非标规格圆钢开发及孔型设计优化

吴建军

（河钢集团宣钢公司）

0 引言

GCr15是一种传统的高碳铬轴承钢，主要用于制造各种轴承的滚珠、滚柱和轴套等[1]。在销售过程中，客户对Φ20～30 mm规格系列全规格需求较大，通过对目前没有开发的Φ21 mm、Φ23 mm、Φ26 mm和Φ27 mm规格进行开发和生产，能够更好地满足下游客户需求，提升圆钢品种中合金结构钢的比例和高端品种比，实现公司圆钢品种效益最大化。

1 孔型设计

1.1 总体思路

根据非标规格圆钢的开发要求，按照最少投入和最快最优生产的原则，进行孔型系统设计。依据上述原则，如果仅对成品孔型进行设计，且在生产中仅更换成品孔型可以实现最少投入和最快生产的目的。采用该方法的难点是如何选择孔型系统，以及如何保证成品料型尺寸能够达到标准要求。

1.2 技术方案

1.2.1 孔型系统设计

根据孔型系统设计原理，料型宽展量的计算为关键因素，因此需将三棒圆钢实际设备和工艺参数带入孔型系统设计中，并精确计算宽展数据。

1.2.1.1 采用的设计公式

本次计算宽展系数所采用的设计公式为：

式中，β——相对宽展系数；W——相对宽展指数；δ——轧件断面形状系数；ε——辊径系数；η——压下系数的倒数。

1.2.1.2 精确计算其他规格孔型系统

将现有Φ22 mm规格料型尺寸带入孔型计算表（如图1所示），并根据实际温度、轧辊等情况带入相关参数，通过优化轧制速度修正系数和轧件钢种修正系数的方法做到与实际料型尺寸相符。（以该规格为例进行叙述，Φ20 mm、Φ25 mm、Φ28mm均按照该方法进行计算。）

图1 22 mm规格孔型计算

1.2.1.3 孔型系统初步设计

本次新开发规格有Φ21 mm、Φ23 mm、Φ26 mm和Φ27 mm共计4个规格，正常生产过程中相近规格有Φ20 mm、Φ22 mm、Φ25 mm和Φ28 mm。因此，需通过模拟验算确定采用收料还是放料以设计新规格孔型系统。已生产圆钢K2架次料型尺寸见表1。

表1 K2架次料型尺寸统计

从表1可以看出，Φ21 mm规格若采用Φ22 mm规格收料，Φ23 mm规格若采用Φ24 mm规格收料，K2架次辊缝小，没有收料余地；Φ26 mm规格相邻规格有Φ25 mm规格，因此只能采用放料模式进行开发；Φ27 mm规格相邻规格有Φ28 mm规格，该规格采用收料模式进行开发。

综合所述，收料模式开发新规格存在以下缺点：（1）辊缝小，轧制过程中轧槽磨损后调整量小，导致轧制吨位缩小，不利于正常生产。（2）收料后，椭圆料型高度减小，宽度增加，导致在下一道次中轧制时稳定性变差，极易出现倒钢问题。（3）导卫调整料无法满足要求，由于收料后料型变小，两导卫轮间距也相应变小，导卫调整量变小，不利于正常生产。通过计算，对Φ21 mm、Φ23 mm和Φ26 mm三个规格采用Φ20 mm、Φ22 mm和Φ25 mm成品前所有料型，仅通过放料和成品孔型设计实现新规格开发。由于Φ27 mm规格没有对应规格实现放料，通过验算对Φ27 mm规格采用Φ28 mm成品前所有料型，仅通过收料和成品孔型设计实现新规格开发。

1.2.1.4 孔型系统详细设计

利用公式计算料型尺寸，并通过收（或放）料验证初步设计方案，并增加轴承钢温度修正系数、轧制速度修正系数、钢种修正系数、轧辊材质和加工修正系数，实现料型尺寸的精确化设计和调整，如图2所示。

图2 孔型设计计算

（1）将公式编入EXCEL表中，实现程序化和简单化。

（2）利用对成品前架次料型调整，获得最佳成品料型。

通过对K2和K3料高的调整，即通过收（或放）料，获得最佳成品料型。Φ21 mm：将Φ20 mm孔型K3架次放0.5 mm，K2架次放1.5 mm；Φ23mm：将Φ22mm孔 型K2架 次 放2.5 mm；Φ26 mm：将Φ25 mm孔型K2架次放1.5 mm；Φ27 mm：将Φ28 mm孔型K6架次收1.0 mm，K5架次收1.5 mm，K4架次收1.5 mm，K3架次收1.8 mm，K2架次收1.5 mm。

