一種管材輥式連續矯形設備及加工方法與流程

背景技術：
隨著石油化工、航空航天、船舶等行業的發展，不僅對卷板機卷板能力和范圍提出了更高的要求，而且對卷板精度的要求也越來越高。目前，任何卷板機(二輥、三輥或四輥)成形后管材均存在以下缺點：(1)管材截面均不是正圓；(2)管材包含有處于平衡狀態的殘余應力，曲率不均勻：(3)板端存在一定長度的直邊段(或預彎部分與滾彎部分曲率不同)，導致管材焊接處會出現“內噘嘴”或“外噘嘴”現象；(3)開口管材焊接后存在較大的殘余應力，影響使用性能。所以需要后續矯圓輔助工序提高管材截面的圓度和長度方向的均勻度，減小殘余應力。目前矯圓方式主要利用傳統卷板機對焊接后管材進行粗矯圓，過度依賴工人的經驗，并且由于卷板機結構的限制，導致生產效率低、產品精度不高。另外，現有的矯直方式主要通過兩輥或交錯排列的多輥多次反復彎曲來實現，矯圓與矯形在一次加工中不能同時完成。

技術實現要素：
本發明的目的在于提供一種高效、高精度且同時完成矯圓和矯直的管材輥式連續矯形設備及加工方法。

本發明的設備主要包括矯形機和送料機構。其中，送料機構主要包括動力組件、鏈條、推板組件及送料支撐輥。其中，動力組件中的電動機通過聯軸器與減速機相連，減速機輸出端與主動鏈輪相連，該主動鏈輪與設在同一水平線上的從動鏈輪通過鏈條相連，并且主動鏈輪和從動鏈輪之間的距離大于被矯管材的長度。在鏈條上設有至少兩套推板組件，且每套推板組件之間的鏈條長度相等。該推板組件有與機架中部通孔對應的三叉形支撐板，其每個叉上各設一對軸承座，每對軸承座內各設一根短軸，每根短軸外面各設一個軸套，最好軸套的外徑呈階梯形，以適應不同直徑的管材。該支撐板的一個叉端部設有與支撐板垂直相連的連接板，該連接板形狀與鏈條節相同，其上的兩個通孔分別通過鉸鏈與相鄰的鏈條節相連。所述支撐板上的三根短軸其軸線相交于一點，該點位于被矯管材的軸線上，同時非設連接板的兩支叉上的短軸軸線又是以設連接板的支叉上的短軸軸線為對稱。另在鏈條上間斷地設有送料支撐輥，該送料支撐輥下部設有與支撐板的連接板結構相同的連接板，該連接板通過鉸鏈與相鄰的鏈條節相連，送料支撐輥上部為支座，其內設有轉軸。在鏈條運行的軌跡上，最好靠向鏈輪的位置設有矯形機。該矯形機主要包括機架、滑塊、液壓缸、上下轉輥、驅動裝置、液壓系統和數控系統。其中，底盤上固定兩個豎直相對的機架，每個機架上各設一個與支撐板中部通孔對應的通孔，其上面為一個通孔，下面為兩個通孔且下面兩個通孔是以過上通孔中心的面為對稱，其中上通孔可以是圓孔，使設在其內的上輥位置則固定，上通孔也可以是中心線呈豎直的條孔，使上輥可實現豎直方向調節；兩個下通孔均為以上通孔中心線為對稱的條孔，其可以是水平條孔，使兩下輥實現水平調節，也可以是斜條孔，使兩下輥實現傾斜調節。在所述每個條孔內各設一個滑塊，每個滑塊各與一個液壓缸活塞桿相連，該液壓缸缸體固定在機架上，所述液壓缸分別與液壓系統相連，該液壓系統又與數控系統相連。在每個滑塊的中心通孔內各置有一根轉輥的一端，其中兩端設在兩機架上兩豎直條孔內的一根轉輥為上輥，另有兩端設在兩機架上兩條孔內的兩根轉輥為下輥，并且上下轉輥的工作部分進口端一段即加載區和出口端一段即卸載區均呈截錐體形。所述三個轉輥位于加載區和卸載區內的一段均為圓柱體即矯圓區，其與加載區和卸載區圓滑過渡。在兩矯圓區之間的一段為矯圓矯直區，該區域內的上輥中間部分內凹且內凹部分以該段中心面為對稱，下輥中間部分外凸且外凸部分以該段中心面為對稱，同時上輥內凹的弧度等于下輥外凸的弧度，最好矯圓矯直區與兩側的矯圓區圓滑過渡。上下輥之間的加載區、矯圓區、矯圓矯直區、矯圓區和卸載區五個區的長度比例為1:1:4:1:1。上下輥凹凸弧度的設計原則為：上下輥凹凸弧度可使被矯管材變形塑區比達到80％。所述三個轉輥至少有一根的一端設有驅動裝置，該驅動裝置與數控系統相連。若上輥和下輥剛度不足時，則在各轉輥外側設置支承輥。

