CN104324988B - 对称式四辊卷圆工艺方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种对称式四辊卷圆工艺方法，其主要步骤是：划线铣边，送料定位，计算参数，根据要最终成形的圆管曲率半径以及已知的板料厚度和性能参数，通过分析计算，得出两上辊的下压量和正反向卷制的长度；卷制成形即将板料的始端送到指定位置，两上辊下压进行四点弯曲，待达到指定行程时，两下辊先顺时针转动对板料边部滚弯，使边部直线段最小，再次下压使直线段减到最小，然后两下辊再逆时针转动带动板料卷制，卷制完成卸载后最终形成开口的圆管坯；最后将成形后的圆管焊合成形。本发明成形精度高，剩余直线短，生产效率高；设备结构简单，易于定位、更换和维修模具，易于实现自动化和智能化控制；可制造多种型号的管坯，无须多套模具，降低生产成本。

Description

对称式四辊卷圆工艺方法及装置

技术领域本发明涉及一种机械加工的方法，特别是滚压成形的方法。

背景技术伴随着石油和燃气管道、隧道工程、圆柱形储罐、锅炉设备、压力容器、冶金、国防等领域的不断发展，圆管件的需求量与日俱增。作为生产圆管件重要方法之一的滚弯卷板成形目前主要有两辊、三辊和四辊三种卷板方式，两辊卷板机的主要缺陷是不能卷制厚板和与凸模曲率半径相差较大的圆管；三辊卷板机的主要缺陷是剩余直边较大，成形精度较差，需要预弯边；传统的四辊卷板机最主要的问题是设备结构复杂、调试维修困难，生产成本较高。

发明内容本发明的目的在于提供一种新型对称式四辊卷板工艺方法。本发明主要是：四个辊子采用对称式分布，上面两个工作辊可以做竖直方向往复直线运动，两个下辊为主动辊，可以进行正反两个方向的旋转运动。两上辊下压到指定行程时，下辊靠摩擦力带动板坯旋转，板坯靠摩擦力带动上辊旋转从而对板坯进行卷制。滚弯成形过程中每一个瞬时都可以看做四点弯曲过程。两凸模或两凹模的跨距可以调节以适应不同曲率圆管的卷制。

本发明的具体方法如下：

1、划线铣边：根据需要卷制的板料长度和宽度先划线，然后在剪板机上切割下料，板料宽度校准铣边。

2、送料定位：将板料送到卷扳机的带有可往复移动送料装置的台面上，并置于上模辊和下模辊之间的相应位置。两下辊距离可以是固定的，最好该两下辊距离可调。该两上辊距离可以是固定的，最好该两上辊距离可调。

3、计算参数：根据要最终成形的圆管曲率半径以及已知的板料厚度和性能参数，通过分析计算，得出两上辊的下压量和正反向卷制的长度。具体过程在下文中已给出。

4、卷制成形：将板料的始端送到指定位置，两上辊下压进行四点弯曲，待达到指定行程时，两下辊先顺时针转动对板料边部滚弯，使边部直线段最小，再次下压使直线段减到最小，然后两下辊再逆时针转动带动板料卷制，卷制完成卸载后最终形成开口的圆管坯。

5、焊合成形：最后将成形后的圆管焊合成形，得到所需的圆管件。

上述步骤3卷板过程的参数计算

①卷板机参数：上辊直径为D_p，下辊直径为D_d，上辊间的跨距为W，下辊间的跨距为L。

②板料的材料参数：弹性模量E，屈服应力σ_s，泊松比ν，强化模量E₁，板厚为t时。

③输入欲卷制筒形件半径R。根据最终成形的半径R，首先求出滚弯曲率半径ρ_x，根据材料力学可知，板材在卷板机上卷圆变形时，其回弹量取决于板材的弹性模量、屈服极限、预卷制半径和板厚4个因素。经过理论推导和相关文献可确定弹前曲率半径ρ_x公式如下：

