机IV(4)驱动，可进行角度调整。

3.如权利要求1所述的钽铌合金管材高精度矫直机，其特征在于：所述液压伺服系统包括位置传感器、液压伺服阀或比例阀、驱动器。

4.如权利要求1所述的钽铌合金管材高精度矫直机，其特征在于：所述液压伺服系统、电气控制系统对矫直辊的位移量、液压管线内的供给压力均为闭环控制。

5.如权利要求1所述的钽铌合金管材高精度矫直机，其特征在于：所述异辊距为，

各对大辊之间的辊距：390mm～450mm；

各对小辊之间的辊距：245mm～305mm；

大辊系与小辊系之间的辊距：325mm～385mm。

6.如权利要求1所述的钽铌合金管材高精度矫直机，其特征在于：所述分段等曲率反弯辊形为三段等曲率反弯辊形，大辊系的三段曲率半径范围分别为950mm～1200mm、2050mm～2300mm、3550mm～3800mm，小辊系的三段曲率半径范围分别为350mm～600mm、850～1100mm、1550mm～1800mm。