一种铝钢复合板异辊径矫直辊辊系结构及其辊径确定方法技术领域
本发明涉及机械制造中的金属复合板矫直领域，具体涉及一种铝钢复合板异
辊径矫直辊辊系结构及其辊径确定方法。
背景技术
在铝钢复合板生产中，对板材进行矫直既是保证板材进一步加工使用的需要，
也是提高板材质量的必要工序。现有技术中，采用矫直辊的矫直机是矫正板材常
用的设备机器。铝钢复合板中，钢层所占比例较大且表面硬度较高，铝层所占比
例较小且表面硬度较低，在矫直过程中容易出现表面压溃的现象，影响板材的后
续使用。对于铝钢复合板辊式矫直，一方面为对铝钢复合板产生较好的矫直效果
要求矫直辊辊径不能过大，另一方面为保证矫直辊对铝层表面不产生较大的接触
应力以至于造成铝层表面压溃要求矫直辊辊径尽量大。现有的矫直机不能在矫直
效果和铝层表面保护之间寻求一个良好的平衡。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种能够对铝钢复合板进行有
效矫直同时能保护铝层表面不受损害的异辊径矫直辊辊系结构及其辊径确定方
法。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种铝钢复合板异辊径矫直辊辊系结构，所述辊系结构包括矫直辊组件和传
动组件，所述矫直辊组件包括多个第一矫直辊和多个第二矫直辊，所述第一矫直
辊辊径小于所述第二矫直辊辊径。
进一步的，多个所述第一矫直辊沿水平方向等间距排布，多个所述第二矫直
辊沿水平方向等间距排布，所述第一矫直辊位于所述第二矫直辊上方，所述第一
矫直辊与所述第二矫直辊为上下交错排列。
进一步的，所述第一矫直辊表面硬度为HRB45～55，所述第二矫直辊表面硬
度为HRC60～65。
一种铝钢复合板异辊径矫直辊辊系结构辊径确定方法，所述方法包括以下步
骤：
步骤一、分别测量铝钢复合板中铝层与钢层的力学性能；
步骤二、铝钢复合板厚度等效计算；
步骤三、第一矫直辊直径确定；
步骤四、第二矫直辊直径确定；
步骤五、矫直辊辊距确定；
步骤六、传动部件转速确定。
进一步的，所述步骤一测量铝钢符合板中铝层与钢层的弹性模量E与屈服
极限σs，铝层的弹性模量记为E1，屈服极限记为σs1，钢层的弹性模量记为E2，
屈服极限记为σs2。
进一步的，所述步骤二铝钢复合板弯曲过程的弯矩-曲率关系为：
M = Bh 2 σ s 1 6 ( - 1 2 C 2 + 3 2 - 3 4 λ + 3 16 λ 2 + 3 4 λ σ λ - 3 16 λ σ λ 2 ) ; ]]>
式中：B为板材宽度；
M为弯矩；
C为曲率，C取值范围为3～4；
λ为铝层所占厚度比例；
λσ为铝层与钢层的屈服极限比值；
h为铝钢复合板厚度；
碳钢板弯曲过程的弯矩-曲率关系满足：
M 0 = BH 2 σ s 1 6 ( 3 2 - 1 2 C 2 ) ; ]]>
式中：H为碳钢板厚度；
根据铝钢复合板弯曲过程的弯矩-曲率和碳钢板弯曲过程的弯矩-曲率关系，
将铝钢复合板厚度h等效成钢板厚度H：
H = h - 8 + 24 C 2 - 12 λC 2 + 3 λ 2 C 2 + 12 λ σ λC 2 - 3 λ σ λ 2 C 2 24 C 2 - 8 . ]]>
进一步的，所述步骤三具体如下：
(1)根据达到反弯能力要求，第一矫直辊直径满足：
D 1 ≤ E 1 H σ s 1 C ; ]]>
(2)根据满足接触强度要求，第一矫直辊直径满足：
D 1 ≥ 0.517 H 2 E 1 3.45 σ s 1 ; ]]>
(3)根据咬入条件，此时第一矫直辊直径满足：
D 1 ≤ 0.045 E 1 H σ s 1 ; ]]>
(4)根据(1)、(2)、(3)确定第一矫直辊辊径范围。
进一步的，所述步骤四中，第二矫直辊满足：
进一步的，所述步骤五所述相邻第一矫直辊的辊距、相邻第二矫直辊的辊距、
相邻第一矫直辊与第二矫直辊的辊距p均相同计算公式为：p＝1.15D2。
进一步的，第一矫直辊连接的传动部件转速r1与第二矫直辊连接的传动部件
转速r2为：
r 1 r 2 = D 2 D 1 . ]]>
本发明的具有以下优点：(1)将第一矫直辊放置于辊系上排，能够最大程度
保证矫直机的咬入能力；(2)第一矫直辊与第二矫直辊上下交错排列，第一矫直
辊能保证对铝钢复合板提供有效的反弯能力，第二矫直辊保证产生较小的接触应
力从而保护铝层；(3)第一矫直辊表面硬度为HRB45～55，能有效保证矫直辊使
用寿命，第二矫直辊表面硬度为HRC60～65，能够防止铝层表面破坏；(4)第一
