可调角度夹送辊在不锈钢精密管材矫直机中的应用

 当前市场需求量较大的不锈钢精密管材口径大都集中在18mm～76mm之间,具有口径偏小、质量较轻,表面质量要求严格等特点,因此这类管材在尾部出矫直机主机后采用夹送辊将被矫管材送入走钢线以内,由于当前的夹送辊角度不可调且和矫直中心线垂直,常常会将旋转前进的管材划伤,且在夹送之前上辊和管材脱开,达不到抑制管材甩动的目的,严重影响了管材矫直质量的提高。可调角度夹送辊由于具备夹送辊角度可调,下辊快速避让的功能,很好地解决了划伤管材表面、抑制管材甩动的问题,在某厂Ф80机组上发挥了效用,可以作为新上不锈钢精密管材矫直机的参考。

一、前言

  不锈钢精密管材的材质主要以不锈钢和高镍合金为主,口径大都集中在18mm～76mm之间,长度以倍尺居多。该类精密不锈钢管广泛应用于核电、化工、汽车行业,特别是核电用管,对交货状态的钢管有着严格的几何尺寸、表面质量以及金属内部质量的可追溯性要求。矫直工序作为成品管生产的最后工序,工艺要求“多环节,软接触,轻着陆”绝对禁止在矫直工序中钢管表面出现任何形式的擦伤。但受矫直工艺以及装备水平的影响,目前在矫直过程中的擦伤主要表现在两个方面:一是被矫直管材在前后台扣瓦中的擦伤,二是被矫管材在出口和夹送辊的擦伤。

 1. 国外在不锈钢精密管材矫直工艺上为了避免擦伤钢管表面,尝试采用了拉伸矫直工艺,这种拉伸工艺虽然保证了管材表面质量,但只能保证对管材进行直线拉伸,不具备对管材的扭转矫形,因此它的前提是被拉伸管材在拉伸之前管体要尽可能的平直,即管材的上游生产工艺和设备要有相当的装备水平,冷拔、冷轧以及热处理工序要求严格的均匀变形,在国内还不完全具备这些条件。因此对精密管材辊式矫直设备的不断改进创新是当前提高精密管材金属收得率亟待解决的问题。

 2. 对于辊式不锈钢精密管材矫直工艺来讲,随着柔性前台和全封闭后台的开发应用,被矫管材在前台和后台的甩动擦伤问题基本得到解决。处于主机和后台之间的夹送辊成为目前造成管材擦伤问题的核心,目前普遍采用的夹送辊为辊体上、下布置,且辊身中心线和矫直中心线垂直;上辊为快开辊,即不夹送时上辊升起,夹送时上辊落下;下辊为主动辊,由电机驱动转动,且辊面标高为一固定值,一般和主机下辊面平齐。这种结构存在以下几点缺陷:

   a. 辊身中心线和矫直中心线垂直,被矫钢管和夹送辊下辊面旋转方向不同;(成一定夹角),造成损伤性摩擦;

   b. 夹送辊上辊抬起,在矫直过程中不能对被矫钢管的旋转摆动进行抑制,会使被矫钢管和后台其它部位产生擦伤;

   c. 下辊为电机驱动,被矫钢管前进时带动电机转动,势必会增大被矫钢管和下辊的摩擦造成擦伤;

