钢球热斜轧轧辊精整段凸棱结构参数的优化设计
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Abstract： The role of connecting neck in hot skew rolling is introduced， then the relation between ridge and connecting neck is analyzed． Based on the finite element software ANSYS， the structural parameters of roller finishing ridge are analyzed． Results the maximum distortion and stress are inversely proportional to it． With roller ridge show that as the width of roller ridge changes， height increasing， the maximum distortion also increases， while stress decreases first and increases then． The cut angel of roller ridge has little effects on its distortion and stress． The influence law of the roller ridge’ s intension and rigidity on the parameters from analysis provides for theoretical direction for structural designing of the roller ridge． Key words： hot skew rolling； roller ridge； structural parameter； optimization design
35CrMnSi 合金 结 构 钢， 其 抗 拉 强 度 为 1 000 ～ 1 200 MPa， 弹性模量 E = 206GP， 泊松比 μ = 0． 29 。 轧制过 程 中， 轧件和轧辊 相 对 滚 动， 轧件变 ， 形复 杂 精 整 区 后 段轧辊与轧件接触 面 积 不 断 变 化， 取 精整区末端凸棱挤
0
引言
经 成 形、 精整及切 断， 将棒料轧制成 各 种 回 转 体 零 件， 热斜 轧 示 意 如 图 1 所示。 经热斜轧加 工所得到的钢球毛
图1 热斜轧示意
轴承是各类设备中使用非常广泛且极其重要的 标准件， 其制造技术历来受到各国的高度重视。 对于 滚动轴承而言， 钢球是承受载荷并与轴承的动态特性 直接相关的重要零件， 其对轴承的综合性能指标起决 定性作用。 钢球的制造工艺较复杂， 精度要求很高， 除必须达到其各项成品精度标准要求外， 还应使钢球 在轴承中具有尽可能高的使用寿命和可靠性， 为此， 近年来国外发 展 了 轴 承 钢 球 毛 坯 热 斜 轧 生 产 技 术 。 与传统的钢球冷镦工艺相比， 该技术不仅具有生产效 、 率高 能耗低和 所 生 产 的 球 坯 尺 寸 精 度 高 等 显 著 优 点， 而且所生产的钢球毛坯的金属流线、 材质的致密 度等内在质量也得到提高。 就是将棒料经加热炉加热到一定温度 后， 利用两个带有螺旋孔型的轧辊， 其轴线交叉配置， 以同方向旋转， 带动棒料旋转前进， 在孔型的作用下， 116 热斜轧
21． 6mm钢球的轧制压力 P = 29． 09kN， 与轧制中心 线的夹角为 7． 79° 。精整区末端轧制压力主要作用在 凸棱顶面上， 可以近似认为其均匀分布在凸棱和轧件 的接触面内， 为了便于分析， 将轧制压力 P 简化为作 用于凸棱顶面中心的集中载荷。 凸棱根部端面直接 与轧辊接触， 故对其所有的节点施加固定的全约束。 在 ANSYS 中采用直接求解器求解， 然后得到凸棱变形 后各向应力应变状态。 2． 2 不同宽度凸棱应力应变分析 h = 9mm， 轧制 21． 6mm 钢球时， 选取 R = 12mm，
第一主应力 / MPa min max － 372 － 273 － 212 － 180 － 158 86． 9 44 42． 8 34． 7 23． 4 等效应力 Mises / MPa min max 0． 002 03 0． 001 413 0． 003 18 0． 002 377 0． 008 58 795 533 420 355 313
［1 ］
坯并不是一个简单 的 球 体， 而是一端 带 有 连 接 颈， 另一
