鋼軌萬能孔型設(shè)計(jì)方法研究與應(yīng)用

陶功明，朱 軍，劉 劍，張學(xué)斌，胡 曉，陳元福

（攀鋼集團(tuán)攀枝花鋼釩有限公司軌梁廠,四川 攀枝花 617000）

0 引言

隨著中國鐵路向高速方向發(fā)展，對鐵路用鋼軌尺寸精度提出了更高要求，傳統(tǒng)的二輥軋機(jī)軋制已無法滿足高速鐵路用鋼軌的要求。2001 年鞍鋼大型廠建成中國第一條鋼軌萬能軋制生產(chǎn)線，2003 年攀鋼投資建設(shè)中國第二條鋼軌萬能軋制生產(chǎn)線，截至2008 年底，供國家鐵路用所有鋼軌均采用萬能法軋制，現(xiàn)國內(nèi)國有企業(yè)共有7 條鋼軌萬能生產(chǎn)線。上述鋼軌萬能生產(chǎn)線軋機(jī)均采用德國西馬克公司制造的萬能軋機(jī)。國內(nèi)采用萬能軋機(jī)軋制鋼軌起步于2001 年，相比于日本晚了30 年，相比于歐洲則晚了35 年左右。德國西馬克公司具有先進(jìn)的萬能軋機(jī)裝備制造技術(shù)，但沒有鋼軌生產(chǎn)的業(yè)績，具備的孔型設(shè)計(jì)等工藝技術(shù)相對薄弱。因此要開發(fā)出高精度高速鐵路用鋼軌，必須結(jié)合現(xiàn)有的工藝技術(shù)及現(xiàn)場操作經(jīng)驗(yàn)開發(fā)出符合需要的工藝技術(shù)。

中國鋼軌生產(chǎn)起步晚，但發(fā)展迅速，為了用一流的設(shè)備生產(chǎn)出一流的產(chǎn)品,對萬能軋制法生產(chǎn)鋼軌孔型設(shè)計(jì)方法進(jìn)行研究、開發(fā)、優(yōu)化的意義重大。萬能法孔型設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)兩輥孔型設(shè)計(jì)存在較大差異，隨著我國對萬能軋機(jī)軋制型鋼生產(chǎn)線及生產(chǎn)工藝的不斷引進(jìn)，萬能孔型設(shè)計(jì)方法在引進(jìn)、消化的基礎(chǔ)上如何結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際進(jìn)行開發(fā)、優(yōu)化顯得尤為迫切。筆者結(jié)合現(xiàn)場生產(chǎn)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，以七機(jī)架萬能生產(chǎn)線典型鋼軌產(chǎn)品為例，進(jìn)行萬能孔型設(shè)計(jì)方法的研究與推演。根據(jù)成品尺寸及各道次的延伸系數(shù)、各孔型局部尺寸變形關(guān)系，結(jié)合孔型設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)確定出各道次孔型的結(jié)構(gòu)形狀、孔型尺寸。

1 鋼軌的萬能法軋制

1.1 萬能法軋制鋼軌的優(yōu)越性

相較于傳統(tǒng)兩輥模式，萬能法軋制鋼軌具有多方面的技術(shù)優(yōu)勢。

萬能孔型生產(chǎn)的型鋼品種齊全，既能軋制鋼軌，又能拓展生產(chǎn)對稱斷面如H 型鋼等，萬能軋機(jī)也可以在萬能孔型和兩輥孔型間切換，一機(jī)多用。萬能孔型更容易識別鋼軌表面缺陷，在萬能軋機(jī)孔型中，鋼軌與軋輥的摩擦大幅度減小，消除了搓軋現(xiàn)象，因此，鋼軌表面光潔度顯著提高，使得表面缺陷也更容易識別。

萬能孔型減小了軋制過程中軋制變形力。通過開坯機(jī)孔型和先導(dǎo)孔軋制，進(jìn)入萬能軋機(jī)的軌形坯已經(jīng)接近于成品鋼軌斷面形狀，在萬能道次中，變形相對較小，規(guī)格受控。

