六辊轧机轧辊装置的设计

毕业设计

题目：六辊轧机轧辊装置的设计

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指导教师：

2011 年 6 月 3日

目录

摘要 (1)

ABSTRACT (2)

1．概述 (4)

1.1国内外发展现状及特点 (4)

1.2 轧辊装置的组成和工作原理 (4)

2．方案设计 (5)

2.1轧辊传动方案的设计 (5)

2.2压下量调整机构的设计 (5)

2.3中间辊横移机构的结构设计 (6)

2.4轧件宽度调整机构的设计 (7)

3．零件结构和尺寸的设计 (9)

3.1工作辊 (9)

3.1.1工作辊的设计 (9)

3.1.2工作辊轴承的选用 (11)

3.2中间辊 (12)

3.2.1中间辊的设计 (12)

3.2.2中间辊轴承的选用 (14)

3.2.3中间辊横移机构 (14)

3.3支承辊 (16)

3.3.1支承辊的设计 (16)

3.3.2支承辊轴承的选用 (18)

3.4轧件宽度调整机构 (19)

4．校核 (20)

4.1轧制力计算 (20)

4.2轧辊强度分析 (22)

4.3支承辊弯曲强度的验算 (25)

4.4轧辊辊面接触强度的验算 (26)

4.4.1 工作辊与中间辊之间的辊面接触强度 (26)

4.4.2 中间辊与支撑辊之间的辊面接触强度 (27)

5安装与调试 (29)

5.1维护和保养 (29)

5.2液压系统维护 (29)

5.3润滑系统维护 (29)

6．总结 (30)

7.致谢 (31)

参考文献 (32)

六辊轧机轧辊装置的设计

摘要

国产六辊冷轧机从上世纪80年代起就在国内成功运行，但只是一些单机架的

中小型冷轧机。进入21世纪以来，经济快速发展，对高质量板（带）材的需求也

在迅速增长。具有国际先进水平的高速现代化冷轧机的开发和研制成为当务之急。

采用辊缝连续可变凸度控制技术的六辊冷轧机在生产实践中不断的凸显出它

的优点：由于辊缝断面可以连续调整，对规定的轧制参数具有高度适应性；由于

使用经过优选的工作辊，压下量可以很大；轧出的带材，有良好的平直度和表面

质量；轧件边部减薄明显改善；由于轧辊的库存量可以明显减少，即整个产品范

围可以用同一个辊轧制，因而降低了轧辊的成本。目前，具有板形控制功能的轧

机有日立HITACHI的HC（UC）、德国SMS公司的CVC轧机、法国CLECM公司开发

的DSR轧机、以北科大为代表的VCL以及依靠鞍钢和一重等国内力量自主开发的VCMS新一代六辊冷轧机。

为了满足对冷轧机高速、高效、高质量、低成本、低能耗、易维护等一些生

产要求，经过对比，我们发现采用辊缝连续可变凸度控制技术的六辊冷轧机可以

兼顾满足我们的生产需求。所以高速现代化的六辊冷轧机必是目前以及将来的重

点发展方向。

通过六辊轧机轧辊装置的设计，使我在结构设计和装配、制造工艺以及零件

设计计算、机械制图和编写技术文件等方面得到综合训练；并对已经学过的基本

知识、基本理论和基本技能进行综合运用。从而培养我具有结构分析和结构设计

的初步能力；使我树立正确的设计思想、理论联系实际和实事求是的工作作风。

本装置主要由五个部分组成。第一部分是工作辊；第二部分是中间辊及其横移机构；第三部分是支承辊；第四部分是压下量调整机构；第五部分是机架。

关键字：六辊冷轧机，中间辊横移，凸度控制

Six-high mill roll design

ABSTRACT

Six roller cold rolling mill made from the last century since the 80's success in the domestic operation, but some stand-alone small and medium-sized cold rolling mill frame. Since entering the 21st century, rapid economic development of high-quality board (with) the demand for wood is also growing rapidly. With the international advanced level of high-speed modern cold rolling mill research and development a top priority.

The use of continuously variable roll gap control technology crown six roller cold rolling mill in the production of practice highlights the advantages of it: As the roll gap profile can be continuously adjusted to the provisions of the rolling parameters are highly adaptable; as a result of the use of optimization the work roll, can be very big reduction; strip rolling out, and a good flatness and surface quality; rolling edge drop significantly improved; as a result of the stock roll can be significantly reduced, that is, the whole product range can be Rolling with the same roll, thereby reducing the cost of roll. At present, with the shape control function of the mill there HITACHI Hitachi HC (UC), the German company SMS mill CVC, France CLECM mill DSR developed to Beijing University of Science and Technology represented by the VCL and the Anshan Iron and Steel Company a nd a heavy reliance on domestic forces VCMS independently developed a new generation of six roller cold rolling mill.

