冷軋下機(jī)支撐輥疲勞層分析檢測

張文亮，繆軍紅，劉 飛，王 全

（首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司，河北 唐山 063000）

冷軋輥是冷軋機(jī)組的重要工藝件，它直接影響著各工序的生產(chǎn)節(jié)奏及產(chǎn)品質(zhì)量，軋輥輥耗同時(shí)也是重要的工序成本之一。檢測下機(jī)舊輥的疲勞層，能夠在保證軋輥質(zhì)量的同時(shí)最大限度的降低軋輥磨削量，使得軋輥消耗成本大大降低[1]。

金屬鍛鋼軋輥在經(jīng)過上機(jī)軋制服役后，由于受到巨大的接觸應(yīng)力和周期性剪切應(yīng)力負(fù)荷，輥面表層會(huì)形成一定厚度的疲勞層（疲勞層），硬化層內(nèi)位錯(cuò)密度升高，可能會(huì)出現(xiàn)駐留滑移帶，甚至出現(xiàn)裂紋。

一般來說，輥面硬化層的硬度比正常輥面硬度偏高，經(jīng)過把疲勞層去掉后其硬度恢復(fù)正常值，其厚度可以用硬度梯度法檢測出來。但是在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，該方法存在測量不精確的問題，軋輥常用的肖氏硬度檢測時(shí)，硬度計(jì)的測量誤差達(dá)到了疲勞層與正常輥面硬度差水平，這樣導(dǎo)致實(shí)際檢測的硬度數(shù)據(jù)無法統(tǒng)計(jì)計(jì)算，疲勞層也就難以分析；同時(shí)輥面粗糙度對(duì)硬度值也有影響，以往經(jīng)常不予考慮造成數(shù)據(jù)失真。

1 硬度梯度檢測法

針對(duì)該問題，課題提出了解決的思路：

（1）改用里氏硬度測量法，里氏與肖氏同為回彈式檢測法，適用于鍛鋼輥，它的優(yōu)點(diǎn)是檢測數(shù)據(jù)較高，其在檢測疲勞層與正常輥面硬度差異時(shí)數(shù)值較大。

（2）采用多點(diǎn)加權(quán)平均的方法降低測量系統(tǒng)誤差，收集大量的檢測數(shù)據(jù)。

（3）硬度測量時(shí)設(shè)定粗糙度范圍，同時(shí)考慮分析硬度與粗糙度對(duì)應(yīng)關(guān)系。

1.1 硬度計(jì)MSA分析

采用德國進(jìn)口TH-160回彈式硬度計(jì)做為測量儀器，測量方法為里氏硬度D型測量。

里氏硬度試驗(yàn)是一定直徑的碳化鎢球沖頭在一定試驗(yàn)力作用下沖擊試樣表面,測量沖頭距試樣表面1mm 處沖擊速度與回跳速度。利用電磁原理感應(yīng)出與速度成正比的電壓。里氏硬度值以沖頭回跳速度與沖擊速度之比來表示。

以“兩帶兩創(chuàng)”為抓手，凸顯創(chuàng)效成果。大力推進(jìn)“黨組織帶黨員創(chuàng)效，黨員帶群眾創(chuàng)新”黨建品牌工程。其特點(diǎn)是：目標(biāo)在效，核心在黨，突出在帶。以項(xiàng)目化為思路，黨員化為突破，效益化為目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)黨建工作融入中心，具體做法總結(jié)起來為八個(gè)字：行政出題，黨委選人。以“兩帶兩創(chuàng)”將重點(diǎn)工作項(xiàng)目化，項(xiàng)目管理日常化，培養(yǎng)提升黨員干部的項(xiàng)目思維、攻關(guān)思維，創(chuàng)新思維、服務(wù)思維。

利用六西格瑪工具，對(duì)該儀器進(jìn)行測量系統(tǒng)分析，選用3人、6個(gè)測量部件、重復(fù)2次方法。

經(jīng)過測量系統(tǒng)分析，測量系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)差為HLD2.78,研究變異比5.96%＜30%，公差變異比27.83%＜30%，可區(qū)分類別數(shù)23＞5，該硬度計(jì)測量系統(tǒng)可信[2,3]。

1.2 硬度梯度檢測法

我們選用某鋼廠1420平整機(jī)支撐輥?zhàn)鳛閷?duì)象進(jìn)行檢測，支撐輥為Cr5%鍛鋼輥，正常換輥周期約為6000km～8000km，最大軋制力約為8MN。不同磨削深度輥面均做5×5=25個(gè)硬度點(diǎn)，然后加權(quán)平均，形成一組數(shù)據(jù)；工作輥粗糙度控制限定＜Ra0.5μm，支撐輥粗糙度限定＜Ra1.2μm。上見例表。經(jīng)過多點(diǎn)加權(quán)平均，測量系統(tǒng)誤差降為原來的1/=1/5，測量系統(tǒng)誤差進(jìn)一步大大降低，標(biāo)準(zhǔn)差降為HLD（0.6～1.5）之間，數(shù)據(jù)可信度提高。

2 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

2.1 疲勞層計(jì)算

選取了不同的10支下機(jī)軋輥進(jìn)行測量（1075個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)），分別形成10組檢測數(shù)據(jù)，對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)整理，見下表。

