韓亞娜,范勛銘,曲榮旭,侯培勇
(大連橡膠塑料機(jī)械股份有限公司,遼寧 大連 116036)
大型綠色低溫一次法混煉生產(chǎn)線冷卻輥筒機(jī)械加工工藝設(shè)計(jì)
韓亞娜,范勛銘,曲榮旭,侯培勇
(大連橡膠塑料機(jī)械股份有限公司,遼寧大連116036)
簡(jiǎn)述了大型低溫一次法混煉生產(chǎn)線的理念,從冷卻輥筒的結(jié)構(gòu)、材料性能等特性出發(fā),設(shè)計(jì)、分析了冷卻輥筒的機(jī)械加工工藝及加工過(guò)程中易出現(xiàn)問(wèn)題的解決措施。
綠色低溫;一次法;混煉生產(chǎn)線;冷卻輥筒;機(jī)械加工;工藝設(shè)計(jì)
低溫一次法混煉生產(chǎn)線秉承著現(xiàn)代輪胎綠色制造的理念,將傳統(tǒng)的多段膠料混煉變?yōu)橐淮位鞜?,膠料通過(guò)密煉機(jī)一次高溫密煉后,經(jīng)過(guò)多臺(tái)開(kāi)煉機(jī)和膠片冷卻輔機(jī)的自動(dòng)連續(xù)低溫強(qiáng)化混煉而得到終煉膠片(如圖1)。與傳統(tǒng)的煉膠工藝相比,低溫一次法混煉生產(chǎn)線減少了膠料中間傳遞環(huán)節(jié)和周轉(zhuǎn)占用場(chǎng)地,延長(zhǎng)低溫下混煉時(shí)間,避免了高溫?zé)捘z所產(chǎn)生的膠料被氧化現(xiàn)象,煉出的膠質(zhì)量好。
大型低溫一次法混煉生產(chǎn)線用冷卻輥筒,其工作面直徑不小于1 600 mm,其結(jié)構(gòu)形式如圖2所示,是一次法混煉生產(chǎn)線的重要零件之一。
圖1 低溫一次法混煉生產(chǎn)線示意圖
冷卻輥筒質(zhì)量的好壞,直接影響著生產(chǎn)線的產(chǎn)品質(zhì)量,因此為保證其質(zhì)量,應(yīng)從其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及材料、熱處理、機(jī)械加工等多方面進(jìn)行分析,具體如下。
圖2 冷卻輥筒示意圖
冷卻輥筒是焊接件,主要由內(nèi)圈、外圈、軸頭和端蓋組成,內(nèi)圈、外圈為過(guò)盈配合,輥筒的最高精度等級(jí)為6級(jí)。
1.2材料
外圈選擇不銹鋼,如1 Cr18Ni9Ti或1Cr13等;內(nèi)圈選擇不銹鋼或鍋爐鋼,如1Cr18Ni9Ti、 1Cr13或20g等; 軸頭與端蓋為碳素鋼,如45、Q235A等。
考慮材料成本,表1成本最高的是鍛造毛坯,最低的是板料圍圓焊接,內(nèi)、外圈較為適宜的材料組合是表2的內(nèi)、外圈均為1Cr1或外圈材料為1Cr13—內(nèi)圈為20 g的組合。
表1 材料單位價(jià)格參考表
冷卻輥筒基本尺寸如圖3所示,選取內(nèi)、外圈均為不銹鋼,當(dāng)da=1 600 mm,dt=1 570 mm,di=1 500 mm,lt=2 400 mm,扭矩M=1 258 kgcm,孔的表面粗糙度Ra3.2 μm,軸的表面粗糙度Ra1.6μm,摩擦系數(shù)取μ=0.14,泊松比取γa=γi=0.30,彈性模量Ea=Ei=2.1×106kg/cm2時(shí),經(jīng)計(jì)算其直徑比:qa=dt/da=0.98;qi=di/ dt=0.95;
系數(shù)Ca=[(1+qa2)/(1-qa2)]+γa
配合件的壓力強(qiáng)度:
傳遞扭矩所需的最小有效過(guò)盈量:
考慮壓平時(shí)冷卻輥筒的最小過(guò)盈量為:
因此,冷卻輥筒內(nèi)、外圈采用過(guò)盈配合時(shí),其過(guò)盈量應(yīng)不小于0.514 mm。
內(nèi)、外圈采用熱裝加工工藝,其主要工藝
圖3 基本尺寸示意圖
表2冷卻輥筒不同材料組成成本表材料
外圈1Cr18Ni9Ti1Cr13
內(nèi)圈1Cr18Ni9Ti1Cr1320 g1Cr1320 g輥筒成本萬(wàn)元(9~9.6)G(6.6~7.1)G(5.3~5.7)G(4.2~4.6)G(2.9~3.2)G
成本高低排列54321
注:G為外圈與內(nèi)圈毛坯重量之和。
名稱流程如圖4所示:
圖4 冷卻輥筒加工主要工藝流程
3.1焊接性能分析
由于冷卻輥筒內(nèi)、外圈是薄壁筒件,外形尺寸大、焊接時(shí)間長(zhǎng),已焊部分極易變冷產(chǎn)生大的焊接應(yīng)力和焊接變形。材料的化學(xué)成分、碳當(dāng)量不同,其焊接性能也有較大差異。
3.1.1材料的主要化學(xué)成份、碳鋼的碳當(dāng)量及焊接性能
Q235A和20 g材料的碳當(dāng)量小于0.40%,焊接性能好,焊前不需要預(yù)熱;45鋼的碳當(dāng)量大于0.60%,焊接性能差,淬硬傾向較強(qiáng),在冷焊或預(yù)熱溫度較低時(shí),焊接部位剛度較大,焊區(qū)極易產(chǎn)生裂紋,參見(jiàn)表3。
1Cr18Ni9Ti奧式體不銹鋼焊接接頭易出現(xiàn)熱裂紋和晶間腐蝕。熱裂紋主要是因?yàn)椴牧辖M織枝晶方向性強(qiáng)、線膨脹系數(shù)大,焊縫冷卻時(shí)收縮應(yīng)力大、變形傾向大而產(chǎn)生的;晶間腐蝕主要是由于焊縫在450~850℃停留時(shí),奧氏體晶粒內(nèi)的碳會(huì)以Cr23C6形式沿奧氏體晶界析出,使晶界的晶粒表層貧Cr,當(dāng)在腐蝕性介質(zhì)中,晶間貧Cr層會(huì)造成焊接接頭的晶間腐蝕;1Cr13馬氏體不銹鋼具有強(qiáng)烈的淬硬傾向,焊接時(shí)熱影響區(qū)易產(chǎn)生粗大的馬氏體組織,易出現(xiàn)熱裂紋,但晶間腐蝕傾向小,由于導(dǎo)熱性差,殘余應(yīng)力大,還易產(chǎn)生冷裂紋;接頭中含氫量增加會(huì)加重裂紋傾向;受熱超過(guò)1 150℃的溫度區(qū)間,晶粒粗大顯著,過(guò)快和過(guò)慢的冷卻速度都可能引起接頭的脆化。
因此焊接時(shí)需正確選用焊接材料和焊接工藝才能防止上述缺陷的發(fā)生。
3.1.2焊材的選擇
冷卻輥筒內(nèi)外、圈圍圓焊接時(shí)選用與母材相同成分的焊絲,也可以從母材上剪下板條作為焊絲。異種鋼焊接材料的焊縫金屬性能只需符合兩種母材中的一種即認(rèn)為滿足技術(shù)要求,焊前對(duì)使用的焊條要進(jìn)行烘干處理。
3.1.3減少焊接熱裂紋、冷裂紋、晶間腐蝕及焊接變形的措施
焊接時(shí)采用低氫焊條使焊縫金屬晶粒細(xì)化,減少焊縫中的有害雜質(zhì),提高焊縫的抗裂性;采取快焊速,前一道焊縫冷卻到60℃左右時(shí)再焊下一道,以減小焊縫過(guò)熱,焊接結(jié)束或中斷時(shí),收弧要慢,將弧坑填滿,防止弧坑裂紋,選用較小的焊接電流,與腐蝕介質(zhì)接觸的焊縫最后焊接,盡量減少焊接接頭在危險(xiǎn)溫度范圍內(nèi)停留的時(shí)間,避免熱裂紋、冷裂紋和晶間腐蝕。