1.2.2 成品孔型设计

圆钢的成品尺寸精度受多种因素的影响，包括钢坯的断面尺寸、加热温度、速度控制、轧机刚度、孔型系统及孔型磨损等[2]。轧件经成品孔型轧制后，便得到成品钢材，所以成品孔型设计的合理与否对成品的质量、轧机产量和轧辊消耗都有一定的影响。成品孔型设计时需考虑以下几方面问题：热断面、公差与负公差轧制和成品孔型设计的一般程序。

1.2.2.1 成品尺寸公差

根据成品尺寸公差要求，确定尺寸偏差为±0.4 mm。

1.2.2.2 成品尺寸设计

成品孔型构成如图3所示， 其中R为基圆半径，d为圆钢的公称直径或称之为标准直径，θ为孔型扩张角，R’为成品孔的扩张半径。

（1）成品孔的基圆半径：

式中，d——圆钢的公称直径或称之为标准直径，mm；-Δ——允许负偏差，mm。

（2）成品孔的宽度Bk为：

式中，+Δ ——允许正偏差，mm。

在成品尺寸设计过程中，允许负偏差按照0进行设计，避免圆钢由于尺寸过小导致机加工出现尺寸质量问题。

（3）成品孔型扩张半径：成品孔的扩张角θ，常用θ=30°。

图3 成品孔型设计

1.2.3 轧程计算

将所计算的各架次料型尺寸代入相应规格轧制程序表，如图4所示。将轧件尺寸中的高、宽和面积输入表格内，得出延伸系数；通过输入成品轧制速度，计算出各架次速度。

图4 轧制程序表计算

2 孔型优化及生产

2.1 总体思路

在实施过程中，将三棒现场实际设备和工艺参数带入原有理论轧制程序表中，通过相互验算，再根据现场料型调整手法进行精确模拟，不断优化料型数据，从而得出最优料型尺寸。最后，利用最优料型尺寸数据再对理论设计孔型进行优化设计，并利用实际生产进行验证，实现规格开发一次成功。

2.2 成品孔型优化

以Φ23 mm规格为例，对孔型优化进行说明，其他孔型优化类似。

2.2.1 按照孔型计算公式所得参数画图

（1）基圆直径：计算值为23.25～23.46 mm，按照高成品尺寸精度要求，初步选择23.28 mm进行设计。

（2）扩张半径：计算值为13.93～14.04 mm，按照避免出现成品耳子的原则，初步选择14.04 mm。

（3）辊缝、外圆角半径根据经验分别选择2 mm、1 mm。

按照上述参数设计成品孔型，如图5所示，并测量槽口宽度为23.3 mm。

图5 优化前孔型

根据料型计算所得成品宽度为23.09～23.3 mm，孔型充满度为99.1%～100%，极易出现成品耳子。因此，需对上述选择孔型尺寸进行优化。

2.2.2 成品孔型尺寸优化

优化前，成品出现过充满，需对槽口宽度进行优化，按照充满度约95%进行优化，选择槽口宽度为24.31～24.53 mm，取24.35 mm，充满度为94.83%～95.69%，满足设计要求，如图6所示。后经实际生产，成品尺寸精度满足要求。其他规格孔型按照上述方法进行设计和优化。

图6 优化后成品孔型

2.3 生产实践

通过非标规格开发，孔型系统满足实际开发需求，且成品尺寸精度控制达到国标一组精度要求。非标规格开发实现轴承钢各规格规模化生产，满足市场订货需求，2018年产量1.7 万t。

3 结语

通过轴承钢系列规格开发和孔型设计优化，孔型系统满足实际开发需求，且成品尺寸精度控制达到国标一组精度要求。

（1）本次新开发规格有Φ21 mm、Φ23 mm、Φ26 mm和Φ27 mm共计4个规格，正常生产过程中相近规格有Φ20 mm、Φ22 mm、Φ25 mm和Φ28 mm。通过模拟验算确定主要采用放料模式以设计新规格孔型系统。

（2）带入实际钢种及温度、速度、轧辊材质等参数，计算出料型尺寸与实际相近，有效指导了规格开发过程。

（3）计算出符合该钢种的轧制程序表，对现场料型调整提供精确参考，有效提高了速度调整精度。