軋輥粗糙度保持能力試驗(yàn)機(jī)的研制

楊金剛 田 奕 王金龍

(1．中鋼集團(tuán)邢臺(tái)機(jī)械軋輥有限公司技術(shù)中心，河北054000；2．邢臺(tái)軋輥機(jī)電工程有限公司，河北054000；3．軋輥復(fù)合材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北054000)

冷軋工作輥在軋制過(guò)程中，一方面使軋材發(fā)生塑性變形減??；一方面將本身的表面形貌印刷在軋材上。在軋材發(fā)生變形時(shí)，軋輥與軋材之間發(fā)生前滑和后滑，運(yùn)動(dòng)速度不一致而發(fā)生摩擦磨損。隨著軋制距離的增加，軋輥表面變得逐漸光滑，表面粗糙度逐漸下降。當(dāng)表面粗糙度下降到一定程度時(shí)，必須重新修磨輥面，否則會(huì)造成軋材表面過(guò)于光滑，不能滿足后期表面處理工藝的要求，甚至造成產(chǎn)品報(bào)廢和軋輥的非正常失效。因此冷軋工作輥在軋制過(guò)程中的粗糙度保持能力是評(píng)價(jià)其使用性能的一個(gè)重要指標(biāo)。對(duì)于新研發(fā)的新材質(zhì)新工藝的工作輥，采用實(shí)物現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證實(shí)測(cè)的方法獲得粗糙度保持能力的數(shù)據(jù)，周期長(zhǎng)，成本高。因此迫切需要建立一種試驗(yàn)室內(nèi)評(píng)價(jià)各種材質(zhì)工作輥粗糙度保持能力的檢測(cè)方法和評(píng)定依據(jù)。

為了能在試驗(yàn)室內(nèi)得到與實(shí)際軋制趨勢(shì)相近的試驗(yàn)結(jié)果，嘗試在JPM-1接觸疲勞磨損試驗(yàn)機(jī)上在10%滑差率和機(jī)油潤(rùn)滑介質(zhì)下進(jìn)行試驗(yàn)，雖然粗糙度數(shù)值降低，但摩擦磨損輕微，試驗(yàn)周期相當(dāng)長(zhǎng)。而后，又在MM-200磨損試驗(yàn)機(jī)上采用環(huán)環(huán)磨損的方式，在10%滑差率和水潤(rùn)滑下進(jìn)行試驗(yàn)。在能夠接受的時(shí)間內(nèi)粗糙度明顯降低，但該試驗(yàn)方式對(duì)試樣的加工精度和試驗(yàn)機(jī)的裝配精度要求很高，尺寸公差和形位公差見(jiàn)圖1。當(dāng)尺寸精度和裝配精度無(wú)法滿足要求時(shí)會(huì)導(dǎo)致試樣環(huán)向上磨損不均勻，導(dǎo)致測(cè)量數(shù)據(jù)波動(dòng)增大。因此試樣的加工費(fèi)用和加工周期制約試驗(yàn)的進(jìn)行。

圖1 MM-200磨損試驗(yàn)機(jī)試樣要求Figure 1 Sample requirements of MM-200 wear testing machine

基于上述原因，研制了一種專門(mén)用于軋輥表面粗糙度保持能力測(cè)試的摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，試驗(yàn)力、轉(zhuǎn)速、潤(rùn)滑介質(zhì)等試驗(yàn)參數(shù)調(diào)節(jié)范圍大，具有試樣制取方便，裝卡定位快捷，精度高，磨損均勻，一根試樣進(jìn)行多點(diǎn)試驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)。

1 試驗(yàn)機(jī)的設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)原理

冷軋工作輥材質(zhì)試樣為長(zhǎng)圓棒狀，圓柱區(qū)為試驗(yàn)區(qū)，兩端為圓錐面，為定位夾持區(qū)。試驗(yàn)時(shí)只需將試樣放在試驗(yàn)機(jī)的兩端錐孔中夾緊，即實(shí)現(xiàn)精確定位，試樣兩端的徑向跳動(dòng)均優(yōu)于0.02 mm，因而整個(gè)試驗(yàn)區(qū)的形位公差均有保證，可確保整個(gè)試驗(yàn)環(huán)帶的磨損均勻性。試樣外圓熱處理后磨削加工到要求的表面粗糙度。陪試樣采用低碳鋼或其它材質(zhì)，以一定的試驗(yàn)力和轉(zhuǎn)速與試樣進(jìn)行滑動(dòng)摩擦磨損，試樣沿軸向不同部位的摩擦行程逐漸增大。整個(gè)外圓面試驗(yàn)完后，檢測(cè)不同摩擦行程的粗糙度變化，繪制摩擦行程-粗糙度曲線，進(jìn)行函數(shù)擬合，得到粗糙度降落的特性參數(shù)。粗糙度保持能力試驗(yàn)機(jī)原理圖如圖2所示。

