CN102348515A - 包括传动轴和辊环的轧辊以及组装该轧辊的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种轧辊，包括，一方面，传动轴(1)，其包括具有一定的外径和一定的长度的柱形包络面(6)，并且，另一方面，包括较短的辊环(2)，其包括硬质材料制成的外环(4)以及与所述外环同心并用较韧性的材料制成的内环(3)，内环包括具有一定的内径的柱形内侧(10)，并且，一方面，所述内环以冶金方式永久地与外环(4)结合成整体，而另一方面，所述内环则可旋转地刚性连接于传动轴(1)，从而将扭矩从传动轴传递给外环(4)。根据本发明，在传动轴(1)和辊环(2)之间的可旋转刚性接合独自地由冷缩配合接合构成，该冷缩配合接合被建立在传动轴的包络面和内环的内侧之间，并且具有传动轴(1)的外径的至少0.01％的过盈。

Description

包括传动轴和辊环的轧辊以及组装该轧辊的方法

技术领域

第一方面，本发明涉及一种轧辊，所述轧辊一方面包括具有柱形包络面的传动轴，所述柱形包络面具有一定的外径和一定的长度，并且另一方面包括辊环，辊环包括硬质材料制成的外环以及与外环同心并用较韧性的材料制成的内环，所述内环包括具有一定的内径的柱形内部，并且一方面，所述内环以冶金方式永久地与外环结合成整体，另一方面，所述内环可旋转地刚性连接于传动轴，从而将驱动扭矩从传动轴传递至外环。

另一方面，本发明还涉及一种组装该轧辊的方法。

背景技术

上述的这种类型的轧辊通常被所属领域技术人员命名为组合式轧辊，并且在实践中用于狭长金属产品(诸如线、棒、管等)的热轧或冷轧。为了这个目的，辊环形成有一个或多个周向凹槽，其以所期望的顺序形成产品。当辊环有轧制平面物体(诸如带)的目的时，辊环也可以完全是光滑。在一些轧辊中，辊环由所谓的复合辊环组成，这种复合辊环由基于铁的铸造合金(例如球墨铸铁)制成的内环和一个或多个嵌入内环的外环组成，外环由坚硬、耐磨并且耐热的材料制成，诸如硬质合金，外环以冶金方式永久地与内环结合成整体，更精确地是在铸造期间将外环嵌入合金中。

在上述类型的轧辊中使用硬质合金制成的辊环已经有多年的发展历史，一路上从尝试着将硬质合金环仅以机械方式(通过楔、凸耳、杆或者其他驱动器)直接与传动轴相连接的简单轧辊结构直到今天的各个硬质合金环通常以冶金方式与较韧性的材料制成的内环结合成整体的结构，内环则在硬质合金环中不出现令人烦恼的应力现象的情况下连接于传动轴。近年来，发展集中在两个主要问题区域，即，第一方面为辊环材料的选择，并且特别是辊环的内环的合适材料的选择，而第二方面为可靠地相对于传动轴可旋转地固定辊环。此外(见EP0374116)，对于内环的材料，材料发展已经导致镁球墨铸铁(magnesiousnodular iron)的使用，其包括弥散的、类似球体的石墨，其通过热处理而能够释放出来，从适量的残余奥氏体变为例如贝氏体。用于解决第二个问题的尝试，也就是，使得能够将大的扭矩从传动轴传递给辊环，而且它们不会相对于彼此滑动的尝试，已经产生大量的解决方案建议，这些可以在专利文献中有据可查(除了以上提到的EP0374116之外，还可以参照US 5558610，US 5735788，US 6685611，以及EP1733816)。然而，迄今为止公知的解决方案仍然是通过机械锁定装置实现从传动轴到辊环的扭矩，机械锁定装置以某种方式在传动轴和辊环的内环之间起作用。一种锁定装置包括彼此啮合的凸形和凹形元件，它们要么位于内环的内表面和传动轴的包络面之间的交界面上，要么位于辊环的端面，并且在传动轴的外侧上与辊环相配合的数个环彼此压靠(参见EP0374116的两种情形)。另一种锁定装置依赖配合表面之间的摩擦接合。同样在这种情况下，接合可以要么位于内环的内表面和传动轴的包络面之间的交界面上，要么位于与辊环相配合的环的环形端面。为了实现这样的摩擦接合，能够使用楔、锁定螺母、液压装置等等。