本發明的加工方法具體如下：

1、根據被矯管材的外徑調整好矯直機上下輥的位置；

2、開啟矯直機，將被矯管材置于送料機構上，開啟動力組件的電動機，驅使鏈條運轉，在送料支撐輥和推板的共同作用下，被矯管材由一端開始陸續進入矯直機；

3、被矯管材在矯直機中的部分，受各轉輥擠壓同時還在上下輥帶動下周向轉動，在矯圓區被矯管材周向各截面均多次交替經歷正向和反向彎曲，到達矯圓矯直區被矯管材周向各截面和縱向各截面同時交替經歷正向和反向彎曲，最后經過卸載區卸載后，全部被矯管材與支撐板一起穿過兩個機架從矯直機出來，然后被取走；

4、期間鏈條在不停地運行，新的被矯管材又被送至另一套送料機構上，重復上述過程。

本發明的工作原理大致如下：當被矯管材與轉輥接觸時，由于進口端的輥形呈截錐型，不但可使被矯管材方便地進入轉輥之間，而且同時實現對管材的徑向加載。被矯管材在各轉輥之間受到徑向載荷，于是被矯管材截面發生彈塑性變形，其中與轉輥接觸的局部區域為反彎區(曲率減小)，轉輥之間的管材部分區域為正彎區(曲率增大)，轉輥下壓的同時主動輥旋轉，在摩擦力的作用下帶動被矯管材周向轉動數圈，被矯管材周向各截面均多次交替經歷正向彎曲和反向彎曲；管材繼續前進進入矯圓矯直區，管材周向和長度方向同時進行往復彎曲；在此過程中，被矯管材在送料組件的帶動下連續通過矯直機，完成整根管材的矯圓過程。

本發明與現有技術相比具有以下優點：

1、以往的矯圓和矯直兩種工藝分別加工，本發明為在一次加工中完成。矯直工藝根據三個輥形的設計，由之前的斜輥交錯矯直改進為上輥為凹形輥，兩個下輥為凸形輥平行放置進行矯直，與矯圓工藝有效的配合，大大提高了管材的矯形效率。

2、矯圓過程中將所有轉輥置于管材外部，而不是將上輥置于管材內部(傳統卷板機矯圓方法)，這樣矯圓設備無需翻缸裝置，在送料裝置的帶動下，既可以方便的送進和取出被矯管材，又降低了矯圓過程操作的復雜性。

3、本發明中轉輥剛度不足時，可為每個輥子設置支承輥，從而提高輥子剛度，可以大大提高矯圓設備的矯圓能力；然而，傳統卷板機矯圓方法將上輥置于管材內部，當管材直徑較小時無法設置支承輥。這樣突破了傳統卷板機矯圓結構上的缺陷。

4、由于上下輥兩端輥型的變化，對同一規格管材在矯圓過程中無需調整上下輥的位置，即可實現對管材施加位移載荷的目的，極大地降低了加工工藝的復雜性。

5、本發明特別適用于長徑比較大、徑厚比較小的管材。

6、可實現連續自動化生產。

附圖說明

圖1是本發明設備的主視示意簡圖。

圖2是本發明設備的動力組件主視示意簡圖。

圖3是本發明設備的推板組件主視示意簡圖。

圖4是本發明設備的推板組件側視示意簡圖。

圖5是本發明設備矯直機主視示意簡圖。

圖6是圖5的A-A視圖。

圖7是本發明設備機架與支撐板同在一起的視圖。

圖8是本發明設備各區域示意簡圖。

圖9是本發明三輥矯圓結構形式之一側視示意簡圖。

圖10是本發明三輥矯圓結構形式之二側視示意簡圖。

圖11是本發明三輥矯圓結構形式之三側視示意簡圖。

圖12是本發明轉輥外設支撐輥的側視示意簡圖。

圖中：1.被矯管材、2.上輥、3.下輥、4.機架、5.上輥驅動裝置、6.下輥驅動裝置、7.底盤、8.液壓缸、9.滑塊、10.數控系統、11.液壓系統、12.鏈輪、13.鏈條、14.取料輥、15.軸套、16.短軸、17.軸承座、18.支撐板、19.支撐輥、20.減速機、21.聯軸器、22.電動機、23.連接板、24.送料支撐輥、25.推板組件。

