表淬處理耐磨空心輥子的加工

趙秀玲 王 健

(天津賽瑞機(jī)器設(shè)備有限公司，天津 300301)

1 耐磨空心輥子的結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)及技術(shù)要求

本文論述的耐磨空心輥子是筆者公司制造的，應(yīng)用于焊管線帶鋼輸送。特點(diǎn)是轉(zhuǎn)速快、輥身壁薄、體輕、耐磨性好;輥子材質(zhì)為45鋼;其結(jié)構(gòu)如圖1。

輥子技術(shù)要求:輥面要求表面淬火、硬度55 HRC、淬硬層深3～6 mm。輥面徑向跳動0.2 mm;兩端軸頸φ70 mm，同軸度0.02 mm，徑向跳動0.03 mm。輥子單位質(zhì)量許用不平衡度eper=500 g·mm/kg，平衡半徑為80 mm。

2 輥子工藝方案分析及技術(shù)難點(diǎn)

根據(jù)輥子結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及筆者公司設(shè)備情況，合理選用原材料及加工工藝，以最低成本制造出合格的產(chǎn)品是首要問題。

根據(jù)以往經(jīng)驗及輥子結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，輥身選用45無縫鋼管、軸頸選用45鋼鍛件。無縫鋼管的內(nèi)孔不用通長加工，在焊接左右兩端軸頸前，需對無縫鋼管左右兩端軸頸配合孔及外圓進(jìn)行加工。

由于無縫鋼管的內(nèi)孔不是通長加工，所以未加工區(qū)域的管壁勢必薄厚不均;且由于中頻表淬處理輥子變形較大，從而造成輥子的質(zhì)心不在回轉(zhuǎn)中心上，造成的輥子不平衡;又因輥子的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)不可以通過采用簡單的對軸頭的增重或減重來修正，滿足其對靜動平衡的要求;且無縫鋼管為薄壁件，機(jī)加工困難，其不平衡極易造成兩輥頸的不同軸度誤差過大;這些都會使輥子在工作中造成幾何中心與質(zhì)心的偏移，從而產(chǎn)生不平衡力及力矩，使整個輥道裝置產(chǎn)生振動與噪聲、加速機(jī)械內(nèi)部各零件間的磨損，降低零件使用壽命，直接影響整套設(shè)備的效率。因此在安排輥子加工工藝時，必須重點(diǎn)解決好以下問題:

(1)如何保證輥子的平衡度要求。(2)由于輥面表面淬火及焊接變形，輥子整體焊接后怎樣加工找正，保證輥身與軸頸的同軸度要求。(3)為保證輥子的綜合機(jī)械性能，制定合理的熱處理工藝。(4)由于輥子加工工序較多，為滿足輥子各種性能指標(biāo)，如何合理安排工序。

3 輥子的平衡

由于輥身鋼管材料組織不均勻、壁厚不均、扭曲變形、表淬處理變形、零件外形的誤差等原因使通過輥子質(zhì)心的主慣性軸與旋轉(zhuǎn)軸線不重合，因而輥子在旋轉(zhuǎn)時將產(chǎn)生不平衡的離心力c。其值為:

式中:m為輥子質(zhì)量，kg;e為輥子的質(zhì)心對軸線的偏移及偏心距，m;n為輥子的轉(zhuǎn)速，r/min;ω為輥子的角速度，l/s。

由式(1)可知重型或高速旋轉(zhuǎn)的輥子，即使具有很小的偏心距也會引起非常大的不平衡離心力，成為輥面磨損、軸斷裂、軸承座及軸承損壞、軸系、機(jī)械或基礎(chǔ)振動、噪聲的主要原因之一，因此對空心輥子進(jìn)行平衡檢驗是非常必要的。

由于輥子較長，質(zhì)量分布不是在同一回轉(zhuǎn)面內(nèi);不管它不平衡質(zhì)量實際分布情況如何，都可以向兩個任意選定的平衡平面內(nèi)分解，在這兩個平面內(nèi)各加上一個平衡質(zhì)量就可以使輥子達(dá)到平衡。一般來說，轉(zhuǎn)子的質(zhì)量m越大，其許用不平衡量Uper也越大，可用式(2)計算許用不平衡量Uper:

式中:Uper為輥子許用不平衡量，g·mm;eper為輥子單位質(zhì)量許用不平衡度;eper=500 g·mm/kg;m為輥子質(zhì)量，m=110 kg。

這批輥子數(shù)量大、規(guī)格多，在制造中的平衡工藝必須保證輥子剩余不平衡量小于許用不平衡量。根據(jù)輥子使用要求及不平衡許用值，結(jié)合我公司設(shè)備情況，決定采用在管子內(nèi)壁添加材料的方法作靜平衡，這樣既滿足了輥子平衡品質(zhì)要求，又節(jié)省了加工費(fèi)用。因此輥子平衡工序需安排在輥身熱裝前、表淬處理后。

為此設(shè)計了輥子平衡的工裝(見圖2)，包括兩個底座、底座上設(shè)置有立板，兩個底座上立板平形設(shè)置，立板上端設(shè)有刃口形導(dǎo)軌，兩個底座立板之間設(shè)有定位管，可調(diào)整兩導(dǎo)軌間距，使其間距滿足將輥身兩端放在導(dǎo)軌上的要求。刃形導(dǎo)軌需機(jī)加工，以減小摩擦力，從而提高靜平衡的試驗精度;安裝時要保持水平。將要平衡的輥身放置在兩相互平行的導(dǎo)軌上，若輥子的質(zhì)心不在回轉(zhuǎn)軸線上，則輥子將在重力矩的作用下發(fā)生滾動，當(dāng)停止?jié)L動時質(zhì)心必在正下方，這時在質(zhì)心位置的正對面用磁鐵(或橡皮泥)加一平衡質(zhì)量，然后繼續(xù)作試驗，并且適當(dāng)調(diào)整磁鐵的大小及方位，直至輥子在任一位置均能保持靜止為止。此時輥子的總質(zhì)心已位于回轉(zhuǎn)軸線上，回轉(zhuǎn)件達(dá)倒靜平衡。取下磁鐵稱重，再根據(jù)磁鐵的質(zhì)量及位置在輥子內(nèi)壁相應(yīng)位置焊相等重量的鐵塊，使輥子達(dá)到靜平衡。

