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        非標(biāo)規(guī)格圓鋼開發(fā)及孔型設(shè)計優(yōu)化

        2022-10-17 05:53:00吳建軍
        河南冶金 2022年2期
        關(guān)鍵詞:優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計

        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]。在銷售過程中,客戶對Φ20~30 mm規(guī)格系列全規(guī)格需求較大,通過對目前沒有開發(fā)的Φ21 mm、Φ23 mm、Φ26 mm和Φ27 mm規(guī)格進(jìn)行開發(fā)和生產(chǎn),能夠更好地滿足下游客戶需求,提升圓鋼品種中合金結(jié)構(gòu)鋼的比例和高端品種比,實現(xiàn)公司圓鋼品種效益最大化。

        1 孔型設(shè)計

        1.1 總體思路

        根據(jù)非標(biāo)規(guī)格圓鋼的開發(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。依據(jù)上述原則,如果僅對成品孔型進(jìn)行設(shè)計,且在生產(chǎn)中僅更換成品孔型可以實現(xiàn)最少投入和最快生產(chǎn)的目的。采用該方法的難點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

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

        1.2.1.1 采用的設(shè)計公式

        本次計算寬展系數(shù)所采用的設(shè)計公式為:

        式中,β——相對寬展系數(shù);W——相對寬展指數(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算表(如圖1所示),并根據(jù)實際溫度、軋輥等情況帶入相關(guān)參數(shù),通過優(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)行計算。)

        圖1 22 mm規(guī)格孔型計算

        1.2.1.3 孔型系統(tǒng)初步設(shè)計

        本次新開發(fā)規(guī)格有Φ21 mm、Φ23 mm、Φ26 mm和Φ27 mm共計4個規(guī)格,正常生產(chǎn)過程中相近規(guī)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(shè)計新規(guī)格孔型系統(tǒng)。已生產(chǎn)圓鋼K2架次料型尺寸見表1。

        表1 K2架次料型尺寸統(tǒng)計

        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)行開發(fā)。

        綜合所述,收料模式開發(fā)新規(guī)格存在以下缺點:(1)輥縫小,軋制過程中軋槽磨損后調(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穩(wěn)定性變差,極易出現(xiàn)倒鋼問題。(3)導(dǎo)衛(wèi)調(diào)整料無法滿足要求,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)。通過計算,對Φ21 mm、Φ23 mm和Φ26 mm三個規(guī)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(shè)計實現(xiàn)新規(guī)格開發(fā)。由于Φ27 mm規(guī)格沒有對應(yīng)規(guī)格實現(xiàn)放料,通過驗算對Φ27 mm規(guī)格采用Φ28 mm成品前所有料型,僅通過收料和成品孔型設(shè)計實現(xiàn)新規(guī)格開發(fā)。

        1.2.1.4 孔型系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計

        利用公式計算料型尺寸,并通過收(或放)料驗證初步設(shè)計方案,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),實現(xiàn)料型尺寸的精確化設(shè)計和調(diào)整,如圖2所示。

        圖2 孔型設(shè)計計算

        (1)將公式編入EXCEL表中,實現(xiàn)程序化和簡單化。

        (2)利用對成品前架次料型調(diào)整,獲得最佳成品料型。

        通過對K2和K3料高的調(diào)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(shè)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(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)計的合理與否對成品的質(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)計時需考慮以下幾方面問題:熱斷面、公差與負(fù)公差軋制和成品孔型設(shè)計的一般程序。

        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

        成品孔型構(gòu)成如圖3所示, 其中R為基圓半徑,d為圓鋼的公稱直徑或稱之為標(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——圓鋼的公稱直徑或稱之為標(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)計過程中,允許負(fù)偏差按照0進(jìn)行設(shè)計,避免圓鋼由于尺寸過小導(dǎo)致機(jī)加工出現(xiàn)尺寸質(zhì)量問題。

        (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

        1.2.3 軋程計算

        將所計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(yōu)化及生產(chǎn)

        2.1 總體思路

        在實施過程中,將三棒現(xiàn)場實際設(shè)備和工藝參數(shù)帶入原有理論軋制程序表中,通過相互驗算,再根據(jù)現(xiàn)場料型調(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)再對理論設(shè)計孔型進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計,并利用實際生產(chǎn)進(jìn)行驗證,實現(xiàn)規(guī)格開發(fā)一次成功。

        2.2 成品孔型優(yōu)化

        以Φ23 mm規(guī)格為例,對孔型優(yōu)化進(jìn)行說明,其他孔型優(yōu)化類似。

        2.2.1 按照孔型計算公式所得參數(shù)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(jìn)行設(shè)計。

        (2)擴(kuò)張半徑:計算值為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)驗分別選擇2 mm、1 mm。

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

        圖5 優(yōu)化前孔型

        根據(jù)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(xiàn)成品耳子。因此,需對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)過充滿,需對槽口寬度進(jìn)行優(yōu)化,按照充滿度約95%進(jìn)行優(yōu)化,選擇槽口寬度為24.31~24.53 mm,取24.35 mm,充滿度為94.83%~95.69%,滿足設(shè)計要求,如圖6所示。后經(jīng)實際生產(chǎn),成品尺寸精度滿足要求。其他規(guī)格孔型按照上述方法進(jìn)行設(shè)計和優(yōu)化。

        圖6 優(yōu)化后成品孔型

        2.3 生產(chǎn)實踐

        通過非標(biāo)規(guī)格開發(fā),孔型系統(tǒng)滿足實際開發(fā)需求,且成品尺寸精度控制達(dá)到國標(biāo)一組精度要求。非標(biāo)規(guī)格開發(fā)實現(xiàn)軸承鋼各規(guī)格規(guī)?;a(chǎn),滿足市場訂貨需求,2018年產(chǎn)量1.7 萬t。

        3 結(jié)語

        通過軸承鋼系列規(guī)格開發(fā)和孔型設(shè)計優(yōu)化,孔型系統(tǒng)滿足實際開發(fā)需求,且成品尺寸精度控制達(dá)到國標(biāo)一組精度要求。

        (1)本次新開發(fā)規(guī)格有Φ21 mm、Φ23 mm、Φ26 mm和Φ27 mm共計4個規(guī)格,正常生產(chǎn)過程中相近規(guī)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(shè)計新規(guī)格孔型系統(tǒng)。

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

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

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