齿轮主轴以及具备该齿轮主轴的轧机的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及齿轮主轴以及具备该齿轮主轴的轧机。
【背景技术】
[0002] 轧机的工作辊被电动机驱动而进行旋转。由电动机产生的旋转驱动力经由具有分 配功能的变速器、一对主轴而传递至上下的一对工作辊。
[0003] 根据轧制条件等使用环境的不同而区分使用主轴。例如，在轧制普通硬度的材料 的轧机中，使用UJ主轴（UniversalJoint，别称：螺旋桨轴），在轧制较高硬度的材料（例 如，40%压下变形阻力值约为70[kg/mm2]的材料）的高硬度件轧制用轧机中，使用齿轮主 轴。
[0004] 以机动车等构造体中的高强度化、轻型化为目的，开发出作为更高硬度件的高抗 拉强度钢（别称高强度件，例如，40%压下变形阻力值约为130[kg/mm2]的材料）。因此，要 求用于轧制高抗拉强度钢的高抗拉强度钢轧制用轧机，伴随于此，要求向高抗拉强度钢轧 制用轧机提供的高性能的齿轮主轴。对于能够向该高抗拉强度钢轧制用轧机提供的高性能 的齿轮主轴而言，需要满足以下所记载的条件（1)、（2)、（3)。
[0005] (1)应为小径。
[0006] 在高抗拉强度钢轧制用轧机中，为了抑制轧制力的增大，通常使用更小径的工作 辊。工作辊由上下一对构成，该一对工作辊分别独立地与齿轮主轴连结，并经由齿轮主轴 而传递轧制动力（旋转动力），由此被驱动而进行旋转。因此，齿轮主轴与工作辊同样地由 上下一对构成，并且需要将齿轮主轴中的与工作辊连结的连结部设为比工作辊直径小的直 径，使得设置为上下一对的齿轮主轴彼此不干扰。
[0007] 例如，在高硬度件轧制用轧机中，工作辊径Dw= 330 [mm]，齿轮主轴外径D= 325[mm]，与此相对，在高抗拉强度钢轧制用轧机中，为了限制轧制力而设为工作辊径Dw= 250 [mm]，并且要求齿轮主轴外径D= 245 [mm]，使得齿轮主轴在上下方向上不干扰。
[0008] 在此，工作辊径Dw是能够使用的最小径。工作辊随着在轧制中的使用，其表面通过 与被轧制件的接触而磨损，并且，由于经常利用研磨机对其表面进行研磨，因此工作辊径Dw 伴随着使用而逐渐变细。该工作辊的最大径与最小径之差一般约为10%左右。
[0009] ⑵应能够传递较大的转矩。
[0010] 由于轧机中的轧制转矩T受到被轧制件的变形阻力值F和工作辊径Dw的左右，因 此成为T〇cf(F)+f(Dw)。如上所述，高抗拉强度钢轧制用轧机中的工作辊径Dw比高硬度件 轧制用轧机中的工作辊径D/j、，高抗拉强度钢的变形阻力值比以往的高硬度件的变形阻力 值格外大，因此高抗拉强度钢的轧制所需的轧制转矩变得比以往的高硬度件的轧制所需的 轧制转矩大。
[0011] 例如，以往的高硬度件轧制用轧机的齿轮主轴中的允许传递转矩1的强度指 数T/D3(T为每一根齿轮主轴的必要传递转矩[ton?!!!]，D为齿轮主轴外径[mm])为T/D3彡0. 4 [ton/m2]，与此相对，高抗拉强度钢轧制用轧机的齿轮主轴中的允许传递转矩八的 强度指数T/D3为T/D3N〇. 6~0. 8[ton/m2]。这样，当被轧制件的变形阻力值增大时，允 许传递转矩Ta的强度指数T/D3也增大。（传递转矩T的强度指数T/D3[ton/m2]为省略了 "X109"的记载。由于将齿轮主轴外径D[mm]单位换算成齿轮主轴外径DXl(T3[m]后代入 T/D3,因此原始的记载为（T/D3)X109[ton/m2]。以下在本说明书中，将针对齿轮主轴外径 D[mm]的传递转矩T的强度指数省略记载为与上述相同的T/D3[ton/m2]。）
