淺談軋輥磨削質(zhì)量影響因素及主要缺陷控制

供稿|韋瑩，唐水清 /

作者單位：廣西鋼鐵集團(tuán)有限公司冷軋廠(chǎng)，防城港 538000

軋輥是保證帶鋼表面質(zhì)量的重要設(shè)備，在軋制生產(chǎn)中會(huì)受到機(jī)械磨損、高溫氧化等因素影響使其表面受損，最終影響帶鋼質(zhì)量。軋輥磨削加工就是為了恢復(fù)軋輥表層的力學(xué)及物理性能、輥型和表面粗糙度，從而保證軋制產(chǎn)品的表面質(zhì)量及板形，因此，軋輥磨削在帶鋼軋制生產(chǎn)中有著重要的地位。本文通過(guò)軋輥磨削原理介紹、設(shè)備對(duì)磨削質(zhì)量的影響和磨削主要缺陷控制等三方面對(duì)軋輥磨削表面質(zhì)量控制進(jìn)行了分析，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)磨削操作具有較強(qiáng)的實(shí)際操作借鑒意義。

軋輥磨削參數(shù)與質(zhì)量控制的關(guān)系

軋輥磨削簡(jiǎn)要描述

軋輥磨削是砂輪與軋輥之間在磨床設(shè)定的曲線(xiàn)軌跡上的相互摩擦的一種運(yùn)動(dòng)。作為磨削過(guò)程中的刀具——砂輪是用結(jié)合劑粘結(jié)特定磨粒制成的，可以看成由無(wú)數(shù)把形貌不規(guī)則，分布不均勻的刀頭組合而成的一種特殊銑刀[1]。為了方便磨削機(jī)制的過(guò)程分析，將連貫完成并沒(méi)有明確界線(xiàn)的整個(gè)磨削過(guò)程界定為粗磨階段、精磨階段、拋光階段等三個(gè)階段：(1) 粗磨階段控制輥型，對(duì)軋輥加工余量完成80%磨削量；(2)精磨階段保持磨削的穩(wěn)定，使表面粗糙度逐漸下降；(3)拋光階段使表面粗糙度達(dá)到目標(biāo)值且保證其均勻性。

軋輥磨削及粗糙度的影響因素分析

磨粒切削厚度影響分析

依據(jù)銑刀的切削理論，砂輪磨粒可以假設(shè)成變異的銑刀，而砂輪就是一把多齒的銑刀，利用單齒銑削厚度的原理，并假設(shè)砂輪是理想銑刀的前提下，可以推導(dǎo)出一個(gè)磨粒的切削厚度公式(1)，實(shí)際上每個(gè)磨粒在砂輪表面的分布是不規(guī)則的且切削厚度是不同的，借助公式(1)對(duì)影響磨削質(zhì)量的相關(guān)因素進(jìn)行定性分析。

切削厚度與磨粒的切削負(fù)荷、磨削力和砂輪磨損成正比，且切削厚度越大磨出的軋輥表面質(zhì)量越差，切削厚度越小磨出的軋輥表面質(zhì)量越好。式(1)中，當(dāng)頭架轉(zhuǎn)速vw、拖板速度f(wàn)a、砂輪進(jìn)給量fr增大時(shí)，單個(gè)磨粒的磨削厚度增大，磨削的軋輥表面質(zhì)量就會(huì)變差；當(dāng)砂輪轉(zhuǎn)速v、砂輪寬度B、砂輪直徑d0、砂輪粒度m、軋輥直徑dw增大時(shí)，單個(gè)磨粒的磨削厚度變小，磨削的軋輥表面質(zhì)量就會(huì)變好。

