齒輪主軸以及具備該齒輪主軸的軋機的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及齒輪主軸以及具備該齒輪主軸的軋機。
【背景技術(shù)】
[0002] 軋機的工作輥被電動機驅(qū)動而進行旋轉(zhuǎn)。由電動機產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動力經(jīng)由具有分 配功能的變速器、一對主軸而傳遞至上下的一對工作輥。
[0003] 根據(jù)軋制條件等使用環(huán)境的不同而區(qū)分使用主軸。例如，在軋制普通硬度的材料 的軋機中，使用UJ主軸（UniversalJoint，別稱：螺旋槳軸），在軋制較高硬度的材料（例 如，40%壓下變形阻力值約為70[kg/mm2]的材料）的高硬度件軋制用軋機中，使用齒輪主 軸。
[0004] 以機動車等構(gòu)造體中的高強度化、輕型化為目的，開發(fā)出作為更高硬度件的高抗 拉強度鋼（別稱高強度件，例如，40%壓下變形阻力值約為130[kg/mm2]的材料）。因此，要 求用于軋制高抗拉強度鋼的高抗拉強度鋼軋制用軋機，伴隨于此，要求向高抗拉強度鋼軋 制用軋機提供的高性能的齒輪主軸。對于能夠向該高抗拉強度鋼軋制用軋機提供的高性能 的齒輪主軸而言，需要滿足以下所記載的條件（1)、（2)、（3)。
[0005] (1)應(yīng)為小徑。
[0006] 在高抗拉強度鋼軋制用軋機中，為了抑制軋制力的增大，通常使用更小徑的工作 輥。工作輥由上下一對構(gòu)成，該一對工作輥分別獨立地與齒輪主軸連結(jié)，并經(jīng)由齒輪主軸 而傳遞軋制動力（旋轉(zhuǎn)動力），由此被驅(qū)動而進行旋轉(zhuǎn)。因此，齒輪主軸與工作輥同樣地由 上下一對構(gòu)成，并且需要將齒輪主軸中的與工作輥連結(jié)的連結(jié)部設(shè)為比工作輥直徑小的直 徑，使得設(shè)置為上下一對的齒輪主軸彼此不干擾。
[0007] 例如，在高硬度件軋制用軋機中，工作輥徑Dw= 330 [mm]，齒輪主軸外徑D= 325[mm]，與此相對，在高抗拉強度鋼軋制用軋機中，為了限制軋制力而設(shè)為工作輥徑Dw= 250 [mm]，并且要求齒輪主軸外徑D= 245 [mm]，使得齒輪主軸在上下方向上不干擾。
[0008] 在此，工作輥徑Dw是能夠使用的最小徑。工作輥隨著在軋制中的使用，其表面通過 與被軋制件的接觸而磨損，并且，由于經(jīng)常利用研磨機對其表面進行研磨，因此工作輥徑Dw 伴隨著使用而逐漸變細。該工作輥的最大徑與最小徑之差一般約為10%左右。
[0009] ⑵應(yīng)能夠傳遞較大的轉(zhuǎn)矩。
[0010] 由于軋機中的軋制轉(zhuǎn)矩T受到被軋制件的變形阻力值F和工作輥徑Dw的左右，因 此成為T〇cf(F)+f(Dw)。如上所述，高抗拉強度鋼軋制用軋機中的工作輥徑Dw比高硬度件 軋制用軋機中的工作輥徑D/j、，高抗拉強度鋼的變形阻力值比以往的高硬度件的變形阻力 值格外大，因此高抗拉強度鋼的軋制所需的軋制轉(zhuǎn)矩變得比以往的高硬度件的軋制所需的 軋制轉(zhuǎn)矩大。
