非標(biāo)規(guī)格圓鋼開(kāi)發(fā)及孔型設(shè)計(jì)優(yōu)化

吳建軍

（河鋼集團(tuán)宣鋼公司）

0 引言

GCr15是一種傳統(tǒng)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(xiāo)售過(guò)程中，客戶(hù)對(duì)Φ20～30 mm規(guī)格系列全規(guī)格需求較大，通過(guò)對(duì)目前沒(méi)有開(kāi)發(fā)的Φ21 mm、Φ23 mm、Φ26 mm和Φ27 mm規(guī)格進(jìn)行開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)，能夠更好地滿(mǎn)足下游客戶(hù)需求，提升圓鋼品種中合金結(jié)構(gòu)鋼的比例和高端品種比，實(shí)現(xiàn)公司圓鋼品種效益最大化。

1 孔型設(shè)計(jì)

1.1 總體思路

根據(jù)非標(biāo)規(guī)格圓鋼的開(kāi)發(fā)要求，按照最少投入和最快最優(yōu)生產(chǎn)的原則，進(jìn)行孔型系統(tǒng)設(shè)計(jì)。依據(jù)上述原則，如果僅對(duì)成品孔型進(jìn)行設(shè)計(jì)，且在生產(chǎn)中僅更換成品孔型可以實(shí)現(xiàn)最少投入和最快生產(chǎn)的目的。采用該方法的難點(diǎn)是如何選擇孔型系統(tǒng)，以及如何保證成品料型尺寸能夠達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。

1.2 技術(shù)方案

1.2.1 孔型系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)孔型系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理，料型寬展量的計(jì)算為關(guān)鍵因素，因此需將三棒圓鋼實(shí)際設(shè)備和工藝參數(shù)帶入孔型系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，并精確計(jì)算寬展數(shù)據(jù)。

1.2.1.1 采用的設(shè)計(jì)公式

本次計(jì)算寬展系數(shù)所采用的設(shè)計(jì)公式為：

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

1.2.1.2 精確計(jì)算其他規(guī)格孔型系統(tǒng)

將現(xiàn)有Φ22 mm規(guī)格料型尺寸帶入孔型計(jì)算表（如圖1所示），并根據(jù)實(shí)際溫度、軋輥等情況帶入相關(guān)參數(shù)，通過(guò)優(yōu)化軋制速度修正系數(shù)和軋件鋼種修正系數(shù)的方法做到與實(shí)際料型尺寸相符。（以該規(guī)格為例進(jìn)行敘述，Φ20 mm、Φ25 mm、Φ28mm均按照該方法進(jìn)行計(jì)算。）

圖1 22 mm規(guī)格孔型計(jì)算

1.2.1.3 孔型系統(tǒng)初步設(shè)計(jì)

本次新開(kāi)發(fā)規(guī)格有Φ21 mm、Φ23 mm、Φ26 mm和Φ27 mm共計(jì)4個(gè)規(guī)格，正常生產(chǎn)過(guò)程中相近規(guī)格有Φ20 mm、Φ22 mm、Φ25 mm和Φ28 mm。因此，需通過(guò)模擬驗(yàn)算確定采用收料還是放料以設(shè)計(jì)新規(guī)格孔型系統(tǒng)。已生產(chǎn)圓鋼K2架次料型尺寸見(jiàn)表1。

表1 K2架次料型尺寸統(tǒng)計(jì)

從表1可以看出，Φ21 mm規(guī)格若采用Φ22 mm規(guī)格收料，Φ23 mm規(guī)格若采用Φ24 mm規(guī)格收料，K2架次輥縫小，沒(méi)有收料余地；Φ26 mm規(guī)格相鄰規(guī)格有Φ25 mm規(guī)格，因此只能采用放料模式進(jìn)行開(kāi)發(fā)；Φ27 mm規(guī)格相鄰規(guī)格有Φ28 mm規(guī)格，該規(guī)格采用收料模式進(jìn)行開(kāi)發(fā)。

