专利名称：一种辊面为组合外廓线的轧辊的制作方法
技术领域：
本实用新型属于轧钢设备技术领域。具体涉及一种辊面为组合外廓线的轧辊。
背景技术：
在轧钢生产中，特别是在冷轧生产中，保证产品的尺寸精度尤为重要。但对于板带材或冷轧产品，轧件的宽、厚比往往很大，使得变形区弧长大大小于轧件宽向尺寸。在变形区中，由于金属质点运动的摩擦阻力与其同轧辊间的接触尺寸成正比，于是金属沿轧件宽向流动困难，致使轧制力沿轧件宽向分布规律为中间大、两边小，使得轧辊中部压扁变形相对偏大，加之轧辊弯曲变形的影响，最终导致所轧出的产品乃中间厚、两边薄。可见产品沿宽向或横向尺寸的控制与轧辊的外廓形状有着密切的联系。目前国内外学者在轧辊辊型方面进行了不少的研究，但多限于增大轧辊中部直径以补偿该处变形或采取将支反力的支点向辊身中心移动以“死撑”轧辊中部来阻止其发生弯曲变形的方法。
实用新型内容本实用新型的任务是提供一种能调整、改变轧制变形区中摩擦力、轧制力沿轧件宽向的分布规律以及轧件在变形区中的应力状态，进而减小轧件在变形区中所受的球应力，改善轧件在变形区的塑性变形，在降低轧制能耗的同时亦改善轧件横向厚差的轧辊。
为实现上述任务，本实用新型采用的技术方案是上、下工作辊的辊面外廓线由两边外廓线和中部外廓线光滑连接而成。上、下工作辊的两边外廓线或均为斜线，或其中任一工作辊的两边外廓线为斜线、另一工作辊的两边外廓线为水平线。上、下工作辊的中部外廓线为相互啮合的波浪形外廓线，波浪形外廓线的波数为2～500个，波浪形外廓线对称于上、下工作辊的轴向垂直平分线。
在上、下工作辊的辊身两端端面分别各挖一同中心的环形空腔，环形空腔在上、下工作辊的纵向断面形状为U形或V形。
所述的相互啮合是指上、下工作辊的辊缝为零时，其外廓线相互咬合。
所述的波浪形外廓线的波长相等，每个波的波浪线长或均相等、或均不相等、或部分相等，波浪形外廓线的波峰与波谷间的垂直距离相等或不相等；波浪形外廓线两端点间的距离L、波长L1、波长所对应的波浪线长L2、波峰与波谷间的垂直距离△分别为 L＝a0×B(1) L1＝L/N (2) L2＝a1×L1 (3) Δ＝a2(a12-1)1/2×L1 (4) 式(1)～(4)中 a0—波浪形外廓线长度系数，0.515≤a0≤0.923， B—轧件的宽度， N—波数， a1—波长系数，1.003≤a1≤1.08， a2—波形系数，0.3≤a2≤1。
所述的上、下工作辊的辊身两端端面的环形空腔底部间的距离均等于中部外廓线两端点间的距离L；环形空腔的中心圆直径d1、环形空腔的外壁与内壁在辊身端面的径向距离S、环形空腔在辊身纵向断面的底部圆弧半径r分别为 d1＝(D+d)/2 (5) S＝a3×(D—d)/2 (6) r＝a4×S (7) 式(5)～(7)中 D—工作辊的辊身端部直径， d—工作辊的辊颈直径， a3—径向差系数，0.2≤a3≤0.3， a4—半径系数，0.2≤a4≤0.5。
所述的斜线是两边外廓线距其工作辊轴线距离的增量之和△Y为 ΔY＝a5×S0/(L0-L)×X (8) 式(8)中 S0—上、下工作辊间的中部辊缝； L0—工作辊的辊身长度； X—以工作辊的辊身端部为原点到中部外廓线端点的距离，0≤X≤(L0—L)/2； a5—斜率系数，0.2≤a5≤0.8 上、下工作辊的两边外廓线为水平线时，两边外廓线每一点距其轧辊轴线的距离恒等于中部外廓线端点距其轧辊轴线的距离。
