HC冷軋機結構及工藝參數設計

邱 越， 胡海亮

(黑龍江科技大學， 哈爾濱 150022)

1 HC冷軋機國內外現狀

我國冷軋行業快速發展，但在制造、研發方面仍與國際先進水平有較大差距。隨著軋制行業的不斷創新，冷軋機的工作效率逐步提高，其自動化控制水平也不斷完善，在精度和響應速度方面有較大的提升。

國外冷軋機已形成兩大主流，即HC系列和CVC系列，采用正負彎曲的工作輥，在軋制較寬帶鋼時，彎輥力對帶鋼中部幾乎不起作用，從而對板型和厚度精度的控制產生影響。

2 HC冷軋機結構方案設計

2.1 HC軋機輥系方案比較與設計

HC冷軋機中間輥在控制板形精度方面起到良好的控制，可以做軸向移動，不僅在結構上有明顯的區別，在功能上具有良好的板型控制能力。良好的邊部減薄能力和局部高點控制能力廣泛應用于冷軋帶鋼和平整度。HCW軋機移動軋輥和彎輥機構均為工作輥，控制材料邊部厚度，應用于熱軋厚板材。HCMW軋機雖然和HC冷軋機結構相似，也可以控制軋制精度，但HCMW軋機廣泛應用于熱軋帶鋼。

2.2 壓下裝置方案比較與設計

軋輥手動壓下裝置古老傳統，生產效率和生產水平都比較低。軋輥電動壓下裝置采用齒輪進行調速，提高機械傳動效率，成本降低，可準確提高壓下量精度，在帶鋼軋制設備壓下裝置中應用廣泛。軋輥液壓調整裝置結構復雜，元器件加工制造難度大，成本高，維護和保養需要投入更多的人力及技術，以保證精度。

2.3 軋機機架方案比較與設計

機架是軋鋼設備的骨架，是電機、軸承、各輥及其安裝裝置的載體，同時承受軋制過程中較大的力。在冷軋設備工作過程中，機架要保證具有較好的強度與較高的剛度要求，以滿足軋制生產過程中的要求。機架分為閉式機架和開式機架。閉式機架的強度和剛度較高，其主要應用于軋制力較大的板帶軋機，提高軋制精度。開式機架，其剛度較差，對于大型六輥軋機，其剛度要求要比閉式機架差很多。

2.4 HC冷軋機結構方案確定

通過比較各設計方案，最終確定輥系HC軋機輥系，壓下裝置為電動壓下裝置，機架形式為閉式機架。圖1為冷軋機的結構形式。

1-機架；2-壓下裝置；3-六角螺栓；4-六角螺母；5-墊片；6-上支撐輥裝置；7-上中間輥裝置；8-工作輥裝置；9-下中間輥裝置；10-下支撐輥裝置圖1 HC冷軋機結構Fig.1 HC cold-rolling mill structure

3 HC冷軋機參數設計

3.1 軋制力能參數設計

目前大量生產的普碳鋼與結構冷軋帶鋼幾乎都是由六輥冷軋機軋制而成的，根據不同的冷軋機種類，通過查閱相關資料設計，可以設計出軋制規程，計算軋制張應力、軋制平均單位壓力、軋制總壓力和傳動力矩。以1450HC冷軋機工作輥的結構設計為例，重點給出工作輥尺寸的推導過程并進行校核，從而設計出滿足生產需求的冷軋機。

3.2 工作輥尺寸參數計算

3.2.1 輥身長度L的設計

冷軋板帶的最大寬度由輥身長度所決定，輥身長度L和板帶的最大寬度關系式如下：

L=Bmax+a

式中：L—輥身長度，mm；Bmax—板帶材的最大寬度，mm；a—隨帶材寬度而異的余量。

3.2.2 工作輥輥身直徑D的設計

工作輥輥身直徑D可根據下式計算。工作輥輥身直徑D受最大咬入角α和軋制時軋件的最小厚度同時制約。工作直徑D根據最大咬入角α計算：

式中：—軋制時最大咬入角；Δh—壓下量，mm。根據經驗公式如下：

D<(1 500～2 000)hmin

設計冷軋機工作輥尺寸時，通常各種軋機L與D之間都有相應的比值，即L/D=2.2～4.0。

3.2.3 輥頸直徑d和輥頸長度l的設計

設計時，由于使用滾動軸承外徑較大，所以輥頸尺寸不宜過大，一般近似選擇d=(0.5～0.55)D，l=0.83～1.0d。

3.2.4 輥頭結構設計

為了使冷軋機的軸承裝卸方便，通常情況下做成帶扁頭(平臺)結構，如圖2輥頭結構示意圖。

圖2 輥頭結構示意圖Fig.2 Roller head structure diagram

3.2.5 軋輥材料的確定

根據重型機械企業標準JB/ZQ4289—86(軋輥鋼)可知：冷軋工作輥用鋼的鋼號為：8CrMoV、86Cr2MoV、9Cr、9Cr2、9Cr2Mo、9Cr2W、9Cr3Mo、60CrMoV等，根據冷軋機的使用場合選擇材料。

3.3 工作輥強度校核

本設計采用第四強度理論進行校核計算，得出輥頸斷面處的應力值為：

式中：Fw—彎輥力，kN；dw1、dw2—兩個圓角過渡區的斷面直徑，mm；l1、l2—圓角過渡區的兩個斷面到軋制反作用力Fw的距離，mm；Rb—許用彎曲應力，MPa。

通過校核，使σw1≤Rb，σw2≤Rb，彎曲應力滿足使用要求。

軋鋼機械生產過程中，工作輥承受彎矩很小，由于傳動力矩的存在，使工作輥受到較大的切應力。根據公式：

式中：—切應力，MPa；Tmax—最大傳動力矩，kN·m；Wt—抗扭截面系數。根據比較τ≤[τ]，故其切應力滿足使用要求。

3.4 閉式機架強度計算

強度計算時可以用材料力學方法，從而求解出靜不定框架的靜不定力，最后對閉式機架的強度和剛度進行校核。通過查閱得到機架的材料許用應力值為[σ]，比較：

σ2n≤[σ]

σ2w≤[σ]

σmax1n≤[σ]

σmax1w≤[σ]

其中：σ2n、σ2w—分別為立柱內、外側表面的計算應力，N/mm2；σmax1n—橫梁中內表面的最大應力，N/mm2；σmax1w—橫梁中外表面最大應力，N/mm2。

4 冷軋機軋輥的使用與維護

冷軋機的軋輥如何使用及維護對當前的軋制行業來說仍然是一個不斷困擾的艱難問題。由于冷軋機軋輥常常在高溫、摩擦、重載荷等惡劣環境下對軋件進行冷軋作業，如此惡劣的環境很易導致冷軋機的軋輥變形、磨損嚴重產生裂縫等種種故障，如果在軋制過程中發現、處理不及時，會影響正常生產，因此，正確使用及維護冷軋機軋輥的方法在軋制行業過程中尤為重要。冷軋機軋輥的使用與維護的措施有軋輥冷卻，用探傷探測出微裂紋，然后進行打坑等。

5 結論

以1450HC冷軋機為例，通過冷軋機各結構方案對比，設計出具有良好板型控制能力、邊部減薄和局部高點控制能力要優于其他形式的軋機。以工作輥為例，設計其相應尺寸，通過查閱相關資料，設計出中間輥和支撐輥尺寸，并完成校核，其在實際設計過程中具有十分重要的參考意義。