精密斜辊矫直关键基础理论的精细化研究

With the development of industrialization and urgent requirements of improving production efficiency and effectiveness, demand for tube precision would be stricter. Present cross roll straightening theory assumes that tubes are ideal elastic-plastic materials, and the bauschinger effect of continuous straightening bent process and the influence of cross roll wear are not considered, but the two factors has extremely significant relation with straightening precision. This project, with the six-rolls straightening process as the research object, with the help of spatial geometry, discrete and numerical integration, elastic-plastic mechanics, finite element analysis and experimental verification and other means to reveal the deformation mechanism of straightening process, further study the cyclic softening of materials, non-equal roll angle computation with ideal contact , straightening roll wear and its influence on the process parameters during cross roll straightening, obtain the model of the amount of bending, press flat amount and roll angle. Establish a theoretical foundation for the realization of automated and precision controlled pipe straightening process, doing basic, innovative research for establishing better fundamental scientific theoretical system of oblique roll straightening.

随着工业化的进步及对生产效率、效益提高的需求的不断加强，对生产出的钢管精度要求势必越来越高，目前对斜辊矫直的理论研究均假设钢管为理想弹塑性材料，并未考虑材料连续矫直弯曲过程中的包辛格效应、中性层偏移以及矫直辊磨损对工艺参数设定的影响，导致现有工艺控制模型不能适应高精度矫直的需要。本项目以六斜辊钢管矫直过程为研究对象，借助空间几何、数值离散与积分、弹塑性力学原理、有限元分析及实验测试等手段，揭示矫直过程的变形机理，深入研究与钢管矫直质量息息相关的矫直过程材料软化、理想接触条件下的不等倾斜角计算、矫直辊磨损及其对工艺参数影响规律等共性深层次问题，得到严谨的压弯量计算模型、压扁量计算模型、倾斜角计算模型，为实现钢管矫直过程的自动化建立理论基础，达到矫直精度可控的目标，为建立更完善、更科学的斜辊矫直理论体系进行基础性创新研究。

斜辊矫直技术是现代管棒材矫直的主要方式，辊系布置形式较多，管棒材终端产品用户对产品直线度精度要求也越来越高，传统矫直理论基于最大一次弯曲的塑性变形率达到一定程度能够矫直来设定矫直参数，未能实现矫直全过程的分析。本项目从斜辊矫直的基本理论出发，结合管棒材矫直的特征，系统研究了管棒材矫直的连续弯曲弹复过程，主要研究内容如下：.1、基于中性层偏移理论的管棒材一次弯曲弹复理论.基于内应力对管材和棒材截面积分可以获得管棒材弯曲过程的弯矩，在弯矩计算过程中考虑中性层偏移。基于小曲率平面弯曲弹复理论，弹复曲率等于弯矩 除以界面惯性矩与弹性模量之积 ，残余曲率等于弯曲曲率减去弹复曲率。.2、管棒材矫直曲率的全流程解析.基于管棒材矫直过程中既旋转又弯曲的特征，可得某一微梁段在整个矫直过程中实现弯曲的次数，将前一次弯曲的残余曲率作为后一次弯曲的初始曲率，基于管棒材一次弯曲弹复理论，可实现曲率的全流程解析。.3、管棒材矫直工艺设定参数优化模型.对于多斜辊钢管矫直机，利用现有矫直理论给定初始设定参数，基于钢管与各矫直辊的接触特征，采用三次样条函数拟合管材在辊系中的弯曲状态，获得管材上任意位置的弯曲曲率；对于棒材二辊矫直机，给定初始角度，基于凹辊在棒材轴线平断面截取得到的曲线，得到二辊矫直过程任意位置的弯曲曲率。基于曲率的全流程解析理论，计算棒材矫后的残余曲率，如果不满足最终精度要求则更改设定参数，进行迭代计算，直到满足最终精度要求。.4、全流程曲率解析理论的验证.以管材六辊矫直为验证手段，在锡钢Bronx矫直机上进行了12组管材矫直验证，其中包括大口径钢管、小口径钢管、薄壁管、厚壁管。采用本项目优化后的矫直参数，各规格钢管矫直后均能满足0.6mm/m的直线度精度，同时圆度能够满足0.3%D的要求，证明该理论正确。.获得的成果有：钢管矫直工艺设定模型软件一套、棒材二辊矫直工艺设定模型软件一套，发表论文10余篇，申报相关专利5个。