圖 1軋輥傳動與振動測量點示意圖
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廣西鋼鐵集團有限公司冷軋廠，防城港 538000
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摘要:本文對磨削和粗糙度公式進行了定性分析，講解了磨削原理及磨削參數與磨削質量之間的關系，分析了磨床安裝精度對磨削質量的影響，總結了冷軋軋輥磨削的主要質量缺陷及其控制思路和方法，為軋輥磨床操作提供了優化操作方法的途徑，為冷軋薄板高效高質量生產提供了軋輥設備保障
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軋輥是保證帶鋼表面質量的重要設備，在軋制生產中會受到機械磨損、高溫氧化等因素影響使其表面受損，最終影響帶鋼質量。軋輥磨削加工就是為了恢復軋輥表層的力學及物理性能、輥型和表面粗糙度，從而保證軋制產品的表面質量及板形，因此，軋輥磨削在帶鋼軋制生產中有著重要的地位。本文通過軋輥磨削原理介紹、設備對磨削質量的影響和磨削主要缺陷控制等三方面對軋輥磨削表面質量控制進行了分析，對現場磨削操作具有較強的實際操作借鑒意義。
1. 軋輥磨削參數與質量控制的關系
1.1 軋輥磨削簡要描述
軋輥磨削是砂輪與軋輥之間在磨床設定的曲線軌跡上的相互摩擦的一種運動。作為磨削過程中的刀具——砂輪是用結合劑粘結特定磨粒制成的，可以看成由無數把形貌不規則，分布不均勻的刀頭組合而成的一種特殊銑刀[1]。為了方便磨削機制的過程分析，將連貫完成并沒有明確界線的整個磨削過程界定為粗磨階段、精磨階段、拋光階段等三個階段：（1）粗磨階段控制輥型，對軋輥加工余量完成80%磨削量；（2）精磨階段保持磨削的穩定，使表面粗糙度逐漸下降；（3）拋光階段使表面粗糙度達到目標值且保證其均勻性。
2. 軋輥磨削及粗糙度的影響因素分析
2.1 磨粒切削厚度影響分析
依據銑刀的切削理論，砂輪磨粒可以假設成變異的銑刀，而砂輪就是一把多齒的銑刀，利用單齒銑削厚度的原理，并假設砂輪是理想銑刀的前提下，可以推導出一個磨粒的切削厚度公式(1)，實際上每個磨粒在砂輪表面的分布是不規則的且切削厚度是不同的，借助公式(1)對影響磨削質量的相關因素進行定性分析。
式中：
切削厚度與磨粒的切削負荷、磨削力和砂輪磨損成正比，且切削厚度越大磨出的軋輥表面質量越差，切削厚度越小磨出的軋輥表面質量越好。式(1)中，當頭架轉速vw、拖板速度fa、砂輪進給量fr增大時，單個磨粒的磨削厚度增大，磨削的軋輥表面質量就會變差；當砂輪轉速v、砂輪寬度B、砂輪直徑d0、砂輪粒度m、軋輥直徑dw增大時，單個磨粒的磨削厚度變小，磨削的軋輥表面質量就會變好。
2.2 軋輥表面粗糙度影響因素分析
工件磨削加工后表面的較小間距微小峰谷的不平度，可以表明工件表面的微觀特性，用表面粗糙度來定義。
式中，R為磨削表面粗糙度；K為根據磨削情況而定的常數；a，b，c為指數。
式(2)中，一般情況下指數取a=0.25，b=0.5，c=0.38，因此可以得出對粗糙度影響最大的是托板速度(軸向進給量)fa，其次是磨削速比vw/v，最小的是徑向進給量fr。徑向進給量fr在粗磨和前精磨階段對表面粗糙度影響較大，到后精磨階段和拋光階段時對表面粗糙度影響變得很小。因此，在實際操作中，有經驗的軋輥磨床操作工通常將軸向進給量fa控制在小而平穩的狀態下，不僅能有效降低磨削表面殘余應力，優化軋輥表面的物理、力學機能，還能獲得均勻的軋輥表面粗糙度值。
3. 軋輥磨削參數的定性分析及選擇
