韓亞娜，范勛銘，曲榮旭，侯培勇

（大連橡膠塑料機(jī)械股份有限公司，遼寧　大連　116036）

大型綠色低溫一次法混煉生產(chǎn)線冷卻輥筒機(jī)械加工工藝設(shè)計(jì)

韓亞娜，范勛銘，曲榮旭，侯培勇

（大連橡膠塑料機(jī)械股份有限公司，遼寧大連116036）

簡述了大型低溫一次法混煉生產(chǎn)線的理念，從冷卻輥筒的結(jié)構(gòu)、材料性能等特性出發(fā)，設(shè)計(jì)、分析了冷卻輥筒的機(jī)械加工工藝及加工過程中易出現(xiàn)問題的解決措施。

綠色低溫；一次法；混煉生產(chǎn)線；冷卻輥筒；機(jī)械加工；工藝設(shè)計(jì)

低溫一次法混煉生產(chǎn)線秉承著現(xiàn)代輪胎綠色制造的理念，將傳統(tǒng)的多段膠料混煉變?yōu)橐淮位鞜?，膠料通過密煉機(jī)一次高溫密煉后，經(jīng)過多臺開煉機(jī)和膠片冷卻輔機(jī)的自動連續(xù)低溫強(qiáng)化混煉而得到終煉膠片（如圖1）。與傳統(tǒng)的煉膠工藝相比，低溫一次法混煉生產(chǎn)線減少了膠料中間傳遞環(huán)節(jié)和周轉(zhuǎn)占用場地，延長低溫下混煉時間，避免了高溫?zé)捘z所產(chǎn)生的膠料被氧化現(xiàn)象，煉出的膠質(zhì)量好。

大型低溫一次法混煉生產(chǎn)線用冷卻輥筒，其工作面直徑不小于1 600 mm，其結(jié)構(gòu)形式如圖2所示，是一次法混煉生產(chǎn)線的重要零件之一。

圖1　低溫一次法混煉生產(chǎn)線示意圖

冷卻輥筒質(zhì)量的好壞，直接影響著生產(chǎn)線的產(chǎn)品質(zhì)量，因此為保證其質(zhì)量，應(yīng)從其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及材料、熱處理、機(jī)械加工等多方面進(jìn)行分析，具體如下。

圖2　冷卻輥筒示意圖

1　冷卻輥筒的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及材料1.1　結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

冷卻輥筒是焊接件，主要由內(nèi)圈、外圈、軸頭和端蓋組成，內(nèi)圈、外圈為過盈配合，輥筒的最高精度等級為6級。

1.2材料

外圈選擇不銹鋼，如1 Cr18Ni9Ti或1Cr13等；內(nèi)圈選擇不銹鋼或鍋爐鋼，如1Cr18Ni9Ti、 1Cr13或20g等； 軸頭與端蓋為碳素鋼，如45、Q235A等。

考慮材料成本，表1成本最高的是鍛造毛坯，最低的是板料圍圓焊接，內(nèi)、外圈較為適宜的材料組合是表2的內(nèi)、外圈均為1Cr1或外圈材料為1Cr13—內(nèi)圈為20 g的組合。

表1　材料單位價格參考表

2　冷卻輥筒最小過盈量

冷卻輥筒基本尺寸如圖3所示，選取內(nèi)、外圈均為不銹鋼，當(dāng)da=1 600 mm，dt=1 570 mm，di=1 500 mm，lt=2 400 mm，扭矩M=1 258 kgcm，孔的表面粗糙度Ra3.2 μm，軸的表面粗糙度Ra1.6μm，摩擦系數(shù)取μ=0.14，泊松比取γa=γi=0.30，彈性模量Ea=Ei=2.1×106kg/cm2時，經(jīng)計(jì)算其直徑比：qa=dt/da=0.98；qi=di/ dt=0.95；

