分类号ＵＤＣ密级学位论文管、棒材矫直机矫直辊辊形及其工艺参数研究作者姓名：****导教师：**林副教授东北大学现代设计与分析研究所申请学位级别：硕士学科类别：工学学科专业名称：机械电子工程论文提交日期：即／ｐ年ｆ月７≯日论文答辩日期：矽／Ｄ年７Ｚ／日学位授予日期：年月日答辩委员会主席：履佐糸’疋阅人：五丝生孔评伸东北大学２０１０年６月

  ＡＴｈｅｓｉｓｉｎＭｅｃｈａｎｉｃａｌＤｅｓｉｇｎａｎｄＴｈｅｏｒｙＲｅｓｅａｒｃｈｏｎＲｏｌｌＳｈａｐｅａｎｄＰｒｏｃｅｓｓＰａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｔｈｅＢａｒａｎｄＴｕｂｅＳｔｒａｉｇｈｔｅｎｉｎｇＭａｃｈｉｎｅＢｙＺｈｅｎｇＸｉａｎｇｃｈｅｎＳｕｐｅｒｖｉｓｏｒ：ＡｓｓｏｃｉａｔｅＰｒｏｆｅｓｓｏｒＹａｎｇＨｕｉｌｉｎＮｏｒｔｈｅａｓｔｅｒｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙＪｕｎｅ２０１０

  独创性声明本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢二芝思。学位论文作者签名：羡７孝葺屋日期：刃Ｄ。７。／学位论文版权使用授权书本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论文的规定：即学校有权保留并向国家相关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。作者和导师同意网上交流的时间为作者取得学位后：半年ｄ一年口一年半口两年口学位论文作者签名：复宁每季压导师签名：签字日期：加６。７、ｆ签字Ｅｌ期：飞凇坼７．－ｏｆｏ，７、／

  东北大学硕士学位论文摘要管、棒材矫直机矫直辊辊行及其工艺参数研究摘要随国民经济发展的快速的提升，工业和高科技领域对高精度圆材的需求急剧上升，但圆材在生产、工艺流程中由于外界的力的作用及加热冷却不均匀，或运输堆放等原因，产生了不同程度的弯曲和歪扭，影响了管、棒材的使用，这样就需要在生产中通过矫直来消除这一些缺陷。当前矫直机辊形理论复杂，计算过程繁琐，辊形设计效率低、生产周期长。大部分矫直辊辊形均是在徒手设计、使用矫直理论经验公式情况下得到的。本文首先研究了管、棒材的矫直基础理论，建立了薄壁管材矫直的理论数学模型，明确区分了薄壁管材矫直和厚壁管材矫直的矫直方法，运用ＭＡＴＬＡＢ绘制了精确的函数曲线；其次以圆材矫直理论模型和反弯弹复理论为基础，利用ＶＢ开发了精确计算矫直精度的应用程序，为矫直辊的设计提供了理论根据，计算出圆材的反弯曲率比；然后由得到的反弯曲率比，并利用ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓＡＰＩ函数和ＶｉｓｕａｌＢａｓｉｃ开发了基于ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ的斜辊矫直机矫直辊多种辊形的ＣＡＤ系统；最后经过对辊形曲线的对比分析了辊子斜角和辊缝值等在矫直过程中的工艺参数。在修正了矫直理论的基础上设计的二次开发界面简单实用，即使非专业人员都可以操作使用；提高了辊形的计算精度，证明了以往辊形设计的局限性和不准确性，为以后的辊形设计开辟了新路；改变了以往只是定性分析辊子斜角和辊缝值的历史，能轻松实现精确计算辊子斜角和辊缝值，不仅减少了调试机器的过程，更重要的是调高了矫直质量。关键词：矫直机：辊形：斜角；辊缝ＩＩ