由磨削原理分析可知，m、B、d0、dw是加工前確定了的數據，即在磨削工藝過程中不能改變的靜態因素。fa、fr、vw/v是在磨削工藝流程中可以改變的動態因素，是磨床操作工控制磨削質量的直接因素，因此這些參數選擇的經驗值顯得尤為重要。
3.1 進給速度fa
磨削過程中，z軸軸向進給速度fa對表面粗糙度影響最大，應逐漸減小，參數設置一般根據砂輪寬度來選擇，即頭架每轉一次砂輪沿z軸軸向行走距離為：粗磨階段fa=(0.3~0.85)B，精磨階段fa=(0.2~0.3)B，拋光階段fa=(0.1~0.2)B。
3.2x軸徑向進給量fr
磨削過程中，x軸徑向進給量fr也應不斷減小，其值跟軋輥的硬度、砂輪的脫粒、磨削輥面的直徑有關。拖板每往復一個行程，結合原始輥型及磨削要求來選擇fr：粗磨階段fr=(0.005~0.02) mm，精磨階段fr=(0.001~0.005) mm，拋光階段取消徑向進給或穩定保持很小的徑向進給量。
3.3 砂輪轉速v
相比軸向進給速度fa，磨削速比vw/v雖然對磨削表面的影響略小，但也是最終決定磨削表面優劣的關鍵因素。在不超過砂輪自身額定線速度的上限45 m/s以及磨床系統不出現振紋和斜花紋等不穩定的現象的前提下，使用盡量高的砂輪速度，一般情況下，砂輪速度v=(25~35) m/s。
3.4 頭架轉速vw
磨削過程中，頭架轉速vw也應不斷降低。按磨削工藝選擇：粗磨階段vw=(40~45) r/min，精磨階段vw=(35~40) r/min，拋光階段vw=(30~35) r/min。
4. 磨床設備與磨削質量的關系
4.1 磨床安裝及維護
磨床安裝精度直接影響軋輥磨削精度，因此，磨床安裝的一般要求是：要求安裝點周圍無振動源、無陽光直射、通氣良好，尤其不能有嚴重沖擊運動的機器，安裝在水泥厚度為 150 mm 以上且四周開設隔離防振溝的地面上。同時，磨床安裝應滿足一下精度要求：
(1)床身V形導軌安裝精度：水平和垂直方向直線度≤0.01 mm/m，接觸點方面要求每25 mm×25 mm面積12~14點，相對托板導軌的垂直度≤0.02 mm/250 m。 床身平面導軌精度： 垂直直線度≤0.01 mm/m，接觸點要求12~14點/(25 mm×25 mm)，對V形導軌的平行度≤0.02 mm/m。
(2)托板V形導軌精度：垂直方向直線度≤0.01 mm（在全部長度上），每25 mm×25 mm面積上接觸點要求10~12點。 托板平面導軌精度：平行度≤0.02 mm/m（與V形導軌之間），每25 mm×25 mm面積上接觸點要求10~12點。
(3)砂輪主軸動壓軸承：采用刮刀刮研軸瓦表面的轉研方式，同時滿足軸瓦和主軸軸頸之間的接觸點和配合間隙0.0025~0.005 mm的要求。靜壓軸承檢查檢查前后軸承油腔壓力，發現異常即可調整。
(4)砂輪主軸電機的振動對磨削表面粗糙度影響比例最大。如果振動較大，應對研砂輪法蘭盤錐孔與主軸錐端，使接觸面80％以上。
另外，磨床潤滑也是影響磨削精度的一個主要原因，如工作臺導軌的潤滑及一些液壓機構的壓力值是否正常都會直接影響磨削精度，應定期檢查。
4.2 砂輪
4.2.1 砂輪的選擇
砂輪會直接影響磨削質量，選擇砂輪一般從砂輪的磨料、硬度、粒度和結合劑等因素綜合考慮。
磨料：為獲得較高的磨削表面質量，一般根據不同材料的鋼質軋輥選用與之相匹配的剛玉型砂輪。
