孟彩茹 李世然 崔浩洋 唐軍龍

摘 要：文章課題來源于河北省鋼鐵聯(lián)合基金項目，基于一種四軸雙向調(diào)節(jié)柔性精密型材軋機(jī)的研究，該新型軋機(jī)可實(shí)現(xiàn)在線精確調(diào)節(jié)，效率高，投資少，精度高，而壓下機(jī)構(gòu)的設(shè)計是保證精度的關(guān)鍵，所以壓下機(jī)構(gòu)的研究具有重要意義。通過對電動壓下機(jī)構(gòu)中的壓下螺絲和壓下螺母的設(shè)計，進(jìn)行理論上的計算和建模，并且進(jìn)行理論分析，利用ANSYS對螺絲和螺母進(jìn)行仿真，研究分析應(yīng)力應(yīng)變，最終考慮生產(chǎn)實(shí)際需求以及設(shè)計要求進(jìn)行優(yōu)化。研究設(shè)計出的長壽命的壓下螺絲螺紋機(jī)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)各輥的雙向調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用，同時使軋件同一斷面的各部位得到主動壓縮和延伸，使金屬變形和軋件組織性能顯著提高?；诖搜芯?，可以為壓下機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)改造奠定一定的理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：柔性精密型材軋機(jī)；壓下機(jī)構(gòu)；優(yōu)化

1 概述

在初軋機(jī)，板 軋機(jī)、萬能軋機(jī)等軋機(jī)上，幾乎每一道軋制都需要調(diào)整輥縫，以保證軋件按給定壓下量軋出所要求的斷面尺寸。在軋制過程中要輥縫的調(diào)整直接影響板厚誤差，因此軋機(jī)壓下裝置所能控制精度顯得格外重要[1]。

在軋制過程中，有很多因素會引起軋件的厚度偏差。這些因素都與軋件和軋機(jī)有關(guān)[2]。軋件方面的因素有：軋件厚度不均勻、軋件沿長度方向溫度或機(jī)械性能不均勻等。軋機(jī)方面的因素有：軋制速度和張力的變化、軋輥熱膨脹和磨損及軋輥偏心、軋制過程中機(jī)架的變形等[3]。

軋機(jī)參數(shù)的變動將使輥縫發(fā)生周期性的變化，因而導(dǎo)致軋件厚度發(fā)生變化，為了提高軋件的厚度精度，在現(xiàn)代化軋機(jī)上，往往設(shè)置厚度自動控制裝置，使軋機(jī)在軋制過程中能調(diào)整輥縫，以控制和減小軋件縱向厚度偏差[4]。

壓下控制系統(tǒng)輥縫的控制最后都是由軋機(jī)的壓下機(jī)構(gòu)來執(zhí)行的，選擇合理的壓下機(jī)構(gòu)，及合理的設(shè)計壓下機(jī)構(gòu)以調(diào)整輥縫。

2 壓下螺絲及螺母設(shè)計

壓下螺絲、輥縫調(diào)節(jié)速度快且承載能力大安全可靠，控制精度高和作業(yè)性穩(wěn)定好。四軸雙向調(diào)節(jié)柔性精密軋機(jī)主要應(yīng)用于型材軋制的精軋部分，其中的壓下機(jī)構(gòu)是軋機(jī)精度控制的重要部分，而壓下螺絲和壓下螺母是壓下機(jī)構(gòu)的核心部件。軋機(jī)的精度能否達(dá)到所需要的控制精度主要取決于壓下螺絲和螺母。

假定軋制力為P，壓下螺絲的直徑為d，壓下螺絲許用應(yīng)力[σy]，壓下螺母的高度H，壓下螺母的螺紋圈數(shù)n，壓下螺母的外徑D。螺紋牙型采用鋸齒形。螺紋牙型的設(shè)計參考機(jī)械設(shè)計手冊中的螺紋牙型設(shè)計。

壓下螺絲的直徑可有下式求得

因此在已知軋制力，可確定壓下螺絲的直徑。

在正常工作狀態(tài)下，螺紋要具有自鎖性。在潤滑良好時靜摩擦系數(shù)為0.005。

f=tan？茲

f-摩擦系數(shù)；？茲-螺紋升角

許用螺紋升角[？茲]？燮2.8648°。由自鎖條件和螺紋升角的幾何關(guān)系知螺紋升角？茲和螺距t滿足：

tan？茲？燮■

可求得螺距t。

螺母外徑D選擇可依據(jù)下式：

■=■

D-螺母的外徑；d-螺母內(nèi)徑；E1-螺絲的彈性模量；E2-螺母的彈性模量。

螺母選用低碳鋼，一般鋼鐵的彈性模量E=2.07×1011Pa。可得到螺母的內(nèi)徑和外徑的關(guān)系從而確定螺母的內(nèi)外徑尺寸。

螺母的高度為H，內(nèi)部的螺紋圈數(shù)為N，所以螺母的高度

H=Nt

螺紋圈數(shù)達(dá)到一定數(shù)值以后，再增加螺紋圈數(shù)對降低螺紋上的負(fù)載效果已經(jīng)不明顯，一般螺母的螺紋圈數(shù)N取20-30圈，以20圈為宜。另外采用鋸齒形螺紋對降低螺紋的負(fù)載有一定的好處。壓下螺絲和螺母的參數(shù)如表1所示。