萬能軋機(jī)調(diào)整更為靈活，更容易保證鋼軌斷面尺寸精度，對于萬能軋制，其軋制變形分為水平方向和垂直方向兩種，可以單獨(dú)對四個方向進(jìn)行調(diào)整，也可組合配合調(diào)整。

鋼軌組織性能得到保證，內(nèi)部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，內(nèi)應(yīng)力小，生產(chǎn)的鋼軌經(jīng)久耐用。

在萬能軋機(jī)中鋼軌與軋輥之間的摩擦力更低，更容易從孔型中脫離，鋼軌脫離軋輥的分離力比常規(guī)孔型系統(tǒng)要小，因而軋制能耗也有所降低。

萬能軋機(jī)軋輥(不包括開坯機(jī))消耗為1.0 kg/t左右，而采用傳統(tǒng)孔型系統(tǒng)軋制，其軋輥(不包括開坯機(jī))消耗一般在2.0 kg/t 以上，且磨損的孔型容易修復(fù)。傳統(tǒng)軋制與萬能軋制工藝過渡孔型變形對比如圖1 所示。

圖1 傳統(tǒng)軋制與萬能軋制工藝過渡孔型變形對比Fig.1 Comparison of the transitionary pass deformation between the traditional rolling and the universal rolling

1.2 萬能法孔型布置

萬能法軋制鋼軌采用的孔型系統(tǒng)是由兩部分組成，即萬能軋制區(qū)域使用的孔型和開坯機(jī)區(qū)域的孔型。兩個區(qū)域的過渡孔型則是開坯區(qū)域的最后一個孔型?上下形狀完全對稱的先導(dǎo)孔。先導(dǎo)孔為萬能區(qū)域提供形狀對稱，頭腰底金屬分配合理的原料。顯然，開坯區(qū)域孔型的主要任務(wù)則是如何軋出需要的先導(dǎo)孔軋件，萬能區(qū)域的主要任務(wù)則是保證軋制出高精度的成品。

目前典型的機(jī)架布置形式主要有五機(jī)架、七機(jī)架和八機(jī)架，均能滿足鋼軌高精度生產(chǎn)需求，如圖2～4。軋機(jī)機(jī)架名稱為：二輥開坯機(jī)（BD1），二輥粗軋機(jī)（BD2）、萬能粗軋機(jī)（U1）、第一軋邊機(jī)（E1）、萬能中軋機(jī)（U2、U3）、第二軋邊機(jī)（E2）、萬能精軋機(jī)（UF）。

圖2 典型五機(jī)架布置形式Fig.2 Typical five rack layout

1.3 萬能法軋制鋼軌孔型系統(tǒng)

萬能孔型系統(tǒng)的選擇主要與萬能軋機(jī)的數(shù)量及布置方式有關(guān)。就對稱鋼軌而言，萬能軋制區(qū)域主要解決的問題是鋼軌表面質(zhì)量及規(guī)格波動的問題，具體地講就是要解決鋼彎曲產(chǎn)生“軋疤”及鋼軌連軋釋張、拋頭甩尾產(chǎn)生“高點(diǎn)”的問題[1]。

縱觀世界主流鋼軌生產(chǎn)廠，為了保證坯到材8以上的壓縮比，機(jī)架選擇上均考慮了兩架開坯機(jī)，但其后的萬能軋機(jī)布置形式及數(shù)量存在差異。在《高質(zhì)量鋼軌軋機(jī)布置形式》[1]一文中對軋機(jī)數(shù)量及布置形式進(jìn)行了探討。認(rèn)為萬能區(qū)最佳的軋機(jī)布置形式是U1E1U2+E2U3+UF，其中UF 作為“定徑”機(jī)單獨(dú)布置。這種布置的優(yōu)點(diǎn)在于金屬的不均勻大變形在U1E1U2 上完成，其出鋼平直度通過兩端的萬能軋機(jī)易于控制，而E2U3 和UF 的小變形則主要完成斷面規(guī)格精度及通長尺寸波動的精確控制。該布置形式在日本新日鐵鋼軌生產(chǎn)廠中得到應(yīng)用，其生產(chǎn)的鋼軌也是目前公認(rèn)的質(zhì)量最好的鋼軌，但設(shè)備造價成本高。七機(jī)架改善了五機(jī)架控制精度低、調(diào)整難度大和八機(jī)架設(shè)備投資高、占地面積多的缺點(diǎn)，其萬能區(qū)由五機(jī)架組成，其中三架萬能軋機(jī)，兩架軋邊機(jī)，具有投資省、占地少、效率高等優(yōu)點(diǎn)，目前被公認(rèn)為是我國最先進(jìn)的布置形式。

