（机械工程专业论文）森吉米尔轧机用冷轧辊制造工艺的研究.pdf

摘要 摘要 森吉米尔轧辊是高端冷轧辊制造领域“皇冠上的明珠”，它精度高、耐磨性高、 制造难度大、成本高，其图内制作技术不够成熟。目前，冷轧辊市场格局中存在“高 端失守低端混战”的战略问题，对森吉米尔轧辊制作技术进行研发具有重要的意义。 本文通过广泛的调查分析、运用案例分析及比较分析的方法，以中钢邢机为宝钢生 产的系列森吉米尔轧机用冷轧辊制造工艺为例，悉心研究森吉米尔轧辊的制造工艺， 探索其制造工艺的优化方法，促进其批量系列化生产、提高效率及质量、降低制作 成本。全文内容主要包括森吉米尔轧枧篇冷轧辊的工艺现状分析、应用介绍、翻作 技术条件要求、热处理及磨削加工技术要点分析及应用、工艺方案设计以及计算机 辅助工艺方案的确定等。经过研究，结合现场生产实际，最终确定了森吉米尔冷轧 机用轧辊的工艺方案为“方坯一表面修磨一电渣重熔一锻造成圆坯球化退火一粗 车一z t 法淬火一冷处理一回火及时效处理一精车一粗蘑超声波探伤精磨一检 查”；通过热处理试验数据的分析，解决了材料硬度、强度技术难题，确定了保证冷 轧辊力学性能的有效方法；通过磨削实践，解决了冷轧辊重要精度控制的磨削工艺 方法。此外，还运用c a x a - - c a p p 技术解决了系列化工艺数据处理的问题，提高了 生产的效率。本文综合专业书籍之精要，结合现场生产的经验，经笔者认真锤炼而 成，其研究成果对冷轧辊制造工艺的不断改进及优化具有积极的促进作用。 关键词森吉米尔轧辊；制造工艺；工艺优化；工艺方案设计；计算机辅助工艺 a b s t r a c t t h es e nj 锄i er o l l s a r ea ”c r o w nj e w e l ”i nt h ef i e l d o fh i g h 。e n dc o l dr o l l m a l l u f a c t u r i n g t h e yh a v eh i g hp r e c i s i o n ，h i g hw e a rr e s i s t a n c e ，a n dt h e y a r ed i f f i c u l tt o m 删f a c t u r ea n dw i t hh i g hc o s t t h ep r o d u c t i o nt e c h n o l o g yo ft h e m i sn o tm a t u r ee n o u g n i nd o m e s t i c a tp r e s e n t ，c o l dr o l lm a r k e tp a t t e r ni sp r e s e n ti n t h ep h a s eo f ”f a l la tt h e h i 出e n da n dm e l e ea tt h el o w e n d ”t h er e s e a r c h o ns e nj a r n i er o l lm a n u f a c t u r i n g t e c h n 0 1 0 9 ya n dd e v e l o p m e n th a si m p o r t a n ts i g n i f i c a n c e i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t h r o u g h e x t e n s i v ei n v e s t i g a t i o n ，t h ea p p l i c a t i o no f c a s ea n a l y s i sa n dc o m p a r a t i v ea n a l y s l sm e t h o d 8 ， w et a k et h es i n o s t e e lx t m m c f o rs e r i e sp r o d u c t i o no fs e nj a m i em i l la tb a o s t e e lc o l d r o l l i n gt e c h n 0 1 0 9 ya sa ne x a m p l e ，c a r e f u l s t u d ys e nj a m i e m i l lr o l lm a n u f a c t u r i n g d r o c e s s ，e x p l o r ei t sm a n u f a c t u r i n gp r o c e s so p t i m i z a t i o nm e t h o d ，p r o m o t e i t 8m a s 38 e n a 上 d r o d u c t i o n ，i m p r o v ee f f i c i e n c y a n d q u a l i t y ， a n dr e d u c et h ep r o d u c t i o nc o s t t h e d i s s e r t a t i o nm a i n l yi