新型軋機(jī)壓下螺絲設(shè)計(jì)及優(yōu)化

孟彩茹 李世然 崔浩洋 唐軍龍

摘 要：文章課題來(lái)源于河北省鋼鐵聯(lián)合基金項(xiàng)目，基于一種四軸雙向調(diào)節(jié)柔性精密型材軋機(jī)的研究，該新型軋機(jī)可實(shí)現(xiàn)在線精確調(diào)節(jié)，效率高，投資少，精度高，而壓下機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)是保證精度的關(guān)鍵，所以壓下機(jī)構(gòu)的研究具有重要意義。通過(guò)對(duì)電動(dòng)壓下機(jī)構(gòu)中的壓下螺絲和壓下螺母的設(shè)計(jì)，進(jìn)行理論上的計(jì)算和建模，并且進(jìn)行理論分析，利用ANSYS對(duì)螺絲和螺母進(jìn)行仿真，研究分析應(yīng)力應(yīng)變，最終考慮生產(chǎn)實(shí)際需求以及設(shè)計(jì)要求進(jìn)行優(yōu)化。研究設(shè)計(jì)出的長(zhǎng)壽命的壓下螺絲螺紋機(jī)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)各輥的雙向調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用，同時(shí)使軋件同一斷面的各部位得到主動(dòng)壓縮和延伸，使金屬變形和軋件組織性能顯著提高?；诖搜芯?，可以為壓下機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)改造奠定一定的理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：柔性精密型材軋機(jī)；壓下機(jī)構(gòu)；優(yōu)化

1 概述

在初軋機(jī)，板 軋機(jī)、萬(wàn)能軋機(jī)等軋機(jī)上，幾乎每一道軋制都需要調(diào)整輥縫，以保證軋件按給定壓下量軋出所要求的斷面尺寸。在軋制過(guò)程中要輥縫的調(diào)整直接影響板厚誤差，因此軋機(jī)壓下裝置所能控制精度顯得格外重要[1]。

在軋制過(guò)程中，有很多因素會(huì)引起軋件的厚度偏差。這些因素都與軋件和軋機(jī)有關(guān)[2]。軋件方面的因素有：軋件厚度不均勻、軋件沿長(zhǎng)度方向溫度或機(jī)械性能不均勻等。軋機(jī)方面的因素有：軋制速度和張力的變化、軋輥熱膨脹和磨損及軋輥偏心、軋制過(guò)程中機(jī)架的變形等[3]。

軋機(jī)參數(shù)的變動(dòng)將使輥縫發(fā)生周期性的變化，因而導(dǎo)致軋件厚度發(fā)生變化，為了提高軋件的厚度精度，在現(xiàn)代化軋機(jī)上，往往設(shè)置厚度自動(dòng)控制裝置，使軋機(jī)在軋制過(guò)程中能調(diào)整輥縫，以控制和減小軋件縱向厚度偏差[4]。

壓下控制系統(tǒng)輥縫的控制最后都是由軋機(jī)的壓下機(jī)構(gòu)來(lái)執(zhí)行的，選擇合理的壓下機(jī)構(gòu)，及合理的設(shè)計(jì)壓下機(jī)構(gòu)以調(diào)整輥縫。

2 壓下螺絲及螺母設(shè)計(jì)

壓下螺絲、輥縫調(diào)節(jié)速度快且承載能力大安全可靠，控制精度高和作業(yè)性穩(wěn)定好。四軸雙向調(diào)節(jié)柔性精密軋機(jī)主要應(yīng)用于型材軋制的精軋部分，其中的壓下機(jī)構(gòu)是軋機(jī)精度控制的重要部分，而壓下螺絲和壓下螺母是壓下機(jī)構(gòu)的核心部件。軋機(jī)的精度能否達(dá)到所需要的控制精度主要取決于壓下螺絲和螺母。

假定軋制力為P，壓下螺絲的直徑為d，壓下螺絲許用應(yīng)力[σy]，壓下螺母的高度H，壓下螺母的螺紋圈數(shù)n，壓下螺母的外徑D。螺紋牙型采用鋸齒形。螺紋牙型的設(shè)計(jì)參考機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)中的螺紋牙型設(shè)計(jì)。

壓下螺絲的直徑可有下式求得

因此在已知軋制力，可確定壓下螺絲的直徑。

在正常工作狀態(tài)下，螺紋要具有自鎖性。在潤(rùn)滑良好時(shí)靜摩擦系數(shù)為0.005。

f=tan？茲

f-摩擦系數(shù)；？茲-螺紋升角

許用螺紋升角[？茲]？燮2.8648°。由自鎖條件和螺紋升角的幾何關(guān)系知螺紋升角？茲和螺距t滿足：

tan？茲？燮■

可求得螺距t。

螺母外徑D選擇可依據(jù)下式：

■=■

D-螺母的外徑；d-螺母內(nèi)徑；E1-螺絲的彈性模量；E2-螺母的彈性模量。

螺母選用低碳鋼，一般鋼鐵的彈性模量E=2.07×1011Pa?？傻玫铰菽傅膬?nèi)徑和外徑的關(guān)系從而確定螺母的內(nèi)外徑尺寸。

螺母的高度為H，內(nèi)部的螺紋圈數(shù)為N，所以螺母的高度

H=Nt

螺紋圈數(shù)達(dá)到一定數(shù)值以后，再增加螺紋圈數(shù)對(duì)降低螺紋上的負(fù)載效果已經(jīng)不明顯，一般螺母的螺紋圈數(shù)N取20-30圈，以20圈為宜。另外采用鋸齒形螺紋對(duì)降低螺紋的負(fù)載有一定的好處。壓下螺絲和螺母的參數(shù)如表1所示。