序號(hào) 磨削深度，mm硬度數(shù)據(jù)HLD 1 0 750 18 0.44 740.2硬度數(shù)據(jù)HLD序號(hào) 磨削深度，mm 0.1 719.3 19 0.84 736.8 3 0.2 721.7 20 1.34 730.2 4 0.3 720 21 1.344 744.5 5 0.6 727.7 22 0.13 733.7 6 0.9 720.5 23 0.419 728.1 7 1.2 724.1 24 0.805 731.1 8 1.5 732.7 25 1.31 717.7 9 0.13 725 26 1.32 732.7 10 0.28 728.7 27 0.142 741 11 0.52 725.7 28 0.31 739.6 12 0.85 730.7 29 0.61 738.4 13 1.3 714.4 30 1.01 736.7 14 1.32 733 31 1.5 737.6 15 1.33 743 32 0.495 743.2 16 0.04 733.7 33 0.81 741 17 0.19 725 2

序號(hào) 粗糙度 對(duì)應(yīng)硬度HLD平均Ra 1 2 3 4 5 平均HLD 1 2 3 4 5 1 2.1562 2.49 2.02 2.273 1.952 2.046 833.2 825 837 839 837 828 2 1.7418 1.739 1.605 1.692 1.798 1.875 843 855 849 837 836 838 3 1.1642 1.163 1.147 1.141 1.122 1.248 842.4 842 851 841 838 840 4 1.272 1.172 1.415 1.176 1.38 1.217 846.4 850 856 842 836 848 5 0.8178 0.744 0.883 0.827 0.798 0.837 852.4 856 842 851 858 855 6 0.5816 0.573 0.603 0.604 0.548 0.58 856 857 851 859 857 856 7 0.3466 0.355 0.322 0.342 0.367 0.347 857 856 856 855 854 856 8 1.0188 1.14 1.144 1.024 0.841 0.945 852.4 847 854 853 852 856 9 2.5738 2.86 2.463 3.02 2.406 2.12 829 822 830 832 831 830 10 1.8042 1.829 1.655 1.745 1.989 1.803 841.2 845 839 840 838 844 11 1.42 1.312 1.357 1.48 1.534 1.417 847.2 850 841 849 849 847

利用JMP分析軟件，對(duì)整理數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合分析，發(fā)現(xiàn)硬度-磨削深度關(guān)系符合指數(shù)衰減模型，該擬合曲線R2為81.0%,模型可信。其擬合公式為：

擬合曲線如下：

由擬合曲線分析，在未磨削時(shí)（舊輥）硬度處于最高值，開始磨削后從0mm至0.3mm左右硬度大幅下降，硬度值從HLD750降至HLD733左右，0.3mm之后進(jìn)行加磨，硬度值趨于平緩不變。

經(jīng)過對(duì)該曲線的逆預(yù)測，當(dāng)硬度值從HLD750降為HLD732時(shí)不再變化，此時(shí)對(duì)應(yīng)磨削深度為0.24mm，則該擬合曲線計(jì)算的1420平整機(jī)支撐輥在正常工況時(shí)的疲勞層約為0.24mm。

2.2 輥面硬度與輥面粗糙度關(guān)系

2.2.1 平均值數(shù)據(jù)分析

利用minitab對(duì)平均值數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，在Ra值（0.3～2.5）μm范圍內(nèi)，輥面硬度與粗糙度成線性關(guān)系，硬度隨著粗糙度的提高而逐漸下降。

2.2.2 整體數(shù)據(jù)分析

利用JMP軟件對(duì)整體值數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，輥面硬度和粗糙度呈Logistic回歸關(guān)系，關(guān)系式為：

綜合分析，輥面硬度確實(shí)和粗糙度有關(guān)，粗糙度越高輥面硬度越低。兩個(gè)分析對(duì)比看，個(gè)人認(rèn)為輥面硬度應(yīng)該在整體上呈Logistic回歸關(guān)系，在粗糙度0.5μm～2.5 μm的中間范圍內(nèi)近乎線性關(guān)系，在粗糙度≤0.5 μm時(shí)輥面硬度趨于平緩，對(duì)粗糙度的變化不太敏感。

當(dāng)粗糙度在0.3～1.2μm時(shí)，輥面里氏硬度值范圍為857～850HLD，波動(dòng)范圍為6HLD，而疲勞層和正常輥面硬度降達(dá)到了20HLD，所以在Ra1.2范圍內(nèi)進(jìn)行的硬度-疲勞層計(jì)算是可信的。

3 結(jié)論

通過測量方法改進(jìn)和JMP數(shù)據(jù)分析，我們認(rèn)為支撐輥疲勞層正常情況下預(yù)計(jì)在0.24mm左右，超過這個(gè)值后裂紋消除，輥面位錯(cuò)密度及滑移分布趨于正常。

該數(shù)據(jù)相比磨削量設(shè)定（如2.0mm）低很多，這意味著軋輥降成本有比較大的空間。當(dāng)然這是計(jì)算擬合值，在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中，磨削量的設(shè)定應(yīng)當(dāng)偏保守一些，避免上機(jī)軋輥出現(xiàn)事故。降低設(shè)定磨削量的時(shí)候盡量注意兩個(gè)方面：一個(gè)是不要斷崖式大幅下降；另一個(gè)是用探傷方法驗(yàn)證確保降低后質(zhì)量合格。

工作輥測量分析時(shí)，由于測量系統(tǒng)誤差和硬化層-正常輥面硬度差兩者的差距較小，工作輥疲勞層的檢測分析比支撐輥略難，但用這個(gè)方法應(yīng)該也可以得出一個(gè)可信的結(jié)果。

在實(shí)際檢測分析過程中，我們也發(fā)現(xiàn)硬度值與輥面粗糙度也有很大關(guān)系，輥面硬度檢測值隨著粗糙度的提高而逐漸下降，符合Logistic回歸關(guān)系，在對(duì)硬度相關(guān)的測量分析時(shí)就要對(duì)粗糙度進(jìn)行限制，否則分析可能失真。