为了满足经济快速发展的需要,我国正在快速实现铁路运输系统的高速化、重载化。钢轨作为铁路系统的基础设施,其尺寸精度、性能和强度是制约铁路运行速度的重要因素。目前钢轨万能轧制过程的研究主要集中在设备改造和工艺改进上,理论研究也主要依靠有限元软件进行数值模拟或实验来完成,这对提高钢轨性能来说进展比较缓慢。随着钢轨万能连轧技术和自动化控制技术的快速发展,建立精确的万能轧制数学模型变得越来越重要。本文以简化后钢轨三维几何模型为基础,研究了轨头和轨底宽展规律、轨头和轨底内侧变形区中性线方程及其单位压力分布规律,给出了准确的计算轨头和轨底变形区的单位压力公式,探讨了钢轨轧制过程中轨头和轨底的搓轧成形机理。首先给出钢轨简化后的三维几何模型,推导出万能轧制过程轨腰变形区、轨头及轨底变形区的面积计算公式,并且基于秒流量相等规律推导轨头内侧及轨底内侧和水平辊侧面接触区的中性线方程(三维曲线),利用MATLAB编程软件绘图分析不同压下系数组合情况下中性线位置变化。其次,将轨头和轨底变形区离散成许多微单元体,研究微单元体上的平衡条件,建立万能轧制时轨头、轨底变形区的三维近似平衡微分方程式,并得到轨头、轨底接触变形区单位压力分布公式。在此基础上利用MATLAB编程软件绘图分析不同压下系数组合情况下对单位压力的影响。最后,在DEFORM-3D有限元分析软件中,建立钢轨万能轧制的热力耦合有限元模拟计算模型,并进行有限元模拟得到钢轨万能轧制过程中的各道次的轨头和轨底内侧变形区单位压力分布图以及摩擦力分布图。通过将理论计算结果与数值模拟结果进行对比可知:理论公式计算结果与钢轨万能轧制模拟结果比较接近,可以应用于钢轨实际生产中计算轨头和轨底变形区单位压力。通过对轨头和轨底变形区摩擦力分析,探讨了轨头和轨底搓轧成形过程。