軋輥過渡圓角優化計算

羅賢勇 張榮濱 李圖學

(中冶賽迪工程技術股份有限公司 重慶401122)

1 前言

軋輥是用來直接完成軋制過程中金屬變形的主要工具。由于軋制時軋輥受到巨大的軋制壓力和轉矩的作用，在軋輥上產生彎曲應力、扭轉應力和接觸應力。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力集中的部位，該處必須具有適當的過渡圓角［1］。

目前常用的過渡圓角為單圓角過渡曲線和雙圓角過渡曲線兩種結構形式。本文采用ANSYS Workbench12.0軟件，10 節點四面體有限元單元，對兩種過渡圓角進行對比計算分析，從而尋找到比較適合的軋輥過渡圓角。

2 軋輥基礎數據

2.1 軋輥幾何模型

為統一對比分析平臺，軋輥幾何模型，除過渡圓處外，其余地方尺寸一樣，即過渡曲線的總寬度約65mm，臺階高45mm。

圖1 軋輥幾何尺寸

2.2 主要軋制力能參數

1)最大軋制力4400kN;

2)最大軋制力矩520kN·m;

3)軸向竄動力132kN。

圖2 單圓角過渡曲線幾何關系

圖3 雙圓角過渡曲線幾何關系

3 過渡圓角優化分析

3.1 軋輥單圓角過渡曲線優化分析

圖4 軋輥單圓角R1 過渡曲線

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

即Max.R1=69.44mm

當R1=45mm 時，分析結果如下:

圖5 軋輥等效應力分布(R1 =45mm)

圖6 軋輥過渡圓角處最大剪切應力分布(R1 =45mm)

圖7 軋輥軸線撓曲變形曲線(R1 =45mm)

表1 不同單圓角半徑對應最大等效應力

圖8 軋輥軸線撓曲變形曲線(R1 =69.44mm)

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

3.2 軋輥雙圓角過渡曲線優化分析

圖9 軋輥雙圓角過渡曲線

從前面的有限元分析結果來看，以R1和R2圓角曲線以及切線BC 段的等效應力應力最大，希望通過R1和R2的參數調整來降低軋輥等效應力。

表2 不同圓角半徑對應最大等效應力

小結:從上面分析結果來看，選用R1=45mm，R2=20mm 作為設計參數，軋輥具有較小的等效應力168.32MPa 和撓曲變形0.528mm。

4 結論

過渡圓角尺寸除外，在統一的軋輥幾何尺寸下，即過渡曲線寬65mm，臺階高45mm 時，從上述分析計算可以得知:

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

2)當雙圓角過渡曲線時，選用R1=45mm，R2=20mm作為設計參數，圓角處的最大等效應力最小為168.32MPa，軋輥撓度值最大約0.528mm。

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

［1］鄒家祥.軋鋼機械［M］.北京:冶金工業出版社，1993:87－88.