系數(shù)Ca=［（1+qa2）/（1-qa2）］+γa

配合件的壓力強(qiáng)度：

傳遞扭矩所需的最小有效過盈量：

考慮壓平時冷卻輥筒的最小過盈量為：

因此，冷卻輥筒內(nèi)、外圈采用過盈配合時，其過盈量應(yīng)不小于0.514 mm。

3　冷卻輥筒加工工藝設(shè)計(jì)與分析

內(nèi)、外圈采用熱裝加工工藝，其主要工藝

圖3　基本尺寸示意圖

表2冷卻輥筒不同材料組成成本表材料

外圈1Cr18Ni9Ti1Cr13

內(nèi)圈1Cr18Ni9Ti1Cr1320 g1Cr1320 g輥筒成本萬元（9～9.6）G（6.6～7.1）G（5.3～5.7）G（4.2～4.6）G（2.9～3.2）G

成本高低排列54321

注：G為外圈與內(nèi)圈毛坯重量之和。

名稱流程如圖4所示：

圖4　冷卻輥筒加工主要工藝流程

3.1焊接性能分析

由于冷卻輥筒內(nèi)、外圈是薄壁筒件，外形尺寸大、焊接時間長，已焊部分極易變冷產(chǎn)生大的焊接應(yīng)力和焊接變形。材料的化學(xué)成分、碳當(dāng)量不同，其焊接性能也有較大差異。

3.1.1材料的主要化學(xué)成份、碳鋼的碳當(dāng)量及焊接性能

Q235A和20 g材料的碳當(dāng)量小于0.40%，焊接性能好，焊前不需要預(yù)熱；45鋼的碳當(dāng)量大于0.60%，焊接性能差，淬硬傾向較強(qiáng)，在冷焊或預(yù)熱溫度較低時，焊接部位剛度較大，焊區(qū)極易產(chǎn)生裂紋，參見表3。

1Cr18Ni9Ti奧式體不銹鋼焊接接頭易出現(xiàn)熱裂紋和晶間腐蝕。熱裂紋主要是因?yàn)椴牧辖M織枝晶方向性強(qiáng)、線膨脹系數(shù)大，焊縫冷卻時收縮應(yīng)力大、變形傾向大而產(chǎn)生的；晶間腐蝕主要是由于焊縫在450～850℃停留時，奧氏體晶粒內(nèi)的碳會以Cr23C6形式沿奧氏體晶界析出，使晶界的晶粒表層貧Cr，當(dāng)在腐蝕性介質(zhì)中，晶間貧Cr層會造成焊接接頭的晶間腐蝕；1Cr13馬氏體不銹鋼具有強(qiáng)烈的淬硬傾向，焊接時熱影響區(qū)易產(chǎn)生粗大的馬氏體組織，易出現(xiàn)熱裂紋，但晶間腐蝕傾向小，由于導(dǎo)熱性差，殘余應(yīng)力大，還易產(chǎn)生冷裂紋；接頭中含氫量增加會加重裂紋傾向；受熱超過1 150℃的溫度區(qū)間，晶粒粗大顯著，過快和過慢的冷卻速度都可能引起接頭的脆化。

因此焊接時需正確選用焊接材料和焊接工藝才能防止上述缺陷的發(fā)生。

3.1.2焊材的選擇

冷卻輥筒內(nèi)外、圈圍圓焊接時選用與母材相同成分的焊絲，也可以從母材上剪下板條作為焊絲。異種鋼焊接材料的焊縫金屬性能只需符合兩種母材中的一種即認(rèn)為滿足技術(shù)要求，焊前對使用的焊條要進(jìn)行烘干處理。

3.1.3減少焊接熱裂紋、冷裂紋、晶間腐蝕及焊接變形的措施

焊接時采用低氫焊條使焊縫金屬晶粒細(xì)化，減少焊縫中的有害雜質(zhì)，提高焊縫的抗裂性；采取快焊速，前一道焊縫冷卻到60℃左右時再焊下一道，以減小焊縫過熱，焊接結(jié)束或中斷時，收弧要慢，將弧坑填滿，防止弧坑裂紋，選用較小的焊接電流，與腐蝕介質(zhì)接觸的焊縫最后焊接，盡量減少焊接接頭在危險溫度范圍內(nèi)停留的時間，避免熱裂紋、冷裂紋和晶間腐蝕。

表4是輥筒外圈焊接后，按照圖5的測量原理，測得的8個位置的直徑誤差值，采用專門設(shè)計(jì)的定圈專用工裝前最大直徑誤差值達(dá)+10.1 mm，最小為0 mm；為簡化分析按照被測輪廓形狀為等分偶數(shù)棱進(jìn)行計(jì)算，其圓度誤差t=Δmax/2=（Dmax-Dmin）/2=5.05 mm。

