軋輥托磨技術(shù)的研究與推廣應(yīng)用

張貴敏 孫熙釗 何彥杰 馬曉龍

(1.中鋼集團(tuán)邢臺(tái)機(jī)械軋輥有限公司，河北054025；2.軋輥復(fù)合材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北054025)

軋輥磨削采用頂中心孔磨削工藝雖簡(jiǎn)單但存有許多不足之處。一是在磨削過(guò)程中，中心孔容易產(chǎn)生變化，有時(shí)需多次上下修研中心孔，增加了磨削輔助時(shí)間，影響加工效率。二是中心孔定位接觸面積小，剛性差，磨削過(guò)程中極易產(chǎn)生振動(dòng)，造成尺寸精度和表面質(zhì)量差，限制了磨削參數(shù)的提高。三是特大型軋輥(例如5 m寬厚板工作輥)由于噸位大(60 t以上)、磨削時(shí)間長(zhǎng)，中心孔頂磨難以保持磨削過(guò)程的穩(wěn)定，使磨削無(wú)法正常進(jìn)行。另外，長(zhǎng)期以來(lái)公司軋輥磨床具有的托磨功能未能正常發(fā)揮作用。為此，有必要推廣、應(yīng)用軋輥托磨工藝，以達(dá)到提高軋輥磨削效率和加工精度，降低磨削成本的目的。

1 軋輥托磨技術(shù)理論

軋輥托磨的成圓理論，尚屬無(wú)心磨削理論的一種特殊形式。俄羅斯、德國(guó)、日本和我國(guó)都從不同角度、采用不同方式，進(jìn)行過(guò)多種研究，建立了許多理論體系，包括幾何成圓理論，靜態(tài)成圓理論和動(dòng)態(tài)成圓理論。軋輥采用托磨方式，其組成部分主要有工件、機(jī)床、托磨架、撥盤(pán)、擋塊等，如圖1所示。

托磨成圓的基本原理是：依靠合理設(shè)計(jì)的支點(diǎn)和工件的自身重量，迫使工件在回轉(zhuǎn)過(guò)程中緊貼側(cè)托塊和下托塊，使其成圓。在軋輥加工中，磨削工序是在精車(chē)工序之后，托架部位的外圓變化形態(tài)如圖2。軋輥托磨在精車(chē)以后，這時(shí)工件形態(tài)一般呈橢圓狀，在軋輥的托磨過(guò)程中，只磨橢圓的長(zhǎng)軸而不磨短軸，即凸磨凹不磨，因此，磨削過(guò)程可能會(huì)造成工件出現(xiàn)多棱圓的問(wèn)題。

圖2 托架部位的外圓變化形態(tài)
Figure 2 Change of the outer circle of the bracket

一般認(rèn)為磨削成多棱圓的原因是：(1)車(chē)削后的工件呈多棱圓，托磨削時(shí)復(fù)印在工件上；(2)磨削時(shí)頂尖孔呈多棱圓，使磨削時(shí)復(fù)印在工件上。由圖3可知，工件在回轉(zhuǎn)時(shí)L數(shù)值未發(fā)生變化，工件的中心在發(fā)生變化。因此，在磨削時(shí)，工件回轉(zhuǎn)隨著多棱形的變化而變化，棱形數(shù)量聚集，每一托塊接觸數(shù)十條棱時(shí)，工件中心也不會(huì)發(fā)生變化時(shí)，就會(huì)發(fā)生測(cè)量不扁，使用千分表發(fā)生跳動(dòng)的現(xiàn)象。

為了減少和防止多棱圓，就出現(xiàn)了新形式托架，如圖4所示，兩托塊之間的夾角對(duì)軋輥磨削有一定的影響，夾角越大所需回轉(zhuǎn)的力矩越大，磨削部位的測(cè)量越困難，越易產(chǎn)生多棱圓。經(jīng)研究，兩托塊之間的角度以90°為宜。

(a)(b)

圖4 新形式托架
Figure 4 New form bracket

2 軋輥托磨工藝的制定

2.1 軋輥托磨工藝

結(jié)合磨床特性制定了適用的托磨工藝。托磨時(shí)為防止軋輥軸向竄動(dòng)，尾座端均采用端面直徑大于中心孔的平底尼龍頂尖，頂住輥頸端面，不接觸中心孔，托磨用托瓦均為圓弧面托瓦。制定的軋輥托磨工藝如下：