軋輥表面粗糙度影響因素分析

工件磨削加工后表面的較小間距微小峰谷的不平度，可以表明工件表面的微觀特性，用表面粗糙度來(lái)定義。

式中，R為磨削表面粗糙度；K為根據(jù)磨削情況而定的常數(shù)；a，b，c為指數(shù)。

式(2) 中，一般情況下指數(shù)取a=0.25，b=0.5，c=0.38，因此可以得出對(duì)粗糙度影響最大的是托板速度(軸向進(jìn)給量)fa，其次是磨削速比vw/v，最小的是徑向進(jìn)給量fr。徑向進(jìn)給量fr在粗磨和前精磨階段對(duì)表面粗糙度影響較大，到后精磨階段和拋光階段時(shí)對(duì)表面粗糙度影響變得很小。因此，在實(shí)際操作中，有經(jīng)驗(yàn)的軋輥磨床操作工通常將軸向進(jìn)給量fa控制在小而平穩(wěn)的狀態(tài)下，不僅能有效降低磨削表面殘余應(yīng)力，優(yōu)化軋輥表面的物理、力學(xué)機(jī)能，還能獲得均勻的軋輥表面粗糙度值。

軋輥磨削參數(shù)的定性分析及選擇

由磨削原理分析可知，m、B、d0、dw是加工前確定了的數(shù)據(jù)，即在磨削工藝過(guò)程中不能改變的靜態(tài)因素。fa、fr、vw/v是在磨削工藝流程中可以改變的動(dòng)態(tài)因素，是磨床操作工控制磨削質(zhì)量的直接因素，因此這些參數(shù)選擇的經(jīng)驗(yàn)值顯得尤為重要。

進(jìn)給速度f(wàn)a

磨削過(guò)程中，z軸軸向進(jìn)給速度f(wàn)a對(duì)表面粗糙度影響最大，應(yīng)逐漸減小，參數(shù)設(shè)置一般根據(jù)砂輪寬度來(lái)選擇，即頭架每轉(zhuǎn)一次砂輪沿z軸軸向行走距離為：粗磨階段fa=(0.3～0.85)B，精磨階段fa=(0.2～0.3)B，拋光階段fa=(0.1～0.2)B。

x 軸徑向進(jìn)給量fr

磨削過(guò)程中，x軸徑向進(jìn)給量fr也應(yīng)不斷減小，其值跟軋輥的硬度、砂輪的脫粒、磨削輥面的直徑有關(guān)。拖板每往復(fù)一個(gè)行程，結(jié)合原始輥型及磨削要求來(lái)選擇fr：粗磨階段fr=(0.005～0.02) mm，精磨階段fr=(0.001～0.005) mm，拋光階段取消徑向進(jìn)給或穩(wěn)定保持很小的徑向進(jìn)給量。

砂輪轉(zhuǎn)速v

相比軸向進(jìn)給速度f(wàn)a，磨削速比vw/v雖然對(duì)磨削表面的影響略小，但也是最終決定磨削表面優(yōu)劣的關(guān)鍵因素。在不超過(guò)砂輪自身額定線(xiàn)速度的上限45 m/s 以及磨床系統(tǒng)不出現(xiàn)振紋和斜花紋等不穩(wěn)定的現(xiàn)象的前提下，使用盡量高的砂輪速度，一般情況下，砂輪速度v=(25～35) m/s。

頭架轉(zhuǎn)速vw

磨削過(guò)程中，頭架轉(zhuǎn)速vw也應(yīng)不斷降低。按磨削工藝選擇：粗磨階段vw=(40～45) r/min，精磨階段vw=(35～40) r/min，拋光階段vw=(30～35) r/min。

磨床設(shè)備與磨削質(zhì)量的關(guān)系

磨床安裝及維護(hù)

磨床安裝精度直接影響軋輥磨削精度，因此，磨床安裝的一般要求是：要求安裝點(diǎn)周?chē)鸁o(wú)振動(dòng)源、無(wú)陽(yáng)光直射、通氣良好，尤其不能有嚴(yán)重沖擊運(yùn)動(dòng)的機(jī)器，安裝在水泥厚度為 150 mm 以上且四周開(kāi)設(shè)隔離防振溝的地面上。同時(shí)，磨床安裝應(yīng)滿(mǎn)足一下精度要求：