圖3 典型七機(jī)架布置形式Fig.3 Typical seven rack layout

圖4 典型八機(jī)架布置形式Fig.4 Typical eight rack layout

考慮與現(xiàn)場生產(chǎn)實(shí)際的結(jié)合，筆者以國內(nèi)目前最先進(jìn)的軋機(jī)布置形式對萬能區(qū)軋制某規(guī)格鋼軌的典型孔型系統(tǒng)進(jìn)行研究。

該生產(chǎn)線鋼軌生產(chǎn)流程為：步進(jìn)式加熱爐?高壓水除鱗?BD1 開坯機(jī)?BD2 粗軋機(jī)?U1E1 萬能粗軋機(jī)組?U2E2 萬能中軋機(jī)組?UF 精軋機(jī)組[2]。軋線為七機(jī)架布置，即開坯區(qū)域由2 架開坯機(jī)BD1和BD2 構(gòu)成，而萬能區(qū)域則由U1E1、U2E2 和UF三組萬能軋機(jī)構(gòu)成。萬能孔型系統(tǒng)如圖5 所示。多年生產(chǎn)實(shí)踐表明，該生產(chǎn)線具有生產(chǎn)效率高、表面質(zhì)量好、規(guī)格穩(wěn)定，更重要的是沒有“高點(diǎn)”的獨(dú)特優(yōu)勢。

圖5 某規(guī)格鋼軌萬能孔型系統(tǒng)Fig.5 Universal pass system of a certain rail

U1E1 組成萬能粗軋機(jī)組，采用3 道次可逆式軋制，第1 道次U1、E1 均參與軋制變形；第2 道次僅U1 參與變形，E1 空過；第3 道次E1 橫移更換孔型，U1、E1 均參與變形，形成2 機(jī)架連軋；U2E2 組成萬能中軋機(jī)組，采用單道次2 機(jī)架連軋；UF 采用半萬能單道次軋制，進(jìn)行成品成形軋制。

2 萬能孔型設(shè)計(jì)實(shí)例

萬能孔型系統(tǒng)由萬能孔、軋邊孔、成品孔三部分組成，孔型設(shè)計(jì)依據(jù)成品尺寸及各道次的延伸系數(shù)、各孔型局部尺寸變形關(guān)系，反向推演的思路進(jìn)行。

萬能法軋制鋼軌在沒有“規(guī)整機(jī)”情況下，成品孔均采用半萬能軋制，即只有軌底立輥、上下水平輥參與軋制，如圖6 所示。從保證頭部形狀角度考慮，頭部立輥不參與軋制。主要是成品孔向開坯孔反向推算依次為PASS8（成品半萬能孔）?PASS7（E2）?PASS6（U2）?PASS5（E1）?PASS4（U1）?PASS3（U1）?PASS2（E1）?PASS1（U1）?BD2-A孔?BD2-B 孔?BD2-C 孔?BD1-D 孔?BD1-E 孔?BD1-F 孔。在這里，筆者主要介紹萬能區(qū)域PASS8-PASS1 的孔型設(shè)計(jì)方法。

圖6 某生產(chǎn)線鋼軌萬能孔型系統(tǒng)Fig.6 Rail universal pass system of a production line

2.1 成品孔孔型設(shè)計(jì)

2.1.1 成品孔孔型設(shè)計(jì)思路

成品孔UF 孔（見圖7）選擇半萬能孔型，由上下平輥和軌底立輥組成的三輥軋制，上下平輥對軌腰和軌頭進(jìn)行壓下，而立輥對軌底進(jìn)行壓下。

圖7 某鋼軌半萬能成品孔型及受力Fig.7 Pass and stress diagram of a rail product by the semi universal rolling