4 輥子的熱處理

空心輥在進(jìn)行中頻表面淬火時輥面有不同程度的變形，包括長度加長和輥面中部收縮變形與彎曲變形的迭加。然而對大直徑輥子的校直是十分困難的，有時因中心收縮變形大而報廢。因此為保證輥子的質(zhì)量，必須采取合理的熱處理工藝、工序間留合理的機(jī)加工余量。為使輥子適當(dāng)提高硬度減小韌性，改善切削性能及毛坯內(nèi)部組織和應(yīng)力分布，具有良好硬度、強(qiáng)度、韌性、耐磨性等綜合性能，輥身表淬前預(yù)備熱處理采用正火處理，硬度163～196 HB;這樣既可避免采用淬火處理可能產(chǎn)生的較大變形及開裂，又為獲得較好的最終性能提供組織基礎(chǔ)，以減小最終熱處理中的變形。最終熱處理采用中頻感應(yīng)加熱淬火自回火，表面硬度55 HRC、淬硬層深3～6 mm。

5 空心輥的機(jī)加工

5.1 輥身表淬處理前機(jī)加工藝

由于表淬處理后輥身表面硬度較高，且會產(chǎn)生較大變形，故安排輥身與兩端軸頸配合孔在表淬處理后加工，輥身外圓在正火處理后粗加工，單面留0.7 mm表淬處理后磨削余量。由于輥身材料采用無縫鋼管，難免壁厚不均及彎曲變形，給車床找正帶來困難。故采用一頂一夾的方法裝卡，反夾一端內(nèi)孔，以內(nèi)孔為基準(zhǔn)，另一端裝彈性堵，頂頂尖，找正毛坯，車出架子口，上中心架，車削輥身外圓。

5.2 輥身表淬處理后兩端軸頸配合孔的加工

由于表淬處理產(chǎn)生較大的變形，故采用的加工方法是夾一端，另一端上卡罐，按外圓調(diào)整卡罐找正，使其輥身理論外圓和卡罐同心，車兩端配合孔。此方法操作簡單，經(jīng)濟(jì)可行，能保證輥身兩端軸頸配合孔同軸度要求。由于輥身為薄壁件，剛性較差，夾緊力不可過大，以免卡爪松開后輥身回彈，造成輥子內(nèi)孔口變形，影響兩端配合孔同軸度。

5.3 空心輥焊接后整體加工

空心輥由輥身和軸頸焊接而成，頂尖孔是車磨序的精加工基準(zhǔn)，是保證輥子同軸度的關(guān)鍵。由于表淬及焊接產(chǎn)生較大變形，輥身與軸頸同軸度相差較大，加工時找正困難。為此設(shè)計了一工裝，見圖3，借其調(diào)整并保證頂尖孔與輥子外圓的同軸度。圖3b為工裝結(jié)構(gòu)，其圓周上裝有4個調(diào)整螺栓，使用時通過調(diào)整4個螺栓找正輥身外圓，調(diào)好后將螺栓緊固，分別在輥子兩端車出架子口。上好中心架，拆掉工裝，打好輥子頂尖孔，以打好的頂尖孔為基準(zhǔn)，精車并磨輥子成活。

6 工藝流程總結(jié)

輥身工藝流程:無縫鋼管鋸切下料→正火處理→管子校直→粗車外圓→鉆透氣孔→感應(yīng)表淬處理→靜平衡→車兩端軸頸配合孔→與軸頸焊接→空心輥整體機(jī)加工。

輥頸工藝流程:鍛造毛坯→正火處理→粗加工→調(diào)質(zhì)處理→加工與輥身配合處→與輥身焊接。

在安排工藝時注意以下幾點(diǎn):(1)下料后管子必須校直，保證管子直線度1 mm/m。(2)為保證輥身壁厚均勻，粗車外圓時必須按內(nèi)孔找正。(3)由于輥壁較薄，車外圓時為防止變形，對切削用量要選擇并加以控制，吃刀深度不宜過大。外圓直徑留1.4 mm表淬后機(jī)加工余量。(4)采用在管子內(nèi)壁添加材料的方法作靜平衡。(5)軸頸與輥身為熱裝，必須在輥身上開透氣孔。為減少鉆孔難度，工藝安排在表淬前鉆孔，孔口必須倒鈍，以防止表淬開裂及變形。

7 結(jié)語

通過動平衡試驗機(jī)檢驗空心輥動平衡，試驗結(jié)果證明，由于采取了合理的工藝措施，滿足了輥子動平衡的要求。雖然只做靜平衡不能完全消除輥子高速旋轉(zhuǎn)時的跳動現(xiàn)象，但經(jīng)濟(jì)可行，既保證靜平衡又接近動平衡，能滿足輥子許用不平衡度的使用要求。

設(shè)計的工裝簡便、經(jīng)濟(jì)、實用，工序安排合理，滿足了加工輥身與軸頸的同軸度的要求。

［1］成大先.機(jī)械設(shè)計手冊［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2003.

［2］樊東黎，王廣生.熱處理手冊［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2001.

［3］孫本緒，熊萬武.機(jī)械加工余量手冊［M］.北京:國防工業(yè)出版社，1999.