圖6-a為采用專用的外置定圈工裝來減少輥筒變形，采用定圈后的最大直徑誤差為+1.30 mm，最小為-0.55 mm（見表4）；同樣按照被測輪廓的形狀為等分偶數(shù)棱計(jì)算，其圓度誤差t=Δmax/2=（Dmax-Dmin）/2=0.925 mm，可以看出輥筒外圈的圓度誤差大大降低了，同理內(nèi)圈采用同樣方法控制變形，焊接時采用邊焊邊振動的方法來減少焊接應(yīng)力。

表3　構(gòu)件的主要化學(xué)成份、碳鋼的碳當(dāng)量及焊接性能

圖5　輥筒圓度測量原理圖

3.1.4焊接接頭質(zhì)量檢驗(yàn)

焊接接頭最重要的部位是內(nèi)外、圈圍圓焊接后的焊縫，質(zhì)量檢驗(yàn)以檢驗(yàn)焊縫為主。焊縫外觀缺陷的檢驗(yàn)使用放大倍數(shù)為五倍的放大鏡進(jìn)行檢驗(yàn)，內(nèi)部缺陷采用超聲波探傷或X射線探傷，檢驗(yàn)焊縫中的未熔合、裂紋、未焊透、夾渣、氣孔等。

3.2熱處理分析

不銹鋼內(nèi)、外圈筒皮圍圓焊接后進(jìn)行穩(wěn)定化處理，材料為20g的焊后進(jìn)行退火處理，用來消除或減小焊接殘余應(yīng)力，促使氫擴(kuò)散逸出以防止產(chǎn)生冷裂紋，并提高切削加工性能。

熱處理時，由于內(nèi)、外圈壁薄、尺寸大和重量重，將產(chǎn)生很大的變形，使得在前序焊接時所控制的圓度誤差又變大，采用圖6（b）所示的專用內(nèi)置定圈工裝來減小輥筒的變形。

3.3機(jī)械加工分析

3.3.1內(nèi)、外圈的車削加工

影響輥筒內(nèi)、外圈車削加工的因素有輥筒本身結(jié)構(gòu)、材料的化學(xué)成分、力學(xué)性能、金相組織、刀具材料、導(dǎo)熱率和線膨脹系數(shù)等，具體如下：

3.3.1.1內(nèi)、外圈本身結(jié)構(gòu)的影響由于內(nèi)、外圈是薄壁筒，車內(nèi)、外圈時，都會產(chǎn)生大的圓度誤差，因此在加工過程中，外圈、內(nèi)圈要分別采用圖6、圖7所示的減少變形專用工裝來降低圓度誤差。

3.3.1.2化學(xué)成分、力學(xué)性能的影響

圖6　減少輥筒變形示意圖

從表3、表5可知，內(nèi)、外圈的含碳量≤0.20，1Cr18Ni9Ti奧氏體不銹鋼的延伸率δ＞30℅，1Cr13馬氏體不銹鋼的斷面收縮率ψ為60℅，硬度均＜187HB，是難切削材料，加工時易產(chǎn)生的問題。

①切屑不易被切離，消耗的能量多。1Cr18Ni9Ti不銹鋼的延伸率δ為40%，為45號鋼的250% ，1Cr13不銹鋼的延伸率δ為20%，為45號鋼的125%，20 g的延伸率δ為25%，為45號鋼的156%，因此材料的塑性、韌性大，切屑不易被切離，形成切屑消耗的能量比切去同體積的45號鋼多；

②易產(chǎn)生積屑瘤，降低刀具壽命。不銹鋼的切削力比45號鋼提高25%，切削溫度比45號鋼高，因此高的切削溫度和高的切屑粘附性，使切屑易粘附在前刀面上形成積屑瘤，加工時易產(chǎn)生振動，使刀具磨損，降低刀具的使用壽命和已加工面的粗糙度，使切削加工變得困難。