硬度：砂輪磨粒脫落的難易程度。如果砂輪磨損太快，說明所選用的砂輪太軟，可采取提高砂輪線速度，提高拖板速度到砂輪寬度的2/3~3/4（增加工件每轉軸向進給量），降低軋輥速度等措施。 如果采取這些措施后效果仍不明顯，則應選擇硬度高一點的砂輪。如果砂輪磨削時鈍化磨粒不易脫落，砂輪易粘著磨屑，輥面出現燒傷、拉毛現象，則說明砂輪太硬，可采取降低砂輪線速度，提高軋輥速度等措施。如果磨削效果仍不明顯，則說明所選砂輪太硬，應選擇硬度低一點的砂輪。
粒度：粒度是指磨料顆粒尺寸的大小。砂輪的粒度大則耐用度高、切削能力強、不易被堵塞，砂輪的粒度小則性能穩定、磨削軋輥表面質量高。一般情況，滿足粗磨磨削選用粒度24~80的砂輪，精密磨削選用粒度150的砂輪，超精磨或鏡面磨削選用W64~W14的微粉砂輪。
結合劑：砂輪是用結合劑將磨粒粘結在一起成型并使其具有一定的硬度。最常用的砂輪結合劑有陶瓷結合劑(V)和樹脂結合劑(B)。軋輥磨床一般選用樹脂結合劑材質的砂輪。
4.2.2 砂輪的安裝與平衡
(1)砂輪的安裝穩定性和精度直接影響加工精度。砂輪卡盤直徑應大于砂輪直徑的1/3。為保證磨削過程中熱膨脹不出現砂輪脹裂或砂輪配合較松出現偏心振動現象，砂輪內孔與軸或法蘭盤外圓之間的間隙為0.1~0.8 mm。
(2)砂輪安裝中螺母墊厚度1~2 mm，安裝于法蘭盤與砂輪端面間的軟墊直徑大于卡盤直徑2 mm。為保證安裝精度，卡盤上不能有銹蝕、磨損或污漬等缺陷。
(3)砂輪運轉不平衡，將會加重砂輪主軸的振動和軸承的磨損，影響加工質量和機床精度。因此，砂輪一般要進行靜平衡或動平衡測試，使其重心與旋轉軸線重合。一般只作靜平衡，但對于高精度數控軋輥磨床，應進行動平衡彌補砂輪本身的缺陷和安裝時產生的誤差，到達運行平穩及實現高質量磨削的目的。
4.2.3 砂輪的修整
砂輪的修整就是去除不均勻的表面磨粒，重新獲得平整鋒利的磨粒，恢復自身外形精度及加工能力。當出現下面三種情形時，說明砂輪需要修正：一是受軋輥的摩擦擠壓造成砂輪磨粒逐漸磨圓變鈍。二是磨削韌性材料，磨屑嵌塞在孔隙中產生打滑、引起砂輪振動和出現噪音，影響磨削效率和表面質量。三是砂輪硬度及表面磨損不均勻喪失外形精度，影響軋輥表面粗糙度及形狀精度。而修整砂輪的主要工具是金剛石，一般先用金剛石對砂輪進行精修，然后再用油石對砂輪進行細修。
5. 磨削主要缺陷分析及對策
5.1 軋輥磨削輥型缺陷
5.1.1 凸度
軋輥凸度主要有凸度對稱性差和中高超差兩個缺陷。凸度對稱性差存在床身導軌精度超標和軋輥中心未達標準兩個原因。因此，首先要對床身導軌進行必要的調整，校正恢復其精度；其次核對軋輥工作面的中心和砂輪起刀到結束的中心是否完全重合。中高超差的原因有床身精度超標和成型機構的間隙消除機構調整不合適。因此，首先要對床身進行必要的調整，校正恢復其精度，再調整成型機構的間隙消除機構。注意，由于標尺轉動角度極小，機械傳動機構非常精密，調整時不能隨意拆卸且需要保證潤滑良好。
5.1.2 錐度
軋輥對錐度的要求非常苛刻，冷軋工作輥錐度一般要求為0.005 mm。出現錐度超差的原因一方面是床身精度不達標，床頭中心線和軋輥中心線之間的同軸性差，另一方面是磨削中一側托架潤滑不良出現明顯發熱導致軋輥中心線偏移。因此，在磨削前，首先，要認真校正軋輥中心。帶自動測量裝置的磨床，軋輥中心線與基準的同軸度可達0.001 mm。沒有自動測量的磨床，借助千分表測量調整軋輥中心線與基準間的誤差在0.005 mm之內。其次，要仔細開展托瓦清潔工作，防止異物掉落，同時使用合適的潤滑油保證潤滑充分，防止輥頸發熱。
5.1.3 圓度
要求將軋輥工作面圓度偏差及輥頸的圓度偏差控制在0.005 mm。但是，在實際軋輥磨削時，即便輥頸處圓度不大于0.005 mm，磨后輥身圓度也可能會超出要求值的2~3倍。如圖1轉動軋輥，用千分表測量磨床托架支撐軋輥的主要部位A、B、C、D、E處的振擺，判斷軋輥振動來源。任何一點振擺過大都會導致軋輥圓度不佳，因此要對振擺過大點的相應部位做適宜的調整來減小振擺。
