大型矯直輥鍛件制造工藝研究

王炯

(太原重工股份有限公司，山西 太原 030024)

1 技術(shù)要求

矯直輥?zhàn)鳛槌C正機(jī)設(shè)備中直接參與鋼板矯直的核心零件，使用工況十分惡劣，被矯直鋼板最高溫度超過800℃，同時(shí)還要承受最大35 MN的交變矯直力，所以矯直輥要有耐高溫特性以及足夠的抗疲勞強(qiáng)度。本臺(tái)矯正機(jī)設(shè)備中的矯直輥選用的材料為60CrMoV，材料化學(xué)成分需滿足JB/T 6401—2017《大型軋輥鍛件用鋼技術(shù)條件》中對(duì)60CrMoV的化學(xué)成分要求，如表1所示。

表1 60CrMoV化學(xué)成分(%)

60CrMoV屬于耐熱高鉻合金鋼，Cr元素可提高材料的強(qiáng)度、硬度、屈服強(qiáng)度、耐磨性、淬透性和韌性，使材料組織細(xì)化而又均勻分布，由于Cr元素的碳化物難熔解，在加熱情況下可有效阻止晶粒長(zhǎng)大，所以可有效降低材料的熱敏感性；Mo元素具有細(xì)化晶粒的作用，可降低鋼的過熱傾向性，提高材料的強(qiáng)度、硬度和熱穩(wěn)定性；V元素對(duì)細(xì)化材料晶粒具有很大作用，可提高材料的強(qiáng)度和韌性，減少材料熱敏感性，改善材料熱穩(wěn)定性[1]。綜上所述，60CrMoV具有高強(qiáng)度、不易磨損、耐熱的特點(diǎn)，而且該材料經(jīng)過熱處理后的可加工性較好，因此60CrMoV常被用于大型軋輥、支撐輥等大型合金鍛件的制造。

本臺(tái)矯正機(jī)中的矯直輥輥身長(zhǎng)度2500 mm，輥身直徑220 mm，如圖1所示。輥身表面要求淬火，表淬硬度為62～65HRC，淬火深度為8～12 mm。調(diào)質(zhì)處理后力學(xué)性能要求見表2[2]。

表2 調(diào)質(zhì)處理后力學(xué)性能要求

圖1 矯直輥結(jié)構(gòu)圖

2 制造工藝流程分析

矯直輥制造工藝流程為：冶煉→鍛造→粗加工→調(diào)質(zhì)熱處理→力學(xué)性能測(cè)試→半精加工→表面淬火→精加工→檢驗(yàn)→入庫(kù)。

矯直輥的制造工藝流程從材料冶煉開始，經(jīng)過鍛造(鍛造比≥4)和粗加工后進(jìn)行調(diào)質(zhì)熱處理，達(dá)到力學(xué)性能要求，然后再經(jīng)過半精加工滿足淬火要求后進(jìn)行輥身表面淬火，輥身表淬硬度和深度均需滿足技術(shù)要求，下一步再進(jìn)行矯直輥的精加工，最后檢驗(yàn)合格后入庫(kù)，從而完成矯直輥的整個(gè)制造工藝流程[3]。

3 鍛造工藝

3.1 鍛造工藝路線

為保證矯直輥材料的純凈度，選用的鍛造鋼錠必須經(jīng)過精煉處理，如脫氫處理、脫氧處理、脫硫處理等。對(duì)于同一臺(tái)設(shè)備中的矯直輥應(yīng)選用同一熔煉爐號(hào)的鋼錠以及同一批次的鍛件，這樣就可有效降低各矯直輥之間的材質(zhì)和性能差異，保證各矯直輥質(zhì)量的一致性。

矯直輥的鍛造工藝采用自由鍛的方式，自由鍛具有操作簡(jiǎn)便、靈活的特點(diǎn)，尤其是對(duì)于大型鍛件來(lái)說(shuō)自由鍛是最佳的選擇。為得到較好的力學(xué)性能和鍛造質(zhì)量，矯直輥的鍛造比要求≥4，鍛造比不宜過大，否則不僅會(huì)增加鍛造的工作量，而且還會(huì)引起鍛件的各向異性[4]。同時(shí)，為了避免鍛件出現(xiàn)縮孔、偏析等不良缺陷，通常會(huì)在鋼錠的冒口位置和兩端面留一定長(zhǎng)度的切除量。鍛造完成后對(duì)毛坯進(jìn)行超聲檢測(cè)，滿足JB/T 5000.15—2007《重型機(jī)械通用技術(shù)條件 第15部分：鍛鋼件無(wú)損檢測(cè)》中II級(jí)無(wú)損檢測(cè)要求。

