軋輥過(guò)渡圓角優(yōu)化計(jì)算

羅賢勇 張榮濱 李圖學(xué)

(中冶賽迪工程技術(shù)股份有限公司 重慶401122)

1 前言

軋輥是用來(lái)直接完成軋制過(guò)程中金屬變形的主要工具。由于軋制時(shí)軋輥受到巨大的軋制壓力和轉(zhuǎn)矩的作用，在軋輥上產(chǎn)生彎曲應(yīng)力、扭轉(zhuǎn)應(yīng)力和接觸應(yīng)力。軋輥的輥身直徑一般較大，而輥頸直徑受軸承徑向尺寸的限制，直徑較小。輥頸和輥身交界處是應(yīng)力集中的部位，該處必須具有適當(dāng)?shù)倪^(guò)渡圓角［1］。

目前常用的過(guò)渡圓角為單圓角過(guò)渡曲線和雙圓角過(guò)渡曲線兩種結(jié)構(gòu)形式。本文采用ANSYS Workbench12.0軟件，10 節(jié)點(diǎn)四面體有限元單元，對(duì)兩種過(guò)渡圓角進(jìn)行對(duì)比計(jì)算分析，從而尋找到比較適合的軋輥過(guò)渡圓角。

2 軋輥基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

2.1 軋輥幾何模型

為統(tǒng)一對(duì)比分析平臺(tái)，軋輥幾何模型，除過(guò)渡圓處外，其余地方尺寸一樣，即過(guò)渡曲線的總寬度約65mm，臺(tái)階高45mm。

圖1 軋輥幾何尺寸

2.2 主要軋制力能參數(shù)

1)最大軋制力4400kN;

2)最大軋制力矩520kN·m;

3)軸向竄動(dòng)力132kN。

圖2 單圓角過(guò)渡曲線幾何關(guān)系

圖3 雙圓角過(guò)渡曲線幾何關(guān)系

3 過(guò)渡圓角優(yōu)化分析

3.1 軋輥單圓角過(guò)渡曲線優(yōu)化分析

圖4 軋輥單圓角R1 過(guò)渡曲線

軋輥單圓角過(guò)渡曲線如圖4 所示，當(dāng)圓角半徑R1小于臺(tái)階高度時(shí)采用等邊圓角;當(dāng)R1大于臺(tái)階高度時(shí)，圓角與輥頸相切，切過(guò)臺(tái)階頂點(diǎn)。為了保證軸承內(nèi)圈定位零件與輥頸的配合尺寸(與雙圓角過(guò)渡相同，取65mm)，R1的最大取值為:

即Max.R1=69.44mm

當(dāng)R1=45mm 時(shí)，分析結(jié)果如下:

圖5 軋輥等效應(yīng)力分布(R1 =45mm)

圖6 軋輥過(guò)渡圓角處最大剪切應(yīng)力分布(R1 =45mm)

圖7 軋輥軸線撓曲變形曲線(R1 =45mm)

表1 不同單圓角半徑對(duì)應(yīng)最大等效應(yīng)力

圖8 軋輥軸線撓曲變形曲線(R1 =69.44mm)

小結(jié):針對(duì)本軋輥幾何尺寸，單圓角過(guò)渡曲線，R1=69.44mm 時(shí)，即幾何上允許的最大單圓角過(guò)渡曲線時(shí)，最大等效應(yīng)力最小為165. 83MPa，軋輥撓度值最大約0.532mm。

3.2 軋輥雙圓角過(guò)渡曲線優(yōu)化分析

圖9 軋輥雙圓角過(guò)渡曲線

從前面的有限元分析結(jié)果來(lái)看，以R1和R2圓角曲線以及切線BC 段的等效應(yīng)力應(yīng)力最大，希望通過(guò)R1和R2的參數(shù)調(diào)整來(lái)降低軋輥等效應(yīng)力。

表2 不同圓角半徑對(duì)應(yīng)最大等效應(yīng)力

小結(jié):從上面分析結(jié)果來(lái)看，選用R1=45mm，R2=20mm 作為設(shè)計(jì)參數(shù)，軋輥具有較小的等效應(yīng)力168.32MPa 和撓曲變形0.528mm。

4 結(jié)論

過(guò)渡圓角尺寸除外，在統(tǒng)一的軋輥幾何尺寸下，即過(guò)渡曲線寬65mm，臺(tái)階高45mm 時(shí)，從上述分析計(jì)算可以得知:

1)當(dāng)單圓角過(guò)渡曲線時(shí)，選用R1=69.44mm，即幾何上允許的最大單圓角過(guò)渡曲線時(shí)，圓角處的最大等效應(yīng)力最小為165.83MPa，軋輥撓度值最大約0.532mm。

2)當(dāng)雙圓角過(guò)渡曲線時(shí)，選用R1=45mm，R2=20mm作為設(shè)計(jì)參數(shù)，圓角處的最大等效應(yīng)力最小為168.32MPa，軋輥撓度值最大約0.528mm。

在相同的臺(tái)肩高度和相同的過(guò)渡尺寸寬度時(shí)，采用有限元方法對(duì)單圓角過(guò)渡曲線與雙圓角過(guò)渡曲線的軋輥進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算后，經(jīng)比較，單圓角過(guò)渡曲線的軋輥撓曲變形略大于雙圓角過(guò)渡曲線軋輥的撓度，單圓角過(guò)渡曲線的軋輥危險(xiǎn)斷面的最大等效應(yīng)力最小值略小于雙圓角過(guò)渡曲線軋輥，但兩者的差異不明顯。因此在選擇何種過(guò)渡方式，應(yīng)基于加工工藝成熟性和制造成本。

［1］鄒家祥.軋鋼機(jī)械［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，1993:87－88.