   d. 夹送辊材质选取一般选用橡胶或聚氨酯,对硬度没有作出太高要求,只是考虑夹送辊和钢管软接触,而忽略了夹送辊对于稳定矫直的意义。

 3. 针对当前夹送辊普遍存在的问题,笔者在为咸阳某厂设计的Ф80mm不锈钢精密管材矫直上,首次设计了夹送辊上辊角度可调机构,保证在矫直过程中夹送辊上辊和矫直辊角度一致,夹送时夹送辊中心线和矫直中心线垂直,上夹送辊辊形和矫直辊接近,使其具有压辊的作用。下辊为主动的快速避让辊,旋转驱动装置为液压马达,并选用Y极型阀控制,下辊在不夹送的情况下,旋转只是克服辊子自身旋转的阻力。辊子材料选用尼龙材料并对硬度和抗拉强度提出了一定要求,一是辊面硬度可以保证,二是摩擦阻力相对其它软材料有所减少。采用上述设计思路制造的夹送辊有效解决了夹送辊易于擦伤管体的问题,后台被矫钢管的甩动问题。使用情况表明:夹送辊上辊凸显出的压辊作用对于抑制被矫钢管甩动,稳定矫直过程提高矫直质量有相当作用,夹送辊上辊角度和主机矫直辊角度在矫直过程中保持一致,避免了擦伤管体表面的可能性。使用一年来,情况良好,可以作为新上或者改造不锈钢精密管材矫直机的参考。

二、不锈钢精密管材矫直工艺及设备

 当前不锈钢精密管材矫直工艺大致分为精整区域管材的矫直和热处理区域管材的矫直,热处理区域的矫直一般为离线矫直,设备工艺布置相对灵活,精整区域矫直为在线矫直,受上、下游工序影响较大,但其基本的工艺流程为:前台布料———单根上料———斜辊喂料机喂料———主机矫直———夹送辊抛料—检测平台人工检测—柔性料筐收集。其对应的设备为挡料拨料器、斜辊喂料机、矫直机主机、夹送辊、V形开合导槽、柔性收集料筐。

 夹送辊一般布置在主机和后台之间,待钢管尾部出矫直机后,夹送辊迅速启动,夹持钢管将钢管抛入走钢线以内。单从夹送的目的考虑,夹送辊装置布置的尽可能的远离主机为好,但从稳定矫直提高矫直精度的角度考虑,这一距离越近越好,若能小于主机一个辊距,效果会相当明显。但实际在布置上一般最小为一个辊距,主要是受主机钢管出口速度和被矫钢管质量的影响。传统的夹送辊在整个矫直过程中下辊和钢管接触,上辊于钢管脱离,矫直完毕之后,上辊压下和下辊一起将钢管抛出。

三、可调夹送辊的基本结构

 可调夹送辊装置的基本设计思路为,矫直过程中夹送辊角度和主机角度一致,不会使钢管产生旋转擦伤。上辊压下,下辊避让,抑制下弯式矫直机翘头甩动现象。

 可调夹送辊装置由上固定梁、下固定梁、上滑动梁、下滑动梁、辊缝调节装置以及下辊快速开启装置组成。上、下固定梁通过3根立柱预紧,考虑到夹送辊对出口钢管有一定的压紧作用,立柱直径的选取按照1/3最大矫直力校核,也可直接取主机立柱直径的2/3,预紧力即立柱拉杆的伸长量按虎克定律求解。上、下滑动梁在以3根立柱为导向,做上、下滑动,实现开口度的调节和下辊快速开启的功能。

 1. 滑动机构

 可调夹送辊的基本机构如图所示,上、下夹送辊分别安装于机架的上、下滑动梁之上,上、下滑动梁可以在预紧上、下固定梁的立柱上滑动。上滑动梁在立柱上上、下滑动的目的是调节两辊体之间的辊缝,也即开口度。下横梁在液压缸的驱动下快速滑动的目的是为了实现快速夹持钢管的目的。上滑动梁的上、下滑动驱动装置为蜗轮蜗杆机构,经由电机驱动蜗杆,最终实现带动滑动梁运动的丝杆边旋转边上升或下降运动,通过采集丝杠旋转的圈数可以准确的对辊缝尺寸进行控制,同时也可以精确地给出夹送辊上辊和主机末辊上辊中心高度上的偏差,即相当于精确地控制了夹送辊的反弯量,实现了稳定矫直的目的,提高了矫直精度。

 下滑动梁的上、下滑动由两个液压缸驱动,为了降低设备重心,将驱动液压缸设计为缸头法兰连接的液压缸,这样有利于提高下滑动梁的刚性。根据以往使用经验下滑动梁的快开行程确定为20mm,基本可以满足精密钢管矫直的要求。

