胎圈用扁钢丝生产线设计与研究

    目前用于制造钢丝圈的扁钢丝有以下3种：3mm*1.5mm（有镀层，截面为矩形），2mm*1.3mm（有镀层，截面为矩形），2.74mm*1.36mm（无镀层，截面为自然圆弧）。
    另外，从时间上看，1991年贝卡尔特（Bekaert）的胎圈钢丝样本中就已经出现一种扁钢丝，其规格的3mm*1.5mm。
    上述情况至少可以说明以下两点：（1）欧洲发达国家在10年前已成功地将扁钢丝制成的钢丝圈用在全钢无内胎载重子午胎上；（2）在欧洲发达国家，矩形扁钢丝和自然圆弧扁钢丝已成为胎圈钢丝家族的成员。
    由于用扁钢丝制造胎圈钢丝圈时钢丝表面不挂胶，所以，在国外扁钢丝钢丝圈由钢丝生产厂家制造，轮胎生产厂家从钢丝生产厂家购进这种钢丝圈直接用于轮胎成型。在国内肯定也要走这条路。这样，开发研制胎圈扁钢丝及扁钢丝钢丝圈的主要责任就落在了钢丝生产厂家的身上。
    为了开发用扁钢丝制造的全钢无内胎载重子午胎钢丝圈，我们设计了如下的扁钢丝生产线。
    1  扁钢丝生产线的工艺流程
    扁钢丝生产线的工艺流程为：
    圆断面钢丝――张力放线――导向――矫直――导向――辊拉₁（含冷却润滑）――辊轧（含冷却润滑）――导向――吹扫――活套储料₁――导向――辊拉₂（含冷却润滑）――辊轧₂（含冷却润滑）――导向――吹扫――活套储料₂――导向――精整（含冷却润滑）――活套储料₃――张力收线。
    该生产线设计走线速度28m/min，在此工艺流程中没有列出产品质量的中间检验、终检及包装等工序。
    2  该生龙活虎线的关键设备及功能
    2.1 立式活套装置。
    该活套装置是底梁移动立式活套。其功能为：（1）相对于其它形式的活套装置而言，立式活套装置储存的钢丝量比较大，生产线头尾各工序进行换料、剪切、更换收线工字轮时，由于活套中储存的钢丝将被释放，为完成换料、剪切、更换收线工字轮等工作提供了时间，可以减少临时停车次数，提高生产效率。（2）底梁在立式活套装置中可以上下运动，其所在位置不仅反映了活套中储存钢丝量的多少，而且反映了活套进出口的钢丝流量。底梁在活套中的位置越来越低，说明活套进口流量大于出口流量；底梁在活套中的位置越来越高，说明活套进口流量小于出口流量。底梁在活套中的位置处于平衡状态，说明活套进口流量等于出口流量，整条生产线的生产线速度处于最佳匹配状态。
    该活套装置的立柱上设置4个信号测量点，用来监测底梁在立式活套装置中位置的变化情况，并将测得的信号送入PLC，以便调控立式活套装置前后的钢丝形变流量，即调控轧机或牵引机的线速度，使整条生产线的生产速度得以匹配，保证生产稳定运行。
    当把前述生产工艺路线中与张力无关部分忽略时，前述生产工艺简述为：
    圆钢丝――张力放线――辊拉₁、辊轧₁――活套储料₁――辊拉₂、辊轧₂――活套储料₂――精整――活套储料₃――张力收线
    从简化的生产工艺路线中可以看出，张力放线与辊拉₁、辊轧₁间的张力即辊拉₁、辊轧₁的入口张力，也就是本生产线的初始张力；辊拉₁、辊轧₁与辊拉₂、辊轧₂间的张力即辊拉₁、辊轧₁的出口张力（也叫做辊拉₁、辊轧₁后张力）。活套储料₁处在辊拉₁、辊轧₁与辊拉₂、辊轧₂之间，活套储料₁中钢丝的张力即辊拉₁、辊拉₂、辊轧₂之间的张力。底梁移动立式活套装置可以在钢丝流量发生变化时保持钢丝张力不变。由斯通公式可知在其它轧制条件不变的情况下，张力稳定则轧制压力稳定。稳定的轧制压力和稳定的张力，使钢丝发生形变时产生的残余应力相对较小，几何尺寸易于掌握；钢丝不会跑偏，相应地也使钢丝的通条性能得到了提高。
    生产不同规格的钢丝所需要的张力是不一样的。通过调整底梁配重可以调整钢丝的张力，使该生产线能够轧制多种规格的钢丝，扩大了该生产线的适用范围。
    钢丝在活套储料器中运行时被反复地弯曲，会消除部分残余应力，所以活套储料器具有机械消除残余应力的功能。