(1)床身V 形導(dǎo)軌安裝精度：水平和垂直方向直線(xiàn)度≤0.01 mm/m，接觸點(diǎn)方面要求每25 mm×25 mm 面積12～14點(diǎn)，相對(duì)托板導(dǎo)軌的垂直度≤0.02 mm/250 m。 床身平面導(dǎo)軌精度： 垂直直線(xiàn)度≤0.01 mm/m，接觸點(diǎn)要求12～14 點(diǎn)/(25 mm×25 mm)，對(duì)V 形導(dǎo)軌的平行度≤0.02 mm/m。

(2)托板V 形導(dǎo)軌精度：垂直方向直線(xiàn)度≤0.01 mm(在全部長(zhǎng)度上)，每25 mm×25 mm 面積上接觸點(diǎn)要求10～12 點(diǎn)。 托板平面導(dǎo)軌精度：平行度≤0.02 mm/m(與V 形導(dǎo)軌之間)，每25 mm×25 mm 面積上接觸點(diǎn)要求10～12 點(diǎn)。

(3)砂輪主軸動(dòng)壓軸承：采用刮刀刮研軸瓦表面的轉(zhuǎn)研方式，同時(shí)滿(mǎn)足軸瓦和主軸軸頸之間的接觸點(diǎn)和配合間隙0.0025～0.005 mm 的要求。靜壓軸承檢查檢查前后軸承油腔壓力，發(fā)現(xiàn)異常即可調(diào)整。

(4)砂輪主軸電機(jī)的振動(dòng)對(duì)磨削表面粗糙度影響比例最大。如果振動(dòng)較大，應(yīng)對(duì)研砂輪法蘭盤(pán)錐孔與主軸錐端，使接觸面80%以上。

另外，磨床潤(rùn)滑也是影響磨削精度的一個(gè)主要原因，如工作臺(tái)導(dǎo)軌的潤(rùn)滑及一些液壓機(jī)構(gòu)的壓力值是否正常都會(huì)直接影響磨削精度，應(yīng)定期檢查。

砂輪

砂輪的選擇

砂輪會(huì)直接影響磨削質(zhì)量，選擇砂輪一般從砂輪的磨料、硬度、粒度和結(jié)合劑等因素綜合考慮。

磨料：為獲得較高的磨削表面質(zhì)量，一般根據(jù)不同材料的鋼質(zhì)軋輥選用與之相匹配的剛玉型砂輪。

硬度：砂輪磨粒脫落的難易程度。如果砂輪磨損太快，說(shuō)明所選用的砂輪太軟，可采取提高砂輪線(xiàn)速度，提高拖板速度到砂輪寬度的2/3～3/4(增加工件每轉(zhuǎn)軸向進(jìn)給量)，降低軋輥速度等措施。 如果采取這些措施后效果仍不明顯，則應(yīng)選擇硬度高一點(diǎn)的砂輪。如果砂輪磨削時(shí)鈍化磨粒不易脫落，砂輪易粘著磨屑，輥面出現(xiàn)燒傷、拉毛現(xiàn)象，則說(shuō)明砂輪太硬，可采取降低砂輪線(xiàn)速度，提高軋輥速度等措施。如果磨削效果仍不明顯，則說(shuō)明所選砂輪太硬，應(yīng)選擇硬度低一點(diǎn)的砂輪。

粒度：粒度是指磨料顆粒尺寸的大小。砂輪的粒度大則耐用度高、切削能力強(qiáng)、不易被堵塞，砂輪的粒度小則性能穩(wěn)定、磨削軋輥表面質(zhì)量高。一般情況，滿(mǎn)足粗磨磨削選用粒度24～80 的砂輪，精密磨削選用粒度150 的砂輪，超精磨或鏡面磨削選用W64～W14 的微粉砂輪。