[0011] 例如，以往的高硬度件軋制用軋機的齒輪主軸中的允許傳遞轉(zhuǎn)矩1的強度指 數(shù)T/D3(T為每一根齒輪主軸的必要傳遞轉(zhuǎn)矩[ton?!!!]，D為齒輪主軸外徑[mm])為T/D3彡0. 4 [ton/m2]，與此相對，高抗拉強度鋼軋制用軋機的齒輪主軸中的允許傳遞轉(zhuǎn)矩八的 強度指數(shù)T/D3為T/D3N〇. 6~0. 8[ton/m2]。這樣，當(dāng)被軋制件的變形阻力值增大時，允 許傳遞轉(zhuǎn)矩Ta的強度指數(shù)T/D3也增大。（傳遞轉(zhuǎn)矩T的強度指數(shù)T/D3[ton/m2]為省略了 "X109"的記載。由于將齒輪主軸外徑D[mm]單位換算成齒輪主軸外徑DXl(T3[m]后代入 T/D3,因此原始的記載為（T/D3)X109[ton/m2]。以下在本說明書中，將針對齒輪主軸外徑 D[mm]的傳遞轉(zhuǎn)矩T的強度指數(shù)省略記載為與上述相同的T/D3[ton/m2]。）
[0012] (3)應(yīng)能夠高速旋轉(zhuǎn)。
[0013] 軋機的生產(chǎn)能力由板厚、板寬、以及軋制速度的乘數(shù)來表示。通常，將被軋制件的 板厚和板寬設(shè)為固定進行生產(chǎn)，乳機的生產(chǎn)能力依賴于軋制速度。由于軋機的軋制速度V 被工作輥徑Dw和工作輥轉(zhuǎn)速N左右，因此成為V°cDwXN。如上所述，高抗拉強度鋼軋制用 軋機中的工作輥徑〇"比高硬度件軋制用軋機中的工作輥徑D"小，因此在相同轉(zhuǎn)速N下，乳 制速度V必然下降，乳機的生產(chǎn)能力也下降。因此，在高抗拉強度鋼軋制用軋機中，為了確 保與高硬度件軋制用軋機同等的生產(chǎn)能力，需要使工作輥通過比高硬度件軋制用軋機高的 速度旋轉(zhuǎn)。即，在高抗拉強度鋼軋制用軋機中，謀求能夠高速旋轉(zhuǎn)的齒輪主軸。
[0014] 例如，在具有工作輥徑Dw330[mm]的工作輥的以往的高硬度件軋制用軋機中，為了 獲得軋制速度2000[mpm]的生產(chǎn)能力，作為齒輪主軸要求能夠與1930[rpm]的轉(zhuǎn)速對應(yīng)的 規(guī)格。但是，在變成小徑的工作輥徑Dw250[mm]的高抗拉強度鋼軋制用軋機中，為了獲得與 所述同等的軋制速度2000[mpm]的生產(chǎn)能力，作為齒輪主軸而要求能夠與大約為以往轉(zhuǎn)速 的1. 3倍即2546 [rpm]的轉(zhuǎn)速對應(yīng)的高旋轉(zhuǎn)規(guī)格。
[0015] 通常可知，當(dāng)旋轉(zhuǎn)體成為高速旋轉(zhuǎn)時，在旋轉(zhuǎn)體中產(chǎn)生撓曲振動、偏斜振動、扭轉(zhuǎn) 振動等，通過共振等而對旋轉(zhuǎn)體造成較大的影響。在軋機中，若產(chǎn)生共振，則作為旋轉(zhuǎn)體的 齒輪主軸容易破損，而且即便沒有產(chǎn)生共振，振動也被傳遞至被軋制件，因此顯現(xiàn)為板厚的 不均勻、板的形狀變差、表面性狀變差，成為顯著損害被軋制件的品質(zhì)的原因。于是，作為能 夠與高速旋轉(zhuǎn)對應(yīng)的齒輪主軸，需要難以產(chǎn)生振動。具體而言，要求輕型、長度短、且齒隙等 間隙小的齒輪主軸。