    在不得不采用热处理的方法消除部分残余应力时，可以在活套储料器上用直接电加热的方法对钢丝进行低温热处理。
    3个活套储料的功能是一样的。
    2.2 轧机
    为本线设计的轧机有以下特点：
   （1）用差动螺纹传动机构调整辊隙，调整螺栓每旋转一周的调整量为0.5mm。这种方法便于对辊隙进行相对较精密的调整；
   （2）冷却润滑通道布置在机架内部，使轧机结构紧凑，外观整齐漂亮；
   （3）用滚动轴承代替轴瓦，减少滚动阻力，降低能耗，也相对延长了轧辊的使用寿命，有利于降低生产成本，增加经济效益；
   （4）在轧辊的进出口分别装有一个导卫，可以有效地防止扁钢丝出现镰也弯的扭曲。
    2.3 矫直器
    设计中矫直器的辊单独可调，钢丝通过矫直器时，可以获得多种形式的弯曲组合，使钢丝得到最好的矫直效果；导向辊的存在使钢丝在进出矫直器进不致跑偏，有利于保证钢丝的直线性。
    2.4 模盒
    设计中的模盒是一种在水平面内可转动，沿铅垂面可升降的双水冷却模盒。
    工作过程中，模子和钢丝均浸泡在循环冷却润滑剂中，模子和钢丝被同时冷却。这种方法冷却润滑效果特别好，可以降低钢丝变形的不均匀性，减少附加应力，提高扁钢丝成品的韧性，使扁钢丝有较高的弯曲次数和扭转次数。
    为防止由于模盒位置不正确，造成钢丝变形不规则，产生不均匀应力的现象。设计有灵活方便又有足够强度和刚度的模盒调节定位机构。
    模拉被设置在精整工序，通过对扁钢丝进行表面拉拔达到精整的目的。（精整是消除残余应力的一种机械方法）。所以，本生产线的精整工序除对扁钢丝的几何形状、几何尺寸进行最后规整外，还兼有消除残余应力的功能。
    3  本设计中两个着重考虑的问题
    3.1 对残余应力的处理
    在圆断面钢丝生产过程中，生产厂家采取各种措施基本上消除了残余应力。圆丝经过塑性变形生产出扁钢丝，并伴有残余应力的存在，这样会对钢丝的性能产生不良影响。为生产出符合钢丝圈要求的扁钢丝，设计该生产线时采取了如下措施。
    （1）该设计中，在辊拉、辊轧、精整等工序，通过控制冷却润滑剂的流量，可以控制钢丝的变形温度。（变形温度应≤250℃）。
    （2）精整工序中，采用把模子浸泡在循环冷却润滑剂中的方法对模子和钢丝同时进行冷却，以提高钢丝成品的韧性，使钢丝有较高的弯曲次数和扭转次数。
    （3）从圆钢丝到扁钢丝，这一变形过程分为5步（辊拉、辊轧、辊拉、辊轧、精整）完成，每一步变形过程的单次减面率很小，这不但可以有效地控制钢丝变形过程中强度和硬度的增加，同时也控制了残余应力的增加。
    （4）精整工序中，精整模由YG₃烧结而成，保证模具有较高的硬度（HRC≥91）和较高的抗弯强度（≥1029MPa）；精整模工作区的中心角取为6°-8°，定径区的长度取为0.8[(B/2)+(H/2)]，工作区和定径区的粗糙度要求不得低于R_e0.8。这样，从设计的角度保证了精整模具有较高的强度、合适的几何形状和较低的摩擦系数。
    采用把模子浸泡在循环冷却润滑剂中，对模子和钢丝同时进行冷却的方法不仅却效果好，而且润滑效果特别好，拉拔过程中易于保持较低的摩擦系数，降低变形的不均匀性，减少附加应力。此外，钢丝在活套储料器中运行时被反复地弯曲也释放一部分残余应力。
    综上所述，该生产线在控制和消除扁钢丝残余应力方面给予了充分的考虑，并采取了相应的措施，为生产出高强度、高韧性、低残余应力的扁钢丝创造了条件。
    4  结语
    本生产线针对钢丝形变过程中的残余应力、张力控制、整条生产线的线速度匹配、如何防止产生不规则形变等问题，从工艺、设备方面采取了很多措施，以保证生产出合格的扁钢丝，是一条相对较完善的扁钢丝生产线。由于我们对钢丝塑性变形的理论研究得还不够深，实践经验不足，在这条生产线的设计上肯定存在不妥之处，敬请各位专家学者给予批评指正。