由于采用上述技术方案，本实用新型工作辊的两边外廓线为直线光滑连接，从式(8)可见，该外廓线的某一点愈靠近辊身的端部，则与工作辊轴线的距离愈大，即上、下工作辊的两边外廓线间的距离愈小。当轧件进入辊缝时，该两边外廓线势必会先行将轧件边部咬入，即将轧件宽向两边先行夹持住，随着轧制的进行，轧件宽向中部会渐入辊缝。又由于轧件宽向中部辊缝所对应的上、下工作辊的辊面外廓线相互啮合呈波浪形，从(3)式可知，工作辊中部外廓线的总长度大于工作辊中部外廓线两端点间的长度。于是，在轧件宽向会产生一定的拉伸变形或沿轧件宽向叠加了一拉力，从而减小了轧件在变形区中的球应力，特别是减小了辊身中心处轧件质点所受的沿轧件宽向中心处的压应力大小，使工作辊的辊身长中心处的弹性压扁量减小，避免了轧件中部的偏厚现象。由于轧件在变形区中各质点的球应力减小，不仅有利于金属的塑性变形，还有利于降低轧制能耗。
另外，上、下工作辊辊身两边外廓线虽随着辊身端面距离的靠近，其两边外廓线间的距离会变小，但并不会使轧件边宽的厚度减薄。因工作辊辊身两端面各挖有环形空腔，该空腔在工作辊的纵向断面形状为沿辊身端面到其底部呈圆滑过渡的U形或V形状，且其底部的间距L小于轧件宽度B。当轧件边部变形时会对该空腔的对应辊面施加作用力。在该力作用下，由于空腔对应的辊面呈悬臂梁状态，则该辊面域会产生较大的弹性弯曲变形，同时亦会产生较大的弹性压扁变形，此两弹性变形的叠加从而增大了上、下工作辊边部外廓线两者间的距离。所以，尽管上、下工作辊的两边部外廓线间的初始距离在轧制前小于上、下工作辊间的中部辊缝，然而并不因此而减小轧件边部所轧出的厚度，从而实现了改善轧件横向厚差的效果。
所以，本实用新型在不影响轧件边部精度的前提下，能调整和改变轧制力沿轧件宽向的分布规律以及轧件在变形区中的应力状态，使得轧件宽向中部的厚度不致于增大，从而改善了轧件的横向厚差。同时，由于轧件在变形区中所受的球应力减小，有利塑性变形，亦实现了降低轧制能耗的效果。
图1为本实用新型的一种结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式
对本实用新型作进一步的描述，并非对本实用新型保护范围的限制。
实施例1 一种辊面为组合外廓线的轧辊。上、下工作辊1、3的辊面外廓线由如图1所示的两边外廓线7、5和中部外廓线9、4光滑连接而成。上工作辊1的两边外廓线7为水平线，下工作辊3的两边外廓线5为斜线；上、下工作辊1、3的中部外廓线9、4为相互啮合的波浪形外廓线，波浪形外廓线的波数为2个，波浪形外廓线9、4对称于上、下工作辊1、3的轴向垂直平分线。
在上、下工作辊1、3的辊身两端端面分别各挖一同中心的环形空腔8、6，环形空腔8、6在上、下工作辊1、3的纵向断面形状均为V形。
所述的相互啮合是指上、下工作辊1、3的辊缝为零时，其外廓线相互咬合。
所述的波浪形外廓线的波长相等，每个波的波浪线长均相等，波浪形外廓线的波峰与波谷间的垂直距离相等；波浪形外廓线两端点间的距离L、波长L1、波长所对应的波浪线长L2、波峰与波谷间的垂直距离Δ分别为 L＝a0×B (1) L1＝L/N (2) L2＝a1×L1 (3) Δ＝a2(a12-1)1/2×L1 (4) 式(1)～(4)中 a0—中部外廓线长度系数，0.515≤a0≤0.923， B—轧件的宽度， N—波数， a1—波长系数，1.003≤a1≤1.08， a2—波形系数，0.3≤a2≤1。
所述的上、下工作辊1、3的辊身两端端面的环形空腔8、6底部间的距离均等于中部外廓线9、4两端点间的距离L；环形空腔8、6的中心圆直径d1、环形空腔8、6的外壁与内壁在辊身端面的径向距离S、环形空腔8、6在辊身纵向断面的底部圆弧半径r分别为 d1＝(D+d)/2(5) S＝a3×(D—d)/2(6) r＝a4×S (7) 式(5)～(7)中 D—工作辊的辊身端部直径， d—工作辊的辊颈直径， a3—径向差系数，0.2≤a3≤0.3， a4—半径系数，0.2≤a4≤0.5。