(1)確定所要加工的產(chǎn)品各部尺寸，選擇合理的托磨部位，根據(jù)托磨部位的尺寸，選擇合適的托磨架和托磨塊。

(2)換托磨塊時(shí)，要先把托塊和托架接觸部位擦拭干凈，對(duì)尖角、毛刺和碰傷進(jìn)行打磨處理。上托瓦或換托瓦后，鎖緊托塊的緊固螺絲，要使托塊與托架接觸配合好。把托瓦圓弧接觸面擦洗干凈，如有硬點(diǎn)或高點(diǎn)要打磨掉，并用油石和細(xì)砂紙做圓滑處理。上活前要把工件托磨部位擦洗干凈。

(3)第一次上活托磨，先上好托架。上托架時(shí)要把機(jī)床導(dǎo)軌和托架下部與導(dǎo)軌接觸面擦拭干凈，并在導(dǎo)軌面上澆上潤(rùn)滑機(jī)油，再把托架放在導(dǎo)軌面上。然后吊工件上活，工件兩端中心孔定位，打表檢測(cè)托磨部位跳動(dòng)不大于0.05 mm。頂磨澆冒兩端托磨臺(tái)見(jiàn)圓(要保證精磨量)，兩端托磨臺(tái)直徑差不大于0.02 mm。打表記錄托磨臺(tái)的圓跳動(dòng)，并用千分尺測(cè)量圓度。調(diào)整托架托塊，用托塊托住托磨臺(tái)(手搖托塊搖不動(dòng)為止，兩端用力要一致，力度大小要合適)。緊死托架上托塊，鎖緊螺絲。

(4)吊起工件，兩端頂尖上放置尼龍軸向止推塊(放床頭的尼龍塊時(shí)，可在尼龍塊內(nèi)涂上少量二硫化鉬，粘在床頭頂尖上，不能用手扶尼龍塊頂活)，調(diào)整托架位置，調(diào)整到能托到托磨臺(tái)為止，鎖緊托架地腳螺絲。將工件緩慢、平穩(wěn)地放置在托架上，床頭端工件端面要緊挨尼龍止推塊端面。調(diào)整好尾座位置并鎖緊好地腳螺絲，調(diào)整尾座套筒位置，將尼龍止推塊頂在工件端面上，力度不宜過(guò)大。

(5)卡箍卡緊時(shí)注意要平行于卡盤(pán)，撥爪位置調(diào)整合適，必須使兩撥爪受力均勻，使工件在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中達(dá)到平穩(wěn)、勻速。

(6)開(kāi)啟托架潤(rùn)滑系統(tǒng)，慢慢轉(zhuǎn)動(dòng)工件，看頭架撥爪受力情況，通過(guò)調(diào)整撥爪位置，使兩撥爪受力均勻，自衛(wèi)板平行于撥盤(pán)。

(7)調(diào)整好撥爪后，各部位打表，滿足加工要求后方可加工。托磨臺(tái)打表跳動(dòng)不能大于0.05 mm。如有問(wèn)題檢查托瓦、托架和頭架撥爪的受力情況，并加以調(diào)整。磨兩端托磨臺(tái)，磨削量0.05 mm～0.10 mm，打表檢查圓跳動(dòng)(現(xiàn)機(jī)床托磨跳動(dòng)精度0.003 mm～0.005 mm)。檢查稍度，如有稍度可微調(diào)托架側(cè)瓦。如檢查無(wú)問(wèn)題，精磨托磨臺(tái)，尺寸加工到公差的上差加0.01 mm～0.02 mm。精磨其它留量部位，其它留量部位都精磨完后，再把澆冒托磨臺(tái)精磨0.02 mm～0.03 mm(上刀量要小，每次上刀量0.005 mm)。注：因現(xiàn)在修砂輪刀粗，加工托磨臺(tái)時(shí)留量可控制在0.10 mm～0.20 mm，但必須見(jiàn)圓。修砂輪量要小。工作中，時(shí)刻觀察托瓦處的潤(rùn)滑情況，看潤(rùn)滑油箱油泵是否正常工作，看油路是否暢通。注意觀察托架潤(rùn)滑油箱內(nèi)的潤(rùn)滑油量，不可出現(xiàn)無(wú)油狀況。