表4是輥筒外圈焊接后,按照?qǐng)D5的測(cè)量原理,測(cè)得的8個(gè)位置的直徑誤差值,采用專門設(shè)計(jì)的定圈專用工裝前最大直徑誤差值達(dá)+10.1 mm,最小為0 mm;為簡(jiǎn)化分析按照被測(cè)輪廓形狀為等分偶數(shù)棱進(jìn)行計(jì)算,其圓度誤差t=Δmax/2=(Dmax-Dmin)/2=5.05 mm。
圖6-a為采用專用的外置定圈工裝來(lái)減少輥筒變形,采用定圈后的最大直徑誤差為+1.30 mm,最小為-0.55 mm(見(jiàn)表4);同樣按照被測(cè)輪廓的形狀為等分偶數(shù)棱計(jì)算,其圓度誤差t=Δmax/2=(Dmax-Dmin)/2=0.925 mm,可以看出輥筒外圈的圓度誤差大大降低了,同理內(nèi)圈采用同樣方法控制變形,焊接時(shí)采用邊焊邊振動(dòng)的方法來(lái)減少焊接應(yīng)力。
表3 構(gòu)件的主要化學(xué)成份、碳鋼的碳當(dāng)量及焊接性能
圖5 輥筒圓度測(cè)量原理圖
3.1.4焊接接頭質(zhì)量檢驗(yàn)
焊接接頭最重要的部位是內(nèi)外、圈圍圓焊接后的焊縫,質(zhì)量檢驗(yàn)以檢驗(yàn)焊縫為主。焊縫外觀缺陷的檢驗(yàn)使用放大倍數(shù)為五倍的放大鏡進(jìn)行檢驗(yàn),內(nèi)部缺陷采用超聲波探傷或X射線探傷,檢驗(yàn)焊縫中的未熔合、裂紋、未焊透、夾渣、氣孔等。
3.2熱處理分析
不銹鋼內(nèi)、外圈筒皮圍圓焊接后進(jìn)行穩(wěn)定化處理,材料為20g的焊后進(jìn)行退火處理,用來(lái)消除或減小焊接殘余應(yīng)力,促使氫擴(kuò)散逸出以防止產(chǎn)生冷裂紋,并提高切削加工性能。
熱處理時(shí),由于內(nèi)、外圈壁薄、尺寸大和重量重,將產(chǎn)生很大的變形,使得在前序焊接時(shí)所控制的圓度誤差又變大,采用圖6(b)所示的專用內(nèi)置定圈工裝來(lái)減小輥筒的變形。
3.3機(jī)械加工分析
3.3.1內(nèi)、外圈的車削加工
影響輥筒內(nèi)、外圈車削加工的因素有輥筒本身結(jié)構(gòu)、材料的化學(xué)成分、力學(xué)性能、金相組織、刀具材料、導(dǎo)熱率和線膨脹系數(shù)等,具體如下:
3.3.1.1內(nèi)、外圈本身結(jié)構(gòu)的影響由于內(nèi)、外圈是薄壁筒,車內(nèi)、外圈時(shí),都會(huì)產(chǎn)生大的圓度誤差,因此在加工過(guò)程中,外圈、內(nèi)圈要分別采用圖6、圖7所示的減少變形專用工裝來(lái)降低圓度誤差。
3.3.1.2化學(xué)成分、力學(xué)性能的影響
圖6 減少輥筒變形示意圖
從表3、表5可知,內(nèi)、外圈的含碳量≤0.20,1Cr18Ni9Ti奧氏體不銹鋼的延伸率δ>30℅,1Cr13馬氏體不銹鋼的斷面收縮率ψ為60℅,硬度均<187HB,是難切削材料,加工時(shí)易產(chǎn)生的問(wèn)題。
①切屑不易被切離,消耗的能量多。1Cr18Ni9Ti不銹鋼的延伸率δ為40%,為45號(hào)鋼的250% ,1Cr13不銹鋼的延伸率δ為20%,為45號(hào)鋼的125%,20 g的延伸率δ為25%,為45號(hào)鋼的156%,因此材料的塑性、韌性大,切屑不易被切離,形成切屑消耗的能量比切去同體積的45號(hào)鋼多;