與兩輥孔型相比，半萬能成品孔型軋制時，鋼軌的頭寬、腹腔、腰厚等封閉尺寸在來料充足的情況下可以得到充分保證。但底寬、軌高等開口尺寸仍受來料尺寸的影響而存在較大波動。由于鋼軌的軌腰腹腔、軌頭、軌底的變形是成品孔型設(shè)計(jì)主要考慮的因素，因此對其變形做專門分析。

1）軌腰腹腔的變形分析

由于有孔型側(cè)壁，使腹腔橫向變形阻力不只決定于外摩擦力，且與孔型側(cè)壁上的正壓力有關(guān)。腹腔在孔型中受到的橫向阻力既有水平輥摩擦阻力，也有頭、底施加的側(cè)壁阻力。顯然，軌腰腹腔的變形處于一個封閉的孔槽中，其軋制變形后的形狀也十分穩(wěn)定。

確定成品孔腰部壓下量時主要考慮商標(biāo)高度的滿足程度，鐵路用鋼軌標(biāo)準(zhǔn)要求軋制商標(biāo)高度在0.5～1.5 mm，腰部壓下量在2～3 mm 即可。同時，鋼軌軋制過程中，上下腹腔冷卻條件不一樣，成品孔上下腹腔的磨損也不一樣，設(shè)計(jì)時也考慮上下腹腔的不對稱設(shè)計(jì)，一般下腹腔比上腹腔大0.2～0.3 mm。

2）軌頭軋制變形分析

由于軌頭沒有水平方向的壓下，不能均勻延伸，只能靠水平輥對軌頭的垂直及側(cè)壁壓下來平衡軌底延伸。踏面圓弧形狀則通過軌頭及軌腰垂直壓下獲得的寬展來保證。軌頭踏面輥縫開口處的設(shè)計(jì)對鋼軌表面質(zhì)量的影響較大，余量設(shè)計(jì)過小會產(chǎn)生孔型咬鐵絲、軌頭踏面耳子，余量設(shè)計(jì)過大則踏面冠狀不合或出現(xiàn)軌高不合等問題。

3）軌底軋制變形分析

軌底金屬處于立輥及上下水平輥組成的萬能軋槽中，金屬流動較為均勻。成品設(shè)計(jì)時，為保證成品腹腔形狀，成品孔的腹腔寬度比來料腹腔寬度大2～4 mm，同時腰部也存在2～3 mm 垂直壓下量，因此在水平輥的作用下，軌底會被腰部拉縮變形，特別是軌底內(nèi)側(cè)高度方向上的金屬會向腰部流動，這是設(shè)計(jì)成品孔來料時需考慮的。

另外，成品腿內(nèi)側(cè)為雙斜度的鋼軌，對應(yīng)孔型腹腔兩直線相交處會產(chǎn)生氧化鐵皮粘結(jié)，導(dǎo)致鋼軌表面質(zhì)量難以控制，其形成原因是，軌底內(nèi)側(cè)表面金屬往腰部流動時，在兩直線相交處產(chǎn)生阻力，部分金屬滯留于此而形成粘結(jié)。通過孔型優(yōu)化難以消除該缺陷，目前最有效的方法就是潤滑軋制。

同時，軌底上下開口處金屬處于自由流動狀態(tài)，軌底寬度隨溫度及來料尺寸的波動而波動。這種波動通過孔型設(shè)計(jì)無法消除，只能控制來料尺寸精度和溫度的均勻性來解決。成品孔軌底輥縫值大小是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，需同時考慮底寬，也是出鋼平直度的保障。

成品斷面圖的各部分（直線段、圓弧半徑）尺寸按熱收縮系數(shù)1.012 5 放大。

2.1.2 成品孔孔型案例

2.1.2.1 腹腔尺寸的設(shè)計(jì)

1）腹腔寬度

式中，Height 為軌高；H頭為軌頭高；H底為軌底高；Tweb 為腰厚；i為腿側(cè)和頭側(cè)直線的斜度；б為熱膨脹系數(shù)；a 為矯直常數(shù)，考慮軋輥孔型的磨損及鋼軌矯直對腹寬的影響，設(shè)計(jì)時加寬0.3～0.4 mm。

2）腹腔的厚度

Tweb×б

式中，Tweb 為成品斷面腰厚。

2.1.2.2 頭、底寬度的設(shè)計(jì)