端的连接颈在精整区末端被轧辊凸棱挤压至与毛坯 脱离。轧制过程中， 连接颈过长 重 的 影 响， 甚至造成废 ［2 ］ 品 。本研究利用 ANSYS 软件， 对轧制精整区轧辊 凸棱挤压连接颈时的应力应变进行仿真分析， 寻找给 定轧制条件下的最优轧辊凸棱几何参数， 这对于热斜 轧精整区连接颈的断开和轧辊凸棱设计都将具有重 要的指导意义。
制造技术 / 工艺装备
现代制造工程（ Modern Manufacturing Engineering）
2012 年第 10 期
钢球热斜轧轧辊精整段凸棱结构参数的优化设计
张平， 周一丹 （ 南通大学机械工程学院， 南通 226019 ）
摘要： 阐述连接颈在钢球热斜轧中的作用， 分析轧辊凸棱和连接颈之间的关系 。利用有限元分析软件 ANSYS 对钢球热 随着轧辊凸棱宽度尺寸的变化， 最大变形量和应力与其成 斜轧轧辊精整段凸棱进行结构参数的优化分析 。 结果表明， 反比例关系。随着轧辊凸棱高度的增大， 最大变形量也增大， 而应力先减小后增大。 轧辊凸棱切角对凸棱的变形量和 为钢球热斜轧轧辊的凸棱设计提供理论指导 。 应力影响较小。通过分析轧辊凸棱几何参数对强度和刚度等的影响规律， 关键词： 热斜轧； 轧辊凸棱； 结构参数； 优化设计 中图分类号： TH122 文献标志码： A 文章编号： 1671 —3133 （ 2012 ） 10 —0116 —04
［3 ］ 时很容易产生振动 。 左右摆动会造成轧件的偏移 和扭转， 影响轧件的成形质量。 如果没有连接颈， 不
轴向拉应力过大， 则连接颈易被拉断； 如果连接颈长 度大于凸棱宽度， 一方面会导致孔型型腔无法充满， 轧制过程中会影响已成形钢球的精度； 另一方面使得 连接颈 部 分 受 到 凸 棱 挤 压， 破坏连接颈整体的一 致性。 可见， 如果连接颈设计不合理， 将对钢球的质量 造成严重的影响， 而解决问题的关键在于优化轧辊凸 棱的结构设计。 特别是精整段轧辊凸棱各个结构参 对已成形钢球的质量起着决定性 数的变 化 规 律， 作用。
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2． 1
轧辊精整段凸棱有限元分析
凸棱有限元模型建立 以轧制 21． 6mm 钢球的轧辊为例， 轧辊材料为
仅造成轧辊实际设计制造上的难度， 而且一根棒料形 成的多个钢球离散在孔型型腔内， 无法保证轧制的稳 钢球可能在轧辊型腔内无规律运动， 导致已轧 定性， 制钢球的表面刮伤， 造成废品。 连接颈将前后成形的 钢球串联在一起， 形成一个整体， 使得钢球有规律地 在轧机上旋转 前 进， 从而满足高品质钢球加工的要 求。连接颈作为成形钢球重要的组成结构， 对于高品 质钢球成形的稳定性有着非常重要的作用。 从实际 生产的情况来看， 对凸棱结构参数进行合理的优化设 计， 能有效地实现连接颈长度和直径的确定以及对连 接颈脱离位置的控制。 1 ） 连接颈长度的确定。 过长的连接颈势必造成 材料的浪费， 而且导致轧辊孔型螺旋长度增加， 给加 凸棱 工带来不便。过短的连接颈使得凸棱宽度变小， 易变形， 甚至造成崩裂， 降低轧辊的使用寿命。 2 ） 连接颈直径的确定。连接颈直径决定轧制的损 耗， 连接颈直径越小， 损失的金属则越少。但是， 由于连 接颈截面中部受到凸棱下压产生的拉应力和型腔壁产 生的拉应力原因， 若直径太小， 连接颈会被拉断。 3 ） 连接颈脱离位置的控制。 连接颈形成后， 在钢 球离开型腔时断落， 连接颈脱离位置控制不适， 就会 造成连接颈过 早 断 开， 钢球在孔型内处于不稳定状 态， 使得已成形钢球遭到破坏。 1． 2 轧辊凸棱与连接颈的关系 连接颈的形状和轧辊凸棱有着密切关系， 有规律 的连接颈形状对钢球的成形十分重要。 为了保证轧 制成的钢球几何形状正确， 并且没有叠层、 疏松， 在设 计制造时应满足： 任意位置孔型凸棱宽度与连接颈长
图4 凸棱实体经网格划 分后的有限元模型
后选择 10 节点六面体单元 对其划分网格。 最终获得 经网 格 划 分 的 有 限 元 模 3］ 型， 如图 4 所示。 文献［ 117
进行了双头斜 轧 钢 球 的 实 验 研 究， 并实测得到轧制
2012 年第 10 期
现代制造工程（ Modern Manufacturing Engineering）
图3 轧辊精整段孔型法向剖面
压连接颈阶段为研 究对象。 轧 辊 精 整
