刀輥和砧輥硬度匹配試驗(yàn)研究

廖昌城

（三明市普諾維機(jī)械有限公司，福建三明365009）

刀輥和砧輥硬度匹配試驗(yàn)研究

廖昌城

（三明市普諾維機(jī)械有限公司，福建三明365009）

提高刀輥材料硬度可減少磨損，延長(zhǎng)其使用壽命，提高模切速度，但會(huì)導(dǎo)致與之配合的砧輥損傷更為嚴(yán)重。為了使刀輥和砧輥系統(tǒng)總磨損量達(dá)到最小，試驗(yàn)研究了刀輥和砧輥的硬度匹配問題。利用滾動(dòng)磨損試驗(yàn)機(jī)研究了刀輥與砧輥的硬度匹配，分析了不同硬度刀輥與砧輥匹配時(shí)的摩擦磨損與表面損傷行為。結(jié)果表明：不同硬度刀輥和砧輥試樣匹配對(duì)滾動(dòng)摩擦系數(shù)基本無(wú)影響；隨刀輥硬度增加，刀輥磨損量呈下降趨勢(shì)，砧輥磨損量表現(xiàn)為線性增加，刀輥和砧輥總磨損量呈先降低后增加的趨勢(shì)，當(dāng)?shù)遁伵c砧輥硬度比為1．016時(shí)，刀輥和砧輥系統(tǒng)總磨損量達(dá)到最小。刀輥硬度對(duì)刀輥和砧輥試樣表面損傷形貌沒有影響，刀輥和砧輥試樣表面損傷形貌均表現(xiàn)為表面剝落損傷機(jī)制。

刀輥；砧輥；硬度匹配；摩擦；磨損；損傷

圓壓圓模切工作原理是通過刀輥和砧輥相對(duì)滾動(dòng)接觸作用將柔性材料加工成一定形狀的制品。刀輥和砧輥是一對(duì)滾動(dòng)摩擦副，除了合理匹配刀輥和砧輥材料外，合理匹配刀輥和砧輥硬度對(duì)提高刀輥和砧輥的綜合使用壽命也十分重要。刀輥和砧輥之間各種載荷的傳遞依賴于大小約20mm2左右的接觸斑，接觸斑反復(fù)承受刀輥和砧輥間的各種復(fù)雜載荷，易產(chǎn)生以磨損和滾動(dòng)接觸疲勞破壞為特征的刀輥和砧輥接觸表面剝離、壓潰、波浪形磨損等典型現(xiàn)象。目前關(guān)于滾動(dòng)摩擦副硬度與磨損之間關(guān)系的研究主要針對(duì)輪軌，如：Markov［1］利用3種不同類型Amsler試驗(yàn)機(jī)分別在縱向蠕滑率恒定的滾滑摩擦、摩擦力恒定的滾滑摩擦、橫向蠕滑率恒定的滾滑摩擦和純滑動(dòng)等4種條件下調(diào)查了車輪和鋼軌材料硬度與磨損之間的關(guān)系；王文健、劉啟躍［2-3］等利用滾動(dòng)磨損試驗(yàn)機(jī)研究了車輪鋼與U71 Mn熱軋鋼軌的硬度匹配性能，研究發(fā)現(xiàn)車輪硬度對(duì)車輪和鋼軌試樣表面損傷模式有一定影響；鐘雯［4］、周清躍［5］等分別在不同磨損試驗(yàn)機(jī)上模擬不同鋼軌和車輪匹配時(shí)的服役過程，研究鋼軌／車輪在不同硬度材料時(shí)，鋼軌或車輪之間的磨損影響機(jī)理及使用壽命評(píng)估；馬騰、朱桂蘭［6］則研究了不同硬度熱處理鋼軌和軌輪匹配關(guān)系，認(rèn)為磨損率取決于軌輪間的硬度比，軌對(duì)輪硬度安全匹配區(qū)為1．0～1．2。

