非標規格圓鋼開發及孔型設計優化

吳建軍

（河鋼集團宣鋼公司）

0 引言

GCr15是一種傳統的高碳鉻軸承鋼，主要用于制造各種軸承的滾珠、滾柱和軸套等[1]。在銷售過程中，客戶對Φ20～30 mm規格系列全規格需求較大，通過對目前沒有開發的Φ21 mm、Φ23 mm、Φ26 mm和Φ27 mm規格進行開發和生產，能夠更好地滿足下游客戶需求，提升圓鋼品種中合金結構鋼的比例和高端品種比，實現公司圓鋼品種效益最大化。

1 孔型設計

1.1 總體思路

根據非標規格圓鋼的開發要求，按照最少投入和最快最優生產的原則，進行孔型系統設計。依據上述原則，如果僅對成品孔型進行設計，且在生產中僅更換成品孔型可以實現最少投入和最快生產的目的。采用該方法的難點是如何選擇孔型系統，以及如何保證成品料型尺寸能夠達到標準要求。

1.2 技術方案

1.2.1 孔型系統設計

根據孔型系統設計原理，料型寬展量的計算為關鍵因素，因此需將三棒圓鋼實際設備和工藝參數帶入孔型系統設計中，并精確計算寬展數據。

1.2.1.1 采用的設計公式

本次計算寬展系數所采用的設計公式為：

式中，β——相對寬展系數；W——相對寬展指數；δ——軋件斷面形狀系數；ε——輥徑系數；η——壓下系數的倒數。

1.2.1.2 精確計算其他規格孔型系統

將現有Φ22 mm規格料型尺寸帶入孔型計算表（如圖1所示），并根據實際溫度、軋輥等情況帶入相關參數，通過優化軋制速度修正系數和軋件鋼種修正系數的方法做到與實際料型尺寸相符。（以該規格為例進行敘述，Φ20 mm、Φ25 mm、Φ28mm均按照該方法進行計算。）

圖1 22 mm規格孔型計算

1.2.1.3 孔型系統初步設計

本次新開發規格有Φ21 mm、Φ23 mm、Φ26 mm和Φ27 mm共計4個規格，正常生產過程中相近規格有Φ20 mm、Φ22 mm、Φ25 mm和Φ28 mm。因此，需通過模擬驗算確定采用收料還是放料以設計新規格孔型系統。已生產圓鋼K2架次料型尺寸見表1。

表1 K2架次料型尺寸統計

從表1可以看出，Φ21 mm規格若采用Φ22 mm規格收料，Φ23 mm規格若采用Φ24 mm規格收料，K2架次輥縫小，沒有收料余地；Φ26 mm規格相鄰規格有Φ25 mm規格，因此只能采用放料模式進行開發；Φ27 mm規格相鄰規格有Φ28 mm規格，該規格采用收料模式進行開發。

綜合所述，收料模式開發新規格存在以下缺點：（1）輥縫小，軋制過程中軋槽磨損后調整量小，導致軋制噸位縮小，不利于正常生產。（2）收料后，橢圓料型高度減小，寬度增加，導致在下一道次中軋制時穩定性變差，極易出現倒鋼問題。（3）導衛調整料無法滿足要求，由于收料后料型變小，兩導衛輪間距也相應變小，導衛調整量變小，不利于正常生產。通過計算，對Φ21 mm、Φ23 mm和Φ26 mm三個規格采用Φ20 mm、Φ22 mm和Φ25 mm成品前所有料型，僅通過放料和成品孔型設計實現新規格開發。由于Φ27 mm規格沒有對應規格實現放料，通過驗算對Φ27 mm規格采用Φ28 mm成品前所有料型，僅通過收料和成品孔型設計實現新規格開發。

1.2.1.4 孔型系統詳細設計

利用公式計算料型尺寸，并通過收（或放）料驗證初步設計方案，并增加軸承鋼溫度修正系數、軋制速度修正系數、鋼種修正系數、軋輥材質和加工修正系數，實現料型尺寸的精確化設計和調整，如圖2所示。

圖2 孔型設計計算

（1）將公式編入EXCEL表中，實現程序化和簡單化。

（2）利用對成品前架次料型調整，獲得最佳成品料型。

通過對K2和K3料高的調整，即通過收（或放）料，獲得最佳成品料型。Φ21 mm：將Φ20 mm孔型K3架次放0.5 mm，K2架次放1.5 mm；Φ23mm：將Φ22mm孔 型K2架 次 放2.5 mm；Φ26 mm：將Φ25 mm孔型K2架次放1.5 mm；Φ27 mm：將Φ28 mm孔型K6架次收1.0 mm，K5架次收1.5 mm，K4架次收1.5 mm，K3架次收1.8 mm，K2架次收1.5 mm。