n c l u d e st h em i l lr o l lf o rc o l dr o l l i n gp r o c e s sd e v e l o p m e n t ，a p p l i c a t i o n ， p r o d u c t i o nt e c h n 0 1 0 9 yr e q u i r e m e n t s ，h e a tt r e a t m e n ta n dg r i n d i n gt e c h n i q u e s o fa i l a l y s l s a n da p p l i c a t i o n ，p r o c e s sd e s i g n a n dc o m p u t e rm d e dp r o c e s ss c h e m ee t c t h e8 t u d y ， c o m b i n i n 2w i t ht h ep r o d u c t i o np r a c t i c e a n du l t i m a t e l yd e t e r m i n et h es e nja m l ec o l d r o l l i n gm a c h i n er o l l s p r o c e s sf o r ”b i l l e ts u r f a c eg r i n d i n g e s r f o r g i n g i n t or o u n d b i l l e t s p h e r o i d i z i n ga n n e a l i n g c o a r s ec a r z t m e t h o dq u e n c h c o l dq u e n c h i n g t e m p e r i n gt r e a t m e n t t i m ee f f e c t t r e a t m e n t f i n i s h i n gc a r c o a r s eg r i n d i n g u l t r a s o n i ct e s t i n g g r i n d i n g i n s p e c t i o n ”，b ym e a n so fh e a t t r e a t m e r i tt e s td a t a a n a l y s i s ，i ts o l v e st h et e c h n i c a lp r o b l e m o fm a t e r i a lh a r d n e s ss t r e n g t h ，g i v e nt h eg u a r a n t e e t h a tt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fc o l dr o l lg r i n d i n gm e t h o d ，t h r o u g hp r a c t i c e ，i t s o l v et h e r o l lt ot h ep r e c i s i o nc o n t r o lo ft h eg r i n d i n gp r o c e s s ，i na d d i t i o n i tu s e sc a x a c a p p t e c h n 0 1 0 9 yt os o l v eas e r i e s o fp r o c e s sd a t ap r o c e s s i n gp r o b l e m ， r a l s ep r o d u c t l o n e f f i c i e n c v i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t h e e s s e n t i a l sa r ei n t e g r a t e dp r o d u c t i o ne x p e 1 e n c e ，t h e a u t h o re a m e s t i ve x e r c i s ea n db e c o m e i t s r e s e a r c hr e s u l t so nm a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g yt o r c o l dr o l l so f c o n t i n u o u si m p r o v e m e n ta n do p t i m i z a t i o nh a sp o s i t i v ee f f e c t k e yw o r d s t h e s e nj a m i er 0 1 1 ；m a n u f a c t u r i n gp r o c e s s ；p r o c e s so p t i m i z a t i o n ：p r o c e s 8 d e s i g n ；c o m p u t e r a i d e dp r o c e s s i i 第1 牵绪论 第l 章绪论 1 1引言 森吉米尔轧机是轧制机械中的比较精密的一种，森吉米尔轧辊是轧制工具中工 艺及精度要求最高的轧辊之一，随着我圈轧瓿制造现代化永平的不断提高，投材的 要求愈来愈高，相应地森吉米尔轧机装备也愈来愈多。