所述的上工作辊1的两边外廓线为水平线7，两边外廓线7上的任一点距其轧辊轴线的距离恒等于中部外廓线端点距其轧辊轴线的距离，下工作辊3的两边外廓线5为斜线，两边外廓线5距在X点距其轧辊轴线距离的增量之和ΔY为 ΔY＝a5×S0/(L0-L)×X (8) 式(8)中 S0—上、下工作辊间的中部辊缝； L0—工作辊的辊身长度； X—以工作辊的辊身端部为原点到中部外廓线端点的距离，0≤X≤(L0—L)/2； a5—斜率系数，0.2≤a5≤0.8， 本实施例1为200mm轧机上、下工作辊1、3的辊颈d为30mm，上、下工作辊1、3的辊径为60mm，轧件宽度B为100mm、上、下工作辊(1、3)的中部辊缝S0为1mm。
根据式(1)～(8)所示，取a0、N、a1、a2、a3、a4、a5分别为0.52、2、1.003、0.3、0.2、0.35、0.2，并将其分别代入式(1)～(8)中的相关公式，则 上、下工作辊1、3的中部外廓线两端点间的距离L为104mm； 上、下工作辊1、3的中部外廓线波长L1为52mm； 上、下工作辊1、3的中部外廓线波长所对应的波浪线长L2为52.208mm、 上、下工作辊1、3的中部外廓线波峰与波谷间的垂直距离Δ为1.4mm、 上、下工作辊1、3的环形空腔的中心圆直径d1为45mm、 上、下工作辊1、3的环形空腔的外壁与内壁在辊身端面的径向距离S为3mm、 上、下工作辊1、3的环形空腔在辊身纵向断面的底部圆弧半径r为1.05mm、 下工作辊3的两边外廓线距其轧辊轴线距离的最大增量之和ΔYmax为0.1mm。
实施例2 一种辊面为组合外廓线的轧辊。上、下工作辊1、3的辊面外廓线由两边外廓线7、5和中部外廓线光滑连接而成。上工作辊1的两边外廓线7为水平线，下工作辊3的两边外廓线5为斜线；上、下工作辊1、3的中部外廓线为相互啮合的波浪形外廓线9、4，波浪形外廓线对称于上、下工作辊1、3的轴向垂直平分线，波浪形外廓线的波数为250个。波浪形外廓线的波长相等，波长所对应的波浪线长相等，波浪形外廓线的波峰与波谷间的垂直距离相等。
在上、下工作辊1、3的辊身两端端面分别各挖一同中心的环形空腔8、6，环形空腔8、6在上、下工作辊1、3的纵向断面形状均为V形。
本实施例2为2800mm轧机上、下工作辊1、3的辊颈d为500mm，上、下工作辊1、3的辊径D为900mm，轧件宽度B为2000mm，上、下工作辊间的中部辊缝S0为14mm。其余同实施例1。
根据式(1)～(8)所示，取a0、N、a1、a2、a3、a4、a5分别为0.7、250、1.04、0.65、0.25、0.2、0.5，并将其分别代入式(1)～(8)中的相关公式，则 上、下工作辊1、3的中部外廓线两端点间的距离L为1400mm、 上、下工作辊1、3的波长L1为5.6mm、 上、下工作辊1、3的波长所对应的波浪线长L2为5.82mm、 上、下工作辊1、3的波峰与波谷间的垂直距离Δ为1.04mm、 上、下工作辊1、3的环形空腔的中心圆直径d1为700mm、 上、下工作辊1、3的环形空腔的外壁与内壁在辊身端面的径向距离S为50mm、 上、下工作辊1、3的环形空腔在辊身纵向断面的底部圆弧半径r为10mm、 下工作辊3的两边外廓线距其轧辊轴线距离的最大增量之和ΔYmax为3.5mm。
实施例3 一种辊面为组合外廓线的轧辊。上、下工作辊1、3的辊面外廓线由两边外廓线7、5和中部外廓线9、4光滑连接而成。上、下工作辊1、3的两边外廓线7、5均为斜线；上、下工作辊1、3的中部外廓线9、4为相互啮合的波浪形外廓线，波浪形外廓线对称于上、下工作辊1、3的轴向垂直平分线，波浪形外廓线的波数为500个。波浪形外廓线的波长相等，其中上、下工作辊1、3的辊身中间两个波和其余波所对应的两种波浪线长分别相等但相互不等，波浪形外廓线的波峰与波谷间的垂直距离不相等。