  东北大学硕士学位论文ＡｂｓｔｒａｃｔＲｅｓｅａｒｃｈｏｎＲｏｌｌＳｈａｐｅａｎｄＰｒｏｃｅｓｓＰａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｔｈｅＢａｒａｎｄＴｕｂｅＳｔｒａｉｇｈｔｅｎｉｎｇＭａｃｈｉｎｅＡｂｓｔｒａｃｔＷｉｔｈｒａｐｉｄｅｃｏｎｏｍｉｃｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ，ｔｈｅｄｅｍａｎｄｆｏｒｈｉｇｌｌ—ｐｒｅｃｉｓｉｏｎｒｏｕｎｄ－ｓｔｅｅｌｉｓｒｉｓｉｎｇｓｈａｒｐｌｙｉｎｉｎｄｕｓｔｒｉａｌａｎｄｈｉｇｌｌｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｅｒｅａ．Ｂｕｔｉｎｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓｏｆｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｄｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，ｔｈａｔｗｉｌｌｅｘｉｓｔｅｘｔｅｒｎａｌｆｏｒｃｅ，ｕｎｅｖｅｎｈｅａｔｉｎｇａｎｄｃｏｏｌｉｎｇ，ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ，ｓｔａｃｋｉｎｇａｎｄＳＯｏｎ，ｉｔｗｉｌｌｐｒｏｄｕｃｅｂｅｎｄｉｎｇａｎｄｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎｉｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔｄｅｇｒｅｅｗｈｉｃｈｗｉｌｌａｆｆｅｃｔｔｈｅｑｕａｌｉｔｙｏｆｆｉｎｉｓｈｅｄｐｒｏｄｕｃｔｓ．Ｔｈｅｓｅｄｅｆｅｃｔｓａｒｅｎｅｃｅｓｓａｒｙｔｏｂｅｅｌｉｍｉｎａｔｅｄｉｎｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｂｙｓｔｒａｉｇｈｔｅｎｉｎｇ．Ｔｈｅｃｕｒｒｅｎｔｒｏｌｌｓｈａｐｅｔｈｅｏｒｉｅｓａｎｄｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓｅｓｏｆｔｈｅｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎａｒｅｃｏｍｐｌｉｃａｔｅ．Ａｓａｒｅｓｕｌｔ，ｔｈｅｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｏｆｔｈｅｒｏｌｌｅｒｄｅｓｉｇｎｉｎｇｉｓｌｏｗａｎｄｔｈｅｃｙｃｌｅｏｆｔｈｅｐｒｏｄｕｃｉｎｇｉｓｌｏｎｇ．Ｍｏｓｔｏｆｔｈｅｒｏｌｌｅｒｗａｓｏｂｔａｉｎｅｄｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅｄｅｓｉｇｎｉｎｇｗｉｔｈｈａｎｄｓｏｒｕｓｉｎｇｔｈｅｅｍｐｉｒｃａｌｆｏｒｍｕｌａ．Ｆｉｒｓｔｔｈｉｓａｒｔｉｃｌｅｓｔｕｄｉｅｄｔｈｅｂａｓｉｃｔｈｅｏｒｙａｂｏｕｔｓｔｒａｉｇｈｔｅｎｉｎｇｏｆｔｈｅｔｕｂｅａｎｄｂａｒａｎｄｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄｔｈｅｏｒｉｃａｌｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌｍｏｄｅｌｏｆｔｈｉｎ—ｗａｌｌｅｄｔｕｂｅｓｔｒａｉｇｈｔｅｎｉｎｇ．Ｉｔｈａｄａｃｌｅａｒｄｉｓｔｉｎｃｔｉｏｎｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｔｈ．ｉｎａｎｄｔｈｉｃｋｗａｌｌｔｕｂｅｆｏｒｓｔｒａｉｇｈｔｅｎｉｎｇｍｅｔｈｏｄ．