因此，对此类轧辊的需求也 迅速增长，懿何飘性价比以及性裁上不断地满足灞户对森吉米尔乾辊的更高要求， 是轧辊制造商责无旁贷的责任。经过长期的一线实践及研究，总结了从材料的选择 和热处理到轧辊加工工艺方法等方面的经验，对常用材料韵性能和热处理工艺及加 工工艺关键技术进行了深入的探索，找到了森吉米尔车0 机工佟辊热处理工艺戴优化 工艺方案，冷加工工艺优化的方法等。同时，紧密结合生产一线生产流程，运用c a p p ( c o m p u t e r a i d e dp r o c e s sp l a n n i n g ) 技术，掏建了森吉米尔轧辊系列化产品制造工艺 的离效制定提供了较好的方法，为此类产品高效信息化制造，提供了一个科学的可 实施的方案。 1 2 课题的科学意义和应用前景 森吉米尔轧辊是冷轧辊制作领域，制造难度最大的产鑫之一，梭誉为蔫端冷轧 辊制造领域“爨冠上的明珠 ，它具有精度高、耐磨性高、制作难度大等特点，长期 以来，被国痰轧辊界视为畏途h 1 。森吉米尔轧辊主要用于生产精晶冷轧不锈钢、电工 钢等产品，随着我国冷轧不锈钢、电工锱的高速发展，森吉米尔车l 辊市场具有广阔 的市场容量和市场前景。 森吉米尔轧辊一鸯以来由国外技术垄断，各冷轧钢厂主要依赖进口且用量很大， 造成采购价格居高不下、供货周期长等不刹局面。森吉米尔轧辊作为高端冷轧辊， 重随制作技术不成熟，从丽在冷轧辊市场格届中存在“嵩漾失守低端混战 的战略 问题，所以对森吉米尔轧辊进行制作技术研发具有重要的意义及实际应用价值。 本课题主要醑究森吉米尔轧枫爝冷轧辊的制造工艺及高效实施方案，通过研究 解决其制造工艺中的技术难题，从冷轧辊生产的焦度，综合专业书籍的糟要、现场 生产之经验，避行深入研究与实践，并对其工艺进行优化，促使其投入高效批量生 产，同时运用c a p p 技术，提高本产品信息化裁造水平，达到生产资源的科学分配， 实现“离效生产、绿色锗l 造 。 l ，3 国内外研究现状 出于此类产晶在冷轧领域应滔广泛，是冷轧枧韵主要耗栲，龆工制造难度较大。 因此，在这一领域国内外研究者较多。这些研究也各有侧重，有些重点硬究誊芎料祁 河_ j 艺科技大学硕士学位论文 热处理方法，有些重点研究轧制产品精度控制的方法，大多是发表论文及实验研讨 的形式，很少有此类产品制造总体工艺的系统化研究，并且对其工艺优化分析及工 艺信息化管理方面的研究与实践，也是微乎其微。所以，如何根据轧制产品精度要 求，科学的制订其制造工艺并优化，同时应用到批量生产中，如何提高效率、降低 成本、保证质量，这是本文研究的主要方向。 1 4 论文研究的意义和主要研究内容 1 4 1 论文研究的意义 总结前人的研究经验，结合企业一线森吉米尔轧辊制造工艺实旌实践，重点解 决森吉米尔轧机用冷轧辊制造中的技术难题，分析其制造整体工艺并优化，促其质 量提高，从单件生产研制转型为规模化生产，解决目前国内外市场需求紧缺现状。 同时，适应信息化制造的需求，研究本产品领域信息化工艺技术( 即c a p p 技术) 的 具体运用。 1 4 2 论文主要研究内容及问题解决 1 4 2 1 主要研究内容 ( 1 ) 国内夕 此类研究进展情况调查及分析。 ( 2 ) 分析研究森吉米尔冷轧辊制造中的技术难题及解决方法。 ( 3 ) 分析研究森吉米尔冷轧辊的制造整体工艺，并探讨其优化方法，c a p p 2 1 2 艺方法。 1 4 2 2 要解决的重点关键问题 ( 1 ) 森吉米尔轧机用冷轧辊制造中热处理控制方法的研究。 ( 2 ) 森吉米尔轧机用冷轧辊制造中制造精度控制方法的研究。 ( 3 ) 森吉米尔轧机用冷轧辊制造中工艺优化方案的确定，及影响因素的研究。 ( 4 ) 探索森吉米尔轧机用冷轧辊制造工艺的优化方法，研究出促其批量生产效 率及质量提高的途径。 1 4 1 2 。3创新点 ( 1 ) 紧密结合森吉米尔轧辊生产企业，实际生产中的工艺阅题及解决方法开展 研究与实践，具有很好的实际应用价值及推广价值。 ( 2 ) 探索森吉米尔轧机用冷轧辊制造工艺的优化方法，研究出促其批量生产效 率及质量提高的途径。 1 4 2 4 技术难点及解决方法 ( 1 ) 森吉米尔轧机用冷轧辊制造中热处理工艺的控制方法：结合生产现场大 量试验数据，分析处理，总结热处理工艺的关键技术问题。 ( 2 ) 森吉米尔轧机用冷轧辊系列化产品冷加工制造工艺仿真与优化问题：运用 第l 章绪论 c a x a a p p 软件，建立森吉米尔轧视用冷轧辊冷加工制造工艺知识库，瓣决批量 系列化生产中工艺高效实旋阀题。 第2 章森吉米尔轧机及轧制工艺现状 第2 章森吉米尔轧机及轧制工艺现状 多辊轧机自1 9 世纪3 0 年代问世以来，广泛应用于黑色和有色金属高精度带材 的轧制。据有关资料介绍，全世界9 5 以上的不锈钢带、硅钢带和精密合金带是用 多辊轧机生产的。