1）軌底寬度

底寬1（中部底寬）：（Wbas-Wbal/r×2）×б

底寬2（整個底寬）：Wbas×б

式中，Wbas 為底寬；r為低腰連接半徑。

2）軌頭寬度

上頭寬1：Headw1×б-a1

下頭寬2：Headw2×б+a2

式中，Headw1 為上頭寬；Headw2 為下頭寬；其中a1、a2 為考慮矯直后頭寬變小的經(jīng)驗(yàn)值，受平、立復(fù)合矯直影響，上頭寬會變大，下頭寬會變小。

2.1.2.3 注意事項(xiàng)

腹高（即腰厚的線長度）設(shè)計(jì)考慮軋輥磨損應(yīng)加長0.3～0.5 mm。注意因矯直對軌高、頭寬的影響，故在頭部的寬、高上分別加0.2～0.4 mm，頭寬加0.2～0.3 mm，軌高加0.4～0.6 mm。頭高、寬均加在兩側(cè)斜壁段上。某鋼軌成品孔孔型如圖8 所示。

圖8 某規(guī)格鋼軌成品孔孔型示意Fig.8 Schematic diagram of the pass type of a certain rail

2.2 萬能孔孔型設(shè)計(jì)

2.2.1 萬能孔孔型設(shè)計(jì)思路

1）成品孔之前的萬能孔型均采用全萬能軋制。即上下左右四個軋輥同時對軋件進(jìn)行加工。和半萬能孔型比，有四個輥縫開口，對軋件主要尺寸的精確控制有好處，但輥縫開口越多,處于開口處的尺寸也就越自由，越不受控。就鋼軌而言，軌底的寬度和軌頭兩側(cè)的形狀處于開口處，受控難度大。而軋邊孔的出現(xiàn)便是解決上述問題的。軋邊孔的主要功能是對萬能孔無法加工到的底寬和軌頭側(cè)面進(jìn)行精確加工?？紤]腰部受力會增加軋制穩(wěn)定性，對萬能粗軋機(jī)組一般可考慮10%以上的壓下量。

2）顯然，萬能連軋機(jī)組中萬能軋機(jī)與軋邊機(jī)相互配合，對腰部壓下的同時，交替對軌頭和軌底進(jìn)行水平和垂直方向的壓下，以精確控制軋件尺寸。鋼軌非連軋中，一般萬能孔軋1 道次軋邊孔軋1 道次，中間軋件的尺寸精度非常高。在連續(xù)萬能區(qū)軋制時，一般萬能孔軋2 道次軋邊孔軋1 道次，尺寸精度控制能力相對差些。萬能軋機(jī)中軋件的腰部和底部的變形區(qū)形狀近似于平輥軋制，頭部的變形區(qū)則類似于箱形孔軋制。水平輥軋腰的變形區(qū)形狀類似平輥軋板，但軋件的變形受到邊部的影響。

3）頭、腰、底變形的相互影響。斷面形狀上主要考慮腰部垂直壓下會對頭底金屬產(chǎn)生拉縮，從而導(dǎo)致頭底寬度變小或者內(nèi)側(cè)圓角金屬充填不滿。長度方向上，如果頭底軋制變形大于腰部變形，則軋件尖頭出現(xiàn)腰部后縮的現(xiàn)象，由于萬能軋機(jī)的水平輥是主動輥，立輥是被動輥，不利于下道次軋件的咬入。反之，軋件尖頭出現(xiàn)腰部前伸，對頭底部位金屬產(chǎn)生拉延，對下道次的咬入非常有利；采用方坯軋制鋼軌時，在軋邊孔中存在軌頭延伸大于軌底延伸出鋼向軌底彎曲的現(xiàn)象，以及軋件頭部尖頭中軌頭長于軌腰和軌底，而軋件尾部尖頭則軌底長度大于軌腰和軌頭的現(xiàn)象。

4）設(shè)計(jì)萬能孔時，除考慮斷面尺寸達(dá)到目標(biāo)設(shè)計(jì)值外，還需考慮機(jī)組間距和機(jī)架間出鋼平直度，否則軋件會撞擊導(dǎo)衛(wèi)和軋輥產(chǎn)生表面缺陷。為了研究鋼軌頭、腰、底的各自變形機(jī)理，在計(jì)算的時候，把軋件按照上面的方法分成軌頭、軌腰和軌底三部分（如圖9）進(jìn)行研究。