(8)下活時(shí)，把工件的扁面轉(zhuǎn)動(dòng)到豎立方向，再反轉(zhuǎn)一下?lián)鼙P(pán)，使撥盤(pán)兩撥爪連線成水平狀(使撥爪與工作扁面之間有距離，防止下活工件起吊時(shí)發(fā)生碰撞)。工件要選擇合適的吊裝位置，吊帶的受力力度要合適。尾座套筒退出，松開(kāi)尾座地腳螺絲并向后開(kāi)出一定距離。即可吊工件下活并放置到指定位置。托架的底瓦和側(cè)瓦不要?jiǎng)樱屑艿牡啄_螺絲可以松開(kāi)，便于左右移動(dòng)托架(要移動(dòng)托架的時(shí)候工件必須要向上吊起一小段距離)，方便下活。

2.2 托磨時(shí)撥爪受力平衡的調(diào)整方法

在磨床托磨，特別是自衛(wèi)托磨時(shí)，床頭撥盤(pán)兩撥爪與工件卡箍接觸受力情況對(duì)托磨精度的影響至關(guān)重要。其接觸受力的情況可通過(guò)調(diào)整撥爪的位置來(lái)實(shí)現(xiàn)。托磨時(shí)撥盤(pán)兩撥爪的調(diào)整方法如下：

(1)卡箍卡緊時(shí)注意要平行于卡盤(pán)，先目測(cè)把撥爪位置調(diào)整合適，使兩撥爪到工件的中心距離相等，以保證工件所受扭矩的力臂相等，使兩撥爪在工作中的受力均勻。

(2)開(kāi)啟托架潤(rùn)滑系統(tǒng)，慢慢轉(zhuǎn)動(dòng)工件，看頭架撥爪受力情況，自衛(wèi)板受力后要平行于撥盤(pán)。如不平行的話，微調(diào)整撥爪位置，下陷多的一端撥爪，向外側(cè)微調(diào)。下陷少的一端撥爪，向內(nèi)側(cè)微調(diào)，最終使兩撥爪受力均勻。

通過(guò)調(diào)整撥爪使工件受到兩個(gè)方向相反、大小相等的扭矩，減少了工件對(duì)托瓦的連續(xù)不等力摩擦。保證了工件的回轉(zhuǎn)精度，并使工件在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中達(dá)到平穩(wěn)、勻速，滿足加工要求。

2.3 影響軋輥托磨精度的因素

軋輥的托磨過(guò)程是采用合成誤差來(lái)研究自身定位，其實(shí)際情況與研究結(jié)論非常相符，影響軋輥托磨精度的合成誤差因素包括：

(1)兩托架部位同軸度誤差：撥盤(pán)受力不均，將使撥盤(pán)產(chǎn)生力矩，干涉工件的回轉(zhuǎn)軌跡，造成圓柱度誤差。反映較強(qiáng)烈的部位在卡盤(pán)端，等力矩?fù)軇?dòng)工件是托磨軋輥的重要因素。

(2)撥盤(pán)受力不均的力矩干涉：兩托架部位的同軸度誤差，將直接產(chǎn)生磨削工件部位圓柱度誤差。一般精車(chē)后的軋輥應(yīng)滿足或接近工件的同軸度誤差，經(jīng)反復(fù)磨削兩托架輥頸直至托架部位達(dá)到等直徑，然后再磨削可提高托磨部位圓度的精度，一般可達(dá)圓柱度0.005 mm～0.010 mm。

(3)機(jī)床和托架的剛性：托架和機(jī)床剛性一般要滿足工件回轉(zhuǎn)和磨削時(shí)在徑向和軸向產(chǎn)生的力，并且在磨削時(shí)不能發(fā)生彈性變形和振動(dòng)。

(4)軋輥的軸向定位：軋輥磨削在軸向定位，只能在托磨時(shí)限制工件的軸向竄動(dòng)，不能干涉工件徑向回轉(zhuǎn)。因此，頂尖部加擋板等措施是解決既限制軸向的竄動(dòng)，同時(shí)不干涉工件回轉(zhuǎn)的精度。