${\mathrm{\ρ}}_x=\frac{R}{1+2(K_1+\frac{t{K}_0}{2R})\frac{{\mathrm{\σ}}_{S}R}{\mathrm{Et}}}$

式中:R为欲卷制半径(mm)；E为钢板的弹性模量(MPa)；t为钢板板厚(mm)；K₁为形状系数(矩形截面取1.5)；σ_s为加工材料的屈服极限(MPa)；K₀为材料相对强化系数，可查相关手册得到。

对于一台给定的卷板机上下辊直径为已知量，假设上辊直径为D_p，下辊直径为D_d，一般取D_d＝(1.2-2)D_P,为适应不同板厚不同曲率半径板料的卷制，上下模跨距可调节，上辊跨距的范围D_p<W，为方便起见，取上辊跨距取接近上辊直径W＝D_p+(10-20)；下辊跨距的范围D_d<L<D_d+D_p+W，当上辊跨距确定时，下辊跨距需要根据卷板尺寸确定。为防止卷板过程中上下辊对板料发生正挤压，根据几何关系上模辊的极限下压行程为：

$h_{\max }=(r_p+r_d+t)-\sqrt{{(r_p+r_d+t)}^2-{(\frac{L}{2}-\frac{W}{2})}^2}$

式中：r_p为上模辊半径，r_d为下模棍半径，t为板厚，L为下模辊跨距，W为上模辊跨距。参见图14上模行程达到极限时的几何关系图。

为保证卷板成形精度，需要将筒形件的剩余直边减小到(1.5-2)倍的板厚，因此下压行程需要满足以下条件：h_max-h＝Δh，Δh为与卷板厚度有关的参数，对于板厚为(2-6)mm。一般取Δh＝(0.5-1)mm根据以上条件进行编程计算，根据几何关系当滚弯半径为ρ_x时，下模跨距的最小值为：

$L_{\min }=\frac{({\mathrm{\&rho;}}_x+r_d+\frac{t}{2})W}{{\mathrm{\&rho;}}_x-r_p-\frac{t}{2}}$

取L＝L_min为初始下模跨距按四辊卷板机下模跨距控制流程图确定下模跨距L和下压行程h的值。参见图15四辊卷板机下模跨距控制流程图。

④假设板料从卷板机右侧送入，根据计算出的下压行程h值，将其分为两次下压，h＝h₁+h₂。

(1)首次下压行程为h₁，上模下压速度取3-8mm/s。

(2)然后两下模辊顺时针转动带动板料反向卷制，卷制速度取6-12m/min，卷制距离为Δa，当初始送料左端端部到对称中心的距离为a时，反卷距离Δa＝a-ρ_xα，其中式中：L为下模跨距,ρ_x为弹前曲率半径，r_d为下模辊半径，t为板厚，α为弧度单位制。