②易產(chǎn)生積屑瘤,降低刀具壽命。不銹鋼的切削力比45號(hào)鋼提高25%,切削溫度比45號(hào)鋼高,因此高的切削溫度和高的切屑粘附性,使切屑易粘附在前刀面上形成積屑瘤,加工時(shí)易產(chǎn)生振動(dòng),使刀具磨損,降低刀具的使用壽命和已加工面的粗糙度,使切削加工變得困難。
表4 輥筒外圈不同位置直徑測(cè)量誤差值mm
3.3.1.3金相組織的影響1Cr18Ni9Ti不銹鋼的金相組織主要是奧氏體,切削加工時(shí)加工硬化嚴(yán)重,合金元素融入奧氏體中,硬度增強(qiáng),使切削加工性能顯著降低;1Cr13不銹鋼的金相組織主要是馬氏體,硬度高脆性大,使刀具磨損嚴(yán)重;20g鋼經(jīng)退火后的珠光體所占比例:珠光體%=鋼中含碳量%/0.8=25%,另有鐵素體存在,有較好的切削性能。
3.3.1.4刀具材料的影響
使用高速鋼刀具切削時(shí),Kr<0.65,刀具只能在<600℃加工,難切削不銹鋼內(nèi)、外圈;當(dāng)使用硬質(zhì)合金刀具時(shí),Kr在0.65~1.0之間,刀具可在≥600℃加工,稍難切削加工不銹鋼內(nèi)、外圈;加工材料為20 g,Kr在1.65~2.5之間,高速鋼和硬質(zhì)合金刀具均較易加工。
3.3.1.5導(dǎo)熱率和線膨脹系數(shù)的影響
從表6可知,1Cr18Ni9Ti不銹鋼導(dǎo)熱率最低僅為普通碳鋼的28% ,1Cr13的為普通碳鋼的45%,故大量的切削熱不能及時(shí)擴(kuò)散出去,切屑熱集中在沒(méi)被切離的切屑和前刀面上,切屑瞬時(shí)溫度可達(dá)1 000℃,切削刃易產(chǎn)生過(guò)熱現(xiàn)象,在高溫的作用下易失去切削能力,加速刀具的磨損。不銹鋼線膨脹量大又加劇輥筒的加工難度。
3.3.1.6改善車削性能的措施
(1)合理選擇刀具材料、切削用量
刀具材料選擇有較高硬度,強(qiáng)度和韌性,具有良好的耐磨性,抗氧化性,抗粘結(jié)性的硬質(zhì)合金,車1 C r 1 3馬氏體不銹鋼的刀具材料推薦選擇Y W 1、Y W 2,切削用量推薦為v=84~90 m/min,f=0.4 mm/r,ap=3 mm;車1Cr18Ni9Ti奧氏體不銹鋼的刀具材料推薦選擇YG6X、YA6,切削用量v=50~100 m/min,f=0.2~0.5 mm/r,ap=3~6 mm。
(2)合理選擇刀具幾何參數(shù)
車削不銹鋼推薦采用較大的前角,一般γo=12~30°,后角αo>8~10°, 減少切屑與刀面的摩擦和加工硬化;為了加強(qiáng)刀頭強(qiáng)度,刃傾角λs=-2~-6°;
(3)合理選擇切削液和冷卻方式
切削液要有良好的冷卻、潤(rùn)滑、滲透作用,選用含硫等極壓添加劑的乳化液,或選煤油、硫化油等切削液,采用高壓冷卻、噴霧冷卻的方式進(jìn)行冷卻。
3.3.2內(nèi)、外圈的熱裝
3.3.2.1外圈的加熱
按理論加熱溫度公式t=[(δ+Δ)/k×10-6d)]+t0進(jìn)行計(jì)算,外圈不同材料理論加熱溫度如表7。式中:
t——加熱溫度℃;
δ——配合過(guò)盈量mm;
Δ——最小裝配間隙m m,一般取(0.001~0.002)d;
d——配合直徑mm(按上述取1 570 mm);
表5 輥筒內(nèi)、外圈不同材料相對(duì)力學(xué)性能、切削性能表
表6 不銹鋼和碳鋼的導(dǎo)熱率和線膨脹系數(shù)比較
t0——裝配環(huán)境溫度℃(取20℃);
k×10-6——材料線膨脹系數(shù)l/℃。