表4　輥筒外圈不同位置直徑測量誤差值mm

3.3.1.3金相組織的影響1Cr18Ni9Ti不銹鋼的金相組織主要是奧氏體，切削加工時加工硬化嚴(yán)重，合金元素融入奧氏體中，硬度增強(qiáng)，使切削加工性能顯著降低；1Cr13不銹鋼的金相組織主要是馬氏體，硬度高脆性大，使刀具磨損嚴(yán)重；20g鋼經(jīng)退火后的珠光體所占比例：珠光體%=鋼中含碳量%/0.8=25%，另有鐵素體存在，有較好的切削性能。

3.3.1.4刀具材料的影響

使用高速鋼刀具切削時，Kr＜0.65，刀具只能在＜600℃加工，難切削不銹鋼內(nèi)、外圈；當(dāng)使用硬質(zhì)合金刀具時，Kr在0.65～1.0之間，刀具可在≥600℃加工，稍難切削加工不銹鋼內(nèi)、外圈；加工材料為20 g，Kr在1.65～2.5之間，高速鋼和硬質(zhì)合金刀具均較易加工。

3.3.1.5導(dǎo)熱率和線膨脹系數(shù)的影響

從表6可知，1Cr18Ni9Ti不銹鋼導(dǎo)熱率最低僅為普通碳鋼的28% ，1Cr13的為普通碳鋼的45%，故大量的切削熱不能及時擴(kuò)散出去，切屑熱集中在沒被切離的切屑和前刀面上，切屑瞬時溫度可達(dá)1 000℃，切削刃易產(chǎn)生過熱現(xiàn)象，在高溫的作用下易失去切削能力，加速刀具的磨損。不銹鋼線膨脹量大又加劇輥筒的加工難度。

3.3.1.6改善車削性能的措施

（1）合理選擇刀具材料、切削用量

刀具材料選擇有較高硬度，強(qiáng)度和韌性，具有良好的耐磨性，抗氧化性，抗粘結(jié)性的硬質(zhì)合金，車1 C r 1 3馬氏體不銹鋼的刀具材料推薦選擇Y W 1、Y W 2，切削用量推薦為v=84～90 m/min，f=0.4 mm/r，ap=3 mm；車1Cr18Ni9Ti奧氏體不銹鋼的刀具材料推薦選擇YG6X、YA6，切削用量v=50～100 m/min，f=0.2～0.5 mm/r，ap=3～6 mm。

（2）合理選擇刀具幾何參數(shù)

車削不銹鋼推薦采用較大的前角，一般γo=12～30°，后角αo＞8～10°， 減少切屑與刀面的摩擦和加工硬化；為了加強(qiáng)刀頭強(qiáng)度，刃傾角λs=-2～-6°；

（3）合理選擇切削液和冷卻方式

切削液要有良好的冷卻、潤滑、滲透作用，選用含硫等極壓添加劑的乳化液，或選煤油、硫化油等切削液，采用高壓冷卻、噴霧冷卻的方式進(jìn)行冷卻。

3.3.2內(nèi)、外圈的熱裝

3.3.2.1外圈的加熱

按理論加熱溫度公式t=［（δ+Δ）/k×10-6d）］+t0進(jìn)行計(jì)算，外圈不同材料理論加熱溫度如表7。式中：

t——加熱溫度℃；

δ——配合過盈量mm；

Δ——最小裝配間隙m m，一般取（0.001～0.002）d；

d——配合直徑mm（按上述取1 570 mm）；

表5　輥筒內(nèi)、外圈不同材料相對力學(xué)性能、切削性能表

表6　不銹鋼和碳鋼的導(dǎo)熱率和線膨脹系數(shù)比較

t0——裝配環(huán)境溫度℃（取20℃）；

k×10-6——材料線膨脹系數(shù)l/℃。

表7　輥筒外圈不同材料理論加熱溫度

考慮外圈的尺寸較大并結(jié)合實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，取外圈實(shí)際加熱溫度在240～300℃。