目前全世界大约有5 0 0 多台多辊轧机用于黑色和有色金属高精度 带材的生产。 多辊轧机的特点是工作辊径小、辊系刚度大、道次压下量大、能耗及运行成本 低等，其产品的市场越来越广阔，尤其在不锈钢生产方面，二十辊轧机更显现出其 强大的技术优势，我国不锈钢生产业内企业如太原钢铁公司、上海宝钢、张家港浦 项等都在大量使用二十辊轧机进行不锈钢冷轧板带的生产。综合统计分析国内夕1 , - - - 十辊轧机的用户，广泛应用的二十辊轧机有两大类：一类是，森吉米尔二十辊轧机； 另一类，是森德威公司生产的四立柱二十辊轧机。 森吉米尔轧机是由波兰人森吉米尔1 9 1 2 年发明的。森吉米尔轧机是专用于轧制 不锈钢、硅钢及合金钢等难变形金属板带和超薄带材、极薄带材的可逆式轧机。 不锈钢、电工钢轧制过程由于轧材变形抗力较大，板材表面质量要求较高，森 吉米尔轧辊受的压力大、轧制速度高、辊面质量要求严格，因此对森吉米尔轧辊的 辊身硬度和轧辊强度有很高的要求，同时对森吉米尔轧辊的材质选择和制造工艺都 不同于普通冷轧辊。森吉米尔二十辊轧机外观，如图2 1 所示。 图2 1森吉米尔二十辊轧机外观 2 1 森吉米尔轧机结构 森吉米尔冷轧机与四辊轧机或其他类型轧机存在较大区别，主要是轧机的轧制 力的传递方向不同。森吉米尔冷轧机的轧制力从工作辊通过中间辊传到支撑辊装置， 并最终传到坚固的整体机架上，这种设计保证了工作辊在整个长度方向的支撑。此 河北科技大学硕士学位论文 类轧机的辊系变形极小，能够在轧制的整个宽度方向上获得非常精确的厚度偏差。 森吉米尔轧机在结构性能上有如下主要特点： ( 1 ) 具有一个整体铸造( 或锻造) 的轧机机架，且机架具有非常大的刚度，且轧 制力呈放射状作用在机架的各个断面上，受力均匀、稳定。 ( 2 ) 轧机工作辊直径小，道次压下率大，最大达6 0 左右【2 】o 并且，有些材料不 需要进行中间退火，就可以轧成很薄的带材。 ( 3 ) 轧机具有灵活多样的轴向、径向辊形调整，辊径尺寸补偿功能机构，以及轧 制线调整机构，调整机构的动力采用液压压下及液压a g c ( a u t o m a t i cg a u g e c o n t r 0 1 ) 自动厚度控制系统，产品板形较好，尺寸精度很高【3 】。 ( 4 ) 设备质量轻，轧机质量仅为同规格的四辊轧机的三分之一。轧机外形尺寸小， 所需基建投资也少，适合批量生产的需求。 森吉米尔冷轧机基本上是单机架可逆式布置，灵活性大，产品范围广。 2 1 1 森吉米尔轧机型号 目前工厂中最常用的森吉米尔冷轧机形式为1 2 3 4 型二十辊轧机。 例如z r 3 3 1 8 型轧机，代号中的“z ”是波兰语z i m n a 的第一个字母，意思是 “冷”；“r ”代表的意思是“可逆的”；“3 3 ”表示轧机的大小型号；“1 8 ”是轧制 带材宽度的英寸数大小。此外，森吉米尔冷轧机还有一种较老式的1 2 3 型十二辊轧 机，但是1 2 3 型森吉米尔冷轧机在1 9 6 4 年以后就不再生产制造了f 4 ，5 j 。 森吉米尔冷轧机1 2 型六辊轧机，由2 个传动的工作辊和4 个背衬轴承辊装置组 成，如z s 0 6 型，“s ”表示“板材”，用来- n 宽的板材，但是它同样可以轧制带材， 并且有一些还用在连续加工线上。 在以上基本型号的基础上派生出一些特殊的型号，在基本型号的词尾和词头加 上不同意义的字母来表示。 基本型号是森吉米尔冷轧机的基本设计，轧辊布置的几何尺寸提供轧机具有最 小直径的工作辊。派生型号实质上是围绕工作辊直径及轧机开口度的变化而出现的。 z r 2 1 a ：单个“a 只出现在z r 2 1 a 中，它表示该轧机的工作辊直径是6 6 7 6 m m ，小于基本型z r 2 1 的工作辊直径。 z r 2 1 a a ：“a a ”只出现在z r 2 1 a a 中，它表示该轧机的梅花膛孑l 位置、中间 辊尺寸与基本型完全不同，并且偏心量也比基本型的大。因此该轧机的工作辊直径 比z r 2 1 a 的更小。 z r 2 1 b 、z r 2 2 b 、z r 2 3 b 、z r 3 3 b 、z s 0 7 b ：单个“b ”表示轧机梅花膛孔的垂 直距离比基本型的稍大，允许工作辊直径稍稍加大，而所有中间辊尺寸与基本型相 同。 z r 2 1 b b ：“船”表示轧机梅花膛孔位置及轧辊尺寸与单个“b ”的轧机相同， 6 第2 章森吉米尔轧机及轧制工艺现状 只是偏心量加大，以便能够增力珏工作辊的开豳度。 z r 2 3 c 、z r 3 3 c ：单个“c ”表示在该轧机的“b 辊和“c 辊设计了a s u r o l l 辊形调整装置。以前该型号轧机只有“a ”辊、“d ”辊有手动辊形调整装置，或者 没有。 z r 2 3 m ：“m 表示该轧机梅花膛孔位置不同于基本型，有一个特别大的工作 辊。该轧机对有色金属轧制有利。 z r 2 3 d ：轧辊直径的附加变化不被a 、b 、m 型所覆盖，其直径在b 、m 型轧机 之间。 z r 2 1 m b ： “m b 表示该轧机梅花膛孔位置与基本型不同，有一个特别大的工 作辊；另外边部偏心调整量比基本型有所增大，以便获得更大的轧辊使用范围。 