具體實施方式

在圖1所示的管材輥式連續矯圓設備的主視示意簡圖中，本發明的設備主要包括矯直機和送料機構。其中，送料機構動力組件中的電動機22通過聯軸器21與減速機20相連，減速機輸出端與鏈輪12相連，如圖2所示，該鏈輪與設在同一水平線上的另一鏈輪通過鏈條13相連，并且兩鏈輪之間的距離大于被矯管材1的長度。在鏈條上設有兩套推板組件，且每套推板組件之間的鏈條長度相等。在圖3和圖4所示的推板組件示意簡圖中，推板組件有與機架中部通孔對應的三叉形支撐板18，其每個叉上各設一對軸承座17，每對軸承座內各設一根短軸16，每根短軸外面各設一個外徑呈階梯形的軸套15。該支撐板的一個叉端部設有與支撐板垂直相連的連接板23，該連接板形狀與鏈條節相同，其上的兩個通孔分別通過鉸鏈與相鄰的鏈條節相連。所述支撐板上的三根短軸其軸線相交于一點，該點位于被矯管材的軸線上，同時非設連接板的兩支叉上的短軸軸線又是以設連接板的支叉上的短軸軸線為對稱。另在鏈條上間斷地設有送料支撐輥，該送料支撐輥下部設有與支撐板的連接板結構相同的連接板，該連接板通過鉸鏈與相鄰的鏈條節相連，送料支撐輥上部為支座，其內設有轉軸。在鏈條運行的軌跡上，且靠向鏈輪的位置設有矯直機。在圖5、圖6和圖7中，該矯直機底盤7上固定兩個豎直相對的機架4，每個機架上各設一個與支撐板中部通孔對應的通孔，其上面為一個通孔，下面為兩個通孔且下面兩個通孔是以過上通孔中心的面為對稱，在所述每個條孔內各設一個滑塊9，每個滑塊各與一個液壓缸8活塞桿相連，該液壓缸缸體固定在機架上，所述液壓缸分別與液壓系統11相連，該液壓系統又與數控系統10相連。在每個滑塊的中心通孔內各置有一根轉輥的一端，其中兩端設在兩機架上兩豎直條孔內的一根轉輥為上輥2，另有兩端設在兩機架上兩斜條孔內的兩根轉輥為下輥3，并且上下轉輥的工作部分兩端的外形為截錐體，如圖8所示，所述三個轉輥位于加載區和卸載區內的一段均為圓柱體即矯圓區，其與加載區和卸載區圓滑過渡。在兩矯圓區之間的一段為矯圓矯直區，該區域內的上輥中間部分內凹且內凹部分以該段中心面為對稱，下輥中間部分外凸且外凸部分以該段中心面為對稱，同時上輥內凹的弧度等于下輥外凸的弧度，并且矯圓矯直區與兩側的矯圓區圓滑過渡。上下輥之間的加載區、矯圓區、矯圓矯直區、矯圓區和卸載區五個區的長度比例為1:1:4:1:1。上下輥凹凸弧度的設計原則為：上下輥凹凸弧度可使被矯管材變形塑區比達到80％。所述三個轉輥各有一根的一端設有驅動裝置5、6，該驅動裝置與數控系統相連。

實例1

以外徑150mm、壁厚3mm長度為1500mm的管材為例，該管材力學性能為：彈性模量210GPa，屈服極限302MPa，塑性模量為2160MPa，泊松比0.3。被矯管材1擬合橢圓度為3.5％。上輥2和兩個下輥3直徑均為55mm，分別可在12點鐘、4點鐘和8點鐘方向直線往復運動，三個運動方向的交點為原點O。根據被矯管材的外徑調整好矯直機上下輥的位置；開啟矯直機，將被矯管材置于送料機構上，開啟動力組件的電動機，驅使鏈條運轉，在送料支撐輥和推板的共同作用下，被矯管材由一端開始陸續進入矯直機；被矯管材在矯直機中的部分，受各轉輥擠壓同時還在上下輥帶動下周向轉動，周向各截面均多次交替經歷正向和反向彎曲，同時還交替經歷往復彎曲，最后經過卸載區卸載后，全部被矯管材與支撐板一起穿過兩個機架從矯直機出來，然后被取走；期間鏈條在不停地運行，新的被矯管材又被送至另一套送料機構上，重復上述過程。

實例2

其與實例1基本相同，只是機架上的兩個下通孔均為以上通孔中心線為對稱的水平條孔，而且上輥為不設驅動裝置的從動輥，如圖9所示。

實例3

其與實例1基本相同，只是機架上的兩個下通孔均為以上通孔中心線為對稱的斜條孔，而且上輥為不設驅動裝置的從動輥，如圖10所示。

實例4

其與實例1基本相同，只是機架上的上通孔是圓孔，而且上輥為不設驅動裝置的從動輥，兩個下通孔均為以上通孔中心線為對稱的斜條孔，如圖11所示。

實例5

當上輥2和下輥3剛度不足時，則為各轉輥設置支承輥19，如圖12所示。