Cold rolling mill in order to meet the needs for high-speed, high efficiency, high-quality, low-cost, low power, easy maintenance and other production requirements, through contrast, we found that the use of roll gap continuously variable crown roll six control technology can be both cold rolling mill to meet our production requirements. Therefore, the modernization of the six high-speed roller cold rolling mill will be the focus of the present and the future direction of development.

Through the six-high mill roll design, I design and assembly in the structure, manufacturing process and part design, the mechanical drawing and preparation o f technical documents received comprehensive training and so on; and has learned the basic knowledge, basic theory and basic skills integrated use. I have a structure in order to foster analysis and structural design of the initial capacity; so I establish the correct design, integrating theory with practical and pragmatic work style.

The device mainly consists of five parts. The first part is the work roll; the second part of the middle roller and transferring institutions; the third part is the roller bearing; fourth part

is adjusted reduction institutions; the fifth part of the rack.

KEY WORDS:cold rolling mill of six stick, roller and transferring the middle, convex control

1．概述

1.1国内外发展现状及特点

六辊轧机从1972年问世以来，至1986年为止，设计制造台数已超过300台，机型已达十多种。目前，无论是主轧机和平整，冷轧、热轧、宽带、薄带及超薄带轧制，中宽带和宽带轧制、单机架和连轧机、新建轧机和改造就轧机都有广泛采用六辊轧机的趋势。国内，随着汽车、电机、通讯、食品、包装及家电等工业的发展，薄、宽、硬、精的板带需求量越来越多。而国内目前自给率尚很低，因此，计划建立六辊轧机的用户日益增多。现在我国发展六辊轧机方面已经过探索和开发阶段，进入了应用的阶段。最初的六辊轧机是从板型的控制的需要而开发的，后经过长期的理论分析和生产实践，证实了六辊轧机不但具有板型控制范围大，板型控制稳定的优点，还具有可轧性强，适应性强，减少轧制道次，节省能耗，提高收得率等优点。近年来，为了提高轧材的质量，国外已研制出多种新型轧机，从结构原理和工作特点可以看出：发展金属压力加工技术的总趋势是多种工艺和多种加工原理的联合。近年来，在六辊轧机上采用了调整中间辊的控制方式，大大提高了控制能力，并得到了实际的应用。

1.2 轧辊装置的组成和工作原理

本装置主要由五部分组成：第一部分是工作辊系；第二部分是中间辊系及其横移机构；第三部分是支承辊系；第四部分是压下量调整机构；第五部分是轧件宽度调整机构。

工作辊、中间辊、支承辊相对轧件对称地依次安装在机架上，工作辊直接接触被轧件，中间辊位于工作辊和支承辊之间。电机驱动两个工作辊等转速反向转动，因摩擦力而带动中间辊和支承辊绕各自轴线旋转。两个中间辊通过铰链和两个横移液压缸的活塞连杆相连接，两液压缸的工作情况刚好相反，使得两中间辊做左右螺旋运动，以达到提高工作辊横向刚度的效果进而提升轧制质量。

2．方案设计

2.1轧辊传动方案的设计

根据设计要求拟定轧辊装置的工作原理如下图所示：

图2—1 轧辊装置的传动方案图

如图2-1所示，在工作时，电机通过传动系统将动力传递到两个工作辊上，并使得两工作辊做等转速反方向转动，工作辊、中间辊、支撑辊辊面因被轧件的挤压变形抗力而紧密接触，相临的各辊之间的压力产生的摩擦力带动中间辊和支承辊绕各自轴线旋转。两个中间辊通过推力轴承系统（此结构的目的是使得中间辊横移装置的滑移导杆只随液压缸做横向移动而不随中间辊做回转运动，细节在后续的章节中再做仔细的阐述）分别和两个横移液压缸的活塞连杆相连接，两液压缸的工作情况刚好相反，使得两中间辊往复做左右螺旋运动，以达到提高工作辊横向刚度的效果进而提升轧制质量。

这种结构的轧辊装置是借鉴目前国内运行的莱钢1500轧机的轧辊装置所设计的，它相对其他结构的轧机，增加了板形控制装置（即中间辊横移装置），克服了轧制钢带的边部减薄问题。