然而，机械性质的最简单的锁定装置也有缺点，其在于其除了必须的车削外，锁定装置还要求某些形式的切割或切屑去除加工，即铣、钻、形成螺纹等。不仅由于各个工作操作耗时的原因，还可能最重要地是由于这些部件必须在接踵而来的准备时间内在不同的加工站之间移动，每个这些另外的加工操作使得制造更昂贵。机械锁定装置的另一个缺点是其削弱了轧辊的能力[w1]，轧辊的能力取决于在给定的轧辊宽度内能够安装多少辊环(或在辊环中有多少槽)，例如其取决于传动轴的有效长度。如果锁定装置强加在轧辊宽度上，则有效的辊槽的数目当然会减少。有时，锁定装置也可能引起在辊环中的有害的应力现象。另外，特别是各个部件的类似凹型的凹处可能在整体上减弱轧辊结构。

发明内容

本发明的目的在于消除已知轧辊的上述缺点以及提供改进的轧辊。因而，本发明的主要目的是提供一种轧辊，其辊环能够在无需任何传统类型的机械锁定装置的情况下以可靠的方式相对于传动轴可旋转地固定。另一个目的是在沿着传动轴的长度延伸的辊环的数目和/或辊槽的数目方面，提供具有最佳能力的轧辊。本发明的又一个目的是提供一种轧辊，轧辊的两个主要部件，即传动轴和辊环或多个辊环，能够通过绝对最小的加工操作制造。

根据本发明，通过权利要求1的特征部分限定的特征至少达到主要目的。在从属权利要求2-4中进一步限定根据本发明的轧辊的优选实施例。

在更多的方面，本发明还涉及一种组装根据本发明的轧辊的方法。在独立权利要求5中看到该方法的特征。

发明概述

本发明基于令人惊奇的理解：足够强的冷缩配合接合完全足够用于相对于传动轴可旋转地固定辊环，该冷缩配合接合能够借助于辊环相对于传动轴的准确的应力计算和良好平衡的尺寸来实现。通过考虑[w2]具有传动轴的直径的至少0.01％的冷缩配合或过盈的冷缩配合接合，相应地产生的结果是，尽管实际上省略两个部件之间的所有类型的机械锁定装置，辊环仍然能够受到完全符合要求的扭矩，而不会在传动轴上滑动。正好与传统的设计理念相反，因此根据本发明的轧辊能够在除了两个至关重要的主要部件(即，传动轴和辊环(或多个辊环))外，无需任何附加细节的情况下就被制造出来。

附图说明

在附图中：

图1为根据本发明的轧辊处于组装状态的截面透视图，

图2为相同状态下，同一轧辊的纵截面，

图3为包括在轧辊中的单独的辊环的纵截面，

图4为轧辊的单独的传动轴的纵向视图，

图5为图3的V-V的横截面，

图6为图4的VI-VI的横截面，和

图7为图3的VII的细节放大图。

具体实施方式

在附图中，1通常表示轧辊或传动轴，2表示安装在轧辊或传动轴的外部的辊环。在实例中，所述辊环2包括内环3以及两个外环4，在所述外环4的包络面中形成有用于轧制狭长产品的周向辊槽5。

传动轴1包括以柱形包络面6的形式的辊筒(参见图4)，辊筒与轴的中心轴C1同心，并且辊筒在相对的两端处转变成具有减小直径的轴颈7的包络面。在本例下，轴的两端包括两个轴颈7的平面端面8。轴的总长度L1取决于两个端面8之间的距离。由于每个轴颈7具有一定的长度L2，因此包络面6的轴向伸长或长度L3小于轴的总长度L1。轴沿着包络面6的外径被表示为OD1(参见图6)。