3.3.2.2加熱與熱裝

外圈的加熱選擇在有能力的大型熱處理爐中進(jìn)行，或采用火焰加熱，火焰加熱需要制作專用的加熱裝置；內(nèi)、外圈進(jìn)行熱裝時，當(dāng)膨脹量達(dá)到要求后，應(yīng)立即進(jìn)行熱裝，迅速熱裝到位，中途不應(yīng)停頓。由于內(nèi)、外圈的高度高，熱裝時不易控制好二件的相應(yīng)端面平齊，需要制作專用的熱裝工裝來控制內(nèi)、外圈端面尺寸位置，為防止起吊裝置達(dá)不到筒皮高度要求，將內(nèi)圈落于事先準(zhǔn)備好的地坑中，同時有防止筒皮傾倒的措施。

3.3.3輥筒的磨削加工 采用砂輪磨削或砂帶磨削（拋光）

3.3.3.1用砂輪磨削時易產(chǎn)生的問題

（1）加工表面易燒傷。不銹鋼的韌性大切屑不易被切離，切屑瞬時溫度高，故加工表面易出現(xiàn)燒傷現(xiàn)象。

（2）磨屑易堵塞砂輪。磨屑易粘在砂輪上，砂輪磨粒易磨損變鈍，降低磨粒切削作用。

（3）輥筒易變形。磨削薄壁輥筒時，磨削溫度高易產(chǎn)生變形，影響工件尺寸，易造成測量誤差。因此要合理地選擇砂輪，以減少或避免上述問題的出現(xiàn)。

3.3.2.3砂輪的選擇

（1）磨料的選擇：采用白色剛玉，有較好的切削性能和自銳性。

（2）粒度的選擇：采用中等粒度，如4 6#、6 0#的砂輪為宜，精磨用6 0#，粗磨用46#。

（3）結(jié)合劑的選擇：采用陶瓷結(jié)合劑，能耐熱、抗腐蝕，使砂輪保持良好的切削性能，有較高的強(qiáng)度、承受較大的沖擊載荷。

（4）砂輪硬度的選擇：采用G～N（R3～Z2）硬度的砂輪，其中以K～L（ZR1～ZR2）為普遍。

（5）砂輪組織的選擇：選用5～8號組織較為疏松的砂輪，減少磨屑對砂輪的堵塞。

磨削時由于不銹鋼的線膨脹系數(shù)大。易導(dǎo)致尺寸測量上的誤差；出現(xiàn)表面不光，有波紋、螺旋紋、拉毛或燒傷現(xiàn)象，或出現(xiàn)圓柱度誤差或圓度誤差，應(yīng)正確修整砂輪，選擇合適的切削用量，并使用冷卻液充分冷卻等措施，減少這些問題的產(chǎn)生。

3.3.3.3砂帶磨削（拋光）選擇在C61160普通車床上進(jìn)行

如圖7所示，因砂帶磨料多是針狀磨粒，粒度均勻，磨粒與輥筒表面的接觸面積小，全部磨粒可以同時參加切削，產(chǎn)生的切削熱少，散熱效果好，輥筒表面被燒傷現(xiàn)象大大低于砂輪磨削，所引起的尺寸誤差也低于砂輪磨削，生產(chǎn)效率高?；蛴蒙皫伖獯嫔皫?。砂帶磨削（拋光）易出現(xiàn)砂帶磨損、振動、磨粒脫落等現(xiàn)象，影響砂帶的壽命；采用適當(dāng)?shù)哪ハ髁?、定期變換砂帶的運(yùn)轉(zhuǎn)方向，及用適當(dāng)?shù)哪ハ饕海⊕伖鈩┗蛑?，來提高砂帶的壽命?/p>

輥筒砂帶磨（拋光）前表面粗糙度Ra3.2～1.6 μm，留磨量0.50～0.60 mm，推薦磨料采用白色剛玉，粒度采用P150～220，磨不銹鋼的砂帶速度在12～20 m/s，20 g為20～25 m/s。

圖7　砂帶磨削（拋光）示意圖

3.3.4機(jī)械加工后輥筒工作表面缺陷的檢驗(yàn)用著色探傷

3.3.5噴砂

磨削（拋光）后，根據(jù)不同使用要求，不銹鋼輥筒表面采用高壓噴砂，使輥面的物理、機(jī)械性能得到改善，提高輥面組織穩(wěn)定性；20g輥筒表面噴砂后可鍍鉻，提高輥筒表面的物理、機(jī)械性能和抗腐蝕性能。

綜上所述，大型綠色低溫一次法混煉生產(chǎn)線冷卻輥筒的加工，需要從其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及材料性能、最小過盈量、化學(xué)成分等因素，分析其焊接、熱處理、機(jī)械加工等工藝性，從刀具材料、切削用量等方面提高加工質(zhì)量，解決加工過程中遇到的各種難題，從而提高產(chǎn)品質(zhì)量。

［1］ 橡膠機(jī)械設(shè)計(jì). 山東化工學(xué)院，1998.