3.2 鍛后熱處理

矯直輥鍛后熱處理的主要目的是消除矯直輥的鍛造應(yīng)力，細(xì)化晶粒，改善切削性能。由于60CrMoV材料對(duì)于白點(diǎn)敏感性較高，白點(diǎn)存在會(huì)降低材料的強(qiáng)度和韌性，如白點(diǎn)發(fā)生在應(yīng)力集中部位，會(huì)極易導(dǎo)致矯直輥斷裂[5-6]。所以，鍛后熱處理是矯直輥重要的熱處理工序之一，鍛后熱處理曲線圖如圖2所示。

圖2 矯直輥鍛后熱處理曲線圖

4 熱處理工藝

4.1 調(diào)質(zhì)處理

調(diào)質(zhì)處理是金屬熱處理的重要工藝之一，是指金屬在淬火后再經(jīng)過高溫回火，從而提高金屬的綜合力學(xué)性能。

矯直輥在矯直鋼板過程中會(huì)承受較大的矯直力，這就要求矯直輥具有較高的力學(xué)性能，經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理后矯直輥將消除網(wǎng)狀碳化物，細(xì)化碳化物，可得到細(xì)珠光體或索氏體組織，提高屈強(qiáng)比，使組織更加致密，可在大矯直力作用下仍能夠保持良好的韌性，承受循環(huán)彈性變形；而且調(diào)質(zhì)處理后矯直輥的切削性能將大為改善，有助于后續(xù)機(jī)加工[7-8]。同時(shí)，還為最終輥身表面淬火熱處理做準(zhǔn)備。矯直輥調(diào)質(zhì)處理曲線圖如圖3所示。

圖3 矯直輥調(diào)質(zhì)處理曲線圖

矯直輥屬于細(xì)長(zhǎng)類軸類零件，為避免矯直輥在調(diào)質(zhì)過程中發(fā)生較大的變形，在調(diào)質(zhì)處理時(shí)采用井式爐的熱處理方式，如圖4所示，這樣可以使熱處理變形盡可能發(fā)生在軸向方向，減小矯直輥徑向變形。工藝人員根據(jù)不同直徑的矯直輥，設(shè)計(jì)制作了一系列的熱處理工裝，極大地提高了熱處理效率。

圖4 矯直輥井式爐調(diào)質(zhì)處理

還有一點(diǎn)需要強(qiáng)調(diào)的是，在調(diào)質(zhì)處理前，矯直輥尖角必須倒鈍，軸肩根部須做倒圓處理，表面粗糙度不粗于Ra6.3 μm，從而避免在調(diào)質(zhì)過程中在尖角、根部及表面產(chǎn)生應(yīng)力集中發(fā)生裂紋。同時(shí)，矯直輥調(diào)質(zhì)處理前輥身直徑留余量10～12 mm，從而確保矯直輥發(fā)生徑向變形后仍具有足夠的加工余量。

為檢測(cè)矯直輥調(diào)質(zhì)后的力學(xué)性能，矯直輥軸頭保留長(zhǎng)度約150 mm的取樣區(qū)，對(duì)于同一熔煉爐、同一熱處理批次的矯直輥抽樣30%，但不少于2件，取樣位置距離取樣區(qū)表面1/3半徑處。分別對(duì)取樣試棒做拉伸試驗(yàn)和沖擊試驗(yàn)，得到其屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、斷后伸長(zhǎng)率、斷面收縮率、沖擊吸收能量等力學(xué)性能指標(biāo)。各項(xiàng)指標(biāo)數(shù)據(jù)滿足要求后方可進(jìn)行下一工序。

4.2 表面淬火處理

鋼的表面淬火處理是將鋼的被淬火表面進(jìn)行快速加熱獲得奧氏體組織，然后再進(jìn)行快速冷卻使表面獲得馬氏體組織，從而提高鋼表面的硬度和耐磨性，芯部仍可保持較高的韌性強(qiáng)度，表面淬火后應(yīng)及時(shí)進(jìn)行回火處理，消除淬火產(chǎn)生的熱處理應(yīng)力。根據(jù)加熱方式的不同，表面淬火可分為感應(yīng)加熱表面淬火、火焰加熱表面淬火、電接觸加熱表面淬火、電解液加熱表面淬火等，其中以感應(yīng)加熱和火焰加熱兩種方法應(yīng)用最廣。感應(yīng)加熱方式具有效率高、穩(wěn)定性好、淬火深度易控制等特點(diǎn)，所以矯直輥表面淬火處理選用的是感應(yīng)加熱的方式[9]。工藝人員根據(jù)矯直輥輥身直徑、輥身長(zhǎng)度設(shè)計(jì)了不同規(guī)格的淬火感應(yīng)器，制定了規(guī)范的工藝參數(shù)，以保證矯直輥輥面感應(yīng)淬火的效果和穩(wěn)定性。