段孔型法向剖面如图 3 所示， 其中， 孔型半径 R 、 孔型 基本导程 S0 、 凸棱宽度 a、 高度 h 和切角 γ 是构成轧辊 凸棱 结 构 的 主 要 参 数。 选 取 钢 球 单 边 轧 制 公 差 为 1． 2mm， 热膨 胀 系 数 为 1． 01 ， 则求得孔型直径 d = 24． 24mm， 设计中取孔型半径 R = 12mm， 孔型基本导 程 S0 = 45mm。 本文选取了不同凸棱宽度和高度， 基于 Pro / E 3． 0 建立了轧辊凸棱部分的空间三维结构模型， 通过 Pro / E 3． 0 与 ANSYS 10． 0 的无 缝连 接， 将 模 型 导 入 ANSYS 10． 0 中进行应力应变 分析。 凸棱实体模型获得
Optimization design of structural parameters of the roller finishing ridge for steel ball hot skew rolling
Zhang Ping， Zhou Yidan （ School of Mechanical Engineering， Nantong University， Nantong 226019 ， Jiangsu， China）
35CrMnSi 合金 结 构 钢， 其 抗 拉 强 度 为 1 000 ～ 1 200 MPa， 弹性模量 E = 206GP， 泊松比 μ = 0． 29 。 轧制过 程 中， 轧件和轧辊 相 对 滚 动， 轧件变 ， 形复 杂 精 整 区 后 段轧辊与轧件接触 面 积 不 断 变 化， 取 精整区末端凸棱挤
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引言
经 成 形、 精整及切 断， 将棒料轧制成 各 种 回 转 体 零 件， 热斜 轧 示 意 如 图 1 所示。 经热斜轧加 工所得到的钢球毛
图1 热斜轧示意
轴承是各类设备中使用非常广泛且极其重要的 标准件， 其制造技术历来受到各国的高度重视。 对于 滚动轴承而言， 钢球是承受载荷并与轴承的动态特性 直接相关的重要零件， 其对轴承的综合性能指标起决 定性作用。 钢球的制造工艺较复杂， 精度要求很高， 除必须达到其各项成品精度标准要求外， 还应使钢球 在轴承中具有尽可能高的使用寿命和可靠性， 为此， 近年来国外发 展 了 轴 承 钢 球 毛 坯 热 斜 轧 生 产 技 术 。 与传统的钢球冷镦工艺相比， 该技术不仅具有生产效 、 率高 能耗低和 所 生 产 的 球 坯 尺 寸 精 度 高 等 显 著 优 点， 而且所生产的钢球毛坯的金属流线、 材质的致密 度等内在质量也得到提高。 就是将棒料经加热炉加热到一定温度 后， 利用两个带有螺旋孔型的轧辊， 其轴线交叉配置， 以同方向旋转， 带动棒料旋转前进， 在孔型的作用下， 116 热斜轧
21． 6mm钢球的轧制压力 P = 29． 09kN， 与轧制中心 线的夹角为 7． 79° 。精整区末端轧制压力主要作用在 凸棱顶面上， 可以近似认为其均匀分布在凸棱和轧件 的接触面内， 为了便于分析， 将轧制压力 P 简化为作 用于凸棱顶面中心的集中载荷。 凸棱根部端面直接 与轧辊接触， 故对其所有的节点施加固定的全约束。 在 ANSYS 中采用直接求解器求解， 然后得到凸棱变形 后各向应力应变状态。 2． 2 不同宽度凸棱应力应变分析 h = 9mm， 轧制 21． 6mm 钢球时， 选取 R = 12mm，
第一主应力 / MPa min max － 372 － 273 － 212 － 180 － 158 86． 9 44 42． 8 34． 7 23． 4 等效应力 Mises / MPa min max 0． 002 03 0． 001 413 0． 003 18 0． 002 377 0． 008 58 795 533 420 355 313
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坯并不是一个简单 的 球 体， 而是一端 带 有 连 接 颈， 另一
端的连接颈在精整区末端被轧辊凸棱挤压至与毛坯 脱离。轧制过程中， 连接颈过长 重 的 影 响， 甚至造成废 ［2 ］ 品 。本研究利用 ANSYS 软件， 对轧制精整区轧辊 凸棱挤压连接颈时的应力应变进行仿真分析， 寻找给 定轧制条件下的最优轧辊凸棱几何参数， 这对于热斜 轧精整区连接颈的断开和轧辊凸棱设计都将具有重 要的指导意义。
制造技术 / 工艺装备
现代制造工程（ Modern Manufacturing Engineering）
2012 年第 10 期
钢球热斜轧轧辊精整段凸棱结构参数的优化设计
张平， 周一丹 （ 南通大学机械工程学院， 南通 226019 ）