ＴｈｅｎＩｄｒａｗｅｄｔｈｅｐｒｅｃｉｓｅｆｕｎｃｔｉｏｎｃｕｒｅｕｓｅｄｔｈｅＭａｔｌａｂｓｏｆｔｗａｒｅ．Ｓｅｃｏｎｄｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｒｏｕｎｄｗｏｏｄｓｔｒａｉｇｈｔｅｎｉｎｇｔｈｅｏｒｙａｎｄｔｈｅｂｅｎｄｉｎｇａｎｄｅｌａｓｔｉｃｉｔｙｔｈｅｏｒｉｅｓ，ＩｄｅｖｅｌｏｐｅｄａｎａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｔｈａｔｃａｎｃａｌｃｕｌａｔｅｓｔｒａｉｇｈｔｅｎｉｎｇｐｒｅｃｉｓｉｏｎｐｒｅｃｉｓｅｌｙａｎｄｐｒｏｖｉｄｅｔｈｅｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｂａｓｉｓｆｏｒｔｈｅｓｔｒａｉｇｈｔｅｎｉｎｇｒｏｌｌｅｒｄｅｓｉｇｎａｎｄｇｉｖｅｔｈｅＣｗ．ＴｈｉｒｄＢａｓｅｄｏｎｔｈｅＣｗｉｔｄｅｖｅｌｏｐｅｄｔｈｅＣＡＤｓｙｓｔｅｍａｂｏｕｔｔｈｅｒｏｌｌｅｒ ｕｔｉｌｉｚｉｎｇ ｔｈｅ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ ＡＰＩ ａｎｄ Ｖｉｓｕａｌ Ｂａｓｉｃ．Ｆｉｎａｌｌｙ Ｉａｎａｌｙｚｅｄ ｔｈｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｔｈｅ ｒｏｌｌ ａｎｇｌｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｒｏｌｌ ｇａｐ ｉｎ ｔｈｅ ｓｔｒａｉｇｈｔｅｎｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ． Ｔｈｅ ｓｅｃｏｎｄａｒｙ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ｉｓ ｓｉｍｐｌｅ ａｎｄ ｐｒａｃｔｉｃａｌ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｒｅｖｉｓｅｄ ｓｔｒａｉｇｈｔｅｎｉｎｇ ｔｈｅｏｒｙａｎｄ ｅｖｅｎ ｎｏｎ－ｐｒｏｆｅｓｓｉｏｎａｌｓ Ｃａｎ ｏｐｅｒａｔｅ ｉｔ．Ｉｔ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｔｈｅ ａｃｃｕｒａｃｙ ｏｆ ｒｏｌｌ ｓｈａｐｅ，ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅｄ ｔｈｅ ｌｉｍｉｔａｔｉｏｎｓ ｏｒ ｉｎａｃｃｕｒａｃｙ ｏｆ ｔｈｅ ｐｒｅｖｉｏｕｓ ｒｏｌｌ ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｏｐｅｎｅｄ ａｎｅｗ ｒｏａｄ ｆｏｒ ｒｏｌｌ ｄｅｓｉｇｎ．Ｉｔ ｃｈａｎｇｅｄ ｔｈｅ ｈｉｓｔｏｒｙ ｏｆ ｔｈｅ ｑｕａｌｉｔａｔｉｖｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｆｏｒ ｒｏｌｌ ａｎｇｌｅ ａｎｄ ｒｏｌｌ ｇａｐ．Ｎｏｗ ｗｅ ｃａｎ ａｃｈｉｅｖｅ ａｃｃｕｒａｔｅ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｒｏｌｌ ａｎｇｌｅ ａｎｄ ｒｏｌｌ ｇａｐ．Ｔｈａｔ ｎｏｔ ｏｎｌｙ ｒｅｄｕｃｅｓ ｔｈｅ ｄｅｂｕｇｇｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｍａｃｈｉｎｅ，ｍｏｒｅ ｉｍｐｏｒｔａｎｔｌｙｉｎｃｒｅａｓｅｓ ｔｈｅ ｑｕａｌｉｔｙ ｏｆ ｓｔｒａｉｇｈｔｅｎｉｎｇ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｓｔｒａｉｇｈｔｅｎｉｎｇ ｍａｃｈｉｎｅｓ；ｒｏｌｌ ｓｈａｐｅ；ｒｏｌｌ ｇａｐ；Ｂｅｖｅｌ ＩＩＩ