鋼板在矯直過程中發(fā)生反復(fù)“彈—塑—彈—塑”變形過程，若要使鋼板發(fā)生塑性變形，矯直輥輥面必須具備較高的硬度，同時(shí)芯部還要具有足夠的韌性，尤其是對(duì)于高強(qiáng)鋼板來(lái)說(shuō)，則需要對(duì)矯直輥輥面提出更高的要求。因此，為保證矯直輥“內(nèi)韌外剛”的特性，在確保輥面硬度(62～65HRC)的前提下，要嚴(yán)格控制淬火層深度(8～12 mm)，所以在輥面淬火時(shí)需將感應(yīng)器功率與移動(dòng)速度控制在合理范圍內(nèi)，完成淬火后檢驗(yàn)輥面硬度，滿足技術(shù)要求，檢測(cè)時(shí)一般選取兩條母線，每條母線上相鄰檢測(cè)點(diǎn)距離不大于200 mm[10]。

這里需要指出的是，由于矯直輥輥面淬火前留有一定的加工余量，而輥面淬火后硬度隨著深度的增加會(huì)有不同程度的硬度下降情況。所以，淬火后的輥面硬度值應(yīng)略高于圖紙要求硬度，從而保證在加工完成后輥面硬度仍在要求范圍內(nèi)。

5 機(jī)加工工藝

矯直輥是矯直機(jī)的關(guān)鍵零件之一，矯直輥具有硬度高、長(zhǎng)徑比大(16∶1)、加工精度要求高(粗糙度Ra0.4 μm，圓柱度?0.04 mm，輥面全跳動(dòng)0.025 mm，輥面直徑尺寸公差0.05 mm)，矯直輥的加工質(zhì)量和精度，直接決定了矯直機(jī)設(shè)備的工作精度，所以在矯直輥加工過程中要嚴(yán)格控制切削參數(shù)，確保矯直輥加工質(zhì)量的穩(wěn)定性。矯直輥加工工藝流程為：粗車→半精車→粗磨→精車→半精磨→精磨(關(guān)鍵工序)。

工序一：粗車。按矯直輥調(diào)質(zhì)處理前工序圖要求，粗車矯直輥輥身、輥頸及端面。由于矯直輥毛坯外形不規(guī)則，留有大量氧化皮，車削時(shí)車刀受到的沖擊力較大，所以選用前角與后角均較小的車刀，提高車刀強(qiáng)度和散熱，此次矯直輥加工選用某品牌硬質(zhì)合金數(shù)控刀片，切削深度ap為5 mm，進(jìn)給速度f(wàn)為0.15 mm/r，切削速度Vc為80 m/min[11]，為防止熱處理時(shí)產(chǎn)生裂紋，矯直輥加工表面粗糙度不高于Ra12.5 μm。

工序二：半精車。經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理后的矯直輥雖然硬度有所提高，但可切削性大為改善，所以半精加工時(shí)選用前角和后角稍大的車刀，切削加工時(shí)切削阻力小、摩擦力小、切削溫度低、刀具磨損小，切削深度ap為2 mm，進(jìn)給速度f(wàn)為0.3 mm/r，切削速度Vc為120 m/min，矯直輥加工表面粗糙度不高于Ra6.3 μm。

工序三：粗磨。粗磨矯直輥輥身、輥頸，為保證輥身淬火處理時(shí)不發(fā)生裂紋，粗磨后表面粗糙度不高于Ra3.2 μm。

工序四：精車。精車矯直輥各外圓表面及端面，輥身、輥頸外圓留余量2 mm。

工序五：半精磨。半精磨矯直輥各外圓表面。

工序六：精磨。精磨是矯直輥加工成敗的關(guān)鍵工序，是決定矯直輥輥面粗糙度、尺寸和形位公差的重要一環(huán)。因此，在精磨過程中要嚴(yán)格控制磨削參數(shù)，磨削吃刀量控制在5～10 μm，砂輪轉(zhuǎn)速控制在10～20 r/min，當(dāng)輥身精磨至圖紙時(shí)空刀走一遍，磨削輥面高點(diǎn)，修正輥面圓度。不僅如此，在精磨矯直輥時(shí)要采用大量切削液，以降低磨削產(chǎn)生的大量切削熱，減小磨削熱變形。矯直輥精磨工序在重型臥式外圓磨床上完成，如圖5所示。

