國產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
我國自行開發的精密管材矯直機適用管材規格范圍不斷擴大(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，開發了 Φ280mm十一輥高鋼級精密鋼管矯直機。該矯直機組為離線設備，用于退火之后或者不經退火的冷軋、冷拔鋼管的矯且，被矯管材屈服強度達到 850MPa，矯后管材直線度小于0.25mm/m，矯立盲區控制在400mm以內。近兩年生產實踐表明，針對高鋼級、大直徑精密矯直工藝中的敏感因素，采用輪式多環節矯直的設備方案是可行的。同時對機組傳動系統、前臺C形套內襯材料、 換輥機構及矯直輥噴淋系統存在的問題提出了改進方向。
目前，精密管材已經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標準的石油管、爆發力強的自動式連發槍械用管、細長的航空器材用油氣傳輸管和高檔氣瓶管等領域廣泛應用。由于此類管材的屈服極限偏低，直徑偏小，通過多個環節的矯直可實現0.3 mm/m的精度，因此常用于普通的減震器和抽油泵用管。但是對于爆發力強的自動式連發槍械用管和高檔氣瓶用管而言.其材質較硬，屈服極限在850MPa左右，通過多環節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、生產效率偏低的問題，因此實現高精度矯直就存在一定難度。所以開發適合高鋼級鋼管高效精密矯直設備成為精密管材生產中較為迫切的問題。
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，同時驗證了有關經典計算矯直力的公式。其短輥距的設計也為大直徑鋼管頭尾矯直盲區的縮小提出了解決辦法。
一、 國內精密矯直機的研究現狀
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。精密矯直設備的矯直環節多，矯直速度低，而且其矯直輥和矯直機工藝調整機構的精度普遍較高，同時要求矯直機生產現場環境優良。
目前，中國重型機械研究院股份公司是國內對精密矯直機研究最深入、最系統、業績最多的企業，其對精密矯直機的矯直環節數量與精度的關系、矯直機矯直棍子參數、矯直輥初始傾斜角度、矯直速度、矯直工藝調整量、整機加工工藝以及使用情況作了詳細的研究，形成了大量的文獻資料。其試驗數據和理論研究是在一臺設備上多個環節矯直環境下研究，而其他學者是在一臺設備上通過兩次以上矯直過程來模擬多環節矯直，兩者的研究在矯直環節數量和矯直速度上得到了相同的認識，即要想獲得高的矯直精度，矯直環節要多，矯直速度要降低。但后者對于各個矯直環節之間相互影響和每個環節所要達到的矯直效果的研究顯得力不從心，而前者已經得到了經實踐驗證的結論，例如前者對輥身長度、矯直過程中的負作用原理、矯直輥初始角度等都有深入的研究。
國內目前使用精密矯直機較多的行業為小直徑焊管、液壓缸制造、核電站用管等行業。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，生產線年產量在3萬噸以下。除小直徑焊管利潤略低之外，其他行業目前產出的附加值較高，因此設備的管理和技術支持到位，能夠及時發現和排除矯直過程中出現的問題，對于推廣和發展精密矯直技術有著相當積極的作用。
二、 Φ280mm十一棍矯直機的主要技術要求和方案設定
2.1 被矯管材參數
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;
矯直機生產節奏: 8 t/h;
被矯管材特性:未經退火的冷軋、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 矯直后產品質量要求
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:不得產生任何新的缺陷;
鋼管內部狀態:沿端部用光源通長照射鋼管內部，不得有竹節狀光圈。
2.3 設備方案的初步擬定
方案的初步擬定內容包括:矯直環節、設備結構形式、矯直機關鍵輥距以及矯直輥參數等的確定。
2.3.1 主要技術參數的確定
根據Φ280mm矯直機矯后直線度的要求，矯直環節必須在3.5個環節以上，即矯直棍數在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，從力能參數上計算，矯直機輥距變大，和端部盲區的要求發生矛盾，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。依據來料鋼管的機械特性，結合文獻[5]和文獻[6]以及實際生產經驗確定矯直機的輥數為11棍，組合輥系，關鍵輥距定為960mm，關鍵輥距的提出是解決縮小矯直盲區的重要手段，關鍵輥距960mm和端部盲區長度之間的差值需在矯直輥參數設計時子以考慮和保證，矯直棍直徑定為480mm，據此展開詳細設計。