由于圓壓圓模切與平壓平模切相比具有高效、安全、節(jié)能、用工少等特點(diǎn)，近年來(lái)，圓壓圓模切裝備逐步替代平壓平模切裝備，已成為柔性材料行業(yè)的首選裝備。但目前針對(duì)圓壓圓模切裝備核心工作部件——刀輥和砧硬度的匹配，至今沒有統(tǒng)一合理的規(guī)定。利用MMS-2A型微機(jī)控制摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)研究了不同硬度刀輥與砧輥的匹配情況，分析了不同硬度刀輥與砧輥對(duì)摩時(shí)的摩擦磨損性能與表面損傷情況。研究結(jié)果可對(duì)刀輥和砧輥硬度的優(yōu)化匹配提供有益的技術(shù)指導(dǎo)，也對(duì)認(rèn)識(shí)刀輥和砧輥損傷機(jī)理和降低損傷具有重要的參考意義。

1 實(shí)驗(yàn)部分

試驗(yàn)在MMS-2A型微機(jī)控制摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上以刀輥和砧輥對(duì)滾接觸方式進(jìn)行。在保證實(shí)驗(yàn)室條件下，模擬刀輥和砧輥試件間的平均接觸應(yīng)力和接觸圓與現(xiàn)場(chǎng)中的相同。由于受坯料送料速度、張力等因素的影響，模切過程中上下輥并非完全同步旋轉(zhuǎn)，上下輥之間既存在滾動(dòng)摩擦，又存在滑動(dòng)摩擦，轉(zhuǎn)動(dòng)滑差率越大，單位時(shí)間磨損量越大，因此，轉(zhuǎn)動(dòng)滑差率按最大值10%選?。挥捎赪6Mo5Cr4V2是制造刀輥和砧輥?zhàn)畛Ｓ?、最具代表性的材料，并且文獻(xiàn)［1-2］沒進(jìn)行相關(guān)研究，因此，選取W6Mo5Cr4V2作為試樣材料；W6Mo5Cr4V2材質(zhì)刀輥和砧輥額定模切線速度為140m／min，因此，選取下試樣轉(zhuǎn)速為300 r／min，上試樣轉(zhuǎn)速為270 r／min。試驗(yàn)過程中上試樣為刀輥試樣，下試樣為砧輥試樣，兩試樣φ均為150 mm。試驗(yàn)上下試樣結(jié)構(gòu)尺寸如圖1。試驗(yàn)參數(shù)：下試樣轉(zhuǎn)速為300 r／min，上試樣轉(zhuǎn)速為270 r／min，轉(zhuǎn)動(dòng)滑差率為10%；接觸應(yīng)力為1MPa；試驗(yàn)時(shí)間100 h。刀輥和砧輥試樣材料均為W6Mo5Cr4V2，材料成分見表1。刀輥和砧輥試樣接觸面的表面粗糙度為Ra0．8μm。砧輥試樣通過熱處理方式獲得硬度（HRC）為63，刀輥試樣通過熱處理方式獲得4種不同硬度，對(duì)應(yīng)的刀輥試樣和試驗(yàn)編號(hào)分別為1＃、2＃、3＃、4＃。試驗(yàn)在干態(tài)下進(jìn)行；利用洛式硬度儀（HR-150B）測(cè)量試樣的硬度值；用電子分析天平（TG328A）通過稱重法測(cè)量試樣磨損量；利用掃描電子顯微鏡（SEM）（JSM-7001F，Japan）觀察試樣磨損后的表面磨痕損傷形貌。

圖1 刀輥和砧輥試樣尺寸示意圖Fig．1 The size of knife roller and anvil roller samples

表1 刀輥和砧輥試樣材料（W 6M o5Cr4V2）化學(xué)成分Tab．1 Chem ical composition of knife roller and anvil roller samplematerials %