圖5 精磨工序

在精磨過程中，經(jīng)常出現(xiàn)的磨削加工問題有：

(1)輥面外圓出現(xiàn)螺旋痕跡。這種情況的發(fā)生主要有幾方面因素所導(dǎo)致：1)砂輪硬度過高，砂輪目數(shù)選擇不合理；2)切削參數(shù)選擇不合理，吃刀量或進(jìn)給量過大；3)砂輪外圓圓度差，母線直線度低；4)機(jī)床導(dǎo)軌問題，存在爬行或擺動(dòng)等情況。

(2)輥面外圓出現(xiàn)燒傷。導(dǎo)致這種情況的原因主要有：1)砂輪粒度太小或硬度太高；2)砂輪不鋒利；3)磨削線速度過低；4)冷卻液不充分影響散熱。

(3)輥面出現(xiàn)振紋。導(dǎo)致輥面振紋的原因主要有：1)中心孔圓與磨床頂尖接觸率不良；2)零件重量過大，超過機(jī)床額定負(fù)載，導(dǎo)致機(jī)床運(yùn)行不平穩(wěn)；3)砂輪動(dòng)平衡差，運(yùn)行時(shí)發(fā)生振動(dòng)；4)機(jī)床主軸軸承存在間隙，轉(zhuǎn)動(dòng)過程中發(fā)生跳動(dòng)。

(4)輥身圓度差。導(dǎo)致輥身圓度差的原因主要有：1)中心孔圓度差，導(dǎo)致回轉(zhuǎn)過程中回轉(zhuǎn)中心發(fā)生變化；2)工件未完全頂緊固定，致使磨削回轉(zhuǎn)時(shí)發(fā)生竄動(dòng)；3)中心孔貼合面硬度偏低，當(dāng)受到工件自身重力后，中心孔變形。

工藝人員經(jīng)過多年的技術(shù)積累，已經(jīng)完全掌握了矯直輥的磨削加工技術(shù)，能夠根據(jù)磨削過程中出現(xiàn)的各種問題，快速的識(shí)別問題根源并找出解決方案，目前矯直輥合格率達(dá)到了99.8%以上。

6 檢驗(yàn)

矯直輥完成全部加工后方可進(jìn)行最終檢驗(yàn)，檢驗(yàn)內(nèi)容包括：零件全部加工尺寸、形位公差、輥身表面硬度、粗糙度以及表面裂紋等項(xiàng)目。零件尺寸檢測(cè)一般采用外徑千分尺、游標(biāo)卡尺等檢測(cè)工具；形位公差檢測(cè)采用臨床打表的方式，主要檢查輥身圓度、同軸度等項(xiàng)目；表面硬度采用便攜式硬度計(jì)，選取兩條母線，每條母線上相隔200 mm選取檢測(cè)點(diǎn)打硬度并記錄；表面粗糙度檢測(cè)采用粗糙度比對(duì)塊或粗糙度檢測(cè)儀進(jìn)行檢測(cè)；表面裂紋檢測(cè)采用磁粉檢測(cè)的方式，滿足JB/T 5000.15—2007中Ⅱ級(jí)要求。

7 結(jié)語(yǔ)

從化學(xué)成分、鍛造工藝、熱處理工藝、機(jī)加工工藝、檢驗(yàn)等方面對(duì)大型矯直輥鍛件進(jìn)行了深入研究，并且鍛造、熱處理和機(jī)加工工藝都在實(shí)際生產(chǎn)中得到了充分驗(yàn)證，結(jié)果表明各項(xiàng)工藝參數(shù)科學(xué)合理，制造完成的所有矯直輥均滿足圖紙?jiān)O(shè)計(jì)要求。

近些年高溫合金材料堆焊技術(shù)逐漸在矯直輥修復(fù)過程中被采用，當(dāng)矯直輥使用一段時(shí)間輥面淬火層磨損后，通過堆焊處理實(shí)現(xiàn)對(duì)磨損矯直輥的修復(fù)再利用。同時(shí)，一些矯直輥制造單位也正在研究在成本相對(duì)較低的42CrMo材料表面堆焊高溫合金材料，用來(lái)代替成本較高的60CrMoV，從而實(shí)現(xiàn)成本控制，該技術(shù)已在部分矯直機(jī)設(shè)備中得到了驗(yàn)證。但是，對(duì)于X38CrMoV5或X40CrMoV7等矯直輥材料還沒有突破其堆焊技術(shù)，矯直輥堆焊技術(shù)還有待進(jìn)一步發(fā)展。相信隨著新材料、新工藝的不斷突破，矯直輥的制造工藝技術(shù)也將會(huì)得到不斷優(yōu)化和完善，矯直輥的制造質(zhì)量和效率將穩(wěn)步提升。