新型轧机压下螺丝设计及优化

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摘 要：文章课题来源于河北省钢铁联合基金项目，基于一种四轴双向调节柔性精密型材轧机的研究，该新型轧机可实现在线精确调节，效率高，投资少，精度高，而压下机构的设计是保证精度的关键，所以压下机构的研究具有重要意义。通过对电动压下机构中的压下螺丝和压下螺母的设计，进行理论上的计算和建模，并且进行理论分析，利用ANSYS对螺丝和螺母进行仿真，研究分析应力应变，最终考虑生产实际需求以及设计要求进行优化。研究设计出的长寿命的压下螺丝螺纹机构，可以实现各辊的双向调节，实现一机多用，同时使轧件同一断面的各部位得到主动压缩和延伸，使金属变形和轧件组织性能显著提高。基于此研究，可以为压下机构液压系统改造奠定一定的理论基础。

关键词：柔性精密型材轧机；压下机构；优化

1 概述

在初轧机，板 轧机、万能轧机等轧机上，几乎每一道轧制都需要调整辊缝，以保证轧件按给定压下量轧出所要求的断面尺寸。在轧制过程中要辊缝的调整直接影响板厚误差，因此轧机压下装置所能控制精度显得格外重要[1]。

在轧制过程中，有很多因素会引起轧件的厚度偏差。这些因素都与轧件和轧机有关[2]。轧件方面的因素有：轧件厚度不均匀、轧件沿长度方向温度或机械性能不均匀等。轧机方面的因素有：轧制速度和张力的变化、轧辊热膨胀和磨损及轧辊偏心、轧制过程中机架的变形等[3]。

轧机参数的变动将使辊缝发生周期性的变化，因而导致轧件厚度发生变化，为了提高轧件的厚度精度，在现代化轧机上，往往设置厚度自动控制装置，使轧机在轧制过程中能调整辊缝，以控制和减小轧件纵向厚度偏差[4]。

压下控制系统辊缝的控制最后都是由轧机的压下机构来执行的，选择合理的压下机构，及合理的设计压下机构以调整辊缝。

2 压下螺丝及螺母设计

压下螺丝、辊缝调节速度快且承载能力大安全可靠，控制精度高和作业性稳定好。四轴双向调节柔性精密轧机主要应用于型材轧制的精轧部分，其中的压下机构是轧机精度控制的重要部分，而压下螺丝和压下螺母是压下机构的核心部件。轧机的精度能否达到所需要的控制精度主要取决于压下螺丝和螺母。

假定轧制力为P，压下螺丝的直径为d，压下螺丝许用应力[σy]，压下螺母的高度H，压下螺母的螺纹圈数n，压下螺母的外径D。螺纹牙型采用锯齿形。螺纹牙型的设计参考机械设计手册中的螺纹牙型设计。

压下螺丝的直径可有下式求得

因此在已知轧制力，可确定压下螺丝的直径。

在正常工作状态下，螺纹要具有自锁性。在润滑良好时静摩擦系数为0.005。

f=tan？兹

f-摩擦系数；？兹-螺纹升角

许用螺纹升角[？兹]？燮2.8648°。由自锁条件和螺纹升角的几何关系知螺纹升角？兹和螺距t满足：

tan？兹？燮■

可求得螺距t。

螺母外径D选择可依据下式：

■=■

D-螺母的外径；d-螺母内径；E1-螺丝的弹性模量；E2-螺母的弹性模量。

螺母选用低碳钢，一般钢铁的弹性模量E=2.07×1011Pa。可得到螺母的内径和外径的关系从而确定螺母的内外径尺寸。

螺母的高度为H，内部的螺纹圈数为N，所以螺母的高度

H=Nt

螺纹圈数达到一定数值以后，再增加螺纹圈数对降低螺纹上的负载效果已经不明显，一般螺母的螺纹圈数N取20-30圈，以20圈为宜。另外采用锯齿形螺纹对降低螺纹的负载有一定的好处。压下螺丝和螺母的参数如表1所示。

表1

3 压下螺丝及螺母的理论分析

在压下螺丝机构理论设计完成，考虑到轧机实际工作情况需要对压下机构的设计尺寸进行校核。

3.1 压下螺母与轧机牌坊接触面的强度校核

对压下螺丝螺母机构进行强度校核，受轧制力示意图如图1。 总轧制力P为600T，轧机牌坊接触面的应力用下式计算：

？滓=■？燮[？滓]

[？滓]-轧机牌坊与螺母的许用应力，取100-180MPa；D1-压下螺母的外径；D2-牌坊上的孔的直径；？滓-螺母与牌坊间的应力

3.2 螺纹的强度校核

螺纹受力面上的单位挤压应力：

[p]-螺母材料需用挤压应力；δ-螺母的外径与螺丝的内径差

3.3 螺纹的弯曲应力校核

h1-载荷相对于固定端的力臂，h1取D1-d1/2；b-螺纹根部厚度；[？滓w]-许用弯曲应力，取100MPa-180MPa。

3.4 螺纹的剪切强度校核

[？子]-材料的许用剪切强度，取80MPa-120MP

通过理论校核设计的压下螺丝机构理论上满足实际应用所需的参数。而实际能否达到实际应用的要求还需要进一步的利用仿真软件仿真验证。

4 ANSYS静力学分析

利用Pro/E三维仿真软件进行三维仿真设计，再利用ANSYS仿真软件等对设计的压下螺杆和螺母进行静力学有限元分析。

将装配好的压下螺丝导入ANSYS在螺丝底部和螺母的上部施加力如图1所示。

分析结果如下：如图2所示，最大应力部位位于螺杆压下端，最大应力为：310MPa-380MPa。

如图3所示，最大变形部位在螺杆与交叉梁接触部位，最大应变量为0.04-0.045mm。

螺母应力图如图4所示，最大应力部位位于螺母两端，最大应力为80MPa-120MPa左右；应变图如图5所示，最大形变部位在远牌坊接触端，最大变形量0.010-.015mm。

总结经过有限元软件的仿真结果，验证了之前的理论计算的准确性以及该压下螺丝设计方案的可行性。软件仿真结果显示该设计满足了实际生产中的强度和刚度，可实现较为精确压下。但是考虑实际工况还需要增加安全系数。

5 结束语

文章基于机械设计理论对压下螺丝机构的设计，利用软件建模、仿真分析以及优化，可以节约成本，提高设计的科学性。考虑实际精度需要可对不合理的部位进行优化设计，优化该部位的部位以达到实际需要的精度需求。

另外利用ANSYS软件对压下螺丝和压下螺母的分析也说明了压下螺丝和压下螺母受力与普通的螺丝螺母受力不同。验证了该四轴双向调节柔性精密型材轧机压下机构设计的可行性，此外为该机构的液压系统改造提供了一定的研究理论和对比数据。

参考文献

[1]邹家祥.轧钢机械理论与结构设计[M].北京：冶金工业出版社，1993.

[2]刘庭舜.轧钢机压下螺丝和螺母的改进[Z].重庆钢铁公司设计处.

[3]连家创.压下螺称和螺母的参数选择及刚度计算[Z].轧钢教研室.

[4]王燕，杨双成.铝带可逆热轧机电动压下装置的设计与计算[Z].洛阳有色金属加工设计研究院.

作者简介：孟彩茹（1980，10-），女，河北邯郸人，博士学位，现工作于河北工程大学机电学院，主要从事工程机械开发与应用方向。

*通讯作者：李世然（1984，2-），男，河北保定人，在读研究生，现就读于河北工程大学，研究方向机械设计与制造。