2 結(jié)果與討論

2．1 滾動(dòng)摩擦行為

試驗(yàn)通過對(duì)刀輥和砧輥試樣采取整體淬火＋3次回火的熱處理工藝，并分別采取不同的淬火和回火溫度，獲得的刀輥試樣硬度（HRC）分別為60、61、62和63，砧輥試樣硬度（HRC）為63，砧輥與刀輥試樣的硬度比分別為1．05、1．033、1．016和1。圖2為測(cè)得的刀輥和砧輥試樣硬度。滾動(dòng)摩擦系數(shù)一般用滾動(dòng)摩擦力矩來(lái)度量。通過測(cè)試刀輥和砧輥滾動(dòng)摩擦力矩，結(jié)果表明：隨循環(huán)次數(shù)的增加，刀輥和砧輥摩擦副滾動(dòng)摩擦系數(shù)首先呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)，一定循環(huán)次數(shù)后摩擦趨于穩(wěn)定狀態(tài)，其值約為0．1，此時(shí)摩擦系數(shù)較平穩(wěn)。由于轉(zhuǎn)動(dòng)過程中振動(dòng)等因素的影響，使摩擦系數(shù)呈現(xiàn)較小的波動(dòng)，對(duì)比發(fā)現(xiàn)4種硬度刀輥試樣與砧輥試樣對(duì)摩時(shí)的滾動(dòng)摩擦系數(shù)變化不大，其值基本相近。這表明硬度對(duì)刀輥和砧輥試樣的滾動(dòng)摩擦系數(shù)無(wú)明顯影響。圖3為測(cè)得的刀輥和砧輥試樣的滾動(dòng)摩擦系數(shù)。

圖2 刀輥和砧輥試樣硬度Fig．2 The hardness of knife roller and anvil roller samples

2．2 滾動(dòng)磨損行為

圖4給出了刀輥和砧輥試樣的磨損量。結(jié)果表明：刀輥試樣隨硬度增加，其磨損量呈明顯下降趨勢(shì)，這表明提高刀輥試樣硬度后可增加其耐磨性，導(dǎo)致磨損量降低，即硬度越大，耐磨性越好，磨損量越小。隨刀輥硬度增加，對(duì)摩副砧輥的磨損量呈增加的趨勢(shì)，這表明增加刀輥硬度將導(dǎo)致對(duì)摩副砧輥試樣的磨損量增加，降低了其使用壽命。從刀輥和砧輥系統(tǒng)的角度分析可知，刀輥和砧輥總磨損量隨刀輥硬度增加呈現(xiàn)出先降低后增加的趨勢(shì)，這表明通過提高刀輥硬度來(lái)降低刀輥磨損量的同時(shí)會(huì)導(dǎo)致刀輥和砧輥總磨損量發(fā)生變化。從圖5中刀輥和砧輥系統(tǒng)總磨損量與硬度比之間關(guān)系曲線可知，刀輥和砧輥系統(tǒng)總磨損量隨軌輪硬度比增加呈現(xiàn)二次拋物線變化趨勢(shì)，當(dāng)?shù)遁伵c砧輥硬度比為1．016時(shí)，刀輥和砧輥系統(tǒng)總磨損量達(dá)到最小。上述結(jié)果表明：?jiǎn)为?dú)從降低刀輥和砧輥系統(tǒng)總磨損量的觀點(diǎn)出發(fā)，選擇刀輥和砧輥硬度比約為1．016時(shí)，刀輥和砧輥系統(tǒng)總磨損量達(dá)到最小。

圖3 刀輥和砧輥試樣的滾動(dòng)摩擦系數(shù)Fig．3 The rolling friction coefficient of knife roller and anvil roller sam ples

圖4 刀輥和砧輥試樣磨損量Fig．4 The wear of knife roller and anvil roller samples

圖5 刀輥和砧輥總磨損量與硬度比之間關(guān)系Fig．5 The overall wear of knife roller and anvil roller vs the hardness ratio of knife roller to the anvil roller

2．3 刀輥和砧輥表面損傷行為

圖6、7給出了刀輥和砧輥試樣表面損傷SEM照片，圖中黑色部分為未剝落表面，灰色部分為剝落表面。因此從圖6、7可看出刀輥和砧輥試樣表面的剝落面積大，剝落痕跡均較為平坦。經(jīng)分析，試樣表面磨痕損傷形貌表現(xiàn)為明顯的剝落損傷，且剝落塊較大是因?yàn)榈遁伜驼栎佊捕榷己芨?，耐磨性好，表面材料在滾動(dòng)磨損過程中不容易從表面脫落而造成麻點(diǎn)式剝落損傷，在反復(fù)切向力作用下，試樣材料產(chǎn)生微裂紋并導(dǎo)致擴(kuò)展和貫通，從而造成在高硬度時(shí)的大塊剝落損傷形貌。上述結(jié)果表明，改變硬度對(duì)刀輥和砧輥試樣表面損傷形貌沒有影響，刀輥和砧輥試樣表面損傷形貌均表現(xiàn)為剝落損傷機(jī)制。