 2. 角度调节机构

 角度调节机构,要能适应钢管矫直速度,即当在矫直过程中夹送辊的角度要和主机矫直辊的角度一致,当矫直过程结束时,夹送辊的角度要求立即变为和矫直中心线垂直,以适应抛料的要求。这一过程由一短行程液压缸实现,如图2所示。夹送辊在安装在一长条型辊座之上,长条型辊座通过掖压缸的推动可以绕其中心进行转动,实现夹送辊辊体的角度调节,调节的范围为32°～90°,可以满足稳定矫直和夹送的目的。

 3. 夹送辊辊体曲线的设计以及材质的选用

 通过以上讨论得知,在矫直过程中起到稳定作用的是夹送辊的上辊,因此夹送辊的辊形设计要尽可能的和主机矫直辊相似,但辊腰直径和辊身长度均要减小,以降低设备重量,一般夹送辊上辊的辊腰直径为主机矫直辊的2/3。下辊和上辊配合起到夹持和抛料的作用。因此下辊要有一定包角,对于名义直径为80mm的精密矫直机以120°为宜。夹送辊的材质选用尼龙材质与以往采用橡胶等软材料相比,摩擦阻力较小,磨损程度降低,且硬度较高易于实现上辊对钢管的压紧,稳定矫直的作用明显。

 4. 夹送讯号的给定

 夹送辊夹持前要完成角度快速转变,因此夹持信号的给定一定是钢管尾部出矫直机末辊并静止之后,因此一般采集到的信号为钢管出矫直辊末辊辊腰的信号要做适当延时。以免产生在角度调节过程中对钢管表面产生划伤。

 5. 夹送辊装置制造精度要求

 综上所述,夹送辊除过抛料功能外,还具备有压辊的作用,稳定矫直过程,提高矫直精度,在矫直过程中,夹送辊对被矫钢管实施一定的压紧,因此夹送辊和主机矫直辊的中心对正问题非常值得重视,如若对正情况较差,造成被矫钢管跑偏、甩动对于矫直效果有很大的影响。在Ф80mm矫直机的夹送辊设计和安装中都提出了具体要求,一是夹送辊装置中心线和主机中心线的对正,二是上辊中心和夹送辊中心的对正。解决问题一,可以在设计时,在下固定梁的上加工面上在加工3个立柱孔时加工出其中两个孔的对称中心,这个中心即为夹送辊装置安装找正的中心,和主机中心的偏差控制在±0.25mm以内;解决问题二,一是要严格的控制上、下固定梁3个立柱孔的位置偏差,加工工艺考虑上、下固定量把合加工,即可很好的控制上、下固定梁的3个立柱孔的位置精度问题,二是上滑动梁和夹送辊辊座的把合支口与滑动梁上的3个滑动孔一次加工成型,这样基本能够保证夹送辊辊体中心和夹送辊机组中心对正,其不对正偏差来源于加工设备的精度偏差,完全可以满足现场使用要求。使用情况表明对夹送辊装置提出加工和安装精度要求是正确的。

四、应用情况及结论

 该夹送辊装置在咸阳某厂80mm不锈钢精密管矫直机上使用一年来情况良好,配合该机组的封闭后台,有效地解决了被矫钢管出矫直机末辊后的甩动擦伤现象,提高了精密不锈钢管的矫直精度。夹送辊的角度和主机矫直辊相适应,高度方向上能调节出一定的反弯量,对于稳定矫直过程、提高矫直精度的作用明显;夹送辊的材质选用尼龙,比橡胶和聚氨酯等软材料更有摩擦阻力小,耐磨时间长,易于实现对精密不锈钢管压紧的效用。可调夹送辊的应用使得辊式矫直机在对精密管材的矫直过程中摩擦划伤机率大大减少,充分发挥出了辊式矫直机矫直不锈钢精密管材的优势。