(3)再次下压行程h₂从而达到指定行程h，并将剩余直边减到最小，上模下压速度取3-8mm/s。

(4)两下模辊逆时针转动带动板料正向卷制，卷制速度取6-12m/min，卷制距离L＝2πR-2ρ_xα。

本发明采用的四辊卷圆成形装置主要包括有：底座、机架、上下辊、翻到机构、支撑推料机构、卸料平衡机构和动力机构。底座由槽钢与钢板焊接而成。机架分高机架和矮机架，为卷板机主体，采用焊接结构，机架中部加工有横梁升降滑道，下辊轴承座平移滑道；上辊及轴承座安装于横梁上，上辊轴承座可以通过左右旋丝杆调节跨距，横梁装于机架升降滑道处，上端与升降液压缸相连；下辊及轴承安装于下辊轴承座上，下辊轴承座装于左、右机架的水平滑道内，端部与水平液压缸相连，通过水平液压缸调节下辊水平跨距。机架连同油缸、上下辊等通过紧固螺栓安装于整体焊接底座上。翻倒机构由翻倒绕轴、翻倒液压缸等组成，装于矮机架一侧，方便卸料；支撑推料机构主要由支承辊、滑辊滑道、升降油缸及升降杆等组成，通过螺钉装于固定机架上，当卷制不同曲率半径的圆筒件时可以调节支承辊的高度用以支撑卷制过的板料，卷制结束时可以通过支承辊的伸缩将圆筒件送出；卸料平衡机构由丝杆、螺母和平衡梁组成，装于上辊伸出端一侧，底部定位在底座上，当卸料时上辊升降液压缸退回到指定位置，此时平衡梁压住上辊的右侧伸出的轴端，用以平衡卸料时左侧悬臂的上辊。动力机构的主电机、主减速器及液压系统均放置在底座上。副电机系统主要由电机、减速器和联轴器等组成，主要用来驱动泵站向液压缸供油，用以控制翻倒装置的翻倒油缸和调节下辊水平跨距的油缸。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、成形精度高：由几何知识可知，采用本发明工艺，成形过程中与凸模两圆辊接触的两切点间的区域成形曲率一致，使最终成形的管坯径向截面的几何形状为曲率一致的圆，成形圆度好。

2、设备结构简单：本发明主要是四个辊子为工作部分，上辊只做竖直方向往复直线运动，下辊只做旋转运动，且四个辊子采用对称式分布，设备结构简单，易于定位、更换和维修模具。

3、剩余直线短：传统的三辊卷圆工艺需要对板料进行预弯边，且剩余直线较大，而采用对称式四辊卷圆工艺可以对板料进行边部预弯，实现预弯卷制在同一台设备上进行，既缩短了剩余直线段，又提高了生产效率高。

4、易于实现自动化和智能化控制：采用本发明可以实现柔性制造，通过调节上模、下模各自的间距，可以制造多种型号的管坯，无须多套模具，降低生产成本。

5、成形道次少，生产效率高：传统的圆管件生产方式采用逐渐进给，多道次反复滚弯成形，而采用本方法可以实现一次性进给卷圆成形，提高生产效率。

附图说明

图1为本发明成形前上辊、板料及下辊的位置关系示意简图。

图2为本发明两上辊下压进行四点弯曲上辊、板料及下辊的位置关系示意简图。

图3为本发明两下辊顺时针转使管坯卷制成形示意简图。

图4为本发明两上辊再次下压进行四点弯曲上辊、板料及下辊的位置关系示意简图。

图5为本发明两下辊逆时针转使管坯初步成形示意简图。

图6为本发明管坯卷制成形示意简图。

图7为本发明成形过程中板料的弯矩图。

图8为本发明四辊卷圆成形装置的主视示意简图。

图9为图8的A-A半剖示意简图。

图10为本发明支撑推料装置侧视示意简图。

图11为本发明支撑推料装置主视示意简图。

图12为本发明卸料平衡装置主视示意简图

图13为本发明副电机系统主视示意简图。

图14为上模行程达到极限时的几何关系图。

图15为四辊卷板机下模跨距控制流程图。

图中：1、板坯，2、上辊，3、下辊，4、下辊轴承座，5、水平液压缸，6、液压传动装置及液压泵站，7、底座，8、紧固螺栓，9、副电机系统，10、翻倒液压缸，11、翻倒绕轴，12、矮机架，13、支撑推料装置悬臂，14、高机架，15、输出齿轮，16、卸料平衡装置，17、主减速器，18、联轴器，19、主电机，20、横梁，21、升降液压缸，22、上辊轴承座，23、左右旋丝杆，24、支承辊，25、滑辊滑道，26、升降油缸，27、丝杆，28、螺母，29、平衡梁，30、副电机，31、联轴器，32、减速器。