表1

3 壓下螺絲及螺母的理論分析

在壓下螺絲機(jī)構(gòu)理論設(shè)計(jì)完成，考慮到軋機(jī)實(shí)際工作情況需要對(duì)壓下機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)尺寸進(jìn)行校核。

3.1 壓下螺母與軋機(jī)牌坊接觸面的強(qiáng)度校核

對(duì)壓下螺絲螺母機(jī)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度校核，受軋制力示意圖如圖1。 總軋制力P為600T，軋機(jī)牌坊接觸面的應(yīng)力用下式計(jì)算：

？滓=■？燮[？滓]

[？滓]-軋機(jī)牌坊與螺母的許用應(yīng)力，取100-180MPa；D1-壓下螺母的外徑；D2-牌坊上的孔的直徑；？滓-螺母與牌坊間的應(yīng)力

3.2 螺紋的強(qiáng)度校核

螺紋受力面上的單位擠壓應(yīng)力：

[p]-螺母材料需用擠壓應(yīng)力；δ-螺母的外徑與螺絲的內(nèi)徑差

3.3 螺紋的彎曲應(yīng)力校核

h1-載荷相對(duì)于固定端的力臂，h1取D1-d1/2；b-螺紋根部厚度；[？滓w]-許用彎曲應(yīng)力，取100MPa-180MPa。

3.4 螺紋的剪切強(qiáng)度校核

[？子]-材料的許用剪切強(qiáng)度，取80MPa-120MP

通過(guò)理論校核設(shè)計(jì)的壓下螺絲機(jī)構(gòu)理論上滿足實(shí)際應(yīng)用所需的參數(shù)。而實(shí)際能否達(dá)到實(shí)際應(yīng)用的要求還需要進(jìn)一步的利用仿真軟件仿真驗(yàn)證。

4 ANSYS靜力學(xué)分析

利用Pro/E三維仿真軟件進(jìn)行三維仿真設(shè)計(jì)，再利用ANSYS仿真軟件等對(duì)設(shè)計(jì)的壓下螺桿和螺母進(jìn)行靜力學(xué)有限元分析。

將裝配好的壓下螺絲導(dǎo)入ANSYS在螺絲底部和螺母的上部施加力如圖1所示。

分析結(jié)果如下：如圖2所示，最大應(yīng)力部位位于螺桿壓下端，最大應(yīng)力為：310MPa-380MPa。

如圖3所示，最大變形部位在螺桿與交叉梁接觸部位，最大應(yīng)變量為0.04-0.045mm。

螺母應(yīng)力圖如圖4所示，最大應(yīng)力部位位于螺母兩端，最大應(yīng)力為80MPa-120MPa左右；應(yīng)變圖如圖5所示，最大形變部位在遠(yuǎn)牌坊接觸端，最大變形量0.010-.015mm。

總結(jié)經(jīng)過(guò)有限元軟件的仿真結(jié)果，驗(yàn)證了之前的理論計(jì)算的準(zhǔn)確性以及該壓下螺絲設(shè)計(jì)方案的可行性。軟件仿真結(jié)果顯示該設(shè)計(jì)滿足了實(shí)際生產(chǎn)中的強(qiáng)度和剛度，可實(shí)現(xiàn)較為精確壓下。但是考慮實(shí)際工況還需要增加安全系數(shù)。

5 結(jié)束語(yǔ)

文章基于機(jī)械設(shè)計(jì)理論對(duì)壓下螺絲機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，利用軟件建模、仿真分析以及優(yōu)化，可以節(jié)約成本，提高設(shè)計(jì)的科學(xué)性?？紤]實(shí)際精度需要可對(duì)不合理的部位進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化該部位的部位以達(dá)到實(shí)際需要的精度需求。

另外利用ANSYS軟件對(duì)壓下螺絲和壓下螺母的分析也說(shuō)明了壓下螺絲和壓下螺母受力與普通的螺絲螺母受力不同。驗(yàn)證了該四軸雙向調(diào)節(jié)柔性精密型材軋機(jī)壓下機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的可行性，此外為該機(jī)構(gòu)的液壓系統(tǒng)改造提供了一定的研究理論和對(duì)比數(shù)據(jù)。

參考文獻(xiàn)

[1]鄒家祥.軋鋼機(jī)械理論與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1993.

[2]劉庭舜.軋鋼機(jī)壓下螺絲和螺母的改進(jìn)[Z].重慶鋼鐵公司設(shè)計(jì)處.

[3]連家創(chuàng).壓下螺稱(chēng)和螺母的參數(shù)選擇及剛度計(jì)算[Z].軋鋼教研室.

[4]王燕，楊雙成.鋁帶可逆熱軋機(jī)電動(dòng)壓下裝置的設(shè)計(jì)與計(jì)算[Z].洛陽(yáng)有色金屬加工設(shè)計(jì)研究院.

作者簡(jiǎn)介：孟彩茹（1980，10-），女，河北邯鄲人，博士學(xué)位，現(xiàn)工作于河北工程大學(xué)機(jī)電學(xué)院，主要從事工程機(jī)械開(kāi)發(fā)與應(yīng)用方向。

*通訊作者：李世然（1984，2-），男，河北保定人，在讀研究生，現(xiàn)就讀于河北工程大學(xué)，研究方向機(jī)械設(shè)計(jì)與制造。