2.3.2 設備結構形式的確定
據文獻[4]的研究成果，采用十輥對置的方案可以使矯直精度達到0.3mm/m，文獻[7]描述了大直徑十棍滑架式的矯直設備。對于可否采用文獻[4]和文獻[7]的成果將主機設備設計為對置輥系滑架式結構，以通過降低矯直速度來實現高矯直精度的問題，經過分析認為:
①若采用上述方案存在矯直精度不易保證的缺點，文獻[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，采用滑架式的結構質量遠大于轉轂式結構，制造成本不易接受，但大直徑的滑架式結構(如圖1所示)具有制造工藝方便的優勢，這也是文獻[7]采用滑架式結構的原因;
③滑架式結構強調整機立柱布局對稱，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以內的矯直精度無法通過輥距和矯直輥參數的優化得到補償，達不到Φ280mm矯直機的技術要求。因此，主機的結構形式應優先選用轉轂式組合輥系(如圖2所示)。
三、機組設備組成及功能描述
Φ280mm 十一輥矯直機組為離線設備，用于退火之后或者不經退火的冷軋、冷拔鋼管的矯直。機組設備由前臺、主機、后臺、矯直輥在線清潔機構以及相應的電氣和液壓裝置組成。除主機滿足相關矯直直線度的技術要求外，前臺設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形扣瓦等經典工藝裝置組成，但在設計上對機構做了很大改進與創新，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
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。設置新型散料機構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、抖動機構、平鋪臺架、運輸鏈以及過度篦條組成，其，結構如圖3所示，它是專門為大直徑鋼管散料開發
的機構，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。運輸的過程中，鋼管與鋼管之間的距離拉開.最終散布于運輸鏈條之上，達到了自動散料的目的。
3. 1.2 便于更換內襯的C形扣瓦
C形扣瓦內部襯有軟材料保護層，防止鋼管在甩動過程中被劃傷，為了節省軟材料內襯的更換時間，設置為內膽式機構，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。不僅使磨損后的內襯更換方便，而且使內襯的備件制作更為容易。
3. 1.3 方便鋼管導入的喂料機構
喂料導人機構位于前臺和主機之間.設置導入機構的目的是為了保證鋼管順利準確地進入主機1#矯直輥，且不發生卡阻及管頭跑偏現象。精密矯直機一直使用圓筒型導衛，這種導衛具有結構簡單、成本低廉、易于更換等優勢，但是這種導衛和鋼管外圓之間的間隙過大，在高速喂料時，極易發生鋼管跑偏和頂撞導衛事故，因此開發了一種強迫鋼管對中的導衛裝置，具有機構質量輕、導向準確等優勢，用于該機的鋼管喂入導向。
喂料導入機構可簡單描述為: 喂料輥呈上下對置布置，下輥為驅動輥，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。
該喂料導入機構的特點是: 在喂料過程中給鋼管以前進的動力，并能嚴格限制鋼管前進的方向，實現準確喂料導人的功能。
3.2 主機
主機是實現鋼管矯直的關鍵設備，主機輥系如圖5所示，經過3.5個矯直環節的矯直和3對輥的對壓實現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的矯直輥傳動機構組成，并設置了矯直輥換輥機構和矯直棍在線修磨、清潔系統。
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節矯直過程中出現的負作用因素。
(2). 組合式輥系中出現的短輥距(圖5中和L2)，一方面減小了管頭和管尾的矯直盲區，同時使短輥上管子和輥子實現了全接觸，有利于被矯鋼管圓度的提高。
(3 ). 矯直輥的轉角系統(角度調節系統)采用液壓比例系統控制，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，實現間隙調節的數字化顯示，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值檢測系統的檢測鏈，提高傳動精度，檢測元件設置在壓上、壓下絲杠頭部，便于直接檢測壓上、壓下數據。