圖2 粗糙度保持能力試驗(yàn)機(jī)原理圖Figure 2 Principle of testing machinefor roughness holding capacity

1.2 機(jī)械部分

為達(dá)到要求的試驗(yàn)?zāi)康?，試?yàn)機(jī)主機(jī)的機(jī)械部分按功能分試樣旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、陪試樣加載機(jī)構(gòu)、陪試樣的軸向位移機(jī)構(gòu)、摩擦潤(rùn)滑機(jī)構(gòu)四個(gè)部分。伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)夾持固定在軸承座和尾座上的試樣按設(shè)定速度旋轉(zhuǎn)，加載砝碼通過(guò)繩輪驅(qū)動(dòng)齒條向前推動(dòng)陪試樣與試樣頂緊接觸。旋轉(zhuǎn)雙向滑座上的手輪實(shí)現(xiàn)陪試樣在試樣的不同軸向位置與其進(jìn)行摩擦磨損試驗(yàn)，見(jiàn)圖3。

(a)俯視圖(b)后視圖1—試驗(yàn)機(jī)基座 2—伺服電機(jī) 3—聯(lián)軸器 4—扭矩傳感器5—組合軸承座 6—試樣 7—組合尾座 8—陪試樣9—陪試樣導(dǎo)向裝置 10—陪試樣夾持裝置 11—加載齒條12—雙向滑座 13—加載齒輪 14—加載軸承座15—加載繩輪 16—砝碼 17—噴淋管18—回液盤(pán) 19—噴淋泵 20—儲(chǔ)液槽圖3 試驗(yàn)機(jī)示意圖Figure 3 Testing machine

1.2.1 試樣旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)

旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)由伺服電機(jī)、聯(lián)軸器、扭矩傳感器、組合軸承座、組合尾座組成。為滿足試驗(yàn)過(guò)程中不同轉(zhuǎn)速的需要，選擇轉(zhuǎn)速0～1200 rmin，額定轉(zhuǎn)矩為7.16 N·m的伺服電機(jī)。扭矩傳感器的最大扭矩為10 N·m。組成尾座的軸向伸縮行程為100 mm。試驗(yàn)采用中心直徑?30 mm、平行部分長(zhǎng)度80～180 mm的試樣，試樣兩端為錐面，分別與組合軸承座軸和組合尾座軸的錐孔配合。旋轉(zhuǎn)尾座后部手柄旋出尾座軸，頂緊試樣，確保試樣整個(gè)長(zhǎng)度方向上的跳動(dòng)小于0.02 mm。試樣傳動(dòng)端線切割加工扁面，組合軸承座軸上安裝扭矩傳遞環(huán)，帶動(dòng)試樣同步旋轉(zhuǎn)，不與傳動(dòng)軸發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)。

1.2.2 陪試樣加載機(jī)構(gòu)

采用重力砝碼加載的方式，砝碼通過(guò)繩輪、加載軸承座、加載齒輪、加載齒條將重力放大10倍后施加到陪試樣上，陪試樣穿過(guò)導(dǎo)向裝置與試樣接觸。確保陪試樣的磨損量很大時(shí)，施加的試驗(yàn)力始終恒定。通過(guò)增減砝碼實(shí)現(xiàn)不同試驗(yàn)力的增減，最大試驗(yàn)力以保證伺服電機(jī)不發(fā)生堵轉(zhuǎn)為準(zhǔn)。陪磨樣橫截面10 mm×10 mm，長(zhǎng)度范圍40～200 mm。陪磨樣的橫截面與試樣配合，預(yù)制R15 mm圓弧面。

1.2.3 陪試樣的軸向位移機(jī)構(gòu)

將加載機(jī)構(gòu)安裝在X-Y雙向滑座上，旋轉(zhuǎn)X方向的手輪，拖動(dòng)加載機(jī)構(gòu)沿試樣軸向平移，實(shí)現(xiàn)試樣不同軸向部位的摩擦磨損。

1.2.4 摩擦潤(rùn)滑機(jī)構(gòu)

液下泵將供液箱中的潤(rùn)滑冷卻介質(zhì)噴淋到摩擦區(qū)域提供冷卻和潤(rùn)滑，試樣上方有防濺擋水罩，下方有回液盤(pán)，擋水罩安裝在加載機(jī)構(gòu)上，隨著軸向移動(dòng)?；匾罕P(pán)內(nèi)采用磁鐵和濾布將磨損產(chǎn)物吸附過(guò)濾。潤(rùn)滑介質(zhì)可選取水、乳化液、軋制油等。