綜合所述，收料模式開(kāi)發(fā)新規(guī)格存在以下缺點(diǎn)：（1）輥縫小，軋制過(guò)程中軋槽磨損后調(diào)整量小，導(dǎo)致軋制噸位縮小，不利于正常生產(chǎn)。（2）收料后，橢圓料型高度減小，寬度增加，導(dǎo)致在下一道次中軋制時(shí)穩(wěn)定性變差，極易出現(xiàn)倒鋼問(wèn)題。（3）導(dǎo)衛(wèi)調(diào)整料無(wú)法滿(mǎn)足要求，由于收料后料型變小，兩導(dǎo)衛(wèi)輪間距也相應(yīng)變小，導(dǎo)衛(wèi)調(diào)整量變小，不利于正常生產(chǎn)。通過(guò)計(jì)算，對(duì)Φ21 mm、Φ23 mm和Φ26 mm三個(gè)規(guī)格采用Φ20 mm、Φ22 mm和Φ25 mm成品前所有料型，僅通過(guò)放料和成品孔型設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)新規(guī)格開(kāi)發(fā)。由于Φ27 mm規(guī)格沒(méi)有對(duì)應(yīng)規(guī)格實(shí)現(xiàn)放料，通過(guò)驗(yàn)算對(duì)Φ27 mm規(guī)格采用Φ28 mm成品前所有料型，僅通過(guò)收料和成品孔型設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)新規(guī)格開(kāi)發(fā)。

1.2.1.4 孔型系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)

利用公式計(jì)算料型尺寸，并通過(guò)收（或放）料驗(yàn)證初步設(shè)計(jì)方案，并增加軸承鋼溫度修正系數(shù)、軋制速度修正系數(shù)、鋼種修正系數(shù)、軋輥材質(zhì)和加工修正系數(shù)，實(shí)現(xiàn)料型尺寸的精確化設(shè)計(jì)和調(diào)整，如圖2所示。

圖2 孔型設(shè)計(jì)計(jì)算

（1）將公式編入EXCEL表中，實(shí)現(xiàn)程序化和簡(jiǎn)單化。

（2）利用對(duì)成品前架次料型調(diào)整，獲得最佳成品料型。

通過(guò)對(duì)K2和K3料高的調(diào)整，即通過(guò)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(shè)計(jì)

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(jī)剛度、孔型系統(tǒng)及孔型磨損等[2]。軋件經(jīng)成品孔型軋制后，便得到成品鋼材，所以成品孔型設(shè)計(jì)的合理與否對(duì)成品的質(zhì)量、軋機(jī)產(chǎn)量和軋輥消耗都有一定的影響。成品孔型設(shè)計(jì)時(shí)需考慮以下幾方面問(wèn)題：熱斷面、公差與負(fù)公差軋制和成品孔型設(shè)計(jì)的一般程序。

1.2.2.1 成品尺寸公差

根據(jù)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(shè)計(jì)

成品孔型構(gòu)成如圖3所示， 其中R為基圓半徑，d為圓鋼的公稱(chēng)直徑或稱(chēng)之為標(biāo)準(zhǔn)直徑，θ為孔型擴(kuò)張角，R’為成品孔的擴(kuò)張半徑。

（1）成品孔的基圓半徑：

式中，d——圓鋼的公稱(chēng)直徑或稱(chēng)之為標(biāo)準(zhǔn)直徑，mm；-Δ——允許負(fù)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(shè)計(jì)過(guò)程中，允許負(fù)偏差按照0進(jìn)行設(shè)計(jì)，避免圓鋼由于尺寸過(guò)小導(dǎo)致機(jī)加工出現(xiàn)尺寸質(zhì)量問(wèn)題。

（3）成品孔型擴(kuò)張半徑：成品孔的擴(kuò)張角θ，常用θ=30°。

圖3 成品孔型設(shè)計(jì)

1.2.3 軋程計(jì)算

將所計(jì)算的各架次料型尺寸代入相應(yīng)規(guī)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(nèi)，得出延伸系數(shù)；通過(guò)輸入成品軋制速度，計(jì)算出各架次速度。

圖4 軋制程序表計(jì)算

2 孔型優(yōu)化及生產(chǎn)