辊环2的内环3(参见图3)包括包络面9以及内表面或者内侧10，两者均具有柱形的基本形状并且与辊环的中心轴C2同心。内环相对的两端包括环状平面表面11，它们彼此之间的距离决定内环的轴长L4。在图3和5中，ID表示内环3的内径，而OD2表示其外径。两个外环4中的每一个都被镶铸[w3]在内环3的包络面中并且以这种方式永久地以冶金方式与内环结合成整体。在本例下，各外环4的外径(缺少参考标记)大于内环的外径OD2(它们也可以同样大)，同时外环的内侧具有如下直径，一方面其小于内环的外径，而另一方面大于内径ID。同样应该提出的是，当轧辊已经被组装时，辊环2的中心轴C2与传动轴1的中心轴C1重合。

在实践中，优选的是用钢铁来制造传动轴1，但是其他材料也是可行的，特别是具有相当高的硬度(高碳含量)的铸铁。作为辊环2的外环4的材料，有利的是使用传统的硬质合金，即，通过压制和烧结包含WC和粘结相(例如Co或Co+Ni+Cr)的硬质合金粉末而获得的粉末冶金材料。然而，应该指出的是，除了传统的硬质合金外的其他硬质材料也能够被使用，例如，高速钢。最后，内环3的材料通常由比外环的硬质材料更韧性的材料组成，诸如，举例来说，金属或者金属合金。在大多数情况下，这里优选的是球墨铸铁，例如，在EP0753594中公开的类型。

轧辊的两个主要部件的制造在分离的操作中实现。通过包络面6和轴颈7的外侧的外部纵向车削，以及端面8的表面车削，从柱形坯料制造出传动轴1。通过坯料的铸造生产出辊环2，其中预成形的硬质合金环被嵌入应该形成内环的液态球墨铸铁中。通过车削加工该坯料，即包络面9的外部纵向车削，内侧10的内部纵向车削，以及端面11的表面车削。可能的是，可以珩磨辊环的内表面10以及传动轴的包络面6，以提供良好的尺寸精度。

在原型实施例中，传动轴1的包络面6具有756mm的长度L3，并且在室温下直径OD1为200mm。尺寸L3代表最大轧辊宽度。在本例下，辊环2的长度L4小于辊宽度并且为700mm。在室温下，辊环具有小于传动轴直径OD1的内径并且在原型实施例中为199.84mm。这意味着ID和OD1之间的差值为0.16mm或者为传动轴的外径OD1的0.08％。

通过将辊环冷缩[w4]装配在传动轴上实现部件1和2的组装。这能够以多种方式实现，其中之一是冷却传动轴1并且将辊环2保持在室温下。在原型实施例中，如果传动轴被冷却到-170℃(例如，在液氮中)，则包络面6的外径OD1从200mm减小到199.55mm。因此，在这种状态下，OD1比ID小0.29mm。以这种方式，传动轴可能被插入到辊环的内部。在将两个部件相对于彼此定位在所期望的位置之后，使两个部件的温度相等，即为室温。在该方面中，传动轴膨胀并且提供冷缩配合接合，其过盈为0.16mm。进行的测试表明，这个强度的冷缩配合接合完全足够用于将相当大的扭矩从传动轴传递至辊环，而不会产生所提及的辊环相对于传动轴的滑动(当轧辊在恶劣的外界条件下运行时，诸如重负荷或频繁的温度波动时也是如此)。

为了在冷缩装配过程期间便于将传动轴1插入辊环2中，在邻近辊环的内环3的各个的端面11(参见图7)处，形成有锥形表面12，该锥形表面通过圆角过渡[w5]R而转变成内柱形表面10。在实例中，所述表面12的锥角α为15°(2×α＝30°)，且表面具有轴向延伸或者长度L5，所述轴向延伸或者长度L5至少应该为5mm，合适地至少为10mm。将辊环中的凹形的锥表面12与相邻于传动轴包络面6的凸形的锥表面相结合也是可行的。

在上文提到的具体的实例中，所达到的冷缩配合接合的过盈为传动轴直径的0.08％(0.16/200)。该过盈尺寸可以根据轧辊的尺寸和所期望的扭矩改变，但是无论如何都应该至少为0.01％，合适地至少为0.05％，更合适地至少为0.07％。另一方面，为了可靠地避免在辊环中有害的应力现象的风险，过盈尺寸不应该超过0.12％。有益地，给予接合0.07-0.10％范围内的过盈。