1.3 測(cè)控系統(tǒng)

采用集成的測(cè)控軟件對(duì)試驗(yàn)參數(shù)、試驗(yàn)動(dòng)作、過(guò)程數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)置、控制和采集。試驗(yàn)前根據(jù)試驗(yàn)要求對(duì)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)數(shù)、冷卻介質(zhì)類型、試驗(yàn)力、采集周期及試樣號(hào)參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，設(shè)定完成后按下啟動(dòng)，伺服電機(jī)和液下泵開(kāi)始工作，潤(rùn)滑液噴淋到試樣上后，松開(kāi)砝碼托盤(pán)，開(kāi)始加載。設(shè)備按設(shè)定參數(shù)運(yùn)轉(zhuǎn)，扭矩、轉(zhuǎn)速、累積旋轉(zhuǎn)圈數(shù)參數(shù)實(shí)時(shí)顯示在顯示器上，后臺(tái)記錄數(shù)據(jù)，到達(dá)設(shè)定轉(zhuǎn)數(shù)后設(shè)備自動(dòng)停止，保存數(shù)據(jù)后，可按試樣號(hào)進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)查詢，進(jìn)行數(shù)據(jù)比對(duì)。

2 試驗(yàn)及分析

2.1 試驗(yàn)材料

采用Cr3材質(zhì)和Cr5材質(zhì)的冷軋輥的輥頸切片，加工成圓棒后分別淬火+低溫回火熱處理，硬度達(dá)到63HRC以上，加工成試樣，最后磨削表面，粗糙度目標(biāo)值控制在Ra1.0～1.2 μm，陪試樣采用45鋼，經(jīng)淬火+中溫回火，硬度為40HRC。

2.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)在自制的粗糙度保持能力試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，試樣直徑?30 mm，平行部分150 mm，陪試樣10 mm×10 mm×200 mm，試樣轉(zhuǎn)速300 rmin，試驗(yàn)力980 N。潤(rùn)滑介質(zhì)為純凈水。每運(yùn)轉(zhuǎn)6000 r(摩擦行程為565.2 m)為一個(gè)試驗(yàn)周期，試樣軸向每15 mm遞增一個(gè)試驗(yàn)周期。每個(gè)試驗(yàn)部位圓周方向均勻分布檢測(cè)8點(diǎn)粗糙度數(shù)據(jù)，記錄試驗(yàn)后粗糙度的變化，見(jiàn)表1。

表1 Cr3和Cr5材質(zhì)冷軋輥表面粗糙度Table 1 Surface roughness of cold rollers with Cr3 and Cr5 materials

2.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

試樣表面原來(lái)磨削產(chǎn)生的磨痕凸峰處逐漸磨平。到后期，凹痕也逐漸減少。

采用y=A1exp(-xt1)+y0函數(shù)對(duì)粗糙度降落情況進(jìn)行擬合，當(dāng)x為0時(shí)，y=A1+y0表示試驗(yàn)前的原始表面粗糙度，當(dāng)x→∞時(shí)，y=y0表示經(jīng)長(zhǎng)期摩擦磨損后，表面粗糙度達(dá)到的最終穩(wěn)定值。t1為粗糙度降落速率。圖5為表面粗糙度降落曲線，表2為表面粗糙度擬合結(jié)果。從擬合結(jié)果看，y0(Cr3)=0.48906，y0(Cr5)=0.48641；t1(Cr3)=1.55338，t1(Cr5)=2.5466。說(shuō)明兩種材質(zhì)的最終穩(wěn)定值非常接近，但Cr5材質(zhì)較Cr3材質(zhì)的粗糙度降落慢。

表2 粗糙度降落函數(shù)擬合結(jié)果Table 2 Fitting results of roughness landing functions

圖5 粗糙度降落曲線Figure 5 Roughness landing curves

3 結(jié)論

根據(jù)冷軋輥粗糙度在摩擦磨損中降落的特性，自主研制了專用的軋輥粗糙度保持能力試驗(yàn)機(jī)。該試驗(yàn)機(jī)具有樣品制取方便，摩擦磨損均勻，試驗(yàn)參數(shù)大范圍可調(diào)節(jié)的特點(diǎn)。對(duì)兩種冷軋輥材質(zhì)進(jìn)行初步的粗糙度保持能力模擬試驗(yàn)，得到有規(guī)律的粗糙度降落曲線。

不同摩擦行程的粗糙度形貌可以同時(shí)存在于一個(gè)試樣上，為后期進(jìn)行組織、形貌的微觀分析創(chuàng)造了便利條件。