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        淺談軋輥磨削質(zhì)量影響因素及主要缺陷控制

        2021-10-20 00:58:38供稿韋瑩唐水清
        金屬世界 2021年5期

        供稿|韋瑩,唐水清 /

        作者單位:廣西鋼鐵集團(tuán)有限公司冷軋廠,防城港 538000

        軋輥是保證帶鋼表面質(zhì)量的重要設(shè)備,在軋制生產(chǎn)中會受到機(jī)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(zhì)量。軋輥磨削加工就是為了恢復(fù)軋輥表層的力學(xué)及物理性能、輥型和表面粗糙度,從而保證軋制產(chǎn)品的表面質(zhì)量及板形,因此,軋輥磨削在帶鋼軋制生產(chǎn)中有著重要的地位。本文通過軋輥磨削原理介紹、設(shè)備對磨削質(zhì)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(zhì)量控制進(jìn)行了分析,對現(xiàn)場磨削操作具有較強(qiáng)的實(shí)際操作借鑒意義。

        軋輥磨削參數(shù)與質(zhì)量控制的關(guān)系

        軋輥磨削簡要描述

        軋輥磨削是砂輪與軋輥之間在磨床設(shè)定的曲線軌跡上的相互摩擦的一種運(yùn)動。作為磨削過程中的刀具——砂輪是用結(jié)合劑粘結(jié)特定磨粒制成的,可以看成由無數(shù)把形貌不規(guī)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(jī)制的過程分析,將連貫完成并沒有明確界線的整個(gè)磨削過程界定為粗磨階段、精磨階段、拋光階段等三個(gè)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(wěn)定,使表面粗糙度逐漸下降;(3)拋光階段使表面粗糙度達(dá)到目標(biāo)值且保證其均勻性。

        軋輥磨削及粗糙度的影響因素分析

        磨粒切削厚度影響分析

        依據(jù)銑刀的切削理論,砂輪磨粒可以假設(shè)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(shè)砂輪是理想銑刀的前提下,可以推導(dǎo)出一個(gè)磨粒的切削厚度公式(1),實(shí)際上每個(gè)磨粒在砂輪表面的分布是不規(guī)則的且切削厚度是不同的,借助公式(1)對影響磨削質(zhì)量的相關(guān)因素進(jìn)行定性分析。

        切削厚度與磨粒的切削負(fù)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(zhì)量越差,切削厚度越小磨出的軋輥表面質(zhì)量越好。式(1)中,當(dāng)頭架轉(zhuǎn)速vw、拖板速度fa、砂輪進(jìn)給量fr增大時(shí),單個(gè)磨粒的磨削厚度增大,磨削的軋輥表面質(zhì)量就會變差;當(dāng)砂輪轉(zhuǎn)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(shí),單個(gè)磨粒的磨削厚度變小,磨削的軋輥表面質(zhì)量就會變好。

        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(jù)磨削情況而定的常數(shù);a,b,c為指數(shù)。

        式(2) 中,一般情況下指數(shù)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(jìn)給量)fa,其次是磨削速比vw/v,最小的是徑向進(jìn)給量fr。徑向進(jìn)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(shí)對表面粗糙度影響變得很小。因此,在實(shí)際操作中,有經(jīng)驗(yàn)的軋輥磨床操作工通常將軸向進(jìn)給量fa控制在小而平穩(wěn)的狀態(tài)下,不僅能有效降低磨削表面殘余應(yīng)力,優(yōu)化軋輥表面的物理、力學(xué)機(jī)能,還能獲得均勻的軋輥表面粗糙度值。

        軋輥磨削參數(shù)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(shù)據(jù),即在磨削工藝過程中不能改變的靜態(tài)因素。fa、fr、vw/v是在磨削工藝流程中可以改變的動態(tài)因素,是磨床操作工控制磨削質(zhì)量的直接因素,因此這些參數(shù)選擇的經(jīng)驗(yàn)值顯得尤為重要。

        進(jìn)給速度fa

        磨削過程中,z軸軸向進(jìn)給速度fa對表面粗糙度影響最大,應(yīng)逐漸減小,參數(shù)設(shè)置一般根據(jù)砂輪寬度來選擇,即頭架每轉(zhuǎn)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。

        x 軸徑向進(jìn)給量fr

        磨削過程中,x軸徑向進(jìn)給量fr也應(yīng)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(guān)。拖板每往復(fù)一個(gè)行程,結(jié)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(jìn)給或穩(wěn)定保持很小的徑向進(jìn)給量。

        砂輪轉(zhuǎn)速v

        相比軸向進(jìn)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(yōu)劣的關(guān)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(tǒng)不出現(xiàn)振紋和斜花紋等不穩(wěn)定的現(xiàn)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。

        頭架轉(zhuǎn)速vw

        磨削過程中,頭架轉(zhuǎn)速vw也應(yīng)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。

        磨床設(shè)備與磨削質(zhì)量的關(guān)系

        磨床安裝及維護(hù)

        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(diǎn)周圍無振動源、無陽光直射、通氣良好,尤其不能有嚴(yán)重沖擊運(yùn)動的機(jī)器,安裝在水泥厚度為 150 mm 以上且四周開設(shè)隔離防振溝的地面上。同時(shí),磨床安裝應(yīng)滿足一下精度要求:

        (1)床身V 形導(dǎo)軌安裝精度:水平和垂直方向直線度≤0.01 mm/m,接觸點(diǎn)方面要求每25 mm×25 mm 面積12~14點(diǎn),相對托板導(dǎo)軌的垂直度≤0.02 mm/250 m。 床身平面導(dǎo)軌精度: 垂直直線度≤0.01 mm/m,接觸點(diǎn)要求12~14 點(diǎn)/(25 mm×25 mm),對V 形導(dǎo)軌的平行度≤0.02 mm/m。