2.1 總體思路

在實(shí)施過(guò)程中，將三棒現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際設(shè)備和工藝參數(shù)帶入原有理論軋制程序表中，通過(guò)相互驗(yàn)算，再根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)料型調(diào)整手法進(jìn)行精確模擬，不斷優(yōu)化料型數(shù)據(jù)，從而得出最優(yōu)料型尺寸。最后，利用最優(yōu)料型尺寸數(shù)據(jù)再對(duì)理論設(shè)計(jì)孔型進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并利用實(shí)際生產(chǎn)進(jìn)行驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)規(guī)格開(kāi)發(fā)一次成功。

2.2 成品孔型優(yōu)化

以Φ23 mm規(guī)格為例，對(duì)孔型優(yōu)化進(jìn)行說(shuō)明，其他孔型優(yōu)化類(lèi)似。

2.2.1 按照孔型計(jì)算公式所得參數(shù)畫(huà)圖

（1）基圓直徑：計(jì)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(jìn)行設(shè)計(jì)。

（2）擴(kuò)張半徑：計(jì)算值為13.93～14.04 mm，按照避免出現(xiàn)成品耳子的原則，初步選擇14.04 mm。

（3）輥縫、外圓角半徑根據(jù)經(jīng)驗(yàn)分別選擇2 mm、1 mm。

按照上述參數(shù)設(shè)計(jì)成品孔型，如圖5所示，并測(cè)量槽口寬度為23.3 mm。

圖5 優(yōu)化前孔型

根據(jù)料型計(jì)算所得成品寬度為23.09～23.3 mm，孔型充滿(mǎn)度為99.1%～100%，極易出現(xiàn)成品耳子。因此，需對(duì)上述選擇孔型尺寸進(jìn)行優(yōu)化。

2.2.2 成品孔型尺寸優(yōu)化

優(yōu)化前，成品出現(xiàn)過(guò)充滿(mǎn)，需對(duì)槽口寬度進(jìn)行優(yōu)化，按照充滿(mǎn)度約95%進(jìn)行優(yōu)化，選擇槽口寬度為24.31～24.53 mm，取24.35 mm，充滿(mǎn)度為94.83%～95.69%，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，如圖6所示。后經(jīng)實(shí)際生產(chǎn)，成品尺寸精度滿(mǎn)足要求。其他規(guī)格孔型按照上述方法進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化。

圖6 優(yōu)化后成品孔型

2.3 生產(chǎn)實(shí)踐

通過(guò)非標(biāo)規(guī)格開(kāi)發(fā)，孔型系統(tǒng)滿(mǎn)足實(shí)際開(kāi)發(fā)需求，且成品尺寸精度控制達(dá)到國(guó)標(biāo)一組精度要求。非標(biāo)規(guī)格開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)軸承鋼各規(guī)格規(guī)模化生產(chǎn)，滿(mǎn)足市場(chǎng)訂貨需求，2018年產(chǎn)量1.7 萬(wàn)t。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)軸承鋼系列規(guī)格開(kāi)發(fā)和孔型設(shè)計(jì)優(yōu)化，孔型系統(tǒng)滿(mǎn)足實(shí)際開(kāi)發(fā)需求，且成品尺寸精度控制達(dá)到國(guó)標(biāo)一組精度要求。

（1）本次新開(kāi)發(fā)規(guī)格有Φ21 mm、Φ23 mm、Φ26 mm和Φ27 mm共計(jì)4個(gè)規(guī)格，正常生產(chǎn)過(guò)程中相近規(guī)格有Φ20 mm、Φ22 mm、Φ25 mm和Φ28 mm。通過(guò)模擬驗(yàn)算確定主要采用放料模式以設(shè)計(jì)新規(guī)格孔型系統(tǒng)。

（2）帶入實(shí)際鋼種及溫度、速度、軋輥材質(zhì)等參數(shù)，計(jì)算出料型尺寸與實(shí)際相近，有效指導(dǎo)了規(guī)格開(kāi)發(fā)過(guò)程。

（3）計(jì)算出符合該鋼種的軋制程序表，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)料型調(diào)整提供精確參考，有效提高了速度調(diào)整精度。