z r 2 2 n ： “n ”表示该轧机为了特别的用途丽有更大的工作辊。 z r 2 2 s “s 表示该轧机的梅花膛孔的距离和所有的轧辊的尺寸都比基本型加 大，以便能够使“s ”轧机最小的轧辊可以给基本型轧机使用。 z r 3 3 w ：“w ”表示该轧机提供特殊设计的a s u r o l l 形状控制，以便轧制有 严格楔形要求的带材。 z r 3 3 c w 、z r 2 3 s c ：此种有两个字母的组合，通常表示这两个单字母型号的组 合特点。 各种型号轧机的背衬轴承外径及工作辊名义直径见表2 1 。 表2 1各种型号轧杌的背衬轴承外径及工作辊直径 河北科技大学硕士学位论文 = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = ；= = = = = = = = = = = = = = = = 2 1 2 森吉米尔轧机主要结构 套完整的二十辊森吉米尔轧机，一般包括轧机工作机座、卷取机、开卷机及上 料喂料机构、a g c 系统、液压系统、冷却系统、排油烟系统等部分瞰 。 如图2 - 2 所示为一台五工位的z r 3 3 w f 1 8 型森吉米尔冷轧机机列布置。 嚣 g 墨 g 聋 蓝 霹 l i 柏 泉 幅 ：新j | f j历 囊薹 墨稍 蠡 e l。_ _ _ 二：广j 玉 、r 一了一i ，i i 稚景 渔 嘲霸 照 髑 i i 屎 虞狳 。一k 1 、 、心 赫 h - 划 堋n龋辎孛锱叼t ， 。鬈刈，b 、，t 7 m l k ln7 耀斟善影 c】 n j所、；j i 叠斗：- 。_ 一 】【 - t - r - _ 颦 v j 。- + j 。一je ，上 一 1 一一 图森吉米尔冷轧机机列布置图 森吉米尔轧机的机架为一个整体铸( 锻) 钢件，并和齿轮机座安装在同一底板上。 作用在工作辊上的轧制力，通过中间辊，呈放射状分散到各支撑辊装置上，而各支 撑辊装置为多支点梁的形式【8 】，将轧制力沿辊身长度方向传递给整体机架。该种形式 的轧机的刚度高于其他形式的轧机。如：轧制同样规格带材的四辊冷轧机的刚度为 ，四柱式二十辊冷轧机的刚度为 ，而 二十辊冷轧机的刚度为 引。 森吉米尔二十辊轧机结构如图所示。 第2 章森吉米尔轧机及轧制工艺现状 图2 3 森吉米尔轧机结构 2 1 2 1 机架 森吉米尔轧机机架，是在整体铸钢件中加工出8 个梅花状通孔，用以安装支撑 辊装置；与梅花通孔垂直的侧面开有通过带材的四棱锥形窗口。分散传到各支撑辊 装置上的轧制压力，在8 个梅花状通孔位置被整体机架所吸收。森吉米尔轧机机架 于2 0 世纪3 0 年代末4 0 年代初设计出来时，仅用于十二辊轧机，以及一些非常小的 二十辊轧机，如z r 一3 2 型、z r 3 4 型，为桌面型轧机，其机架形状为立方体形状【l o , 1 1 ， 如图2 4 所示。 随着轧机的增大，设计者开始削去机架各个顶角，呈多面体形状，如图2 5 所示。 目前，大多数二十辊森吉米尔轧机仍为这种形状的轧机。 图2 4 立方体形状机架 河北科技大学硕士学位论文 图2 - 5多蠢体形状祝絮 晖 ：羔过? 、 一 k # k 恩 。 d b 一d 八 a 乏、 一一， 一： 一一一，。 + - - i y 鼙 一 v 趣 g - 4、| _ 一， i 一生j 一， _ m _ _ 一 圈2 - 6 瓿絮受力图 图2 - 7 机架横截面( 上部) 受力图 1 0 第2 章森吉米尔轧机及轧制工艺现状 图2 - 8 鼓形机架 如图2 6 所示为支撑辊装置作用于机架上的作用力。从上半部分机架受力情况不 难看出，b 、c 两处力的作用是使机架顶部向上弯曲，而a 、d 两处的力则给机架以 反方向作用。由于b 、c 两处与a 、d 两处的受力大小是不同的，所以需将机架设计 成相应的不同形状，以达到均衡受力。 如图2 7 为机架横截面( 上部) 受力图。轧制力在轧辊长度方向最终是通过支撑辊 装置的轴承座( 鞍座) 传递给机架的，机架厚度和形状设计的目的是使机架变形程度 最小，受力最为均衡。机架承受的弯曲力矩，从机架边缘到中心是连续加大的，中 心部位力矩最大，因此机架的断面也应该是中心部位最大，往两边逐渐变小。 根据机架的受力情况，可以计算出机架梁上的不均匀变形。先由计算机对所有 轴承支座受力进行计算，再根据计算结果推出机架的实际模型，最新式的接近于鼓 形的机架形状，如图2 8 所示。 2 1 2 2 轧辊系统 二十辊森吉米尔轧机辊系是按1 2 3 4 呈塔形布置，上下对称设置在机架的8 个 梅花孔内( 如图2 - 9 和2 1 0 所示) 。上下两个工作辊分别靠在两个第一中间辊上；上 下两对第一中间辊又支撑在3 个第二中间辊上；而6 个第二中间辊则支撑在外层固 定于梅花孔里的8 个支撑辊组上。 河北科技大学硕士学位论文 觞锄 刊i 厂1 | 几几i n | h 1 1 、 lml 灿 p1 ib 1 】i | 二啊丁 、q f 1 l 订皇l j i鼻、 l 一i h 酬l8 聃i m 。叫f ur i u l u i 物劬。 