[0016] 例如，由于表示齒輪主軸等旋轉(zhuǎn)體的振動容易度的共振轉(zhuǎn)速Nc被旋轉(zhuǎn)體的外徑D 和旋轉(zhuǎn)體的長度L左右，因此成為Nc〇cf(D)/f(L)。即，旋轉(zhuǎn)體的外徑越小越容易產(chǎn)生共 振，旋轉(zhuǎn)體的長度越長越容易產(chǎn)生共振。
[0017] 存在上述的高抗拉強度鋼軋制用齒輪主軸中要求的功能阻礙其他功能的問題。
[0018] 齒輪主軸的允許傳遞轉(zhuǎn)矩Ta依賴于使用齒輪主軸時的傾斜角0和齒輪主軸外徑 D。傾斜角0越小且齒輪主軸外徑D越大，齒輪主軸的允許傳遞轉(zhuǎn)矩T/變得越大，因此成 為八~f(D)/f( 0 )。齒輪主軸以一方與變速器連結(jié)且另一方與工作輥連結(jié)的方式旋轉(zhuǎn)，因 此，若工作輥的軸的高度與變速器的軸的高度相同，則齒輪主軸的傾斜角9 =0°，成為強 度上最佳的條件。
[0019] 但是，在高抗拉強度鋼軋制用軋機的情況下，由于軋制載荷的限制，必須使工作輥 徑比通常細，另一方面，必須使變速器大型化以用于傳遞高轉(zhuǎn)矩。因此，變速器的軸心高度 與工作輥軸心高度的偏差與以往相比變大，因此必須使高抗拉強度鋼軋制用齒輪主軸的傾 斜角0變得比通常的齒輪主軸大。這表示齒輪主軸的允許傳遞轉(zhuǎn)矩變得比通常小。
[0020] 為了避免上述問題，即、為了即便兩個軸心高度偏差A(yù)H較大也使齒輪主軸傾斜 角0為通?；蛲ǔＲ韵?，從tan0 =AH/L可知，需要使齒輪主軸長度L變長來抑制由兩個 軸心高度偏差A(yù)H的增大引起的齒輪主軸傾斜角0的增大。但是，面臨如下問題：由于高 抗拉強度鋼軋制用齒輪主軸的外徑較細而容易產(chǎn)生振動，因此若使齒輪主軸長度L變長， 則更加容易產(chǎn)生振動。因此，可以說以目前的技術(shù)是很難實現(xiàn)的。
[0021] 需要說明的是，今后考慮開發(fā)硬度比高抗拉強度鋼更高的超高抗拉強度鋼，并要 求用于軋制超高抗拉強度鋼的軋機以及能夠與這種軋機對應(yīng)的性能更高的齒輪主軸。即， 在上述條件（1)、（2)、（3)中，需要應(yīng)對與以往相比進一步的小徑化、允許傳遞轉(zhuǎn)矩的增大 以及高速旋轉(zhuǎn)。
[0022] 在先技術(shù)文獻
[0023] 專利文獻
[0024] 專利文獻1:日本特開平8-21453號公報
[0025] 發(fā)明要解決的技術(shù)問題
[0026] 例如專利文獻1中記載有軋制硬度較高的材料的軋機中的齒輪主軸。在該技術(shù) 中，通過在油室中設(shè)置潤滑油供油孔和供油量檢測孔，由此不會因潤滑油壓迫密封構(gòu)件而 使密封構(gòu)件破損，并且消除潤滑油從密封構(gòu)件的破損位置泄漏的可能性，能夠縮短潤滑油 的補給和密封構(gòu)件的更換所需的作業(yè)時間。
[0027] 另外，預(yù)想設(shè)置于內(nèi)筒的外齒損壞的情況，將內(nèi)筒設(shè)為如下構(gòu)造：分割成具有外齒 的軸套和齒輪主軸，通過花鍵使軸套和齒輪主軸之間自由拆裝。通過該分割構(gòu)造，有可能使 齒輪主軸強度稍微下降，但與該缺點相比，更優(yōu)先在內(nèi)筒外齒破損時迅速進行更換。