在上、下工作辊1、3的辊身两端端面分别各挖一同中心的环形空腔8、6，环形空腔8、6在上、下工作辊1、3的纵向断面形状均为U形。
本实施例3为4200mm轧机工作辊辊颈d为520mm，工作辊辊径D为950mm，轧件宽度B为3400mm，上、下工作辊间的中部辊缝S0为20mm。其余同实施例1。
根据式(1)～(8)所示，取a0、N、a1、a2、a3、a4、a5分别为0.893、500、1.08、1、0.3、0.5、0.8，并将其分别代入式(1)～(8)中的相关公式，则 上、下工作辊1、3的中部外廓线两端点间的距离L为3751mm、 上、下工作辊1、3的波浪线波长L1为7.5mm、 上、下工作辊1、3的辊身中间两个波所对应的波浪线长L2为8.1mm、 上、下工作辊1、3的辊身中间两个波的波峰与波谷间的垂直距离Δ为3.06mm、 上、下工作辊1、3的环形空腔的中心圆直径d1为735mm、 上、下工作辊1、3的环形空腔的外壁与内壁在辊身端面的径向距离S为64.5mm、 上、下工作辊1、3的环形空腔在辊身纵向断面的底部圆弧半径r为32.25mm、 上、下工作辊(1、3的两边外廓线距其轧辊轴线距离的最大增量之和ΔYmax为8mm。
由于本实施例3的辊身中间两个波和其余波所对应的两种波浪线长分别相等但相互不等，故对其余波将a1为1.06分别代入式(3)、(4)，则 上、下工作辊1、3的其余波所对应的波浪线长L2为7.95mm、 上、下工作辊1、3的其余波长的波峰与波谷间的垂直距离Δ为2.64mm。
由于本实施例1～3的工作辊的两边外廓线为直线光滑连接，从式(8)可见，该外廓线愈靠近辊身的端部，则与工作辊轴线的距离愈大，即上、下辊的两边外廓线间的距离愈小。于是当轧件2开始轧制时，上、下辊的两边外廓线势必会先行将轧件2的边部咬入，即将轧件2宽向两边先行夹持住。随着轧制的进行，轧件2宽向的中间部分会渐入辊缝，此时，上工作辊1受有一作用力P0。为了使工作辊受力平衡，如图1所示，在辊颈处会产生反作用力P0/2。对应于该反作用力P0/2，在工作辊辊身中部某波长内会产生作用在对应其区段的轧件2上有一力P。将此P沿该波浪线的法向与切向进行分解，则分别有法向力N与切向力T作用在对应其区段的轧件表面上。此切向力T乃为阻碍轧件2在变形区进行宽向流动的摩擦力。对于在上工作辊1、下工作辊3辊身中部的某波长内均有一个T力作用在与其相应区段的轧件表面上，由于上、下工作辊1、3的中部外廓线为相互啮合的波浪形外廓线9、4故其T力乃大小相等、方向相反。因此，这极有利于金属的“搓剪”变形。同时，由式(3)可知上工作辊1、下工作辊3的波浪形外廓线总长大于波浪形外廓线二端点间的距离L，于是在轧件2宽向会产生拉伸变形或沿轧件2宽向作用了一拉力，从而减小了轧件2在变形区的球应力，若将位于上、下工作辊辊面波浪形外廓线9、4中间处的波长或波峰与波谷间的垂直距离调至大于其它处的值时，则轧件2宽向中部位置的球应力减小程度更为显著。这使得工作辊辊身中心处的弹性压扁大大减小，避免了轧出的轧件2中部增厚的现象。可见，由于轧件2在变形区中的球应力减小，加之“搓剪”效应对变形的贡献，从而大大有利于轧件2在变形区的塑性变形，于是降低了轧制能耗；同时通过调整上、下工作辊波浪形外廓线9、4的各波长或波峰与波谷间的垂直距离，极易调整轧件的横向应力，以达到调整轧件横向厚度的目的，避免了轧件2中部增厚的现象。
另外，如图1所示，由于上工作辊1与下工作辊3，两者边部间的距离比其中部的辊缝值小，也就是说轧件边部的变形量较中部的变形量大，于是轧件2边部对上工作辊1作用了一个较轧件2中部更大的单位宽压力p1，又由于上、下工作辊1、3辊身两边均被挖了一个环形空腔8、6，于是在该单位宽压力p1作用下，会使工作辊辊身边部发生较大的弹性弯曲变形和弹性压扁变形(如图1中上工作辊1中的两边外廓线7的变形后的虚线所示)，使被轧出的轧件2边部不至于被减薄，从而保证了所轧出的轧件2在整个宽向上的厚度均匀一致，即保证了轧件2的尺寸精度。