圖6 1?！?＃刀輥試樣表面損傷SEM照片F(xiàn)ig．6 The surface dam age SEM photos of knife roller sample 1-4

圖7 砧輥試樣表面損傷SEM照片F(xiàn)ig．7 The surface damage SEM photos of anvil roller sam ple

3 結(jié)論

1）不同硬度刀輥和砧輥試樣匹配時(shí)滾動(dòng)摩擦系數(shù)基本保持不變；相同砧輥情況下，隨刀輥硬度增加，刀輥磨損量呈降低趨勢(shì)，砧輥磨損量呈增加趨勢(shì)。

2）隨刀輥和砧輥硬度比增加，刀輥和砧輥系統(tǒng)總磨損量呈先降低后增加的變化趨勢(shì)；單從降低刀輥和砧輥系統(tǒng)總磨損量觀點(diǎn)出發(fā)，選擇刀輥與砧輥硬度比為1．016時(shí)，刀輥和砧輥系統(tǒng)總磨損量達(dá)到最小。

3）由于刀輥和砧輥硬度都很高，刀輥硬度對(duì)刀輥和砧輥試樣表面損傷形貌沒有影響，刀輥和砧輥試樣表面損傷形貌均表現(xiàn)為剝落損傷機(jī)制。

［1］Markov D．Laboratory tests for wear of rail and wheel steels［J］．Wear，1995，1（2）：678-686．

［2］王文健，劉啟躍，朱旻昊．輪軌材料硬度匹配性能試驗(yàn)研究［J］．摩擦學(xué)學(xué)報(bào)，2013，33（1）：65-69．

［3］郭俊，王文健，劉啟躍．高速輪軌損傷及材料優(yōu)化匹配研究［J］．潤(rùn)滑與密封，2010（9）：118-121．

［4］鐘雯，董霖，陳樸，等．高速鐵路輪／軌材料匹配性能研究［J］．潤(rùn)滑與密封，2014（10）：35-38．

［5］周清躍，劉豐收，朱梅，等．輪軌關(guān)系中的硬度匹配研究［J］．中國(guó)鐵道科學(xué)，2006（5）：35-41．

［6］馬騰，朱桂蘭．熱處理鋼軌的軌／輪匹配關(guān)系研究［J］．物理測(cè)試，1999（5）：1-3．

（責(zé)任編輯：陳雯）

Study on hardnessmatching of knife roller and anvil roller

Liao Changcheng
（Sanming PNY Machinery Co．，Ltd．，Sanming 365009，China）

Increaing the hardness of knife rollermaterial can reduce the knife roller’swear，prolong its service life and improve its cutting speed，but it might result in more serious damage of the matched anvil roller．Tominimize the overallwear of the knife roller and the anvil roller，the hardnessmatching of the knife roller and the anvil rollerwas researched via rollingwear testingmachine．The friction wear and surface damage behaviours of the knife roller and the anvil roller samples matched under different hardnesseswere analysed．Thematching of the knife roller and anvil roller samples under different hardness had no effect on rolling friction coefficient．The knife roller’swear decreased with the increase of the roller’s hardnesswhile the wear of the anvil roller increased linearly．The overall wear of the knife roller and the anvil roller samples decreased but then increased．When the hardness ratio of the knife roller to the anvil roller is1．016，the overall system wear of the knife roller and the anvil rollerminimized．The knife roller’s hardness had no effect on the surface damagemorphology of both the knife roller and anvil roller samples，with the damage samples’morphology showing surface spalling damagemechanism．

knife roller；anvil roller；hardnessmatching；friction；wear；damage

TH117．1

A

1672-4348（2015）03-0250-04

10．3969／j．issn．1672-4348．2015．03．009

2015-03-08

福建省發(fā)改委2014產(chǎn)業(yè)技術(shù)聯(lián)合創(chuàng)新專項(xiàng)（FG20140514）；福建省教育廳科研項(xiàng)目（JA14216）

廖昌城（1977-），男，福建三明人，工程師。