[0012] (3)应能够高速旋转。
[0013] 轧机的生产能力由板厚、板宽、以及轧制速度的乘数来表示。通常，将被轧制件的 板厚和板宽设为固定进行生产，乳机的生产能力依赖于轧制速度。由于轧机的轧制速度V 被工作辊径Dw和工作辊转速N左右，因此成为V°cDwXN。如上所述，高抗拉强度钢轧制用 轧机中的工作辊径〇"比高硬度件轧制用轧机中的工作辊径D"小，因此在相同转速N下，乳 制速度V必然下降，乳机的生产能力也下降。因此，在高抗拉强度钢轧制用轧机中，为了确 保与高硬度件轧制用轧机同等的生产能力，需要使工作辊通过比高硬度件轧制用轧机高的 速度旋转。即，在高抗拉强度钢轧制用轧机中，谋求能够高速旋转的齿轮主轴。
[0014] 例如，在具有工作辊径Dw330[mm]的工作辊的以往的高硬度件轧制用轧机中，为了 获得轧制速度2000[mpm]的生产能力，作为齿轮主轴要求能够与1930[rpm]的转速对应的 规格。但是，在变成小径的工作辊径Dw250[mm]的高抗拉强度钢轧制用轧机中，为了获得与 所述同等的轧制速度2000[mpm]的生产能力，作为齿轮主轴而要求能够与大约为以往转速 的1. 3倍即2546 [rpm]的转速对应的高旋转规格。
[0015] 通常可知，当旋转体成为高速旋转时，在旋转体中产生挠曲振动、偏斜振动、扭转 振动等，通过共振等而对旋转体造成较大的影响。在轧机中，若产生共振，则作为旋转体的 齿轮主轴容易破损，而且即便没有产生共振，振动也被传递至被轧制件，因此显现为板厚的 不均匀、板的形状变差、表面性状变差，成为显著损害被轧制件的品质的原因。于是，作为能 够与高速旋转对应的齿轮主轴，需要难以产生振动。具体而言，要求轻型、长度短、且齿隙等 间隙小的齿轮主轴。
[0016] 例如，由于表示齿轮主轴等旋转体的振动容易度的共振转速Nc被旋转体的外径D 和旋转体的长度L左右，因此成为Nc〇cf(D)/f(L)。即，旋转体的外径越小越容易产生共 振，旋转体的长度越长越容易产生共振。
[0017] 存在上述的高抗拉强度钢轧制用齿轮主轴中要求的功能阻碍其他功能的问题。
[0018] 齿轮主轴的允许传递转矩Ta依赖于使用齿轮主轴时的倾斜角0和齿轮主轴外径 D。倾斜角0越小且齿轮主轴外径D越大，齿轮主轴的允许传递转矩T/变得越大，因此成 为八~f(D)/f( 0 )。齿轮主轴以一方与变速器连结且另一方与工作辊连结的方式旋转，因 此，若工作辊的轴的高度与变速器的轴的高度相同，则齿轮主轴的倾斜角9 =0°，成为强 度上最佳的条件。
[0019] 但是，在高抗拉强度钢轧制用轧机的情况下，由于轧制载荷的限制，必须使工作辊 径比通常细，另一方面，必须使变速器大型化以用于传递高转矩。因此，变速器的轴心高度 与工作辊轴心高度的偏差与以往相比变大，因此必须使高抗拉强度钢轧制用齿轮主轴的倾 斜角0变得比通常的齿轮主轴大。这表示齿轮主轴的允许传递转矩变得比通常小。
[0020] 为了避免上述问题，即、为了即便两个轴心高度偏差AH较大也使齿轮主轴倾斜 角0为通常或通常以下，从tan0 =AH/L可知，需要使齿轮主轴长度L变长来抑制由两个 轴心高度偏差AH的增大引起的齿轮主轴倾斜角0的增大。但是，面临如下问题：由于高 抗拉强度钢轧制用齿轮主轴的外径较细而容易产生振动，因此若使齿轮主轴长度L变长， 则更加容易产生振动。因此，可以说以目前的技术是很难实现的。
