一種板帶材軋制用變接觸支持輥及其加工方法

2023-06-28 20:23:41 1

專利名稱：一種板帶材軋制用變接觸支持輥及其加工方法
技術領域：
本發明涉及一種帶鋼生產中用於板形控制並能降低輥耗的支持輥輥形及其加工方法，屬於板帶軋制領域中的輥形設計。

背景技術：
在板帶生產領域最初應用的支持輥輥形為常規凸度輥或者平輥，由於常規輥形不具備板形控制能力，且容易發生支持輥剝落事故，所以已逐漸被變接觸支持輥輥形和邊部圓弧倒角支持輥輥形所取代。
(1)變接觸支持輥輥形 為解決支持輥不均勻磨損問題，同時提高支持輥的板形控制能力，專利1(ZL91229974.6，1993.12.22)、文獻1(Chen Xianlin，YangQuan，Zhang Qingdong，et al.Varying contact back-up roll forimproved strip flatness. Steel Technology International，Sterling Publications Limited.London.1994/1995(yearly)174)、文獻2(陳先霖，張杰，張清東，等.寬帶鋼熱連軋機板形控制系統的開發.鋼鐵，2000，35(7)28)、文獻3(何安瑞，曹建國，吳慶海，等.熱軋精軋機組變接觸支持輥綜合性能研究.上海金屬，2001，23(1)14)中提出了變接觸支持輥VCR(Varying Contact Backup Roll)輥形曲線，如圖1所示。該曲線由高次多項式函數表示，經過十幾年的生產實踐，在國內多條鋼鐵生產線取得了非常好的應用效果，可明顯減小軋制過程中的有害接觸區，提高彎輥力的調控功效，增大輥縫橫向剛度，同時可均勻輥間接觸壓力，減少或杜絕支持輥邊部剝落事故的發生，可以說兼備了板形控制和降低輥耗的雙重效果。但高次多項式函數生成的整體曲線存在加工難度大的問題，在普通磨床上需採用如圖2所示「近似磨削法」不斷逼近；在現令高精度數控磨床上，雖可方便錄入高次函數曲線，並進行數控磨削加工，但由於輥形曲線全長斜率變化幅度較大，尤其是兩側加工難度大，砂輪在加工過程中要往復多行程磨削方能形成最終輥形，存在費時費力的情況，加工時間幾乎為常規輥形的2-3倍。
(3)邊部圓弧倒角支持輥輥形 我國近年引進的德國西馬克公司(SMS)的CVC軋機，多採用如圖3所示邊部圓弧倒角的支持輥輥形，輥形曲線中部為平輥，邊部通過兩段圓弧倒角的疊加，以改善支持輥邊部受力狀況。該輥形不僅可應用於CVC軋機，也可與常規凸度工作輥配合使用，體現了平輥輥形進行邊部倒角的思想。
該輥形採用與水平直線相切的兩段圓弧在起始點與原輥形曲線相疊加，對每一段圓弧而言，通過改變倒角的起始點或圓弧半徑即可改變倒角深度的大小，其深度h′與倒角長度l′和半徑r′的關係(如圖4所示)可以表示為 式中h′支持輥倒角深度； r′支持輥倒角半徑； l′支持輥倒角長度。
可見，增大l′和減小r′均可起到加深倒角的作用。但是，該輥形當l′和h′固定之後，半徑r′即已確定，進而倒角形式亦已確定，不能根據輥間接觸情況進行輥形調整。


發明內容
本發明的目的是提供了一種新的變接觸支持輥輥形，該輥形首先具有變接觸的思想，即可以使支持輥與工作輥的接觸線長度與軋制帶鋼寬度相近，減小軋制過程中的有害接觸區，提高彎輥力的調控功效，增大輥縫橫向剛度，可均勻輥間接觸壓力，減少或杜絕支持輥邊部剝落事故的發生，從而降低支持輥輥耗；其次，該輥形在磨削過程中通過首先分別磨削兩側變接觸段與倒角段的疊加輥形，然後進行全輥身磨削的加工方式，可大大縮短軋輥加工時間，達到提高加工效率、降低砂輪消耗的目的。本發明的支持輥輥形設計、加工方便，易於實現工業應用。
一種板帶材軋制用變接觸支持輥，其特徵在於以支持輥輥身中點為坐標原點，輥形曲線由圖5所示五段正弦曲線疊加而成，包括 AF段
式中x輥身坐標，單位為mm； L支持輥輥身長度，單位為mm； k支持輥輥形調節係數，取值範圍為0.01～1000mm； θ支持輥輥形形狀調節角，取值範圍為0～90°。
AC段
式中L1支持輥單側變接觸段長度，取值範圍為