3 軋輥托磨技術(shù)的應(yīng)用

推廣軋輥托磨以來(lái)，實(shí)現(xiàn)了細(xì)長(zhǎng)軸軋輥、5 m寬厚板工作輥等特殊軋輥的托磨，軋輥托磨覆蓋率達(dá)到了95%以上，磨削效率、磨削質(zhì)量(形位公差)均有較大提高。

3.1 規(guī)范托磨磨削參數(shù)

根據(jù)產(chǎn)品和設(shè)備對(duì)托磨磨削參數(shù)進(jìn)行了規(guī)范。生產(chǎn)中工件轉(zhuǎn)速未達(dá)到磨削參數(shù)要求，主要原因是托磨潤(rùn)滑不良，若提升工件轉(zhuǎn)速，托磨部位溫度變化較大，影響加工尺寸，存在質(zhì)量隱患；砂輪轉(zhuǎn)速基本能夠達(dá)到參數(shù)要求；進(jìn)給量完全達(dá)到參數(shù)要求。具體托磨參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 磨削參數(shù)Table 1 Grinding parameters

3.2 提高軋輥磨削效率

3.3 提高軋輥磨削質(zhì)量

統(tǒng)計(jì)實(shí)施托磨加工前的入庫(kù)產(chǎn)品形位公差情況：入庫(kù)422支軋輥，共開(kāi)具認(rèn)證單58張，合格率為86.2%。統(tǒng)計(jì)托磨后質(zhì)量票證中軋輥精磨情況：實(shí)際具備托磨加工產(chǎn)品457支，形位公差加工處置單0，共開(kāi)具形位公差認(rèn)證單13張，合格率為97.2%。

3.4 經(jīng)濟(jì)效益分析

軋輥托磨加工推廣后取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益，噸耗臺(tái)時(shí)降低，節(jié)省了加工臺(tái)時(shí)費(fèi)用，據(jù)估算，每年可節(jié)約費(fèi)用40余萬(wàn)元。對(duì)于特大寬厚板工作輥，主要體現(xiàn)在產(chǎn)品質(zhì)量的形位公差保證能力較強(qiáng)，間接經(jīng)濟(jì)效益較大，能夠滿足圖紙要求及用戶要求，用戶現(xiàn)場(chǎng)的適用性較強(qiáng)；若發(fā)生圓度變化，需重新研孔修復(fù)，每支可節(jié)約加工時(shí)間7 h，可節(jié)省費(fèi)用480元，每年按加工寬厚板工作輥80支計(jì)算，可節(jié)約費(fèi)用4萬(wàn)元。

4 結(jié)束語(yǔ)

軋輥托磨工藝推廣應(yīng)用后，軋輥托磨覆蓋率達(dá)到了95%以上，磨削效率(輥身)、磨削質(zhì)量(形位公差)均有較大提高，將軋輥托磨和冷軋輥輥頸振紋的托檢結(jié)合起來(lái)，節(jié)省了冷軋輥托檢振紋的時(shí)間。

(1)不同形式的托架對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量有不同程度的影響，軋輥托磨精度的影響因素包括兩托架部位同軸度誤差、機(jī)床托架的剛性、軋輥軸向定位的干涉等方面。

(2)制定了科學(xué)合理的軋輥托磨工藝，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、摸索和改進(jìn)，制訂了切實(shí)可行的托磨加工工藝，為提高產(chǎn)品精度提供了保障。

(3)提高了細(xì)長(zhǎng)軸、5 m寬厚板工作輥等特殊產(chǎn)品的磨削精度，對(duì)于寬厚板工作輥，采用托磨加工方式，減少了自身重力造成的彈性變形及彎曲變形，提升工件的回轉(zhuǎn)穩(wěn)定性和一致性。

通過(guò)對(duì)托磨技術(shù)的研究和推廣應(yīng)用，提高了產(chǎn)品質(zhì)量，降低了制造成本，還需進(jìn)一步加強(qiáng)與托磨相關(guān)的配套工作，如加強(qiáng)托架、托塊和磨削冷卻液的管理等。