表1

3 壓下螺絲及螺母的理論分析

在壓下螺絲機(jī)構(gòu)理論設(shè)計完成，考慮到軋機(jī)實(shí)際工作情況需要對壓下機(jī)構(gòu)的設(shè)計尺寸進(jìn)行校核。

3.1 壓下螺母與軋機(jī)牌坊接觸面的強(qiáng)度校核

對壓下螺絲螺母機(jī)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度校核，受軋制力示意圖如圖1。 總軋制力P為600T，軋機(jī)牌坊接觸面的應(yīng)力用下式計算：

？滓=■？燮[？滓]

[？滓]-軋機(jī)牌坊與螺母的許用應(yīng)力，取100-180MPa；D1-壓下螺母的外徑；D2-牌坊上的孔的直徑；？滓-螺母與牌坊間的應(yīng)力

3.2 螺紋的強(qiáng)度校核

螺紋受力面上的單位擠壓應(yīng)力：

[p]-螺母材料需用擠壓應(yīng)力；δ-螺母的外徑與螺絲的內(nèi)徑差

3.3 螺紋的彎曲應(yīng)力校核

h1-載荷相對于固定端的力臂，h1取D1-d1/2；b-螺紋根部厚度；[？滓w]-許用彎曲應(yīng)力，取100MPa-180MPa。

3.4 螺紋的剪切強(qiáng)度校核

[？子]-材料的許用剪切強(qiáng)度，取80MPa-120MP

通過理論校核設(shè)計的壓下螺絲機(jī)構(gòu)理論上滿足實(shí)際應(yīng)用所需的參數(shù)。而實(shí)際能否達(dá)到實(shí)際應(yīng)用的要求還需要進(jìn)一步的利用仿真軟件仿真驗(yàn)證。

4 ANSYS靜力學(xué)分析

利用Pro/E三維仿真軟件進(jìn)行三維仿真設(shè)計，再利用ANSYS仿真軟件等對設(shè)計的壓下螺桿和螺母進(jìn)行靜力學(xué)有限元分析。

將裝配好的壓下螺絲導(dǎo)入ANSYS在螺絲底部和螺母的上部施加力如圖1所示。

分析結(jié)果如下：如圖2所示，最大應(yīng)力部位位于螺桿壓下端，最大應(yīng)力為：310MPa-380MPa。

如圖3所示，最大變形部位在螺桿與交叉梁接觸部位，最大應(yīng)變量為0.04-0.045mm。

螺母應(yīng)力圖如圖4所示，最大應(yīng)力部位位于螺母兩端，最大應(yīng)力為80MPa-120MPa左右；應(yīng)變圖如圖5所示，最大形變部位在遠(yuǎn)牌坊接觸端，最大變形量0.010-.015mm。

總結(jié)經(jīng)過有限元軟件的仿真結(jié)果，驗(yàn)證了之前的理論計算的準(zhǔn)確性以及該壓下螺絲設(shè)計方案的可行性。軟件仿真結(jié)果顯示該設(shè)計滿足了實(shí)際生產(chǎn)中的強(qiáng)度和剛度，可實(shí)現(xiàn)較為精確壓下。但是考慮實(shí)際工況還需要增加安全系數(shù)。

5 結(jié)束語

文章基于機(jī)械設(shè)計理論對壓下螺絲機(jī)構(gòu)的設(shè)計，利用軟件建模、仿真分析以及優(yōu)化，可以節(jié)約成本，提高設(shè)計的科學(xué)性?？紤]實(shí)際精度需要可對不合理的部位進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，優(yōu)化該部位的部位以達(dá)到實(shí)際需要的精度需求。

另外利用ANSYS軟件對壓下螺絲和壓下螺母的分析也說明了壓下螺絲和壓下螺母受力與普通的螺絲螺母受力不同。驗(yàn)證了該四軸雙向調(diào)節(jié)柔性精密型材軋機(jī)壓下機(jī)構(gòu)設(shè)計的可行性，此外為該機(jī)構(gòu)的液壓系統(tǒng)改造提供了一定的研究理論和對比數(shù)據(jù)。

參考文獻(xiàn)

[1]鄒家祥.軋鋼機(jī)械理論與結(jié)構(gòu)設(shè)計[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1993.

[2]劉庭舜.軋鋼機(jī)壓下螺絲和螺母的改進(jìn)[Z].重慶鋼鐵公司設(shè)計處.

[3]連家創(chuàng).壓下螺稱和螺母的參數(shù)選擇及剛度計算[Z].軋鋼教研室.

[4]王燕，楊雙成.鋁帶可逆熱軋機(jī)電動壓下裝置的設(shè)計與計算[Z].洛陽有色金屬加工設(shè)計研究院.

作者簡介：孟彩茹（1980，10-），女，河北邯鄲人，博士學(xué)位，現(xiàn)工作于河北工程大學(xué)機(jī)電學(xué)院，主要從事工程機(jī)械開發(fā)與應(yīng)用方向。

*通訊作者：李世然（1984，2-），男，河北保定人，在讀研究生，現(xiàn)就讀于河北工程大學(xué)，研究方向機(jī)械設(shè)計與制造。