1.2.2 成品孔型設計

圓鋼的成品尺寸精度受多種因素的影響，包括鋼坯的斷面尺寸、加熱溫度、速度控制、軋機剛度、孔型系統及孔型磨損等[2]。軋件經成品孔型軋制后，便得到成品鋼材，所以成品孔型設計的合理與否對成品的質量、軋機產量和軋輥消耗都有一定的影響。成品孔型設計時需考慮以下幾方面問題：熱斷面、公差與負公差軋制和成品孔型設計的一般程序。

1.2.2.1 成品尺寸公差

根據成品尺寸公差要求，確定尺寸偏差為±0.4 mm。

1.2.2.2 成品尺寸設計

成品孔型構成如圖3所示， 其中R為基圓半徑，d為圓鋼的公稱直徑或稱之為標準直徑，θ為孔型擴張角，R’為成品孔的擴張半徑。

（1）成品孔的基圓半徑：

式中，d——圓鋼的公稱直徑或稱之為標準直徑，mm；-Δ——允許負偏差，mm。

（2）成品孔的寬度Bk為：

式中，+Δ ——允許正偏差，mm。

在成品尺寸設計過程中，允許負偏差按照0進行設計，避免圓鋼由于尺寸過小導致機加工出現尺寸質量問題。

（3）成品孔型擴張半徑：成品孔的擴張角θ，常用θ=30°。

圖3 成品孔型設計

1.2.3 軋程計算

將所計算的各架次料型尺寸代入相應規格軋制程序表，如圖4所示。將軋件尺寸中的高、寬和面積輸入表格內，得出延伸系數；通過輸入成品軋制速度，計算出各架次速度。

圖4 軋制程序表計算

2 孔型優化及生產

2.1 總體思路

在實施過程中，將三棒現場實際設備和工藝參數帶入原有理論軋制程序表中，通過相互驗算，再根據現場料型調整手法進行精確模擬，不斷優化料型數據，從而得出最優料型尺寸。最后，利用最優料型尺寸數據再對理論設計孔型進行優化設計，并利用實際生產進行驗證，實現規格開發一次成功。

2.2 成品孔型優化

以Φ23 mm規格為例，對孔型優化進行說明，其他孔型優化類似。

2.2.1 按照孔型計算公式所得參數畫圖

（1）基圓直徑：計算值為23.25～23.46 mm，按照高成品尺寸精度要求，初步選擇23.28 mm進行設計。

（2）擴張半徑：計算值為13.93～14.04 mm，按照避免出現成品耳子的原則，初步選擇14.04 mm。

（3）輥縫、外圓角半徑根據經驗分別選擇2 mm、1 mm。

按照上述參數設計成品孔型，如圖5所示，并測量槽口寬度為23.3 mm。

圖5 優化前孔型

根據料型計算所得成品寬度為23.09～23.3 mm，孔型充滿度為99.1%～100%，極易出現成品耳子。因此，需對上述選擇孔型尺寸進行優化。

2.2.2 成品孔型尺寸優化

優化前，成品出現過充滿，需對槽口寬度進行優化，按照充滿度約95%進行優化，選擇槽口寬度為24.31～24.53 mm，取24.35 mm，充滿度為94.83%～95.69%，滿足設計要求，如圖6所示。后經實際生產，成品尺寸精度滿足要求。其他規格孔型按照上述方法進行設計和優化。

圖6 優化后成品孔型

2.3 生產實踐

通過非標規格開發，孔型系統滿足實際開發需求，且成品尺寸精度控制達到國標一組精度要求。非標規格開發實現軸承鋼各規格規模化生產，滿足市場訂貨需求，2018年產量1.7 萬t。

3 結語

通過軸承鋼系列規格開發和孔型設計優化，孔型系統滿足實際開發需求，且成品尺寸精度控制達到國標一組精度要求。

（1）本次新開發規格有Φ21 mm、Φ23 mm、Φ26 mm和Φ27 mm共計4個規格，正常生產過程中相近規格有Φ20 mm、Φ22 mm、Φ25 mm和Φ28 mm。通過模擬驗算確定主要采用放料模式以設計新規格孔型系統。

（2）帶入實際鋼種及溫度、速度、軋輥材質等參數，計算出料型尺寸與實際相近，有效指導了規格開發過程。

（3）計算出符合該鋼種的軋制程序表，對現場料型調整提供精確參考，有效提高了速度調整精度。