矫直辊与第二矫直辊分别与传动部件连接，保证第一矫直辊与第二矫直辊转速匹
配，保证铝钢复合板矫直过程平稳。
附图说明
图1是本发明的矫直辊结构示意图；
图2是本发明实施例铝钢复合板厚度等效后的弯矩-曲率关系曲线图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施
例，对本发明进行进一步详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用
于解释本发明，并不用于限定本发明。
相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替
代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在
下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人
员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。下面结合附图与具体实
施方式，对本发明进一步说明。
如图1所示，一种铝钢复合板异辊径矫直辊辊系结构，所述辊系结构包括矫
直辊组件和传动组件，所述矫直辊组件包括第一矫直辊1和第二矫直辊2，所述
第一矫直辊1与第二矫直辊2数量为多个，所述第一矫直辊1辊径小于所述第二
矫直辊2辊径，多个所述第一矫直辊1沿水平方向等间距排布，多个所述第二矫
直辊2沿水平方向等间距排布，所述第一矫直辊1位于所述第二矫直辊2上方，
所述第一矫直辊1与所述第二矫直辊2为上下交错排列。所述第一矫直辊1表面
硬度为HRB45～55，所述第二矫直辊2表面硬度为HRC60～65。所述第一矫直辊
1与所述第二矫直辊2分别与所述传动部件连接，其转动速度根据所述第一矫直
辊1与所述第二矫直辊2辊径确定，所述传动部件转速需匹配。
一种铝钢复合板异辊径矫直辊辊系结构辊径确定方法，所述第一矫直辊1
直径根据钢层表面许用的接触应力、铝钢复合板矫直能力需求以及咬入条件确
定；所述第二矫直辊2直径根据铝层表面许用的接触应力确定。辊距综合所述第
一矫直辊1辊径与所述第二矫直辊2辊径确定，所述方法具体如下：
步骤一、分别测量铝钢复合板中铝层与钢层的力学性能：包括弹性模量E与
屈服极限σs，铝层的弹性模量记为E1，屈服极限记为σs1，钢层的弹性模量记为
E2，屈服极限记为σs2。
步骤二、铝钢复合板厚度等效计算：铝钢复合板弯曲过程的弯矩-曲率关系为：
M = Bh 2 σ s 1 6 ( - 1 2 C 2 + 3 2 - 3 4 λ + 3 16 λ 2 + 3 4 λ σ λ - 3 16 λ σ λ 2 ) ]]>
式中：B为板材宽度；
M为弯矩；
C为曲率，C取值范围为3～4；
λ为铝层所占厚度比例；
λσ为铝层与钢层的屈服极限比值；
h为铝钢复合板厚度；
碳钢板弯曲过程的弯矩-曲率关系满足：
M 0 = BH 2 σ s 1 6 ( 3 2 - 1 2 C 2 ) ; ]]>
式中：H为碳钢板厚度；
根据铝钢复合板弯曲过程的弯矩-曲率和碳钢板弯曲过程的弯矩-曲率关系，
将铝钢复合板厚度h等效成钢板厚度H：
H = h - 8 + 24 C 2 - 12 λC 2 + 3 λ 2 C 2 + 12 λ σ λC 2 - 3 λ σ λ 2 C 2 24 C 2 - 8 . ]]>
对于板材辊式矫直，可取C为4；
步骤三、第一矫直辊直径确定：
(1)根据达到反弯能力要求，第一矫直辊直径满足：
D 1 ≤ E 1 H σ s 1 C ; ]]>
对于矩形断面，C可取3～4，取C为4；
(2)根据满足接触强度要求，圆柱面与平面的接触应力计算公式为：
σ m a x = 0.418 FE 1 B R ; ]]>
式中：R为圆柱面半径；
F为最大矫直力；
F＝12Mt/1.15D1；
Mt＝BH2σs1/6；
σmax≤2σs1；
整理得：
D 1 ≥ 0.517 H 2 E 1 3.45 σ s 1 ; ]]>
(3)根据咬入条件，此时第一矫直辊直径满足：
D 1 ≤ 0.045 E 1 H σ s 1 ; ]]>
(4)根据(1)、(2)、(3)确定第一矫直辊辊径范围。
步骤四、第二矫直辊直径确定：
对于第二矫直辊2直径确定只需满足铝层接触强度要求，计算公式如前，但
由于此时是计算与铝层表面接触，弹性模量和屈服极限要按照铝层的参数带入，
计算可得：
D 2 ≥ 0.517 h 2 E 2 3.45 σ s 2 . ]]>