單位為mm； k1支持輥輥形調節係數，取值範圍為0.1～6000mm； θ1支持輥輥形形狀調節角，取值範圍為0～90°。
AB段
式中L2支持輥單側倒角段長度，取值範圍為0～L1，單位為mm； k2支持輥輥形調節係數，取值範圍為0.5～10000mm； θ2支持輥輥形形狀調節角，取值範圍為0～90°。
DF段
EF段
輥形曲線設計過程中，輥身全長AF段對稱於輥身中點，根據工作輥輥形進行配套設計，可均勻輥間接觸壓力；AC段和DF段為關於輥身中點對稱的兩段曲線，通過合理的輥形設計可以改變工作輥與支持輥的接觸線長度，使之與軋制帶鋼寬度相接近，從而提高板形調控能力，並進一步均勻輥間接觸壓力；AB段和EF段同樣為關於輥身中點對稱的兩段曲線，主要起到邊部倒角作用，避免出現「壓肩」。
在輥形曲線的加工過程中，首先分別加工支持輥兩側的變接觸段和倒角段的疊加輥形 AC與AB疊加後的輥形曲線為 DF與EF疊加後的輥形曲線為 然後進行全輥身輥形曲線的整體加工，全輥身輥形曲線為 全輥身曲線為五部分，在四個連接點

處，輥形函數的斜率分別為 曲線斜率無跳躍點出現，全輥身曲線五部分為平滑過渡。
本發明的優點 本發明在完全消化現有板帶材軋制用支持輥輥形的基礎上，開發了一種新的變接觸支持輥輥形，其優點主要有 (1)該輥形具有了VCR支持輥「變接觸」的先進思想 與常規輥形相比，可以使支持輥與工作輥的接觸線長度與軋制帶鋼寬度相近，減小軋制過程中的有害接觸區，提高彎輥力的調控功效，增大輥縫橫向剛度，均勻輥間接觸壓力，減少或杜絕支持輥邊部剝落事故的發生。
(2)方便磨削，提高了磨削速度，降低了砂輪消耗 與高次多項式設計的整體支持輥輥形相比，該輥形不必採用「近似磨削法」或多行程加工，而是在分別磨削兩側疊加後的正弦輥形(即AB與AC疊加後的輥形和DF與EF疊加後的輥形)後，進行整體輥形曲線的磨削，可大大提高磨削效率、降低砂輪消耗。
(3)設計靈活方便 該輥形AF段正弦曲線可根據工作輥輥形凸度靈活調整，以改善輥間接觸狀況；邊部變接觸段在設計過程中，可在長度l′和深度h′固定之後，通過改變輥形調節係數θ′改變正弦曲線形式，如圖6所示；邊部倒角段可根據實際軋輥工作情況，靈活調整，一般倒角段長度為50-100mm，深度為0.5-1.5mm。
(4)應用廣泛 該輥形可應用於常規四/六輥冷/熱軋機、WRS軋機、PC軋機、HC軋機以及CVC軋機支持輥不均勻磨損程度較輕的上遊機架。



圖1為VCR支持輥輥形曲線 圖2為VCR支持輥「近似磨削法」； 圖3為SMS支持輥輥形曲線； 圖4為SMS支持輥輥形曲線圓弧倒角幾何尺寸關係圖； 圖5為本發明的支持輥輥形曲線； 圖6為不同輥形調節係數θ′下的本發明支持輥正弦曲線； 圖7為選擇不同輥形參數的本發明的支持輥輥形曲線； 圖8為本發明的支持輥輥形曲線與其他輥形曲線對比； 圖9為本發明的支持輥輥形曲線與其他輥形輥間接觸壓力對比； 圖10為本發明的支持輥變接觸段和倒角段磨床錄入示意圖； 圖11為本發明的邊部變接觸段和倒角段疊加後的磨削輥形； 圖12為本發明的支持輥AF段磨床錄入示意圖。