  东北大学硕士学位论文 目录 目录独创性声明……………………………………………………………Ｉ 摘要……………………………………………………………………ＩＩ Ａｂｓｔｒａｃｔ………………………………………………………………………………………………………．．ＩＩＩ 第１章绪论…………………………………………………………１ １．１课题的研究背景………………………………………………………………．１ １．２课题研究现状、趋势及展望…………………………………………………．２ １．２．１国外研究概况…………………………………………………………．．２ １．２．２国内研究概况…………………………………………………………．．３ １．２．３矫直发展的新趋势…………………………………………………………．．４ １．３课题的研究目的和研究意义…………………………………………………．４ １．４课题研究的主要内容…………………………………………………………．５ 第２章矫直机辊形计算基础原理…………………………………７ ２．１矫直过程理论假设……………………………………………………………．７ ２．２矫直过程解析…………………………………………………………………．７ ２．２．１矫直曲率变化分析……………………………………………………。７ ２．２．２矫直变形分析…………………………………………………………．．９ ２．２．３反弯半径与塑性变形深度的内在联系………………………………．１１ ２．３管棒材弯矩比计算……………………………………………………………１２

  东北大学硕士学位论文 目录 ２．３．１棒材弯矩、原始曲率与反弯曲率关系………………………………１２ ２．３．２管材（孓ａ）弯矩、原始曲率与反弯曲率关系……………………．．１２ ２．３．３管材（‘≥ａ）弯矩、原始曲率与反弯曲率关系……………………１４ 第３章利用ＶＢ对反弯弹复过程参数化…………………………１９ ３．１参数化的意义和选择开发语言………………………………………………１９ ３．２矫直过程分析…………………………………………………………………１９ ３．３反弯弹复过程理论基础………………………………………………………２０ ３．３棒材反弯弹复过程……………………………………………………………２４ ３．４薄壁管材（＜≥ａ）反弯弹复过程……………………………………………２６ ３．５厚壁管材（和）反弯弹复过程……………………………………………．２８ 第４章辊形设计及辊形参数化……………………………………３ １４．１以往的辊形设计方法…………………………………………………………３ｌ ４．１．１子午线作图法一椭圆移动法…………………………………………３ｌ ４．１．２空间矢量方程计算法…………………………………………………３２ ４．２单曲率反弯辊形矫直精度的计算。…………………………………………３５ ４．２．１棒材反弯曲率设计……………………………………………………３５ ４．２．２厚壁管材（佝）反弯曲率设计……………………………………．．３５ ４．２．３薄壁管材（‘≥ａ）反弯曲率设计……………………………………３６ ４．３单曲率反弯辊形的设计………………………………………………………３７ ４．３．１圆材反弯半径的计算…………………………………………………３７ ４．３．２凸凹辊模型的设计……………………………………………………３８ Ｖ

  东北大学硕士学位论文 目录 ４．４单曲率反弯辊形与空间矢量方法作图的比较………………………………４０ ４．５单曲率反弯辊形的参数化设计………………………………………………４０ ４．５．１ ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ开发方法简介……………………………………………．４０ ４．５．２ ＳｌｄＷｏｒｋｓ对象……………………………………………………………………………．４ｌ ４．５．３矫直辊形应用软件开发平台…………………………………………４ｌ ４．５．４运用ＶＢ基于尺寸驱动参数化的产品结构设计系统………………４３ 第５章辊子调角、辊缝值分析……………………………………４７ ５．１现在对辊子调角的认识………………………………………………………４７ ５．２用实例分析说明辊子斜角的调整方向………………………………………４８ ５．３凸凹辊辊腰直径的设计原则…………………………………………………５０ ５．４基本辊形设计原则……………………………………………………………５４ ５．５辊缝的调节原理………………………………………………………………５５ 第６章结论及展望…………………………………………………５７ 参考文献……………………………………………………………．５９ 致谢………………………………………………………………．６３ ＶＩ

  东北大学硕士学位论文 第１章绪论 １．１课题的研究背景 第１章绪论 在钢铁行业中，冶金设备占据着很重要的位置，其中矫直设备是钢铁生产中很重要 的一环，它是轧钢厂三大设备（轧钢机、剪切机和矫直机）之一。矫直机不仅能使轧制 成品得以整形，还能使钢产品的性能得以改善Ｉｌ Ｊ。矫直质量的好坏直接影响着钢材的质 量，同时也会决定着钢材的价值。在当今社会中我们应该的是提升产品的附加值，而提 高钢材的矫直质量，恰恰是提高钢材附加值的有效途径和必须环节【２】。 纵观国内钢铁行业的发展，在解放初期，我国的钢铁产量只有１５．８万吨，居世界第 ２６位。新中国成立后，经过了三个阶段的建设，中国钢铁工业有了飞速的发展。１９８６ 年钢产量超过了５０００万吨。１９９６首次跨越一亿吨大关，一举变成全球第一产钢大国。 ２００３年我国又变成全球上唯一粗钢产量超过２亿的国家。２００４年，我们国家粗钢产量接近 世界钢铁行业排名第二至第四位的日本、美国和俄罗斯钢产量的总和。根据专家预测， 从现在起，到２０２０年我国钢产量每年要超过３亿吨【３Ｊ。 现在国民经济处于快速地发展的阶段，通信、电子、军工、航天等高科技领域对高精 度圆材的要求越来越严格，现有标准ＧＢ３６３９．１９８３《冷拔或冷轧精密无缝钢管》和 ＧＢ８７１３．１９８８《液压和气动缸用精密内径无缝钢管》远远不能够满足客户的要求，一些更 严格的要求体现在了供货合同中。在生产制造高精度圆材的时侯，矫直机是很重要且 关键的一道工序。面对高精度圆材的需求日益增多，生产制造多种规格的高精度矫直机 是非常必要且很有前景的。斜辊矫直机对于圆材的矫直有着得天独厚的优势，不仅能提 供高精度的矫直质量，还对圆材表面有抛光的作用。但斜辊矫直机目前没有正真获得广泛的 应用，其根本原因是矫直机设计理论和辊形设计远远落后于现场生产规格要求。在实际应用 中，很多辊形曲线的设计只是依靠实验数据来假设或者去拟合的，这些辊子的通用性很 差，矫直速度慢，并且在真实的操作中很难控制，经常会矫直出废料，给生产带来了很多 麻烦并且降低了生产效率【４Ｊ。 管材是一种重要的经济钢材【５】，在国际上按重量计算通常约占轧材总产量的６～１８％， 而按长度（米）计则所占比例要高得多。世界各国都十分重视圆材生产的发展，近年来管 材的上涨的速度超过了粗钢的上涨的速度。但我国目前管材生产数量比较少ｔ６ｌ，圆材产量仅 占钢材产量的５－－６％，而无缝钢管只占钢材产量的２．５～３％，工业发达国家的钢管产量占