(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，定位基準統一，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，并且降低了大規格矯直機初始角度定位時的人工勞動強度。
(7 ). 分區甘油潤滑機制，減少了甘油配管交錯，設備檢修維護方便，設備外觀整齊，在主機上設置 2個集中甘油潤滑區，上橫架的矯直輥壓下、矯直棍轉角以及矯直輥鈾承潤滑設置在矯直機頂部，下橫梁的矯直輥壓上、轉角以及矯直輥軸承的潤滑設置在下橫梁側邊的地坑。
主機矯直輥傳動系統主要特點 :
①多環節矯直過程中的擴徑現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 .一方面輥系的優勢使得擴徑量不大，但是材質偏軟的鋼管仍然會表現出擴徑，雖然可以通過對這部分鋼管的擴徑量進行統計，以此來調節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、人工干預因素過多、得到的擴徑量數值不能在不同的企業中通用等缺點。
由于目前該設備是國內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典公式計算情況趨于一致; 對于 D/t<18時，不用調節各矯直輥的速度差; D/t>24時，有必要實現微張力，張力系數1.05左右，并且不用各輥之間遞增，但是輥子的基準速度不能太高。由于單獨傳動矯直機是國產首套設備，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別，認識和使用上還存在在一定難度，因此期望在設備實際使用經驗的鋪墊下，進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冷軋、冷拔鋼管，表面不允許有二次損傷，嚴禁在矯直過程中發生磕碰。在矯直過程中，后臺是易于和鋼管發生碰撞的部位，特別是在矯直速度提高之后，后臺既要抑制鋼管甩動(鋼管頭部甩動嚴重影響矯直質量) ，又要防止磕碰，為此開發了被動交錯運輸輥道和夾送輥相配合的方案。
方案的優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，排除了與送料機構磕碰的可能性。
交錯輥道呈V形并附鋼管前進方向間隔布置，達到導向和抑制鋼管甩動的目的，輥道內部采用尼龍芯，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、角度等工藝調整因素非常敏感，根據矯直鋼管的情況 .經常要對設備進行工藝調整，通過簡易的方法在線對鋼管直線度進行測量，迅速回饋給工藝調整者，不僅提高了生產效率，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。從理論和實際使用情況表明，單獨傳動存在優勢，但設備造價偏高，需要進一步從使用經驗上判斷性價比的問題。
( 2 ). 前臺C形套內襯材料問題。目前該設備的內襯材料仍采用精密矯直機前臺內襯的普遍材料一尼龍。使用時發現隨著鋼管直徑增大，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形鋼結構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 ). 換輥機構存在問題。 輥系布置的特殊性，導致立柱布置不對稱，采用傳統的扁擔梁式的換輥機構使得換輥過程困難，改為C形換輥機構. C形鉤勾住矯直傳動端的法蘭將矯直輥從主機中吊出。新設計時，必須考慮傳動端法蘭與C形鉤結合面的強度，以免發生事故。
( 4 ). 矯直輥噴淋系統存在問題。原設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過過濾回到油箱，在使用過程中發現，回收的油品雜質太多，導致油品變壞，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。由于煤油的揮發性較強，在矯直非退火狀態的鋼管時，采用低負荷齒輪潤滑油，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，不能適應長尺鋼管的測量。在后臺設置2.5m寬的簡易平臺目測鋼管矯直情況，較為方便。
五、 結論
近兩年的生產實踐表明. 通過合理的參數設計，大直徑高鋼級精密鋼管可以通過輥式多環節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。應特別注意的是，在大直徑精密管材矯直過程中，前后臺的設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備的研究和設計工作。
收稿日期: 2013-04-22
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