具體實施例方式 一種變接觸支持輥輥形，使支持輥與工作輥的接觸長度與軋制帶鋼寬度相近，減小軋制過程中的有害接觸區，提高彎輥力的調控功效，增大輥縫橫向剛度，同時可均勻輥間接觸壓力，並易於設計和加工。
支持輥輥形曲線由五段正弦曲線疊加而成，包括 AF段
AC段
AB段
DF段
EF段
其中，輥身全長AF段對稱於輥身中點。當θ＝0時，輥形為平輥，此時係數k的選擇已失去意義；當1°≤θ≤90°時，輥身曲線中部為凸度輥。在θ確定的情況下，可通過係數k調整曲線凸度值C，他們之間的關係為 當θ＝90°時，

由曲線凸度C∈
，得出k∈
；當θ＝1°時，

由曲線凸度C∈
，得出k∈[66.67，1000]；當θ取其他值時，k的取值範圍應在0.01與1000之間。
AC段和DF段為關於輥身中點對稱的兩段曲線，具有變接觸的調控功效。當θ1＝0時，變接觸段為平輥；當1°≤θ1≤90°時，變接觸段為曲線，並可通過調整θ1的大小，調整曲線的形狀(如圖6所示)。在θ1確定後，通過係數k1調整曲線深度h1，它們之間的關係為 當θ1＝90°時，

由曲線深度h1∈
，得出k1∈
；當θ1＝1°時，

由曲線深度h1∈
，得出k1∈[666.67，6000]；當θ1取其他值時，k1的取值範圍在0.1與6000之間。
AB段和EF段同樣為關於輥身中點對稱的兩段曲線，主要起到邊部倒角作用。當θ2＝0時，倒角段為平輥；當1°≤θ3≤90°時，倒角段為曲線，並可通過調整θ2的大小，調整倒角的形狀(如圖6所示)。在θ2確定後，通過係數k2調整倒角深度h2，它們之間的關係為 當θ2＝90°時，