結(jié)合劑：砂輪是用結(jié)合劑將磨粒粘結(jié)在一起成型并使其具有一定的硬度。最常用的砂輪結(jié)合劑有陶瓷結(jié)合劑(V)和樹(shù)脂結(jié)合劑(B)。軋輥磨床一般選用樹(shù)脂結(jié)合劑材質(zhì)的砂輪。

砂輪的安裝與平衡

(1)砂輪的安裝穩(wěn)定性和精度直接影響加工精度。砂輪卡盤(pán)直徑應(yīng)大于砂輪直徑的1/3。為保證磨削過(guò)程中熱膨脹不出現(xiàn)砂輪脹裂或砂輪配合較松出現(xiàn)偏心振動(dòng)現(xiàn)象，砂輪內(nèi)孔與軸或法蘭盤(pán)外圓之間的間隙為0.1～0.8 mm。

(2)砂輪安裝中螺母墊厚度1～2 mm，安裝于法蘭盤(pán)與砂輪端面間的軟墊直徑大于卡盤(pán)直徑2 mm。為保證安裝精度，卡盤(pán)上不能有銹蝕、磨損或污漬等缺陷。

(3)砂輪運(yùn)轉(zhuǎn)不平衡，將會(huì)加重砂輪主軸的振動(dòng)和軸承的磨損，影響加工質(zhì)量和機(jī)床精度。因此，砂輪一般要進(jìn)行靜平衡或動(dòng)平衡測(cè)試，使其重心與旋轉(zhuǎn)軸線(xiàn)重合。一般只作靜平衡，但對(duì)于高精度數(shù)控軋輥磨床，應(yīng)進(jìn)行動(dòng)平衡彌補(bǔ)砂輪本身的缺陷和安裝時(shí)產(chǎn)生的誤差，到達(dá)運(yùn)行平穩(wěn)及實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量磨削的目的。

砂輪的修整

砂輪的修整就是去除不均勻的表面磨粒，重新獲得平整鋒利的磨粒，恢復(fù)自身外形精度及加工能力。當(dāng)出現(xiàn)下面三種情形時(shí)，說(shuō)明砂輪需要修正：一是受軋輥的摩擦擠壓造成砂輪磨粒逐漸磨圓變鈍。二是磨削韌性材料，磨屑嵌塞在孔隙中產(chǎn)生打滑、引起砂輪振動(dòng)和出現(xiàn)噪音，影響磨削效率和表面質(zhì)量。三是砂輪硬度及表面磨損不均勻喪失外形精度，影響軋輥表面粗糙度及形狀精度。而修整砂輪的主要工具是金剛石，一般先用金剛石對(duì)砂輪進(jìn)行精修，然后再用油石對(duì)砂輪進(jìn)行細(xì)修。

磨削主要缺陷分析及對(duì)策

軋輥磨削輥型缺陷

凸度

軋輥凸度主要有凸度對(duì)稱(chēng)性差和中高超差兩個(gè)缺陷。凸度對(duì)稱(chēng)性差存在床身導(dǎo)軌精度超標(biāo)和軋輥中心未達(dá)標(biāo)準(zhǔn)兩個(gè)原因。因此，首先要對(duì)床身導(dǎo)軌進(jìn)行必要的調(diào)整，校正恢復(fù)其精度；其次核對(duì)軋輥工作面的中心和砂輪起刀到結(jié)束的中心是否完全重合。中高超差的原因有床身精度超標(biāo)和成型機(jī)構(gòu)的間隙消除機(jī)構(gòu)調(diào)整不合適。因此，首先要對(duì)床身進(jìn)行必要的調(diào)整，校正恢復(fù)其精度，再調(diào)整成型機(jī)構(gòu)的間隙消除機(jī)構(gòu)。注意，由于標(biāo)尺轉(zhuǎn)動(dòng)角度極小，機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)非常精密，調(diào)整時(shí)不能隨意拆卸且需要保證潤(rùn)滑良好。