圖9 某規(guī)格鋼軌萬能孔型Fig.9 Universal pass of a certain rail

2.2.2 萬能孔孔型設(shè)計(jì)實(shí)例

以 Pass6,K3 孔(成品前前孔)的尺寸設(shè)計(jì)為例。

1）腰厚、腹寬、腰腿及腰頭過渡圓弧等，其腰部部分與Pass7 尺寸接近。

2）底部斜度不變，頭部斜度不變，得出水平輥孔型部分。

3）腿根厚比Pass7 相同或略小。

4）底寬壓下量比Pass7 大6～7 mm。

5）底部立輥與水平輥水平段的平行距離。輥縫確保水平段長度>20～30 mm。

6）頭部過渡圓弧比成品略大，壓下時中間凸（即在下一道次軋邊時頭部中間突出）。

7）立輥頭頂部寬度比Pass7 頭頂部略小，減少軋邊輥頭部壓下。

8）立輥頭部斜度12°～20°，此乃經(jīng)驗(yàn)值，生產(chǎn)中成品側(cè)面有折疊時，可調(diào)前一道萬能孔，后面再調(diào)整軋邊機(jī)，最后改軋邊機(jī)孔型。

9）立輥頭部深度，保證立輥與水平輥輥縫8～10 mm，太深會影響立輥壽命。

10）立輥邊部圓弧為標(biāo)準(zhǔn)值。

11）頭部高度比Pass7 略小，同時考慮展寬的影響。

12）其余尺寸為標(biāo)準(zhǔn)值。水平輥頭部斜度最高點(diǎn)比立輥頭部圓弧最高點(diǎn)高5～8 mm 即可。

13）PASS6 孔型見圖10。

圖10 某規(guī)格鋼軌萬能孔孔型示意Fig.10 Schematic diagram of the universal pass type of a certain rail

2.3 軋邊孔型設(shè)計(jì)

2.3.1 軋邊孔孔型設(shè)計(jì)思路

1）從變形區(qū)形狀參數(shù) l/h可知（l 是變形區(qū)投影長度，h是變形區(qū)的平均高度），軋邊端過程是典型的高件軋制。軋制時變形深入不下去，寬展集中在軋輥接觸面附近，形成明顯變形，造成軋件邊端局部增厚。雙鼓局部增厚的邊部在后續(xù)的萬能孔型中產(chǎn)生不均勻壓下，一是造成強(qiáng)迫寬展，邊寬又得到恢復(fù)，二是造成水平輥和立輥的不均勻磨損，對應(yīng)雙鼓局部增厚處出現(xiàn)槽溝。因此，軋邊端的壓下量應(yīng)盡量小，只要軋平邊端即可。

2）軋邊端時變形區(qū)內(nèi)軋件的斷面形狀是窄而高，邊跟不能橫向移動，邊端受到摩擦力的約束，壓下量一旦過大，軋件邊部會出現(xiàn)塑形失穩(wěn)而彎曲，將達(dá)不到軋邊端的目的。由于這一因素，軋邊端壓下量不能過大，一般情況下，軋邊端道次的壓下率不應(yīng)大于5%。由于軋邊端時軋件和軋輥的接觸面很窄，壓下量小，接觸面積很小，所以在萬能－軋邊端往復(fù)可逆軋制時存在著張力飽和現(xiàn)象，張力一旦加大，軋邊端孔型中的軋件將被拉住或者拔出，可以自動調(diào)節(jié)張力。

3）軋邊孔型（如圖11）是開口對稱的二輥軋制，主要是為了對軌頭和軌底的壓下，而對腰部一般不進(jìn)行壓下。但是在孔型軋制時，由于軋輥上有不規(guī)則的孔型，軋件進(jìn)入變形區(qū)和軋輥相接觸是不同時的，壓下是不均勻的，因此接觸面積已不再呈梯形。

