轧机轴承座精密加工关键技术研究

　　摘　要：利用有限元方法，从夹紧力、切削力和轴承孔内外壁温度场等方面对轧机轴承座轴承孔变形原因进行了深入的分析及定量计算，并通过工艺验证确定了合理的工艺技术参数，解决了精密加工时轴承孔精度控制的关键技术难题。
　　关键词：轧机轴承座；精密加工；变形；有限元分析
　　四辊轧机是板带轧机的常用型式，一台四辊轧机辊系包括：一对工作辊和一对支撑辊以及轴承座、油膜轴承等零部件。当一台轧机的产量达到五万吨钢左右时，就需要更换辊系，对支承辊（或工作辊）辊身进行重磨。为保证轧线的正常工作，一台轧机通常需要三套辊系作为备件，马钢公司引进的1750CSP轧线为目前世界上较为先进的连铸连轧生产线，轧线由F1-F7共7台精轧机组成，而核心部件之一的轴承座由德国SMS公司设计并提供，因为它的结构比较复杂，轴承孔的精度要求较高，壁厚差又很大，热应力变形不均，很不利于机械加，一直以来，备件都是从国外进口，国内能够生产制造的也不多，而关键技术就是精密加工时如何控制轴承孔的精度。我们公司在2005年底到2006年初试制的轧机轴承座，也是因为轴承孔变形，超出公差范围。为此我们开展对轧机轴承座孔加工技术的研究，旨在解决轴承孔变形问题，以满足其设计与使用要求，达到备件国产化的目的。
　　1　分析轧机轴承座轴承孔的技术要求和变形原因
　　轧机工作辊轴承座和支撑辊轴承座的技术要求差不多，以下分析以4E60627工作辊轴承座为例。
　　轴承孔的大小为Ø595，公差为^（+0.14_+0.0），圆柱度为0.02mm，表面粗糙度为Ra1.6，轴承孔上下壁厚为71.5mm，孔壁Z薄，左右壁厚为171.5mm，孔至两侧圆弧处壁厚为265mm，孔壁Z厚。
　　可以看出，尺寸公差和圆柱度公差小，轴承孔壁厚不均匀，相差比较大，很不利于机械加工。在加工中受夹紧力，切削力，热变形，刀具磨损和工艺系统刚度的影响，在加工完后受吊装和残余应力的影响，造成轴承孔极易变形。本文运用ANSYS分析温度、装夹、切削力对轴承孔变形的影响，通过控制温度差、装夹力和切削力的大小来控制轴承孔的变形，采用合理的工艺消除工艺系统刚度和残余应力对轴承孔变形的影响。
　　2　轧机轴承座的实体建模和有限元模型
　　2.1 轴承座结构的简化及假设
　　分析工作辊轴承座的零件图和零部件图，轴承座具有众多的油孔、台肩及小圆角、起吊孔等，根据圣维南定理，忽略油孔等只对局部应力有影响，但对整体应力的分布没有影响。因而对轴承座进行必要的简化，将油孔、起吊孔、螺栓孔去掉，将小圆角改为直角，由于加工过程中，轴承座轴向受力状态相同，并且轴向结构对称，将轴承座简化为二维模型。
　　2.2 实体建模和有限元模型
　　轴承座的材质为ZG30Mn，通过查表得，弹性模量为200GPa，热膨胀系数为1.3×10^-5/℃，泊松比为0.3，导热系数为250，采用四节点2D结构固体单元PLANE42对模型进行网格剖分。其实体模型和有限元模型如图1。 　　整个有限元模型坐标原点在轴承孔圆心，整个有限元模型有3688个节点，3376个单元，其中438，439，486，533节点坐标分别为（-297.5，0），（0，-297.5），（0，297.5），（297.5，0），代表着水平和竖直四个方向。
　　3　轧机轴承座的计算分析
　　3.1 分析夹紧力时轴承座内孔的变形影响
　　轴承座加工时，对轴承座施加夹紧力，运用ANSYS计算轴承孔的变形情况见图2。其它情况不变时，在同一位置施加不同的夹紧力，轴承孔具体变形情况见表1。 　　从表1中可以看出，夹紧力在250N到1200N之间变化时，对轴承孔的变形影响很小，Z大处只由3μｍ，并且认为只有弹性变形，Z后精加工时夹紧力控制在1000N以下就行了。
　　3.2 分析温度对轴承孔变形的影响
　　轴承座轴承孔在加工过程中，由于切削产生的切削热，使轴承孔内表面的温度高于外表面，使轴承孔产生变形，其变形情况见图3，受不同的温度影响时期变形情况见表2。 　　从表2中可以看出，温差对轴承孔孔的影响比较大，Z大处有15μｍ，其变形既有弹性变形也有塑性变形，因此在精加工过程中，需要控制轴承孔温度的升高，采取得措施为，在精加工过程使用冷却液充分了冷却，精加工量余量尽量少，防止温度升高过快。
　　3.3 分析切削力对轴承孔变形的影响
　　轴承座轴承孔在加工过程中，由于切削产生切削力，由于刀具切削工件时，切削力是动态的，主轴转速又很高，达到100r/min，故可认为切削力在圆周方向是均布的，切削力使轴承孔产生变形，通过ANSYS计算，其变形情况见图4，受不同的切削力产生变形也不同，具体的变形见表3。 　　图4为受切削力变形图，表3为施加不同的切削力时轴承孔在4点处变形表。从表中可以看出，切削力对轴承孔变形Z大，需要严格控制切削力（切削力不能超过15N）才能确保轴承孔变形在公差范围内。
　　4　结论
　　（1）以上分析得知，轴承孔的变形是不可避免的，其中切削力对轴承孔的变形影响Z大，温度影响次之，夹紧力影响Z小，在加工过程中，我们要控制切削力和温度，使之变形控制在公差范围内。
　　（2）切削力和温度在精加工时受切削三要素控制，控制切削力就转化为控制切削三要素。
　　（3）前面的计算分析轴承孔产生的变形是在精加工过程中产生的，还要充分考虑铸造和粗加工残余应力对轴承孔产生的变形。因此在工艺上要采取措施，我们在前面加工的基础上，修改了工艺措施，我们采取的工艺路线为：铸造——退火——粗加工——正火——半精加工——回火——孔留余量其余精加工。
　　（4）轴承孔的变形要充分考虑夹紧力、温度、切削力综合影响。具体情况见图5和表4。 　　根据以上分析的结果，我们在100天内试制了马钢的冷轧和热轧的轴承座28件，检验结果显示，轴承孔加工完后，放置一段时间，尺寸变化0.02mm，在规定的技术要求范围内。说明上面分析的结果是正确的，采取的工艺路线是可行的，加工方法是对的，基本解决了轴承孔加工的关键技术难题。
　　参考文献
　　[1]陈晓霞.ANSYS7.0高级分析[M].北京:机械工业出版社，2004
　　[2]蒋孝煜.有限元基础[M].北京:清华大学出版社，1978
　　[3]杨叔子.机械加工工艺师手册[M].北京:机械工业出版社，2001
　　[4]阴发军.轧机轴承座的加工工艺分析[J].和平科技，2000.1