由倒角深度h2∈
，得出k2∈
；當θ2＝1°時，

由倒角深度h2∈
，得出k2∈[3333.33，10000]；當θ2取其他值時，k2的取值範圍在0.5與10000之間。
實施方式一 以表1選擇的係數設計出輥形曲線如圖7中輥形1所示，可以看出，當所有輥形形狀角取0時，輥形即為常規平輥。
表1 實施方式二 以表2選擇的係數設計出輥形曲線如圖7中輥形2所示，可以看出，輥形具有明顯的變接觸特性，由於形狀角選擇較小且輥形調節係數均選擇了最大值，所以輥形曲線變接觸段和倒角段深度均較大，輥形最大輥徑差達到了2.5mm以上，該輥形一般適用於軋制力較大的場合。
表2 實施方式三 以表3選擇的係數設計出輥形曲線如圖7中輥形3所示，可以看出，輥形具有變接觸特性，最大輥徑差在1.4mm左右，一般適用於熱軋機上遊機架。
表3 實施方式四 以表4選擇的係數設計出輥形曲線如圖7中輥形4所示，可以看出，輥形具有變接觸特性，最大輥徑差在1mm左右，一般適用於熱軋機下遊機架。
表4 實施方式五 以表5選擇的係數設計出輥形曲線如圖7中輥形5所示，可以看出，輥形具有變接觸特性，最大輥徑差在0.6mm左右，一般適用於軋制力較小的場合。
表5 實施方式六 由實施方式一～實施方式五可以看出，當所有輥形形狀角取0時，輥形即為常規平輥；當形狀角不為零時，輥形即具有變接觸特性，只是輥形形狀有所不同。不同的輥形應適用於不同的軋機(配合不同的工作輥輥形和不同的軋制力狀況)，對某一套軋機，該輥形的具體設計原則為 (1)減小有害接觸區 工作輥與支持輥之間的接觸線長度大於帶鋼寬度的部分稱作有害接觸區，有害接觸區的大小對於軋機的板形調控能力具有較大的影響。輥形設計的第一個目標為減小有害接觸區，即對於多個典型帶鋼寬度，工作輥與支持輥之間的接觸線長度均大於帶鋼寬度，且總的輥間接觸長度最小，用公式表示為 式中di寬度為Bi帶鋼所佔的比例； Lci第i種工況下的輥間接觸長度，mm； Bi第i種工況下的帶鋼寬度，mm； n工況數，即典型寬度帶鋼種類數。
(2)輥間接觸均勻化的思想 影響支持輥磨損及輥面剝落的最主要的因素是輥間接觸壓力。輥間接觸壓力峰值降低了，輥間接觸壓力亦更加均勻，所以輥形設計的第二目標為降低輥間接觸壓力峰值與其平均值的比值，用公式表示為 式中di第i種工況所佔的比例； Fimax第i種工況下的輥間接觸壓力峰值，Pa； Fiavg第i種工況下的輥間接觸壓力平均值，Pa； n工況數。
當工作輥為輥身長度2000mm、半徑凸度為-40μm的凹輥，而相應支持輥輥身長度L＝1800mm時，依據該設計原則優化得出支持輥相關參數如表6所示。
表6 如圖5所示，該輥形是由五段曲線疊加而成。該輥形與常規支持輥、高次多項式VCR支持輥和邊部圓弧倒角支持輥的對比如圖8所示。可以看出，在輥身中部1600mm，該輥形與高次多項式VCR支持輥非常接近，因此，從板形控制及均勻輥間接觸壓力方面，與高次多項式VCR支持輥具有相同的功效，能有效提高軋機的板形控制能力並降低支持輥輥耗；在輥身邊部100mm處，該輥形倒角深度大於高次多項式VCR支持輥，可以更有效地避免「壓肩」。
以軋制1200mm帶鋼為例進行有限元仿真分析，結果表明，本發明變接觸支持輥輥形相對邊部圓弧倒角支持輥輥形板形調控能力提高並不明顯，但與常規支持輥輥形相比，本發明變接觸支持輥輥形彎輥力調控能力可增大13.4％，剛度可增大17.8％；從輥間接觸壓力分布來看(如圖9所示)，本發明輥形輥間接觸壓力分布更為均勻，這種優勢將在施加彎輥力之後和工作輥服役後期表現更為明顯。
本發明輥形在磨削時，首先，分別磨削兩側變接觸段和倒角段的疊加輥形，以右側輥形為例，以半正弦函數形式分別錄入DF段曲線和EF段曲線，錄入方法如圖10所示，輸入輥身起始點坐標、輥形高度、形狀調節角即可，兩段正弦函數會自動疊加形成所需要的邊部曲線形式，如圖11所示，並一次完成磨削；在分別完成兩側曲線的磨削後，將輥身全長AF段以全正弦函數形式錄入數控磨床中(如圖12所示)並與兩側正弦函數進行疊加，形成全輥身輥形(如圖5所示)進行全輥身磨削。
權利要求
1.一種板帶材軋制用變接觸支持輥，其特徵在於以支持輥輥身中點為坐標原點，輥形曲線由五段正弦函數疊加而成，包括
AF段
式中x輥身坐標，單位為mm；
L支持輥輥身長度，單位為mm；
k支持輥輥形調節係數，取值範圍為0.01～1000mm；
θ支持輥輥形形狀調節角，取值範圍為0～90°。
AC段
式中L1支持輥單側變接觸段長度，取值範圍為
單位為mm；
k1支持輥輥形調節係數，取值範圍為0.1～6000mm；
θ1支持輥輥形形狀調節角，取值範圍為0～90°。
AB段
式中L2支持輥單側倒角段長度，取值範圍為0～L1，單位為mm；
k2支持輥輥形調節係數，取值範圍為0.5～10000mm；
θ2支持輥輥形形狀調節角，取值範圍為0～90°。
DF段
EF段
2.一種生產如權利要求1所述的一種板帶材軋制用變接觸支持輥的加工方法，其特徵在於分別加工支持輥兩側的變接觸段和倒角段的疊加輥形
AC與AB疊加後的輥形曲線為
DF與EF疊加後的輥形曲線為
然後進行全輥身輥形曲線的整體加工，全輥身輥形曲線為
。
全文摘要
本發明為一種板帶材軋制用變接觸支持輥及其加工方法。該輥形曲線採用五段正弦函數疊加而成，可以使支持輥與工作輥的接觸線長度與軋制帶鋼寬度相近，減小軋制過程中的有害接觸區，提高彎輥力的調控功效，增大輥縫橫向剛度，同時可均勻輥間接觸壓力，減少或杜絕支持輥邊部剝落事故的發生。該輥形在磨削過程中通過首先分別磨削兩側變接觸段與倒角段的疊加輥形，然後進行全輥身磨削的加工方式，達到提高加工效率、降低砂輪消耗的目的。本發明的支持輥輥形設計、加工方便，易於實現工業應用。
文檔編號B21B29/00GK101758080SQ20101003378
公開日2010年6月30日 申請日期2010年1月12日 優先權日2010年1月12日
發明者李洪波, 張 傑, 曹建國, 楊光輝 申請人:北京科技大學