表7 輥筒外圈不同材料理論加熱溫度
考慮外圈的尺寸較大并結(jié)合實(shí)際經(jīng)驗(yàn),取外圈實(shí)際加熱溫度在240~300℃。
3.3.2.2加熱與熱裝
外圈的加熱選擇在有能力的大型熱處理爐中進(jìn)行,或采用火焰加熱,火焰加熱需要制作專用的加熱裝置;內(nèi)、外圈進(jìn)行熱裝時(shí),當(dāng)膨脹量達(dá)到要求后,應(yīng)立即進(jìn)行熱裝,迅速熱裝到位,中途不應(yīng)停頓。由于內(nèi)、外圈的高度高,熱裝時(shí)不易控制好二件的相應(yīng)端面平齊,需要制作專用的熱裝工裝來(lái)控制內(nèi)、外圈端面尺寸位置,為防止起吊裝置達(dá)不到筒皮高度要求,將內(nèi)圈落于事先準(zhǔn)備好的地坑中,同時(shí)有防止筒皮傾倒的措施。
3.3.3輥筒的磨削加工 采用砂輪磨削或砂帶磨削(拋光)
3.3.3.1用砂輪磨削時(shí)易產(chǎn)生的問(wèn)題
(1)加工表面易燒傷。不銹鋼的韌性大切屑不易被切離,切屑瞬時(shí)溫度高,故加工表面易出現(xiàn)燒傷現(xiàn)象。
(2)磨屑易堵塞砂輪。磨屑易粘在砂輪上,砂輪磨粒易磨損變鈍,降低磨粒切削作用。
(3)輥筒易變形。磨削薄壁輥筒時(shí),磨削溫度高易產(chǎn)生變形,影響工件尺寸,易造成測(cè)量誤差。因此要合理地選擇砂輪,以減少或避免上述問(wèn)題的出現(xiàn)。
3.3.2.3砂輪的選擇
(1)磨料的選擇:采用白色剛玉,有較好的切削性能和自銳性。
(2)粒度的選擇:采用中等粒度,如4 6#、6 0#的砂輪為宜,精磨用6 0#,粗磨用46#。
(3)結(jié)合劑的選擇:采用陶瓷結(jié)合劑,能耐熱、抗腐蝕,使砂輪保持良好的切削性能,有較高的強(qiáng)度、承受較大的沖擊載荷。
(4)砂輪硬度的選擇:采用G~N(R3~Z2)硬度的砂輪,其中以K~L(ZR1~ZR2)為普遍。
(5)砂輪組織的選擇:選用5~8號(hào)組織較為疏松的砂輪,減少磨屑對(duì)砂輪的堵塞。
磨削時(shí)由于不銹鋼的線膨脹系數(shù)大。易導(dǎo)致尺寸測(cè)量上的誤差;出現(xiàn)表面不光,有波紋、螺旋紋、拉毛或燒傷現(xiàn)象,或出現(xiàn)圓柱度誤差或圓度誤差,應(yīng)正確修整砂輪,選擇合適的切削用量,并使用冷卻液充分冷卻等措施,減少這些問(wèn)題的產(chǎn)生。
3.3.3.3砂帶磨削(拋光)選擇在C61160普通車床上進(jìn)行
如圖7所示,因砂帶磨料多是針狀磨粒,粒度均勻,磨粒與輥筒表面的接觸面積小,全部磨粒可以同時(shí)參加切削,產(chǎn)生的切削熱少,散熱效果好,輥筒表面被燒傷現(xiàn)象大大低于砂輪磨削,所引起的尺寸誤差也低于砂輪磨削,生產(chǎn)效率高?;蛴蒙皫伖獯嫔皫ァI皫ハ鳎⊕伖猓┮壮霈F(xiàn)砂帶磨損、振動(dòng)、磨粒脫落等現(xiàn)象,影響砂帶的壽命;采用適當(dāng)?shù)哪ハ髁?、定期變換砂帶的運(yùn)轉(zhuǎn)方向,及用適當(dāng)?shù)哪ハ饕海⊕伖鈩┗蛑?,?lái)提高砂帶的壽命。
輥筒砂帶磨(拋光)前表面粗糙度Ra3.2~1.6 μm,留磨量0.50~0.60 mm,推薦磨料采用白色剛玉,粒度采用P150~220,磨不銹鋼的砂帶速度在12~20 m/s,20 g為20~25 m/s。
圖7 砂帶磨削(拋光)示意圖
3.3.4機(jī)械加工后輥筒工作表面缺陷的檢驗(yàn)用著色探傷