本发明的有益效果

本发明的主要优点在于，本发明轧辊的复合辊环能够以可靠和简单的方式可旋转地固定于传动轴，而不需要任何机械锁定或联接装置。而且，因为没有任何联接装置强加在沿传动轴的包络面的可用的空间上，所以能够以最佳的方式利用有效的轧辊宽度。而且，因为实质上所有要求去除切屑的加工都能够以车削的方式完成，所以可以在没有复杂和成本升高的加工操作的情况下制造轧辊的两个主要部件。换言之，两个部件的坯料不需要在不同的加工站之间被移动。此外，没有机械联接装置，特别是以槽、孔、埋头孔等形式的凹形装置，使得没有任何一个部件被不必要地削弱。综上所述，这些因素意味着制造轧辊的总成本能够减少。另外，因为轧辊的部件的数目已经减少到绝对最少，所以当辊轧机在操作中时的故障和停机等被减少。

本发明的可行修改

本发明并不仅仅限于上文描述以及在附图中示出的实施例。因此，为传动轴装配两个或多个辊环，而辊环可以各自包括一个及多个硬质合金环是可行的。此外，可以以除了冷却传动轴外的另一方式进行各个辊环的冷缩装配。相应地，为了使辊环的内部变宽，可以在加热辊环的同时而传动轴保持室温。将传动轴的冷却和辊环的加热相结合也是可行的。总之，应该指出的是，根据本发明，组装方法不仅能够用于新轧辊的生产，也能够用于使用过的轧辊的修复。因此，如果轧辊的两个部件之一被损坏或者磨损，另一部件能够在冷缩配合接合被分离后再利用，更精确地说，通过被固定地冷缩配合到新的或者经修复过的部件而被再利用。虽然优选地设置冷缩配合接合，所述冷缩配合接合具有在传动轴的包络面和辊环的内侧之间完整的表面接触，但是如果有需要，部分表面接触也是可行的。

Claims (5)

1.一种轧辊，包括，一方面，传动轴(1)，所述传动轴(1)包括具有一定的外径(OD1)和一定的长度(L3)的柱形包络面(6)，并且，另一方面，包括较短的辊环(2)，所述辊环(2)包括硬质材料制成的外环(4)以及与所述外环同心并用较韧性的材料制成的内环(3)，所述内环包括具有一定的内径(ID)的柱形内侧(10)，并且，一方面，所述内环以冶金方式永久地与所述外环(4)结合成整体，而另一方面，所述内环则可旋转地刚性连接于所述传动轴(1)，从而将扭矩从所述传动轴传递给所述外环(4)，其特征在于，所述传动轴(1)和所述辊环(2)之间的可旋转刚性接合独自地由冷缩配合接合构成，该冷缩配合接合被建立在所述传动轴的包络面(6)和所述内环的内侧(10)之间，并且具有至少为所述传动轴(1)的外径(OD1)的0.01％的过盈。

2.根据权利要求1所述的轧辊，其特征在于，冷缩配合接合的过盈至少为传动轴(1)的外径(OD1)的0.05％。

3.根据权利要求1或2所述的轧辊，其特征在于，冷缩配合接合的过盈至少为传动轴(1)的外径(OD1)的0.07％。

4.根据前述权利要求中任一项所述的轧辊，其特征在于，邻近辊环(2)的内环(3)的端面(11)处，形成有锥形表面(12)，通过圆角过渡(R)，所述锥形表面转变成内环的内侧(10)。

5.用于组装下述类型的轧辊的方法，所述轧辊包括，一方面，传动轴，所述传动轴包括具有一定的直径和一定的长度的柱形包络面，并且，另一方面，包括较短的辊环，所述辊环包括硬质材料制成的外环以及与所述外环同心并用较韧性的材料制成的内环，所述内环包括具有一定的内径的柱形内侧，并且，一方面，所述内环以冶金方式永久地与所述外环结合成整体，而另一方面，所述内环可旋转地刚性连接于所述传动轴，从而将扭矩从所述传动轴传递给所述外环，其特征在于以下步骤：分别使所述传动轴和所述辊环的温度产生差别，将所述传动轴插入所述辊环，并且在建立冷缩配合接合的同时，使温度相等，所述冷缩配合接合在所述传动轴和所述辊环之间形成独自的可旋转刚性接合，并且具有所述传动轴的外径的至少0.01％的过盈。

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