圖11 某規(guī)格鋼軌軋邊孔Fig.11 Edged holes of a certain rail

4）軋邊孔中軋件的寬展也可以分軌頭、軌腰和軌底三部分考慮。因?yàn)檠恳话銦o壓下，則尺寸與前一道次的相同，根據(jù)寬展公式，無壓下即無寬展，從而不存在延伸，但是實(shí)際情況卻是軌腰和軌頭有非常接近的延伸，那就表示軌頭和軌底的金屬有一部分流動到了軌腰而變成軌腰的延伸。而一部分則成為軌頭和軌底的寬展。

2.3.2 軋邊孔孔型設(shè)計(jì)實(shí)例

以 Pass7,K2 孔(成品前孔)的尺寸設(shè)計(jì)為例。

1)腰厚按壓下率及經(jīng)驗(yàn)值，得腰厚Tweb+a;

2)腰高（腹腔寬度）由Pass8 腰部高度小3～4 mm 得腰寬，或者根據(jù)腰部延伸率和腰厚確定腰寬；軌高的確定：Height×б+a。

3）軌底斜度、頭部斜度保持不變。由腰部四頂點(diǎn)做底、頭的斜線。

4）軌底腿的長度，軌底中間部分的長度不變，與PASS8 保持一致，端部比PASS8 短2～3 mm 左右。

5）腰、底過渡圓弧比Pass8 大2～4 mm。

6）腿內(nèi)側(cè)兩直線段過渡圓弧比Pass8 大4～5 mm。

7）腿兩段斜度線的長度直接與Pass8 中長度相同，根據(jù)腿寬減去其他尺寸得來。

8）腿端圓?。▋?nèi)側(cè)）比成品的大0.5～1.5 mm。

9）腿根厚比Pass8 大1.2～1.8 mm ；腿尖厚均考慮了最后一道次終軋成型效果，有一定變形量。

10）軋輥軌底其余部分按PASS8 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。主要指軋輥上孔型外的部分，比如立輥高度、圓角等?？仔蛢?nèi)側(cè)斜度形狀與PASS6 完全一致，外側(cè)斜線分兩段進(jìn)行。

11）頭寬比Pass8 略大。

12）頭高估算展寬量1.5～2 mm?；蛲扑阊由煜禂?shù)不合時，改頭高。

13）頭底側(cè)傾斜斜度保持不變。

14）腰頭過渡圓弧比Pass8 小5～8 mm。頭部金屬多不易拉縮，故做小。根據(jù)頭部下腭圓角實(shí)際充填情況，也可做成比PASS8 大。

15）其余為標(biāo)準(zhǔn)值。圓弧在成品孔中腰拉頭致圓弧增大較腰拉底嚴(yán)重，鋼軌對頭部圓弧的充滿要求較高。假肩的目的是增加金屬量，使假肩處充填更好，一般按經(jīng)驗(yàn)取值，越靠近成品孔越小。

16）成品前孔孔型見圖12。

圖12 某規(guī)格鋼軌成品前孔孔型示意Fig.12 Schematic diagram of the front hole type of a certain rail

2.4 其余孔型設(shè)計(jì)

2.4.1 Pass5 成品前前孔的設(shè)計(jì)

1）水平輥腹部下圓弧，斜度同Pass6。

2）腰厚通過Pass6 的腰部壓下率，算出Pass5的腰厚。

3）底寬比Pass6 小4～5 mm，腿根厚比Pass6大4～5 mm，驗(yàn)算底部延伸系數(shù)，修正此值。（均按經(jīng)驗(yàn)選取，對比經(jīng)驗(yàn)值與作圖值進(jìn)行調(diào)整）。底部其余尺寸為標(biāo)準(zhǔn)值。

4）頭部上腭高度與比Pass6 的頭部頂部高度相當(dāng)或略小。

5）作頭側(cè)圓弧。延長斜壁，圓弧過延長點(diǎn)與斜壁相切，小倒角過渡即可，頭部側(cè)面斜度比Pass7 的斜度大4°～5°。

6）頭部寬度方向壓下量確定，比Pass6 頭略大。

7）頭部圓弧為R15，比Pass6 略小。其余為標(biāo)準(zhǔn)值。腿端內(nèi)圓弧同Pass7；腿端外圓弧比Pass7 略小點(diǎn)。

8）Pass5 孔型尺寸見圖13。

圖13 某規(guī)格鋼軌Pass5 萬能孔型示意Fig.13 Schematic diagram of Pass5 universal pass of a certain rail