錐度

軋輥對(duì)錐度的要求非?？量?，冷軋工作輥錐度一般要求為0.005 mm。出現(xiàn)錐度超差的原因一方面是床身精度不達(dá)標(biāo)，床頭中心線(xiàn)和軋輥中心線(xiàn)之間的同軸性差，另一方面是磨削中一側(cè)托架潤(rùn)滑不良出現(xiàn)明顯發(fā)熱導(dǎo)致軋輥中心線(xiàn)偏移。因此，在磨削前，首先，要認(rèn)真校正軋輥中心。帶自動(dòng)測(cè)量裝置的磨床，軋輥中心線(xiàn)與基準(zhǔn)的同軸度可達(dá)0.001 mm。沒(méi)有自動(dòng)測(cè)量的磨床，借助千分表測(cè)量調(diào)整軋輥中心線(xiàn)與基準(zhǔn)間的誤差在0.005 mm 之內(nèi)。其次，要仔細(xì)開(kāi)展托瓦清潔工作，防止異物掉落，同時(shí)使用合適的潤(rùn)滑油保證潤(rùn)滑充分，防止輥頸發(fā)熱。

圓度

要求將軋輥工作面圓度偏差及輥頸的圓度偏差控制在0.005 mm。但是，在實(shí)際軋輥磨削時(shí)，即便輥頸處圓度不大于0.005 mm，磨后輥身圓度也可能會(huì)超出要求值的2～3 倍。如圖1 轉(zhuǎn)動(dòng)軋輥，用千分表測(cè)量磨床托架支撐軋輥的主要部位A、B、C、D、E 處的振擺，判斷軋輥振動(dòng)來(lái)源。任何一點(diǎn)振擺過(guò)大都會(huì)導(dǎo)致軋輥圓度不佳，因此要對(duì)振擺過(guò)大點(diǎn)的相應(yīng)部位做適宜的調(diào)整來(lái)減小振擺。

圖1 軋輥傳動(dòng)與振動(dòng)測(cè)量點(diǎn)示意圖

影響軋輥磨削后圓度的原因有：(1)軋輥的輥頸圓度，因?yàn)槠涫擒堓伳ハ鲿r(shí)的基準(zhǔn)；(2)床身左右托架的剛度；(3)托架與軋輥輥頸的接觸精度。磨床頭架工裝與磨床花盤(pán)夾頭點(diǎn)接觸，兩頭墊多片碟形彈簧緩沖驅(qū)動(dòng)扭力，軋輥驅(qū)動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生一對(duì)驅(qū)動(dòng)作用力偶(向左的力偶基本由側(cè)瓦抵擋，向右的力偶只有底瓦來(lái)抵擋)，該驅(qū)動(dòng)力偶會(huì)使軋輥每旋轉(zhuǎn)一周作兩次向右振擺，使E 處振擺是最高點(diǎn)。托架鎖緊螺栓松動(dòng)，托架與導(dǎo)軌面接觸差存在間隙，托瓦絲桿的間隙過(guò)大，瓦面與輥頸的弧面接觸差等使輥身振動(dòng)，影響E 處的振擺大小。

因此，提高圓度可采取以下措施：采用變速磨削軋輥，通過(guò)改變力偶的周期變化來(lái)改變E 處振擺的周期性變化；鏟刮磨床床身導(dǎo)軌面與托架接觸面，接觸均勻且接觸點(diǎn)不少于12 點(diǎn)/25 mm×25 mm；碾刮托瓦巴氏合金，改善托瓦弧面和軋輥輥頸架接觸面；更換側(cè)瓦絲桿，修磨側(cè)瓦壓板內(nèi)表面，校對(duì)新絲桿自由間隙，保證側(cè)瓦平穩(wěn)固定；更換花盤(pán)夾頭碟形彈簧，調(diào)整夾頭與軋輥扁頭間間隙至合理值；調(diào)整合適主軸間隙，提高主軸剛度[2]。