  东北大学硕士学位论文 第１章绪论 钢材总产量１０％以上，其中原联邦德国、意大利、独联体等国达到１４％～１６％，其无缝 钢管约占钢管总产量的５０％ｔｒｌ。从产量上看，国内低于发达国家水平，在品种、规格、 质量方面，存在着品种、规格、结构不合理状态：一般用途无缝钢管占大多数，而石油 钻采用管、油气集输管、高压锅炉管、高压注水管、化工用管等品种规格少，产量低， 生产能力薄弱，供需矛盾突出。大直径石油管与高压锅炉管生产刚起步，生产能力严重 不足，其它品种的无缝钢管也存在品种规格不全，质量欠佳，以冷代热的不合理状态。 近年来【８９１，国内平均每年进１２１无缝钢管１００万吨（多数是石油用管、高压锅炉用管、化 工用管等），有时迸１２１量超过当年国内的生产量。以石油管为例，石油部１９９９年需石油 管约９６万吨，２００２年约需１２６万吨，而现有生产石油管的厂家仅鞍钢、包钢、成都无 缝钢管厂、上钢一厂和宝钢等企业，年生产能力为３４．８万吨。其中宝钢为２１．３万吨， 且大部分为小直径管，供需矛盾很突出。天津直径２５０ｍｍ大无缝机组的投产（年产量５０ 万ｔ，其中石油管３０万０，将对石油管的供求矛盾有一定的缓和，但缺１２１仍然较大，石 油部所需的油井管大部分还将依靠进口。又如高压锅炉管，特别是直径大于１５９ｍｍ的 高压锅炉管，国内生产尚少，而国内引进的３００ＭＷ和６００ＭＷ发电机组需要的大直径 高压锅炉管（直径２１９～７６０ｍｍ，少部分直径９１４ｍｍ）ＮＩ内不能生产，全部依靠进Ｖ１。由 于当前国内无缝钢管机组普遍落后，存在一定的差距，因此导致国内无缝钢管生产处于 产量不高、质量普遍较差、各种消耗较高的状态１１训。 不仅管材如此，棒材的生产更是如此，现在高精度的圆材国内生产量远远达不到实 际需求量，供需存在很大矛盾，很大一批高精度的棒材需要从国外进口，耗费大量外汇 储备。综上所述对国内急需解决管、棒材的高精度矫直。 １．２课题研究现状、趋势及展望 １．２．１国外研究概况 国外对矫直过程中的变形机理与工艺参数的确定做了深入地研究。日本的一些学者 对辊式矫直机的矫直特性进行了理论研究和实验研究，一方面采用解析的方法，分析材 料矫直时的变形过程，找到了应力一应变的关系，变形与压下量的关系，并建立了较为 精确的数学模型；另一方面，对矫直负荷、转矩、功率及辊缝变化进行了测试，观察不 同规格的材料，不同翘曲度在矫直时曲率的变化，分析确定最优参数，建立精确数学模 型，使得在提高矫直质量的同时，又使钢板矫直从经验控制走向定量控制，从经验操作 走向优化操作。前苏联学者针对钢管矫直进行了最佳弯曲变形的理论和实验研究，也取

  毕业)设计(论文)-七辊棒材矫直机设计(全套图纸30页