图2 - 9 机架辊系图之一 图2 1 0 机架辊系图之二 如图2 1 0 所示的8 个支撑辊组分别是a 、b 、c 、d 、e 、f 、g 、h ，每个支撑 辊的数个短圆柱轴承( 亦称背衬轴承) 和鞍座安装在同一轴上。除辊组b 、c 外，其余 各支撑辊结构基本相同：b 、c 辊组视有无径向辊形调整机构其结构有所不同。轧机 中心线两侧的4 个第二中间辊是传动辊，由电机通过万向接轴来传动。两个工作辊 是靠4 个传动辊和第一中间辊的摩擦力而驱动的。 8 个支撑辊组的心轴及背衬轴承的位置，对机架而言是能够变化的，以准确地控 制两个工作辊之间的距离( 即轧机辊缝) 。这是森吉米尔轧机的基本控制运动，这种 控制是快速的，对轧辊而言是平行的，并且位置非常准确。 2 2 森吉米尔轧辊冷加工工艺的现状分析 目前森吉米尔轧机的发展水平如下： ( 1 ) 轧制带材最大宽度 目前轧制带材最宽的是法国的一台z r 2 2 8 0 型轧机， 第2 章森吉米尔轧机及轧制工艺现状 轧制宽度最大为2 0 3 2 m m 的软钢及硅钢，厚度偏差为士0 0 0 5 m m 【l 2 l 。 ( 2 ) 轧制带材最小厚度轧制带材最小厚度与其宽度和钢种有关。美国轧制 硅钢最小厚度为o 0 0 2 m m ，其宽度为1 2 0 m m 。日本轧制不锈钢，当宽度为1 2 2 0 m m 时，最小厚度为0 1 2 7 m m ；宽度为2 0 0 m m 时，最小厚度为o 0 1 m m ：轧制有色金属 时，最薄可达0 0 0 1 8 m m ( z r 3 2 41 4 型，轧制紫铜1 1 3 , 1 4 】。 ( 3 )轧制速度美国z r 2 1 4 4 型轧机轧制低碳钢的最大速度达1 0 6 7 m m i n ； 美国、日本等国轧制硅钢及不锈钢的z r 2 1 型轧机轧制速度可达8 0 0 m m i n ”】。 森吉米尔轧辊作为森吉米尔轧机的核心部件，是轧机的耗材，一直以来由国外 技术垄断，各冷轧钢厂主要依赖进口且用量很大，造成采购价格居高不下、供货周 期长等不利局面。 森吉米尔轧辊作为高端冷轧辊，国内制作技术不成熟，从而在冷轧辊市场格局 中存在“高端失守低端混战”的战略问题，所以对森吉米尔轧辊进行制作技术研发 具有重要的意义。本论文以宝钢森吉米尔轧机轧辊为例，论述了森吉米尔轧辊的制 作，包括技术条件、工艺设计、制作技术三个关键环节。而且企业生产的信息化技 术正得到推广及应用，在这一环境下，课题研究意义重大。 2 3 本章小结 本章介绍了森吉米尔轧机的结构，轧辊的工作受力，轧制工艺要点，轧辊的工 艺现状等，加工工艺面临的主要问题等，同时提出了研究的意义及目标。 第3 章森吉米尔轧辊的应用 第3 章森吉米尔轧辊的应用 轧材决定轧制工艺，轧制工艺决定轧机，轧材、轧制工艺、轧机决定轧辊。轧 材、轧制工艺、轧机是轧辊的三要素和前提条件。森吉米尔轧辊制作必须明确“应 用指导制作”思想，因此我们要掌握森吉米尔轧辊的轧制产品、轧制工艺和森吉米 尔轧机。 森吉米尔轧机是二十辊轧机，实际是在四辊轧机基础上演变发展的一种特殊冷 轧方式。轧机原理是利用很多小工作辊轧制，以较大直径的轧辊支承，而压力是通 过大的支承辊来施加的。森吉米尔轧机的塔形辊系由小直径的工作辊、中间辊( 第 一中间辊和第二中间辊) 和支承辊组成，由于有多层中间辊和支承辊支承，工作辊 的直径大大减小，轧机的刚度与强度很高、稳定性好。森吉米尔轧机的辊系按1 2 。3 4 型上下对称布置。工作辊的基本作用是使金属产生塑性变形，并承受产生的轧制力， 支承辊的作用是支承和带动工作辊，支承辊常分层布置，形成中间支承辊( 中间辊) 和外层支承辊，通过支承辊将轧制力传递给轧机牌坊，一般驱动中间辊，工作辊是 从动的，通常第二层边部中问辊为传动辊( 四个传动辊) ，使工作辊不承受扭转负 荷，这种结构实际上排除了工作辊的弯曲，通过专门机构来调整工作辊轴向挠度曲 线。 3 1 轧制的产品对象 3 1 1 车l 韦i j 不锈钢 不锈钢是指含c r 量不少于1 3 的钢，具有在空气、水、蒸汽中不受腐蚀和不生 锈的特性。不锈钢属于难变形钢，冷轧时容易产生加工硬化【1 6 】。 3 1 2 车l 韦0 电工钢 电工钢主要是硅钢，硅钢实质上是含硅量0 5 5 、含碳量 5 5 h r c 的高硬度。高速钢的这些特性是由化学成分、组织结构决定的。高速钢冷轧辊的辊 身表藤抗刮伤性链好，轧制超薄藉辍薄不锈钢静材时，带材保证良好的表面粗糙度 和均匀的光亮度。高速钢主要材质牌号：w 6 m 0 5 c r 4 v 2 、w 6 m 0 5 c r 4 v 2 a i 3 4 3 7 】。 半高速钢与c r 系列材质相比，由于c r 、m o 、v 含量的进一步提高，m 0 2 c 、 v c 、c r 7 c 3 碳化物数量随之快速增加，碳化物颗粒度减小，进一步提高了轧辊的耐 蘑缝，同时回火温度提高，冷轧辊的抗事故性榴应提高。半高速钢主要材凑牌号： x 6 3 c r m o v 5l 陟4 4 1 。 根据宝钢森吉米尔轧机的具体情况和材质特点，工作辊材质选择冷作模具钢 c r l 2 m o v ，一中间辊、二中间辊选择热作模具钢4 c r s m o s i v l ( h 1 3 ) 4 5 - 4 9 1 。 