軋輥磨削表面缺陷

振紋

軋輥磨削過(guò)程中任一位置的振動(dòng)超幅其表面都有產(chǎn)生振痕的可能，而產(chǎn)生振紋的機(jī)理是軋輥在前一道次磨削時(shí)表面產(chǎn)生了波紋，后一道次將在有波紋的表面上進(jìn)行磨削，會(huì)在軋輥表面上形成新的波紋。對(duì)于高精度磨床，產(chǎn)生振紋的主要原因是主軸系統(tǒng)，產(chǎn)生斜紋主要原因是床頭撥盤(pán)系統(tǒng)。 因此振紋消除措施有：

(1)以10%/min 的變化幅度變速磨削軋輥，可以使軋輥表面的振紋相移不停變化，從而使系統(tǒng)能頻繁離開(kāi)顫振激發(fā)區(qū)，抑制顫振的出現(xiàn)，提高磨削質(zhì)量；

(2)確保主軸系統(tǒng)精度在要求內(nèi)。主軸圓度和圓柱度公差均≤0.00 1mm，表面粗糙度Ra0.02 μm；主軸徑向間隙≤0.10 mm，軸向間隙約0.02 mm；軸與軸承內(nèi)孔的接觸點(diǎn)數(shù)≥12 點(diǎn)/(25 mm×25 mm)；

(3)主軸油腔必須密封、清潔無(wú)異物；主軸油無(wú)水汽、雜質(zhì)等，清潔度達(dá)標(biāo)且需定期更換；

(4)按磨削工藝修整砂輪。

劃痕

劃道是砂輪脫粒造成的不能完全消除的短劃痕，如圖2 所示，原因有：磨削時(shí)磨粒掉在砂輪和軋輥之間，冷卻液將磨?；蚰バ紟肷拜喤c軋輥表面之間，砂輪工作面上存在凸起的磨粒，砂輪磨料脆性較大磨粒易破碎，砂輪硬度偏低或不均勻易脫落，選用粒度太粗的砂輪等?？刹扇∫韵麓胧p少或使其變短：(1)增加磨削液流量沖洗砂輪和輥面結(jié)合處；(2) 適當(dāng)提高砂輪線(xiàn)速度；(3)選擇脫粒速度合適的砂輪。

圖2 劃痕示意圖

螺旋紋

由磨削原理可知，螺旋紋是無(wú)法完全消除的，其產(chǎn)生與磨削工藝和砂輪選型有關(guān)，見(jiàn)圖3。通過(guò)每次修整完砂輪必須倒圓角，選擇適宜的磨削工藝和匹配的砂輪，以及調(diào)整合理參數(shù)修磨可以減輕該缺陷。

圖3 螺旋紋示意圖

織布紋

織布紋和螺旋紋一樣，由磨削原理決定其無(wú)法完全消除，但可以通過(guò)選擇合適砂輪和調(diào)整磨削工藝得到減輕。

色差

色差是一種綜合產(chǎn)物，是由軋輥粗糙度、圓度、硬度和輥面振紋等多方面因素造成的。控制好輥面粗糙度均勻性、輥身圓度、表面的淺振紋和軋輥輥身硬度的均勻性可以得到較好的控制。

結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)磨削和粗糙度公式進(jìn)行分析，定性總結(jié)了磨削參數(shù)對(duì)軋輥磨削表面質(zhì)量影響的靜態(tài)因素和動(dòng)態(tài)因素，加深了對(duì)磨削理論及規(guī)律的理解，同時(shí)也分析了磨床安裝精度、砂輪使用與表面質(zhì)量控制的關(guān)系，分析總結(jié)了磨削出現(xiàn)的主要表面、輥型缺陷及其控制策略，給軋輥磨床操作提供了優(yōu)化操作方法的途徑，為冷軋薄板高效生產(chǎn)提供了有力的設(shè)備保障。