［2］ 機(jī)械加工工藝手冊. 機(jī)械工業(yè)出版社，1992.

［3］ 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊. 化學(xué)工業(yè)出版社，2004.

［4］ 極限與配合 過盈配合的計(jì)算和選擇. GB/T5371-2004，國家標(biāo)準(zhǔn)出版社.

［5］ UG NX4.0中文版零件設(shè)計(jì). 清華大學(xué)出版社，2007年第一版.

［6］ 產(chǎn)品幾何量技術(shù)規(guī)范 形狀和位置誤差 檢測規(guī)定. GB/ T 1958-2004， 國家標(biāo)準(zhǔn)出版社.

［7］ 圓度測量誤差組合. GB4380-84，國家標(biāo)準(zhǔn)出版社.

（XS-05）

大連金州重型機(jī)器有限公司開發(fā)出合成橡膠新型擠壓脫水機(jī)

大連金州重型機(jī)器有限公司開發(fā)出一種合成橡膠新型擠壓脫水機(jī)，包括：機(jī)座及其上安裝的數(shù)字自動控制系統(tǒng)、主電動機(jī)、蛇形聯(lián)軸器、減速機(jī)、夾殼聯(lián)軸器、裝配式螺桿軸、機(jī)體、調(diào)壓體、切刀、出料口、進(jìn)料口。主電動機(jī)經(jīng)蛇形聯(lián)軸器拖動減速機(jī)轉(zhuǎn)動，經(jīng)夾殼式聯(lián)軸器帶動螺桿軸定軸右旋轉(zhuǎn)動；螺桿軸尾端的第一節(jié)螺套將物料推入機(jī)體，其余螺套按減小螺距和改變螺桿槽徑結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)動態(tài)壓縮；機(jī)體內(nèi)對稱設(shè)置的剪切板限制物料旋轉(zhuǎn)，水分經(jīng)機(jī)體籠條間隙排出。多功能的調(diào)壓體實(shí)現(xiàn)對整機(jī)功能實(shí)現(xiàn)產(chǎn)量、含水率、物料形狀以及重要的膨脹“閃蒸”功能綜合控制。該脫水機(jī)效率高、技術(shù)性能穩(wěn)定、防腐可靠，適用于丁苯橡膠（SBR）等膠種的干燥脫水處理。

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中國昆侖工程公司開發(fā)出一種順丁橡膠膠液混配系統(tǒng)，包括若干個膠液儲罐，還包括進(jìn)料管、混合器和出料管，若干個所述膠液儲罐的出口均連接所述進(jìn)料管的入口。所述進(jìn)料管的出口連接所述混合器的入口，所述混合器的出口連接所述出料管的入口，所述出料管的出口連接混合后膠液儲罐。采用該系統(tǒng)可以有效地實(shí)現(xiàn)來自不同膠液儲罐的順丁橡膠裝置聚合單元生產(chǎn)的膠液的充分混合，提高制備的膠液的門尼值的均一性。

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燕豐供稿

Process design of cooling roller machining for large green single stage mixed production line at low temperature

TQ330.43

1009-797X（2015）01-0054-07

B

10.13520/j.cnki.rpte.2015.01.011

韓亞娜（1 9 6 5-），女，高級工程師，1987年機(jī)械制造工藝及設(shè)備專業(yè)畢業(yè)，從事機(jī)械制造工藝設(shè)計(jì)工作多年，所負(fù)責(zé)的產(chǎn)品有多項(xiàng)榮獲 “國家科技進(jìn)步一、二等獎”，公開發(fā)表學(xué)術(shù)論文8篇，有多篇榮獲“大連市自然科學(xué)優(yōu)秀學(xué)術(shù)論文二等獎”。

2013-12-24