1 9 河北科技大学硕士学位论文 4 2 森吉米尔轧辊的机械加工工艺技术条件 宝钢森吉米尔轧辊的名称、规格、材质、单重见下表4 1 。 表4 1 中钢集团为宝钢制作的森吉米尔轧辊 名称 ( 直径望箨面ra长mx总长) 材质单重t 二白干小 ( 直径工作面长总长) 羽厦早耍 森吉米尔轧辊照片如下图4 1 至4 4 所示。 图4 i 工作辊 图4 - 2 一中间辊 第4 章森吉米尔轧辊的技术条件 图4 3 二中间辊( 传动辊) 图4 - 4 二中间辊( 非传动辊) 森吉米尔轧辊的技术条件见下表4 2 。 表4 2 森吉米尔轧辊的技术条件 河北科技大学硕士学位论文 4 3 本章小结 本章介绍了森吉米尔轧辊的主要材质及主要技术条件要求，不同的材质的牌号 及性能比较，森吉米尔轧辊，主要是工作辊、一中间辊、二中间辊的规格及热处理 硬度要求等。 第5 章森吉米尔轧辊的工艺设计 第5 章森吉米尔轧辊的工艺设计 5 1森吉米尔轧辊的技术分析 通过对森吉米尔轧辊的技术要求和使用参数进行研究，确定森吉米尔轧辊的关 键技术要点如下。 5 1 1 工作辊技术要点 工作辊的淬火温度较高，在1 0 0 0 以上，淬火易产生变形。工作辊材质c r l 2 m o v 属于冷作模具钢，淬透性较好，但易产生较大应力，具有较大开裂倾向。工作辊导 热性差，磨削过程中易发生磨削烧伤。工作辊属于细长轴类轧辊( 长径比大于2 0 ) ， 形位精度和表面粗糙度难以控制。 5 1 2 一中间辊技术要点 一中间辊辊身段材质为4 c r 5 m o s i v l ，属于热作模具钢，硬度要求7 8 8 4 h s d ( 邵氏硬度) ，已到淬火硬度极限，淬火工艺控制难度大。一中间辊是三段组装辊， 组装后保证轧辊使用精度，对机械加工提出了很高的要求，轴颈段装配内孔加工方 法、轴颈同轴度控制、端部丝孔加工与淬火工序的先后顺序，决定淬火工艺和加工 工艺难度以及最终组装精度。若淬火前加工辊身中段的丝孔，虽然可降低机加工的 难度，但由于淬火变形，可能影响组装精度，达不到要求；若淬火后加工由于辊身 中段已经淬火，硬度高加工难度很大。 5 1 3 二中间辊技术要点 二中间辊包含传动辊和非传动辊，二中间辊材质、淬火硬度均与一中问辊相同， 技术要点也相同。但二中间辊传动辊的传动部位是梅花头，加工难度大，需要铣床 和镗床配合使用才来完成。 5 2 森吉米尔轧辊的工艺技术方案 5 2 1 工作辊技术方案 5 1 1 1 工作辊的整体热处理 为了提高工作辊的综合机械性能，进一步改善碳化物形态，在淬火前增加调质 作为预备热处理，有利于淬火工艺控制。 c r l 2 m o v 这种材质淬火温度高，工作辊直径小，导致热伸长量较大，因此采用 自由悬挂方式，利用接长辊颈在可调圆心点的三个旋转球支撑下控制其旋转和自由 伸长，从而降低淬火变形量5 0 1 。 根据淬火试验检测硬度、回火金相组织和晶粒度、残奥量，确定合理淬火温度。 1 河北科技大学硕士学位论文 根据c r l 2 m o v 材质特点、辊身硬度、淬硬深度特性和辊面应力状态分析，工作 辊磨削烧伤倾向较大，应选择合适的砂轮及正确的磨削参数。工作辊在顶磨时产生 0 0 1 m m 中高，采用辅助托磨方式消除，至圆柱度达o 0 0 5 r a m 。 材质若为c r1 2 m o v c o ，由于其良好的淬硬性、高耐磨性以及在其在较高硬度下 能够保持较好的韧性，可广泛应用于森吉米尔工作辊中。采用的热处理工艺为表面 淬火+ 低温回火，也可采用的热处理工艺为整体淬火+ 二次高温回火【5 1 。采用表面 淬火+ 低温回火虽在生产成本上要低于采用整体淬火工艺，但获得的硬度低，耐磨 性和抗辊印性能相对较差，若需获得较高的表面硬度以及高耐磨性的工作辊，可采 用整体淬火十较低的淬火工艺。 5 1 1 2 工作辊的端面掉块及开裂问题的解决方法 森吉米尔轧机工作辊端面与轧机的止推轴承接触，工作辊辊面与中间辊辊面 接触。在轧钢过程中，为改善冷轧板板形，一中间辊可沿轴向移动，因此沿轴向对 工作辊形成较大的作用力。在轴向力的作用下，工作辊端面与止推轴承之间的压力 大大增加。如止推轴承转动不良或由于压力太大致使止推轴承损坏，止推轴承即与 工作辊端面产生很大的摩擦力，大量的机械能瞬间转变成热能，致使轧辊端面局部 温度急剧升高。工作辊端面径向各部位所受摩擦力不同，将会出现温度梯度，从而 发生不同的组织变化。当端面局部温度升到a c l 温度以上，在轧机冷却液的快速冷 却下，会使轧辊端面局部淬火形成淬火马氏体，如冷却速度较慢或冷却时在贝氏体 转变温度范围停留将可能形成马氏体+ 贝氏体组织【52 | ；如端面局部温度升至a c l 温度 以下的高温区，端面局部区域被高温回火形成回火索氏体而发生体积收缩，产生拉 应力。端面温度达到2 0 0 ，一- - 3 0 0 ，轧辊原有的残留奥氏体有可能再次转变形成二次 淬火马氏体。这样在组织应力和热应力等共同作用下，工作辊端面容易产生裂纹， 裂纹进一步扩展形成掉块现象。因轧钢过程中的轧钢速度、轧制压力变化较大，导 致工作辊端面与止推轴承之间摩擦力大小、升温高低随机性很大，轧辊端面受热后 冷却过程又较为复杂，因此工作辊端面出现的显微组织类型无规律可循。 