具体实施方式

例1

将1730㎜×300㎜×5㎜板料1宽度校准铣边后，将板料始端送到卷板机带有可往复移动送料装置的台面上，并置于上辊2和下辊3之间，如图1所示，两上辊的直径为120mm，跨距130mm，两下辊的直径为200mm，跨距为300mm。最终要成形中性层曲率半径为275.34mm的圆管，板料的性能参数为：弹性模量210000MPa，泊松比0.3，板料屈服极限418Mpa。经分析计算，卸载前的曲率半径为218.4mm，可以计算出总的下压行程为23mm，第一步，两上辊下压行程21.6mm，下压速度3.6mm/s，如图2所示。第二步，两下辊先顺时针反向转动对板料边部滚弯，反向卷制1.14rad，卷制速度2rad/s，如图3所示。第三步下压行程1.4mm，下压速度1.4mm/s，如图4所示。第四步卷制15.28rad，卷制速度2rad/s，如图5所示。第五步卷制成开口的圆环坯，卸载成形，如图6所示。最后将成形后的圆管焊合成形，得到所需的圆管件。当调整两上模辊或两下模辊间的跨距时即可以卷制不同曲率半径的圆筒件。两凸模下移，对板料进行压制，板料发生自由弯曲，由于板料上表面与两个凸模辊子接触，下表面与两个凹模辊子接触，有四个接触受力点A、B、C、D，如图7所示的成形过程中板料的弯矩图，卷制成形过程中每一个瞬时都可以看做板料四点自由弯曲。

在图8和图9所示的四辊卷圆成形装置的示意简图中，本发明装置主要包括有：底座、机架、上下辊、翻倒机构、支撑推料机构、卸料平衡机构和动力机构。其中，底座7上通过紧固件8与平行的两个机架12、14下端相连，两个机架中部均为空腔，每个空腔底部均设有下辊轴承座平移滑道，每个滑道上均设有两个底部滑块与滑道对应的下辊轴承座4。两根下辊轴的两端分别设在两个机架上的四个下辊轴承座内并且左右对称，两根下辊轴一端分别通过万向节与输出齿轮15的从动齿轮轴相连，两从动齿轮与同一个主动齿轮啮合，该主动齿轮的轮轴通过联轴器18与主减速器17及主电机19相连，该主电机设在液压传动装置及液压泵站6上。上述每个下辊轴承座侧面均与一个穿过机架的水平液压缸5一端相连，该水平液压缸设在机架上，通过这四个水平液压缸的伸缩可实现调节两下辊的跨距。在每个机架内的两个下辊轴承座之间上部设有与下辊3平行并左右对称的两个上辊2，它们的两端分别设在四个上辊轴承座内，位于同一端的两个上辊轴承座22分别由穿过横梁条孔的紧固件与一根横梁20相连，该横梁两端设在机架内侧的横梁升降滑道内，横梁下端面中部设有支承件，穿过该支撑件的左右旋丝杆23分别穿过两上辊轴承座，端部设有螺母，通过旋转左右螺母可实现调节两上辊的跨距，横梁上端面中部与升降液压缸21活塞杆相连，该竖直的升降液压缸设在机架上部的竖直槽孔内。上述两机架中，与齿轮相邻一侧为高机架14，另一个为矮机架12，矮机架是由上下铰接的两部分组成的，并且它们的分界处低于下辊最高母线，以使上部机架下转后能将加工后的圆筒卸下来。在矮机架外侧设有翻倒机构，其通过翻倒绕轴11与翻倒液压缸10相连。在高机架上面设有支撑推料机构，其有一个下端设在固定机架顶上的门字形支架，如图10和图11所示，支架两侧设有竖直滑辊滑道25，滑道内设有滑辊轴的两端，滑辊轴通过连接件与升降油缸26缸体相连，水平的升降油缸活塞杆一端与支撑推杆装置悬臂13一端相连，该悬臂上面设有分别由支耳支承的两个与上下辊平行的支承辊24。在固定机架外侧(朝向齿轮的一侧)设有卸料平衡机构16，如图12所示，其有两根竖直的丝杆27，它们的下端固定在底座上，上部分别置于平衡梁29的两个通孔内，在平衡梁通孔上下的丝杆上分别设有两个螺母28，上述平衡梁位于两个上辊轴延长段的上部。本发明的动力设备均与液压站相连。副电机系统主要由副电机30、联轴器31和减速器32组成，如图13所示。