2.4.2 Pass4 等萬能孔型尺寸設(shè)計(jì)

Pass4、Pass3、Pass1 孔型均同Pass6（水平輥、立輥）。只是核算延伸系數(shù)（部分頭、腰、底）確定立輥與水平輥、水平輥之間的輥縫不同而已。設(shè)計(jì)時盡量保持頭、底、腰延伸系數(shù)一致。

3 萬能孔型應(yīng)用效果

針對萬能軋制孔型設(shè)計(jì)進(jìn)行研究,通過萬能孔型研究、消化、吸收,掌握了萬能軋制孔型的設(shè)計(jì)精髓,并不斷優(yōu)化、改進(jìn),已形成自己的知識產(chǎn)權(quán)，解決了諸多關(guān)鍵技術(shù)難題,形成的高精度鋼軌軋制技術(shù)在生產(chǎn)中得到了成功應(yīng)用,實(shí)現(xiàn)了高精度鋼軌的高效穩(wěn)定生產(chǎn),主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)達(dá)到了國內(nèi)領(lǐng)先水平,班產(chǎn)逐步提高到200 支以上。規(guī)格尺寸控制在在超高精度水平，主要尺寸軌高±0.5 mm，底寬±0.8 mm，腰厚±0.6 mm，頭寬±0.6 mm，端部平直度距軌端0～ 1 m 范圍內(nèi)，垂直方向彎曲度低于0.2 mm，水平方向彎曲度低于 0.3 mm;完全滿足高速鐵路用鋼軌平直度要求。所有指標(biāo)精度控制在國內(nèi)持續(xù)處于領(lǐng)先水平，形成了年產(chǎn)70 萬t 以上高速客運(yùn)專線鋼軌的能力,自萬能生產(chǎn)線進(jìn)入穩(wěn)定批量生產(chǎn)以來,已累計(jì)生產(chǎn)逾1 000 萬t 鋼軌，斷面尺寸精度滿足《350 km/h 客運(yùn)專線60 kg/m 鋼軌暫行技術(shù)條件》的在線合格比例達(dá)到了98%以上。

4 結(jié)論

1）萬能法孔型系統(tǒng)由萬能孔型和開坯孔型系統(tǒng)兩部分組成，開坯孔型系統(tǒng)先導(dǎo)孔為萬能孔型提供上下形狀完全對稱、頭腰底金屬分配合理的原料。

2）萬能孔型系統(tǒng)由萬能孔、軋邊孔、成品孔三部分組成，萬能、軋邊采用兩套往復(fù)式連軋機(jī)組，不均勻大變形均在U1E1 完成，U2E2 和UF 的小變形則主要完成斷面規(guī)格精度及通長尺寸波動的精確控制。

3）萬能區(qū)孔型設(shè)計(jì)要點(diǎn)：在成品孔設(shè)計(jì)時，要考慮矯直對于軌高、上下腿長、頭寬及腹腔高度的影響，以及軋輥磨損及冷卻條件對規(guī)格尺寸的影響；在萬能孔設(shè)計(jì)時，除考慮斷面尺寸達(dá)到目標(biāo)設(shè)計(jì)值外，還需考慮機(jī)組間距和機(jī)架間出鋼平直度，否則軋件會撞擊導(dǎo)衛(wèi)和軋輥產(chǎn)生表面缺陷；在軋邊孔設(shè)計(jì)時，軋邊端過程是典型的高件軋制，不能造成強(qiáng)迫寬展及雙鼓局部增厚，軋邊端的壓下量應(yīng)盡量小。

4）按上述思路設(shè)計(jì)出的萬能孔型經(jīng)現(xiàn)場十多年的應(yīng)用表明，該設(shè)計(jì)方法可完全滿足高精度鋼軌的高效開發(fā)，具有減少孔型設(shè)計(jì)試錯次數(shù)、設(shè)計(jì)效率高、產(chǎn)品成材率高、尺寸精度高及生產(chǎn)事故率低等特點(diǎn)。