2.2压下量调整机构的设计

如图2-2所示，电动机11通过与其同轴的小齿轮1和中间大惰轮2带动固定在方孔套筒3上的大齿轮4，使压下螺丝5在螺母12中旋转并实现升降运动，压下螺丝的方形尾端穿在套筒的方孔中。为了实现两个压下螺丝的同步移动以保持上轧辊的平行升

降，两个中间大惰轮之间用一个小惰轮（离合齿轮6）相连。离合齿轮6装在液压缸的柱塞8上，当液压缸的柱塞升起时，两个中间大惰轮之间的联系即被切断，此时两个压下螺丝可以单独调整。

压下螺丝的升降速度一般为90～180mm/s，其中较高的速度是在大行程移动时使用。

1—小齿轮 2—大惰轮 3—方孔套筒 4—大齿轮

5—压下螺丝 6—离合齿轮 7—液压缸 8—柱塞杆

9—伞齿轮 10—喷油环 11—电动机 12压下螺母

图2—2 压下量调整机构的结构图

2.3中间辊横移机构的结构设计

参考已经投产的莱钢1500mm单机架六辊可逆冷轧机的结构，现拟定中间辊横移机构的结构简图如图2-3所示：

1—花键型滑移导杆2—导轨保持架3—轴套4—圆锥销

5—螺钉6—垫片7—螺钉8—连接轴

9—双向推力轴承10—中间辊11—位移传感器

12—横移液压缸13—螺栓连接组

图2—3 中间辊横移机构的结构图

如图2-2所示，中间辊横移机构在工作时，工作辊与横移液压缸顺序启动。液压缸活塞杆中间部分充当滑移导杆，这部分做成花键轴与导轨架配合做横向往复运动。活塞杆右端固结一个连接轴，轴肩两端分别安装一个双向推力轴承。工作时，中间辊旋转，右侧轴承的一端板随之旋转，因轴承滚珠的作用，与连接轴相配合的一部分并不旋转。左侧轴承的工作情况与右侧轴承类似，这样就解决了中间辊在旋转时会带动活塞杆旋转的问题。工作时，液压缸活塞杆向右移动，连接轴轴肩推动右侧推力轴承向右移动，推力轴承推动中间辊向右移动；液压港活塞杆向左移动，连接轴轴肩拉动左侧推力轴承向左移动，推力轴承通过轴承盖的作用拉动中间辊向左移动。在两推力轴承的作用下，使得中间辊做旋转和横移的复合运动，中间辊做往复螺旋运动。

工作时，上下两液压缸的运动情况正好相反，使得两中间辊相对反向运动，以达到提高工作辊横向刚度而消减轧件边部减薄的作用。

2.4轧件宽度调整机构的设计

轧件宽度调整机构采用类似二辊立式结构来实现，其结构如图2-4所示。

这种设计思想借鉴于《轧钢机械设备》一书中所述的万能式（复合式）轧钢机的结构，这种设计结构简单且工作可靠，所以我拟选用此结构进行宽度调整。

工作时，钢带边缘与立辊1、2的辊身接触，两立辊被调整到与钢带宽度相对应的位置，两立辊之间的最小距离便是所需钢带的宽度。钢带与两立辊的运动方向如图所示，钢带在上下两工作辊的直接作用下，被压轧到所需的厚度，两立辊辊身之间的最小距离已调整到与所需钢带宽度相等的位置，钢带与两立辊接触，由于在接触面上钢带边缘部分与立辊辊身的运动方向相同，而且钢带上的任意一质点都在立辊1或立辊2回转轴线

的同侧，所以立辊对接触面上的钢带的任意一质点的作用力在横向的分力方向都是指向同侧即指向另一立辊的，这样在两个相对钢带对称布置的立辊作用下，钢带被再次冷轧处理即被轧到所需要的宽度。

宽度调整机构在布置时一定要相对钢带对称布置，否则影响钢带的加工质量，使得钢带两边厚度差增大，甚至使得钢带一侧严重卷曲而成为次品或废品。

图2—4 轧件宽度调整机构的结构图

3．零件结构和尺寸的设计

3.1工作辊

3.1.1工作辊的设计 （1）工作辊结构的设计

图3—1 工作辊结构图

（2）材料选择

工作辊是辊系中最关键件,也是消耗量最大的工件,由于它在高接触压力、高速下长期工作,对其硬度、耐磨性、抗剥落、接触强度及芯部弯曲强度等都有苛刻要求,为了能轧制更高品质的冷轧带钢,目前工作辊采用优质合金锻钢制作。