3.3.5噴砂
磨削(拋光)后,根據(jù)不同使用要求,不銹鋼輥筒表面采用高壓噴砂,使輥面的物理、機(jī)械性能得到改善,提高輥面組織穩(wěn)定性;20g輥筒表面噴砂后可鍍鉻,提高輥筒表面的物理、機(jī)械性能和抗腐蝕性能。
綜上所述,大型綠色低溫一次法混煉生產(chǎn)線冷卻輥筒的加工,需要從其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及材料性能、最小過(guò)盈量、化學(xué)成分等因素,分析其焊接、熱處理、機(jī)械加工等工藝性,從刀具材料、切削用量等方面提高加工質(zhì)量,解決加工過(guò)程中遇到的各種難題,從而提高產(chǎn)品質(zhì)量。
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(XS-05)
大連金州重型機(jī)器有限公司開(kāi)發(fā)出一種合成橡膠新型擠壓脫水機(jī),包括:機(jī)座及其上安裝的數(shù)字自動(dòng)控制系統(tǒng)、主電動(dòng)機(jī)、蛇形聯(lián)軸器、減速機(jī)、夾殼聯(lián)軸器、裝配式螺桿軸、機(jī)體、調(diào)壓體、切刀、出料口、進(jìn)料口。主電動(dòng)機(jī)經(jīng)蛇形聯(lián)軸器拖動(dòng)減速機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng),經(jīng)夾殼式聯(lián)軸器帶動(dòng)螺桿軸定軸右旋轉(zhuǎn)動(dòng);螺桿軸尾端的第一節(jié)螺套將物料推入機(jī)體,其余螺套按減小螺距和改變螺桿槽徑結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)壓縮;機(jī)體內(nèi)對(duì)稱設(shè)置的剪切板限制物料旋轉(zhuǎn),水分經(jīng)機(jī)體籠條間隙排出。多功能的調(diào)壓體實(shí)現(xiàn)對(duì)整機(jī)功能實(shí)現(xiàn)產(chǎn)量、含水率、物料形狀以及重要的膨脹“閃蒸”功能綜合控制。該脫水機(jī)效率高、技術(shù)性能穩(wěn)定、防腐可靠,適用于丁苯橡膠(SBR)等膠種的干燥脫水處理。
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Process design of cooling roller machining for large green single stage mixed production line at low temperature
TQ330.43
1009-797X(2015)01-0054-07
B
10.13520/j.cnki.rpte.2015.01.011
韓亞娜(1 9 6 5-),女,高級(jí)工程師,1987年機(jī)械制造工藝及設(shè)備專業(yè)畢業(yè),從事機(jī)械制造工藝設(shè)計(jì)工作多年,所負(fù)責(zé)的產(chǎn)品有多項(xiàng)榮獲 “國(guó)家科技進(jìn)步一、二等獎(jiǎng)”,公開(kāi)發(fā)表學(xué)術(shù)論文8篇,有多篇榮獲“大連市自然科學(xué)優(yōu)秀學(xué)術(shù)論文二等獎(jiǎng)”。
2013-12-24