摘要： 阐述连接颈在钢球热斜轧中的作用， 分析轧辊凸棱和连接颈之间的关系 。利用有限元分析软件 ANSYS 对钢球热 随着轧辊凸棱宽度尺寸的变化， 最大变形量和应力与其成 斜轧轧辊精整段凸棱进行结构参数的优化分析 。 结果表明， 反比例关系。随着轧辊凸棱高度的增大， 最大变形量也增大， 而应力先减小后增大。 轧辊凸棱切角对凸棱的变形量和 为钢球热斜轧轧辊的凸棱设计提供理论指导 。 应力影响较小。通过分析轧辊凸棱几何参数对强度和刚度等的影响规律， 关键词： 热斜轧； 轧辊凸棱； 结构参数； 优化设计 中图分类号： TH122 文献标志码： A 文章编号： 1671 —3133 （ 2012 ） 10 —0116 —04
［3 ］ 时很容易产生振动 。 左右摆动会造成轧件的偏移 和扭转， 影响轧件的成形质量。 如果没有连接颈， 不
轴向拉应力过大， 则连接颈易被拉断； 如果连接颈长 度大于凸棱宽度， 一方面会导致孔型型腔无法充满， 轧制过程中会影响已成形钢球的精度； 另一方面使得 连接颈 部 分 受 到 凸 棱 挤 压， 破坏连接颈整体的一 致性。 可见， 如果连接颈设计不合理， 将对钢球的质量 造成严重的影响， 而解决问题的关键在于优化轧辊凸 棱的结构设计。 特别是精整段轧辊凸棱各个结构参 对已成形钢球的质量起着决定性 数的变 化 规 律， 作用。
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轧辊精整段凸棱有限元分析
凸棱有限元模型建立 以轧制 21． 6mm 钢球的轧辊为例， 轧辊材料为
仅造成轧辊实际设计制造上的难度， 而且一根棒料形 成的多个钢球离散在孔型型腔内， 无法保证轧制的稳 钢球可能在轧辊型腔内无规律运动， 导致已轧 定性， 制钢球的表面刮伤， 造成废品。 连接颈将前后成形的 钢球串联在一起， 形成一个整体， 使得钢球有规律地 在轧机上旋转 前 进， 从而满足高品质钢球加工的要 求。连接颈作为成形钢球重要的组成结构， 对于高品 质钢球成形的稳定性有着非常重要的作用。 从实际 生产的情况来看， 对凸棱结构参数进行合理的优化设 计， 能有效地实现连接颈长度和直径的确定以及对连 接颈脱离位置的控制。 1 ） 连接颈长度的确定。 过长的连接颈势必造成 材料的浪费， 而且导致轧辊孔型螺旋长度增加， 给加 凸棱 工带来不便。过短的连接颈使得凸棱宽度变小， 易变形， 甚至造成崩裂， 降低轧辊的使用寿命。 2 ） 连接颈直径的确定。连接颈直径决定轧制的损 耗， 连接颈直径越小， 损失的金属则越少。但是， 由于连 接颈截面中部受到凸棱下压产生的拉应力和型腔壁产 生的拉应力原因， 若直径太小， 连接颈会被拉断。 3 ） 连接颈脱离位置的控制。 连接颈形成后， 在钢 球离开型腔时断落， 连接颈脱离位置控制不适， 就会 造成连接颈过 早 断 开， 钢球在孔型内处于不稳定状 态， 使得已成形钢球遭到破坏。 1． 2 轧辊凸棱与连接颈的关系 连接颈的形状和轧辊凸棱有着密切关系， 有规律 的连接颈形状对钢球的成形十分重要。 为了保证轧 制成的钢球几何形状正确， 并且没有叠层、 疏松， 在设 计制造时应满足： 任意位置孔型凸棱宽度与连接颈长
图4 凸棱实体经网格划 分后的有限元模型
后选择 10 节点六面体单元 对其划分网格。 最终获得 经网 格 划 分 的 有 限 元 模 3］ 型， 如图 4 所示。 文献［ 117
进行了双头斜 轧 钢 球 的 实 验 研 究， 并实测得到轧制
2012 年第 10 期
现代制造工程（ Modern Manufacturing Engineering）
图3 轧辊精整段孔型法向剖面
压连接颈阶段为研 究对象。 轧 辊 精 整
段孔型法向剖面如图 3 所示， 其中， 孔型半径 R 、 孔型 基本导程 S0 、 凸棱宽度 a、 高度 h 和切角 γ 是构成轧辊 凸棱 结 构 的 主 要 参 数。 选 取 钢 球 单 边 轧 制 公 差 为 1． 2mm， 热膨 胀 系 数 为 1． 01 ， 则求得孔型直径 d = 24． 24mm， 设计中取孔型半径 R = 12mm， 孔型基本导 程 S0 = 45mm。 本文选取了不同凸棱宽度和高度， 基于 Pro / E 3． 0 建立了轧辊凸棱部分的空间三维结构模型， 通过 Pro / E 3． 0 与 ANSYS 10． 0 的无 缝连 接， 将 模 型 导 入 ANSYS 10． 0 中进行应力应变 分析。 凸棱实体模型获得
Optimization design of structural parameters of the roller finishing ridge for steel ball hot skew rolling
Zhang Ping， Zhou Yidan （ School of Mechanical Engineering， Nantong University， Nantong 226019 ， Jiangsu， China）