该装置的具体工作过程：全部操作均在操作台上进行。工作时板料1由送料辊送至上下辊之间，主电机19通过液压系统控制升降液压缸21推动横梁20带动上辊2下降，升降油缸装有线位移传感器监测装置，可以精确控制下压行程从而将板料弯曲。此时液压马达经减速器减速后传递给输出齿轮15内的行星齿轮，从而驱动下辊3转动。下辊通过摩擦带动板坯旋转，板坯通过摩擦带动上辊旋转，下辊轴端部装有旋转光栅编码传感器可精确控制下辊的旋转。在卷板过程中支撑推料装置悬臂13可以支撑卷制完成的板料，卷制完成后，卸料平衡装置16压住上辊一端以平衡上辊。翻倒机构在翻倒液压缸10推动下翻转到位后，支撑推料装置将工件推出机器，最后翻倒装置归位，卷制完成。当卷制不同曲率半径的板料时，可以通过调节上辊轴承座上的左右旋丝杆23调节上辊的跨距，也可以通过副电机系统9带动水平液压缸5推动下辊轴承座4沿水平方向移动以调节下辊的水平跨距，行星齿轮与下辊输入端采用万向联轴节连接，以保证跨距变化时下辊仍保持恒定的转速比。

卷板机各运动的驱动方式：

上辊的升降运动：主电机---泵站---液压缸---上辊轴承座。

上辊的水平移动：左右旋丝杆螺母---上辊轴承座。

下辊旋转主运动：液压马达---减速器---齿轮传动---万向轴节---下辊。

下辊的水平移动：副电机—泵站—水平液压缸—下辊轴承座。

Claims (4)

1.一种对称式四辊卷圆工艺方法，其特征在于：具体方法如下：

1)划线铣边：根据需要卷制的板料长度和宽度先划线，然后在剪板机上切割下料，板料宽度校准铣边；

2)送料定位：将板料送到卷板机的带有可往复移动送料装置的台面上，并置于上辊和下辊之间的相应位置；

3)计算参数：根据要最终成形的圆管曲率半径以及已知的板料厚度和性能参数，通过分析计算，得出两上辊的下压量和正反向卷制的长度，卷板过程的参数计算如下：

①卷板机参数：上辊直径为D_p，下辊直径为D_d，上辊间的跨距为W，下辊间的跨距为L；

②板料的材料参数：弹性模量E，屈服应力σ_s，泊松比v，强化模量E₁，板厚为t时；

③输入欲卷制筒形件半径R，根据最终成形的半径R，首先求出滚弯曲率半径ρ_x，根据材料力学可知，板材在卷板机上卷圆变形时，其回弹量取决于板材的弹性模量、屈服极限、预卷制半径和板厚4个因素，经过理论推导和相关文献可确定滚弯曲率半径ρ_x公式如下：

${\mathrm{\&rho;}}_x=\frac{R}{1+2(K_1+\frac{{\mathrm{tK}}_0}{2R})\frac{{\mathrm{\&sigma;}}_{s}R}{Et}}$

式中:R为欲卷制半径mm；E为钢板的弹性模量MPa；t为钢板板厚mm；K₁为形状系数，其矩形截面取1.5；σ_s为加工材料的屈服极限MPa；K₀为材料相对强化系数；

对于一台给定的卷板机上下辊直径为已知量，假设上辊直径为D_p，下辊直径为D_d，取D_d＝(1.2-2)D_P,为适应不同板厚不同曲率半径板料的卷制，上下辊跨距可调节，上辊跨距的范围D_p<W，为方便起见，取上辊跨距取接近上辊直径W＝D_p+(10-20)；下辊跨距的范围D_d<L<D_d+D_p+W，当上辊跨距确定时，下辊跨距需要根据卷板尺寸确定，为防止卷板过程中上下辊对板料发生正挤压，根据几何关系上辊的极限下压行程为：