[0028] 但是，如上所述，在超高抗拉強度鋼的軋制中，要求與以往相比強度更高且更加小 徑的齒輪主軸，因此利用以往的齒輪主軸無法應(yīng)對。
[0029] 齒輪主軸的目的之一在于，允許兩側(cè)（工作輥側(cè)和變速器側(cè)）的高度方向上的軸 心偏差（AH)進行旋轉(zhuǎn)。因此，外筒的內(nèi)齒為平齒，但在內(nèi)筒的外齒上形成有齒的中央比兩 端厚的鼓形齒。該鼓形齒防止因軸心偏差（AH)使聯(lián)軸器的內(nèi)筒和外筒的齒干擾而鎖定聯(lián) 軸器。因此，以往認為最好優(yōu)先較大地確保鎖定的富余度，并且不使鼓形齒半徑過大。
[0030] 作為決定齒輪主軸的允許傳遞轉(zhuǎn)矩的主要因素，舉出齒面面壓、齒根彎曲應(yīng)力、PV 值，但隨著近年來齒面熱處理的進步，具體而言隨著從調(diào)質(zhì)處理向氮化處理、高頻處理、滲 碳處理的進步，較大地改善了齒面面壓強度。因此，目前的決定允許傳遞轉(zhuǎn)矩的主要因素是 齒根彎曲應(yīng)力和PV值，要求在該方面的進步。
[0031] 以往，決定齒根彎曲應(yīng)力〇的主要參數(shù)是轉(zhuǎn)矩T、傾斜角0、齒輪主軸外徑D、齒寬 B，認為〇 〇cTXf(0V(D2XB)。即，鼓形齒半徑?jīng)]有被看作齒根強度參數(shù)。
[0032] 但是，由于齒輪聯(lián)軸器的外筒的內(nèi)齒是平齒，與此相對，在內(nèi)筒的外齒上沿齒寬方 向形成有鼓形齒，因此齒輪主軸中的齒輪成為在齒寬方向上結(jié)合了平板和圓柱那樣的接觸 模型。即，外筒和內(nèi)筒中的齒只在赫茲扁平的區(qū)域中接觸，并不是在齒寬整體上負擔(dān)負荷。 因此，齒根彎曲應(yīng)力〇成為〇~TXf(0V(D2XBh)。在此，Bh是有效齒寬Bh=f(Cr， T)，其依賴于鼓形齒半徑Cr和負荷轉(zhuǎn)矩T。另外，一般是0 <Bh/B<< 1. 0。
[0033] S卩，鼓形齒半徑Cr是齒根強度的重要的參數(shù)，若增大鼓形齒半徑Cr則齒容易變得 扁平，從而使齒的節(jié)圓直徑上的齒寬方向上的負荷范圍變寬，并且使齒根的負荷分擔(dān)范圍 變寬，因此使齒根強度顯著地提高。
[0034] 另一方面，若將鼓形齒半徑Cr增大至不必要的量，則使必要齒寬、必要齒隙變大， 從而在高速旋轉(zhuǎn)中產(chǎn)生障礙，并且導(dǎo)致齒輪主軸的齒以外的部位的強度下降，引起作為齒 輪主軸整體的能力下降，因此無法滿足上述那樣的高抗拉強度鋼軋制用齒輪主軸中要求的 條件。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0035] 本發(fā)明正是鑒于上述那樣的問題而完成的，其目的在于，通過選定鼓形齒半徑和 齒寬的最佳組合，從而能夠進行高速軋制，并且改善齒面面壓強度、齒根彎曲強度以及PV 值。
[0036] 齒輪主軸通過齒輪的節(jié)圓直徑來決定強度，但是本發(fā)明獲得通過增大齒輪的鼓形 齒半徑來提高齒輪的強度這樣的見解，從