本设计拟选定工作辊的材料为：20Cr2Ni4 经渗碳后淬火，此材料的力学性能为：

强度极限B σ=1175 MPa 屈服极限S σ=1080 MPa 热处理后硬度:60 HRC 许用弯曲应力[]1σ-=80 MPa 接触应力[]σ=280 MPa 接触应力[]τ=80 MPa （3）辊身的设计

轧辊直径可根据咬入条件α角和轧辊强度来确定。工作辊径应满足条件：

D 1cos h α

≥

- （3—1）

式中 D ——工作辊辊身直径；

h

——轧制前后钢板的厚度差。

冷轧薄板及带钢轧机，尤其在轧制变形抗力较大的材料时，其轧辊直径应根据最小可轧厚度选择。当轧辊直径很大时，弹性变形增加，致使薄带钢及钢板的正常轧制成为不可能。根据实践经验，轧辊在冷轧时选用直径条件为：

张力轧制时：D<(1500~2000)h

无张力轧制时：D<1000h

我们现以无张力轧制计算，满足此条件就可以满足张力轧制，故，

D<1000h （3—2）式中 h——被轧制钢板的最小厚度。

查各类轧机常用最大咬入角表可得，在磨光轧辊上带润滑液单片钢板成卷冷轧时的相关参数为：

咬入角α：6~8

。。

现取.7

α=，作为计算值。

由原料厚度1.8~2.75 mm、成品厚度0.3~1 mm可得：

h

=2.45 mm，h=1.8 mm

将以上数据代入式式（3-1）、式（3-2）得：

D

2.45

1cos7

≥

-。

mm ≥134.16 mm

D<1000?1.8 mm

<1800 mm

在轧制过程中，由于轧辊表面的磨损，经过一段时间后，辊面磨损将影响产品质量，此时则需要重车或重磨。通常轧辊允许重车率用新辊直径百分数表示。查表可知，薄板轧机及冷轧机的重磨率为：3~6%

现以3%计算，则有：

D≥134.16?(1+3%) mm

≥138.18 mm

拟取，而140<1800，满足条件式（3-2），故选定：

D=140 mm

钢板轧机工作辊辊身长度L按轧制钢板的最大宽度确定：

L=b+a （3—3）式中 b——轧制钢板的最大宽度

a——根据不同板宽所选取的余量。

查找相关实践经验所得的数据可得：对于带钢，当b=200~400 mm时，a=50 mm；

当b=400~1200 mm时，a=100 m；对于较宽钢板a=200~400 mm。

由原料宽度200~350 mm、成品宽度200~300 mm可得：

b=350 mm

则，a=50 mm

将以上数据代入式（3-3）得：

L=350+50 mm

=400 mm

考虑到中间辊横移量为L

=100mm，则工作辊辊身长度应取L=500mm。

（4）辊颈的设计

辊颈是轧辊支撑部分，它与轴承装配在机座中，将轧制力经压下调整装置传递到机架上。辊颈尺寸为直径d和长度l，它与轴承型式及工作载荷有关。

参考同行的一些资料和自己的一些简单分析计算，可以发现，工作辊在工作时受很大的径向力，还有不小的轴向力。考虑到轴承尺寸，应当把滚针轴承和推力轴承结合使用，具体使用情况在下文分析。

（5）辊头的设计

由于此轧机要求的转速较高，而且压下量较大，轧辊所承受的转矩较大，故，辊头适合选用带双键型的辊头，结构形式如工作辊结构图中所示。

3.1.2工作辊轴承的选用

（1）工作辊轴承分析

轧辊轴承的工作特点是能承受很高的、比普通标准轴承所允许要大几倍的单位载荷，这是因为轴承受外围尺寸的限制和在较短的轴颈内可用很大的许用应力所决定的。工作辊轴承在工作时受很大的径向力，还有不小的轴向力。考虑到轴承尺寸，应当把滚针轴承和推力轴承结合使用。

（2）工作辊轴承选择

工作辊左侧轴颈拟选用两个滚针轴承NA6916和一个双向推力轴承52215，右侧轴颈拟选用两个滚针轴承NA6916和一个深沟球轴承61916，轴承的相关参数如表3-1所示：

表3-1 工作辊所用轴承的参数

3.2中间辊

3.2.1中间辊的设计

（1）中间辊结构的设计

图3—2 中间辊结构图

（2）材料选择

中间辊起控制板形的作用。虽然中间辊不直接与轧件接触,但在轧制过程中承受着轧制力的作用,而且为了控制板形还要承受弯辊力的作用,因而要求中间辊具有较高的强度和耐磨性能。中间辊是辊系中最关键件,也是消耗量最大的工件,由于它在高接触压力、高速轧制中长期工作,对其硬度、耐磨性、抗剥落、接触强度及芯部弯曲强度等都提出苛刻要求。为了能轧制更高品质的冷轧带钢,中间辊采用优质合金锻钢制作。