[0021] 需要说明的是，今后考虑开发硬度比高抗拉强度钢更高的超高抗拉强度钢，并要 求用于轧制超高抗拉强度钢的轧机以及能够与这种轧机对应的性能更高的齿轮主轴。即， 在上述条件（1)、（2)、（3)中，需要应对与以往相比进一步的小径化、允许传递转矩的增大 以及高速旋转。
[0022] 在先技术文献
[0023] 专利文献
[0024] 专利文献1:日本特开平8-21453号公报
[0025] 发明要解决的技术问题
[0026] 例如专利文献1中记载有轧制硬度较高的材料的轧机中的齿轮主轴。在该技术 中，通过在油室中设置润滑油供油孔和供油量检测孔，由此不会因润滑油压迫密封构件而 使密封构件破损，并且消除润滑油从密封构件的破损位置泄漏的可能性，能够缩短润滑油 的补给和密封构件的更换所需的作业时间。
[0027] 另外，预想设置于内筒的外齿损坏的情况，将内筒设为如下构造：分割成具有外齿 的轴套和齿轮主轴，通过花键使轴套和齿轮主轴之间自由拆装。通过该分割构造，有可能使 齿轮主轴强度稍微下降，但与该缺点相比，更优先在内筒外齿破损时迅速进行更换。
[0028] 但是，如上所述，在超高抗拉强度钢的轧制中，要求与以往相比强度更高且更加小 径的齿轮主轴，因此利用以往的齿轮主轴无法应对。
[0029] 齿轮主轴的目的之一在于，允许两侧（工作辊侧和变速器侧）的高度方向上的轴 心偏差（AH)进行旋转。因此，外筒的内齿为平齿，但在内筒的外齿上形成有齿的中央比两 端厚的鼓形齿。该鼓形齿防止因轴心偏差（AH)使联轴器的内筒和外筒的齿干扰而锁定联 轴器。因此，以往认为最好优先较大地确保锁定的富余度，并且不使鼓形齿半径过大。
[0030] 作为决定齿轮主轴的允许传递转矩的主要因素，举出齿面面压、齿根弯曲应力、PV 值，但随着近年来齿面热处理的进步，具体而言随着从调质处理向氮化处理、高频处理、渗 碳处理的进步，较大地改善了齿面面压强度。因此，目前的决定允许传递转矩的主要因素是 齿根弯曲应力和PV值，要求在该方面的进步。
[0031] 以往，决定齿根弯曲应力〇的主要参数是转矩T、倾斜角0、齿轮主轴外径D、齿宽 B，认为〇 〇cTXf(0V(D2XB)。即，鼓形齿半径没有被看作齿根强度参数。
[0032] 但是，由于齿轮联轴器的外筒的内齿是平齿，与此相对，在内筒的外齿上沿齿宽方 向形成有鼓形齿，因此齿轮主轴中的齿轮成为在齿宽方向上结合了平板和圆柱那样的接触 模型。即，外筒和内筒中的齿只在赫兹扁平的区域中接触，并不是在齿宽整体上负担负荷。 因此，齿根弯曲应力〇成为〇~TXf(0V(D2XBh)。在此，Bh是有效齿宽Bh=f(Cr， T)，其依赖于鼓形齿半径Cr和负荷转矩T。另外，一般是0 <Bh/B<< 1. 0。
[0033] S卩，鼓形齿半径Cr是齿根强度的重要的参数，若增大鼓形齿半径Cr则齿容易变得 扁平，从而使齿的节圆直径上的齿宽方向上的负荷范围变宽，并且使齿根的负荷分担范围 变宽，因此使齿根强度显著地提高。
[0034] 另一方面，若将鼓形齿半径Cr增大至不必要的量，则使必要齿宽、必要齿隙变大， 从而在高速旋转中产生障碍，并且导致齿轮主轴的齿以外的部位的强度下降，引起作为齿 轮主轴整体的能力下降，因此无法满足上述那样的高抗拉强度钢轧制用齿轮主轴中要求的 条件。
【发明内容】
[0035] 本发明正是鉴于上述那样的问题而完成的，其目的在于，通过选定鼓形齿半径和 齿宽的最佳组合，从而能够进行高速轧制，并且改善齿面面压强度、齿根弯曲强度以及PV 值。
[0036] 齿轮主轴通过齿轮的节圆直径来决定强度，但是本发明获得通过增大齿轮的鼓形 齿半径来提高齿轮的强度这样的见解，从