权利要求1、一种辊面为组合外廓线的轧辊，其特征在于上、下工作辊(1、3)的辊面外廓线由两边外廓线(7、5)和中部外廓线(9、4)光滑连接而成；上、下工作辊(1、3)的两边外廓线(7、5)或均为斜线，或其中任一工作辊(3、1)的两边外廓线为斜线、另一工作辊(1、3)的两边外廓线为水平线；上、下工作辊(1、3)的中部外廓线(9、4)为相互啮合的波浪形外廓线，波浪形外廓线的波数为2～500个，波浪形外廓线对称于上、下工作辊(1、3)的轴向垂直平分线；
在上、下工作辊(1、3)的辊身两端端面分别各挖一同中心的环形空腔(8、6)，环形空腔(8、6)在上、下工作辊(1、3)的纵向断面形状为U形或V形。
2、根据权利要求1所述的辊面为组合外廓线的轧辊，其特征在于所述的波浪形外廓线的波长相等，每个波的波浪线长或均相等、或均不相等、或部分相等，波浪形外廓线的波峰与波谷间的垂直距离相等或不相等；波浪形外廓线两端点间的距离L、波长L1、波长所对应的波浪线长L2、波峰与波谷间的垂直距离△分别为
L＝a0×B(1)
L1＝L/N (2)
L2＝a1×L1(3)
△＝a2(a12-1)1/2×L1 (4)
式(1)～(4)中
a0—波浪形外廓线长度系数，0.515≤a0≤0.923，
B—轧件的宽度，
N—波数，
a1—波长系数，1.003≤a1≤1.08，
a2—波形系数，0.3≤a2≤1。
3、根据权利要求1所述的辊面为组合外廓线的轧辊，其特征在于所述的上、下工作辊(1、3)的辊身两端端面的环形空腔(8、6)底部间的距离均等于中部外廓线(9、4)两端点间的距离L；环形空腔(8、6)的中心圆直径d1、环形空腔(8、6)的外壁与内壁在辊身端面的径向距离S、环形空腔(8、6)在辊身纵向断面的底部圆弧半径r分别为
d1＝(D+d)/2 (5)
S＝a3×(D—d)/2 (6)
r＝a4×S (7)
式(5)～(7)中
D—工作辊的辊身端部直径，
d—工作辊的辊颈直径，
a3—径向差系数，0.2≤a3≤0.3，
a4—半径系数，0.2≤a4≤0.5。
4、根据权利要求1所述的辊面为组合外廓线的轧辊，其特征在于所述的上、下工作辊(1、3)的两边外廓线在X点距其工作辊轴线距离的增量之和△Y为
△Y＝a5×S0/(L0-L)×X(8)
式(8)中
S0—上、下工作辊间的中部辊缝；
L0—工作辊的辊身长度；
X—以工作辊的辊身端部为原点到中部外廓线端点的距离，0≤X≤(L0—L)/2；
a5—斜率系数，0.2≤a5≤0.8。
专利摘要本实用新型涉及一种辊面为组合外廓线的轧辊。其技术方案是上、下工作辊(1、3)的辊面外廓线由两边外廓线(7、5)和中部外廓线(9、4)光滑连接而成；上、下工作辊(1、3)的两边外廓线(7、5)或均为斜线，或其中任一工作辊的两边外廓线为斜线、另一工作辊的两边外廓线为水平线；上、下工作辊(1、3)的中部外廓线(9、4)为相互啮合的波浪形外廓线，波浪形外廓线对称于上、下工作辊(1、3)的轴向垂直平分线；在上、下工作辊(1、3)的辊身两端端面分别各挖一同中心的环形空腔(8、6)，环形空腔(8、6)在上、下工作辊(1、3)的纵向断面形状为U形或V形。本实用新型能减小轧件在变形区中所受的球应力，可在降低轧制能耗的同时亦改善轧件横向厚差。
文档编号B21B27/02GK201244574SQ20082006836
公开日2009年5月27日 申请日期2008年7月10日 优先权日2008年7月10日
发明者胡衍生, 杭乃勤 申请人:武汉科技大学