$h_{max}=(r_p+r_d+t)-\sqrt{{(r_p+r_d+t)}^2-{(\frac{L}{2}-\frac{W}{2})}^2}$

式中：r_p为上辊半径，r_d为下辊半径，t为板厚，L为下辊跨距，W为上辊跨距；

为保证卷板成形精度，需要将筒形件的剩余直边减小到(1.5-2)倍的板厚，因此下压行程需要满足以下条件：h_max-h＝Δh，Δh为与卷板厚度有关的参数，对于板厚为(2-6)mm，取Δh＝(0.5-1)mm根据以上条件进行编程计算，根据几何关系当滚弯曲率半径为ρ_x时，下辊跨距的最小值为：

$L_{min}=\frac{({\mathrm{\&rho;}}_x+r_d+\frac{t}{2})W}{{\mathrm{\&rho;}}_x-r_p-\frac{t}{2}}$

取L＝L_min为初始下辊跨距，按四辊卷板机下辊跨距控制流程图确定下辊跨距L和下压行程h的值；

④假设板料从卷板机右侧送入，根据计算出的下压行程h值，将其分为两次下压，h＝h₁+h₂；

(1)首次下压行程为h₁，上辊下压速度取3-8mm/s，

(2)然后两下辊顺时针转动带动板料反向卷制，卷制速度取6-12m/min，卷制距离为Δa，当初始送料左端端部到对称中心的距离为a时，反卷距离Δa＝a-ρ_xα，其中式中：L为下辊跨距,ρ_x为滚弯曲率半径，r_d为下辊半径，t为板厚，α为弧度单位制；

(3)再次下压行程h₂从而达到指定行程h，并将剩余直边减到最小，上辊下压速度取3-8mm/s；

(4)两下辊逆时针转动带动板料正向卷制，卷制速度取6-12m/min，卷制距离L＝2πR-2ρ_xα；

4)卷制成形：将板料的始端送到指定位置，两上辊下压进行四点弯曲，待达到指定行程时，两下辊先顺时针转动对板料边部滚弯，使边部直线段最小，再次下压使直线段减到最小，然后两下辊再逆时针转动带动板料卷制，卷制完成卸载后最终形成开口的圆管坯；

5)焊合成形：最后将成形后的圆管焊合成形，得到所需的圆管件。

2.根据权利要求1所述的对称式四辊卷圆工艺方法，其特征在于：两下辊距离可调。

3.根据权利要求1所述的对称式四辊卷圆工艺方法，其特征在于：两上辊距离可调。

4.一种实现权利要求1的对称式四辊卷圆工艺方法的成型装置，其主要包括有：底座、机架、上下辊、翻倒机构、支撑推料机构、卸料平衡机构和动力机构，底座由槽钢与钢板焊接而成，翻倒机构由翻倒绕轴、翻倒液压缸组成，装于矮机架一侧；支撑推料机构主要由支承辊、滑辊滑道、升降油缸及升降杆组成，通过螺钉装于固定机架上；卸料平衡机构由丝杆、螺母和平衡梁组成，装于上辊伸出端一侧，底部定位在底座上；动力机构的主电机、主减速器及液压系统均放置在底座上；副电机系统主要由电机、减速器和联轴器组成，其特征在于：机架分高机架和矮机架，机架中部加工有横梁升降滑道及下辊轴承座平移滑道；上辊及轴承座安装于横梁上，上辊轴承座可以通过左右旋丝杆调节跨距，横梁装于机架升降滑道处，上端与升降液压缸相连；下辊及轴承安装于下辊轴承座上，下辊轴承座装于高、矮机架的水平滑道内，端部与水平液压缸相连，机架连同所述油缸、上下辊通过紧固螺栓安装于整体焊接底座上。