本设计拟选定中间辊的材料为：20Cr2Ni4 （3）辊身的设计

根据轧钢行业现运行的六辊轧机轧辊直径分析，一般中间辊的辊身直径Z D 与工作辊辊身直径D 的关系为：

Z D =1.3~2.0D （3—4）

则根据已知条件可得：

Z D =1.3~2.0?140 mm

=182~280 mm 现拟选取中间辊辊身直径Z D =230 mm 作为计算尺寸。 辊身长度Z L 可以根据轧制钢板的最大宽度来确定：

Z L =m ax m l l + （3-5）

式中 m ax l ——轧制钢板的最大宽度，根据已知条件可得：m ax l =350 mm ；

m l ——中间辊横移量，设计此参数为100mm 。

则， Z L =350+100 mm

=450 mm

（4）辊头的设计

中间辊左侧要连接横移机构，而液压缸只做左右平移运动，中间辊却既要做平移运动又要做旋转运动，为此我特运用推力轴承内嵌中间辊辊头的这种结构连接横移装置以达到设计要求。所以中间辊的左侧辊头要设计成内有空腔的型式，结构型式如上图所示。

3.2.2中间辊轴承的选用

中间辊在工作时既受很大的径向载荷也受很大的轴向载荷，滚针轴承内外径差值小而且相对其他轴承能承受很大的径向载荷，推力轴承能承受较大的轴向载荷，内外径差值也不是很大。

中间辊左侧轴颈拟选用两个滚针轴承NA4928和一个双向推力轴承52226，右侧轴颈拟选用两个滚针轴承NA4928和一个双向推力轴承52226，轴承的相关参数如表3-2所示：

3.2.3中间辊横移机构

（1）液压缸的选用

经分析，现拟选用HSG型工程用液压缸，其技术性能如下：

缸径（mm）: φ63

活塞杆直径（mm）：φ35

速比： 1.46

推力（N）: 49880

拉力（N）: 34480

最大行程（mm）: 630

（2）滑移导杆的设计

图3—3 滑移导杆结构图

花键型滑移导杆的结构如图3—3所示，其主要设计参数为：

导杆花键轴部位的外径：D=35 mm,

内径：d=31 mm,

齿数：N=30。

而花键长度应按下式计算：

m l l A =+ （3—6）

式中 m l —中间辊横向位移量，设计此参数为100 mm ；

A

—长度裕量，在这里取A =50 mm 。

则代入参数可得： l =150 mm

（3）连接轴的设计

图3—4 连接轴结构图

连接轴的结构如图3-4所示，其主要设计参数为：

轴身直径：D=35 mm ， 轴肩直径：D1=84 mm ， 轴长：L=137 mm ， 轴肩长度：L1=20 mm ，

其余参数根据装配结构决定。 （4）轴承的选用

为了达到设计要求，经过分析，在连接轴轴肩两侧对称安装两个双向推力球轴承即可。由于中间辊辊端直径有限，现拟选用轴承52309，其相关参数如表3-2所示：

表3-2 中间辊及横移机构所用轴承的参数

3.3支承辊

3.3.1支承辊的设计

（1）支撑辊结构的设计

图3—5 支承辊结构图

（2）材料选择

支撑辊起支撑中间辊和工作辊的作用。虽然不直接与轧件接触,但在轧制过程中承受着所有轧制力的作用, ,因而要求支撑辊具有较高的强度、刚度和耐磨性能。支撑辊是辊系中最关键件,由于它在高接触压力、高速轧制中长期工作,对其硬度、耐磨性、抗剥落、接触强度及芯部弯曲强度等都提出苛刻要求。为了能轧制更高品质的冷轧带钢,中间辊采用优质合金锻钢制作。本设计拟选定支撑辊的材料为：20Cr2Ni4。 （3）辊身的设计

根据轧钢行业现运行的六辊轧机轧辊直径分析，一般支撑辊的辊身直径Zc D 与工作辊辊身直径D 的关系为：

Zc D =（2.5~5.0）D （3—7）

则根据已知条件可得：

Zc D =（2.5~5.0） 140 mm

=350~700 mm

现拟选取中间辊辊身直径Zc D =550mm 作为计算尺寸。 辊身长度ZC L 可以根据中间辊来确定：

ZC L =z L

则，ZC L =z L =450 mm 。 （4）辊头的设计

支撑辊的左侧辊头要连接支撑辊压盖，所以需打螺钉孔，如上图所示。