综上所述，工作辊端面与止推轴承之间发生摩擦，工作辊端面摩擦升温部位热 胀冷缩、局部发生组织转变产生很大的拉应力，致使工作辊端面形成大量微裂纹， 裂纹进一步扩展造成了端面掉块现象。 为解决工作辊端面开裂、掉块问题，在轧辊使用过程和热处理过程中采取的技 术措施有：更换工作辊时，检查工作辊端面、轧机止推轴承是否完好，如轧辊端面 或止推轴承有一方损坏，必须及时更换；工作辊在淬火加热时，上端面控制在盐浴 面以下有效加热深度进行加热，提高轧辊上端面淬火硬度，改进工艺后的轧辊硬度。 采取上述技术措施后，完全杜绝了由于工作辊端面开裂、掉块所造成的轧辊报废现 象【5 引。工作辊的使用寿命得到提高。 第5 章森吉米尔轧辊的工艺设计 5 。1 1 3 工作辊断裂问题的解决方法 轧辊断裂是由于轧制过程中断带冲击或缠辊造成的。径向裂纹为断辊过程中产 生。在生产过程中不一定每次断带都会造成断辊现象，但往往会形成热冲击裂纹或 局部高温回火屡1 5 引。带有热损伤裂纹的事赦辊复磨时，如修磨量不足，将留下辊面 残余裂纹。在随后的使用中，辊面残余裂纹将迅速向辊西下发展，最终导致辊蘧局 部剥落。即使辊面残余裂纹已经消除，如热冲击造成的局部高温回火层未磨净，该 部位硬度偏低，疲劳强度随之降低，在轧辊使用中最终会造成轧辊局部疲劳剥落。 因此，受热冲击损伤的轧辊，在复磨时应彻底去除轧辊表面微裂纹及热影响区f 5 5 , 5 6 】。 此外，工作辊为典型的细长轴类工件，为了保证圆跳动，采用强力热压顶研的 工艺方法顶研两端中心孔，保证工作辊加工精度。 5 2 2 一中间辊技术方案 根据淬火试验检测硬度、回火金相组织和晶粒度、残奥量，确定合理淬火温度。 中间辊端部丝孔加工和淬火工序的顺序的确定。淬火前攻丝：淬火时易开裂， 变形后影响组装精度；淬火后攻丝：易淬硬攻丝时易断丝锥，淬火时采取保护措麓 防止淬硬，备涂层丝锥应急，只要加工合格后装配精度可保证。两方案分别试验后， 前者淬火工艺和加工工艺效果较好，但不能保证最终组装精度。选择后者钻削时较 前者困难，靠辊面侧较硬，靠中心侧软一些，锚攻工序可采取措施实施。因而选择 淬火后加工的方法。 一中间辊为三段组装辊，在装配前辊身辊颈装配部位圆度、同轴度和端面垂直 度必须严格保证，提高装配基准精度以保证装配精度。装配部位为过渡配合，冷装 时易产生偏差，函此采用微热装配方式保证装配精度。 5 。2 3 二巾间辊技术方案 二中闼辊传动辊的传动部位是六个均布梅花十字头，因此设计并制作了专用卡 具、可旋转辅助支撑工具、整体分度装置支座，利用铣床和镗床完成梅花十字头加 工。铣削选择专用圆弧铣刀，制作定位块确定基准进刀位置，以打表方式测定准确 迸刀位置和进刀量，保证加工质量。 5 3本章小结 本章主要总结了现场线森吉米尔轧辊生产的技术方案，也是研究的核心主线。 第6 章森吉米尔轧辊的制造工艺 第6 章森吉米尔轧辊的制造工艺 森吉米尔轧辊的制作技术中，淬火和磨削是二个关键环节，下面重点进行论述。 6 1森吉米尔轧辊的热处理 工作辊材质为c r l 2 m o v ，属于高碳高合金钢，通常采用整体加热油冷的淬火方 法。但用这种方法处理较大规格的轧辊，不仅需要配置高温井式炉，而且还要采取 辊颈保护措施，操作烦琐，工艺复杂。采用先进的感应加热法淬火则可克服这些缺 点并可提高轧辊性能，但用该方法成功处理轧辊具有相当难度。 c r l 2 m o v 为莱氏体钢，其中含有大量的共晶碳化物，由于这些碳化物对基体的 割裂作用，使得c r l 2 m o v 的韧性较差，加之高合金钢导热性不良，淬火时如工艺参 数控制不当，极易造成开裂。感应加热淬火时加热和冷却速度均较快，为避免轧辊 开裂同时又满足硬度和组织要求，则必须制定严格的工艺制度【5 7 】。 我们用与森吉米尔轧辊规格相近的试验辊进行工艺试验，通过试验参数和实验 结果得出结果：在正常淬火加热温度下，采用空冷因出现贝氏体组织，使轧辊硬度 偏低：采用较强的喷水冷却，又因应力过大导致轧辊开裂；当喷水冷却程度适当时， 轧辊未开裂并且组织和硬度情况良好。由此可见，合理选择冷却制度非常关键。 由试验结果发现，轧辊开裂处均位于淬火终止的辊身端头部位。这主要是在渐 进式感应加热淬火过程中，加热和冷却同时沿轴向进行，下部的冷却区始终与处于 塑性状态的上部加热区相毗邻，故而应力得到了缓和。淬火终止部位则不存在这种 情况，并且还要续冷一段时间，所以该处的淬火应力较大。因此，为防止轧辊开裂， 淬火终止部位的冷却及续冷时间的控制尤为重要。续冷时间较长，导致轧辊开裂， 反之则因自回火而使辊身端部硬度偏低。根据淬火试验结果，我们制定了轧辊中频 感应加热淬火工艺。 森吉米尔轧辊淬火后辊面硬度为8 8 9 0 h s d ，经3 2 0 。c 回火后，硬度为8 0 8 2 h s d ，金相组织为马氏体加碳化物，取得了理想效果。 6 2 森吉米尔轧辊的热处理实验研究 6 2 1 实验用材质 实验用材质是c r l 2 m o v c o ，标准成份见表6 1 。 6 2 2 实验技术要求及方案 辊身硬度8 4 8 8 h s d ，硬化层深度8 m m ，硬度均匀性 2 0 的试 样，试样成份见表6 3 。 表6 -