影響軋輥磨削后圓度的原因有：（1）軋輥的輥頸圓度，因為其是軋輥磨削時的基準；（2）床身左右托架的剛度；（3）托架與軋輥輥頸的接觸精度。磨床頭架工裝與磨床花盤夾頭點接觸，兩頭墊多片碟形彈簧緩沖驅動扭力，軋輥驅動時會產生一對驅動作用力偶（向左的力偶基本由側瓦抵擋，向右的力偶只有底瓦來抵擋），該驅動力偶會使軋輥每旋轉一周作兩次向右振擺，使E處振擺是最高點。托架鎖緊螺栓松動，托架與導軌面接觸差存在間隙，托瓦絲桿的間隙過大，瓦面與輥頸的弧面接觸差等使輥身振動，影響E處的振擺大小。
因此，提高圓度可采取以下措施：采用變速磨削軋輥，通過改變力偶的周期變化來改變E處振擺的周期性變化；鏟刮磨床床身導軌面與托架接觸面，接觸均勻且接觸點不少于12點/25 mm×25 mm；碾刮托瓦巴氏合金，改善托瓦弧面和軋輥輥頸架接觸面；更換側瓦絲桿，修磨側瓦壓板內表面，校對新絲桿自由間隙，保證側瓦平穩固定；更換花盤夾頭碟形彈簧，調整夾頭與軋輥扁頭間間隙至合理值；調整合適主軸間隙，提高主軸剛度[2]。
5.2 軋輥磨削表面缺陷
5.2.1 振紋
軋輥磨削過程中任一位置的振動超幅其表面都有產生振痕的可能，而產生振紋的機理是軋輥在前一道次磨削時表面產生了波紋，后一道次將在有波紋的表面上進行磨削，會在軋輥表面上形成新的波紋。對于高精度磨床，產生振紋的主要原因是主軸系統，產生斜紋主要原因是床頭撥盤系統。 因此振紋消除措施有：
（1）以10%/min的變化幅度變速磨削軋輥，可以使軋輥表面的振紋相移不停變化，從而使系統能頻繁離開顫振激發區，抑制顫振的出現，提高磨削質量；
（2）確保主軸系統精度在要求內。主軸圓度和圓柱度公差均≤0.00 1mm，表面粗糙度Ra0.02 μm；主軸徑向間隙≤0.10 mm，軸向間隙約0.02 mm；軸與軸承內孔的接觸點數≥12點/（25 mm×25 mm）；
（3）主軸油腔必須密封、清潔無異物；主軸油無水汽、雜質等，清潔度達標且需定期更換；
（4）按磨削工藝修整砂輪。
5.2.2 劃痕
劃道是砂輪脫粒造成的不能完全消除的短劃痕，如圖2所示，原因有：磨削時磨粒掉在砂輪和軋輥之間，冷卻液將磨粒或磨屑帶入砂輪與軋輥表面之間，砂輪工作面上存在凸起的磨粒，砂輪磨料脆性較大磨粒易破碎，砂輪硬度偏低或不均勻易脫落，選用粒度太粗的砂輪等。可采取以下措施減少或使其變短：（1）增加磨削液流量沖洗砂輪和輥面結合處；（2）適當提高砂輪線速度；（3）選擇脫粒速度合適的砂輪。
5.2.3 螺旋紋
由磨削原理可知，螺旋紋是無法完全消除的，其產生與磨削工藝和砂輪選型有關，見圖3。通過每次修整完砂輪必須倒圓角，選擇適宜的磨削工藝和匹配的砂輪，以及調整合理參數修磨可以減輕該缺陷。
5.2.4 織布紋
織布紋和螺旋紋一樣，由磨削原理決定其無法完全消除，但可以通過選擇合適砂輪和調整磨削工藝得到減輕。
5.2.5 色差
色差是一種綜合產物，是由軋輥粗糙度、圓度、硬度和輥面振紋等多方面因素造成的。控制好輥面粗糙度均勻性、輥身圓度、表面的淺振紋和軋輥輥身硬度的均勻性可以得到較好的控制。
6. 結束語
本文通過對磨削和粗糙度公式進行分析，定性總結了磨削參數對軋輥磨削表面質量影響的靜態因素和動態因素，加深了對磨削理論及規律的理解，同時也分析了磨床安裝精度、砂輪使用與表面質量控制的關系，分析總結了磨削出現的主要表面、輥型缺陷及其控制策略，給軋輥磨床操作提供了優化操作方法的途徑，為冷軋薄板高效生產提供了有力的設備保障。
來源：金屬世界