步骤五、矫直辊辊距确定：所述相邻第一矫直辊的辊距、相邻第二矫直辊的
辊距、相邻第一矫直辊与第二矫直辊的辊距p均相同，计算公式为：
p＝1.15D2。
步骤六、传动部件转速确定：为保证矫直过程板材运行平稳，第一矫直辊连
接的传动部件转速r1与第二矫直辊2连接的传动部件转速r2满足：
r 1 r 2 = D 2 D 1 . ]]>
【实施例1】
本实施例的铝钢复合板异辊径矫直辊辊系的设计方法具有以下步骤：
如图1所示，本实施例的一种铝钢复合板异辊径矫直辊辊系结构，所述辊系
结构包括矫直辊组件和传动组件，所述矫直辊组件包括第一矫直辊1和第二矫直
辊2，所述第一矫直辊1与第二矫直辊2数量为多个，所述第一矫直辊1辊径小
于所述第二矫直辊2辊径，多个所述第一矫直辊1沿水平方向等间距排布，多个
所述第二矫直辊2沿水平方向等间距排布，所述第一矫直辊1位于所述第二矫直
辊2上方，所述第一矫直辊1与所述第二矫直辊2为上下交错排列。所述辊系结
构辊径确定方法如下：
步骤一、分别测量铝钢复合板中铝层与钢层的力学性能，铝钢复合板规格选
择厚度为30mm铝钢复合板，其中铝层厚度为5mm，钢层厚度为25mm。铝层
与钢层材料力学性能通过拉伸试验确定，见表1。铝层和钢层的弹性模量分别记
为E1、E2，，屈服极限分别记为σs1、σs2。
表1
步骤二、铝钢复合板厚度等效计算，铝钢复合板厚度等效，铝钢复合板弯曲
过程的弯矩-曲率关系满足：
M = Bh 2 σ s 1 6 ( - 1 2 C 2 + 3 2 - 3 4 λ + 3 16 λ 2 + 3 4 λ σ λ - 3 16 λ σ λ 2 ) ; ]]>
式中：B为板材宽度；
M为弯矩；
C为曲率，C取值范围为3～4；
λ为铝层所占厚度比例；
λσ为铝层与钢层的屈服极限比值；
碳钢板弯曲过程的弯矩-曲率关系满足：
M 0 = BH 2 σ s 1 6 ( 3 2 - 1 2 C 2 ) ; ]]>
根据铝钢复合板弯曲过程的弯矩-曲率和碳钢板弯曲过程的弯矩-曲率关系，
将铝钢复合板厚度h等效成钢板厚度H：
H = h - 8 + 24 C 2 - 12 λC 2 + 3 λ 2 C 2 + 12 λ σ λC 2 - 3 λ σ λ 2 C 2 24 C 2 - 8 ; ]]>
对于板材辊式矫直，可取C为4；
对于上面30mm厚的铝钢复合板可等效为26mm厚的钢板，等效后的弯矩-
曲率关系如图2所示。
步骤三、小辊径矫直辊直径确定：
(1)根据达到反弯能力要求，此时矫直辊直径需要满足：
D 1 ≤ E 1 H σ s 1 C ; ]]>
对于矩形断面，C可取3～4，取C为4，带入参数计算可得：
D1≤3109mm；
(2)根据满足接触强度要求，圆柱面与平面的接触应力计算公式为：
σ m a x = 0.418 FE 1 B R ; ]]>
式中：R为圆柱面半径；
F为最大矫直力；
F＝12Mt/1.15D1；
Mt＝BH2σs1/6；
σmax≤2σs1；
整理得：
D 1 ≥ 0.517 H 2 E 1 3.45 σ s 1 ; ]]>
带入参数计算可得：
D1≥220mm；
(3)根据咬入条件来讨论，此时矫直辊直径需要满足：
D 1 ≤ 0.045 E 1 H σ s 1 ; ]]>
按钢材考虑，带入参数可得：
D1≤560mm。
步骤四、大辊径矫直辊直径确定：对于大辊径矫直辊直径确定只需满足铝层
接触强度要求，计算公式如前，但由于此时是计算与铝层表面接触，弹性模
量和屈服极限要按照铝层的参数带入，计算可得：
D 2 ≥ 0.517 h 2 E 2 3.45 σ s 2 ; ]]>
D2≥310mm。
步骤五、矫直辊辊距确定：所述相邻第一矫直辊的辊距、相邻第二矫直辊的
辊距、相邻第一矫直辊与第二矫直辊的辊距p均相同，计算公式为：
p＝1.15D2。
6传动部件转速确定
为保证矫直过程板材运行平稳，第一矫直辊连接的传动部件转速r1与大辊
径矫直辊连接的传动部件转速r2需要满足：
r 1 r 2 = D 2 D 1 . ]]>
本发明的具有以下优点：(1)将第一矫直辊放置于辊系上排，能够最大程度
保证矫直机的咬入能力；(2)第一矫直辊与第二矫直辊上下交错排列，第一矫直
辊能保证对铝钢复合板提供有效的反弯能力，第二矫直辊保证产生较小的接触应
力从而保护铝层；(3)第一矫直辊表面硬度为HRB45～55，能有效保证矫直辊使
用寿命，第二矫直辊表面硬度为HRC60～65，能够防止铝层表面破坏；(4)第一
矫直辊与第二矫直辊分别与传动部件连接，保证第一矫直辊与第二矫直辊转速匹
配，保证铝钢复合板矫直过程平稳。