        (2)托板V 形導(dǎo)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(diǎn)要求10~12 點(diǎn)。 托板平面導(dǎo)軌精度:平行度≤0.02 mm/m(與V 形導(dǎo)軌之間),每25 mm×25 mm 面積上接觸點(diǎn)要求10~12 點(diǎn)。

        (3)砂輪主軸動壓軸承:采用刮刀刮研軸瓦表面的轉(zhuǎn)研方式,同時(shí)滿足軸瓦和主軸軸頸之間的接觸點(diǎn)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(fā)現(xiàn)異常即可調(diào)整。

        (4)砂輪主軸電機(jī)的振動對磨削表面粗糙度影響比例最大。如果振動較大,應(yīng)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(gè)主要原因,如工作臺導(dǎo)軌的潤滑及一些液壓機(jī)構(gòu)的壓力值是否正常都會直接影響磨削精度,應(yīng)定期檢查。

        砂輪

        砂輪的選擇

        砂輪會直接影響磨削質(zhì)量,選擇砂輪一般從砂輪的磨料、硬度、粒度和結(jié)合劑等因素綜合考慮。

        磨料:為獲得較高的磨削表面質(zhì)量,一般根據(jù)不同材料的鋼質(zhì)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(zhuǎn)軸向進(jìn)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(yīng)選擇硬度高一點(diǎn)的砂輪。如果砂輪磨削時(shí)鈍化磨粒不易脫落,砂輪易粘著磨屑,輥面出現(xiàn)燒傷、拉毛現(xiàn)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(yīng)選擇硬度低一點(diǎn)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(qiáng)、不易被堵塞,砂輪的粒度小則性能穩(wěn)定、磨削軋輥表面質(zhì)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(jié)合劑:砂輪是用結(jié)合劑將磨粒粘結(jié)在一起成型并使其具有一定的硬度。最常用的砂輪結(jié)合劑有陶瓷結(jié)合劑(V)和樹脂結(jié)合劑(B)。軋輥磨床一般選用樹脂結(jié)合劑材質(zhì)的砂輪。

        砂輪的安裝與平衡

        (1)砂輪的安裝穩(wěn)定性和精度直接影響加工精度。砂輪卡盤直徑應(yīng)大于砂輪直徑的1/3。為保證磨削過程中熱膨脹不出現(xiàn)砂輪脹裂或砂輪配合較松出現(xiàn)偏心振動現(xiàn)象,砂輪內(nèi)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(yùn)轉(zhuǎn)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(zhì)量和機(jī)床精度。因此,砂輪一般要進(jìn)行靜平衡或動平衡測試,使其重心與旋轉(zhuǎn)軸線重合。一般只作靜平衡,但對于高精度數(shù)控軋輥磨床,應(yīng)進(jìn)行動平衡彌補(bǔ)砂輪本身的缺陷和安裝時(shí)產(chǎn)生的誤差,到達(dá)運(yùn)行平穩(wěn)及實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量磨削的目的。

        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(fù)自身外形精度及加工能力。當(dāng)出現(xiàn)下面三種情形時(shí),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(chǎn)生打滑、引起砂輪振動和出現(xiàn)噪音,影響磨削效率和表面質(zhì)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(jìn)行精修,然后再用油石對砂輪進(jìn)行細(xì)修。

        磨削主要缺陷分析及對策

        軋輥磨削輥型缺陷

        凸度

        軋輥凸度主要有凸度對稱性差和中高超差兩個(gè)缺陷。凸度對稱性差存在床身導(dǎo)軌精度超標(biāo)和軋輥中心未達(dá)標(biāo)準(zhǔn)兩個(gè)原因。因此,首先要對床身導(dǎo)軌進(jìn)行必要的調(diào)整,校正恢復(fù)其精度;其次核對軋輥工作面的中心和砂輪起刀到結(jié)束的中心是否完全重合。中高超差的原因有床身精度超標(biāo)和成型機(jī)構(gòu)的間隙消除機(jī)構(gòu)調(diào)整不合適。因此,首先要對床身進(jìn)行必要的調(diào)整,校正恢復(fù)其精度,再調(diào)整成型機(jī)構(gòu)的間隙消除機(jī)構(gòu)。注意,由于標(biāo)尺轉(zhuǎn)動角度極小,機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)非常精密,調(diào)整時(shí)不能隨意拆卸且需要保證潤滑良好。

        錐度

        軋輥對錐度的要求非??量?,冷軋工作輥錐度一般要求為0.005 mm。出現(xiàn)錐度超差的原因一方面是床身精度不達(dá)標(biāo),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(cè)托架潤滑不良出現(xiàn)明顯發(fā)熱導(dǎo)致軋輥中心線偏移。因此,在磨削前,首先,要認(rèn)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(zhǔn)的同軸度可達(dá)0.001 mm。沒有自動測量的磨床,借助千分表測量調(diào)整軋輥中心線與基準(zhǔn)間的誤差在0.005 mm 之內(nèi)。其次,要仔細(xì)開展托瓦清潔工作,防止異物掉落,同時(shí)使用合適的潤滑油保證潤滑充分,防止輥頸發(fā)熱。

        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(shí)際軋輥磨削時(shí),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(zhuǎn)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(diǎn)振擺過大都會導(dǎo)致軋輥圓度不佳,因此要對振擺過大點(diǎn)的相應(yīng)部位做適宜的調(diào)整來減小振擺。

        圖1 軋輥傳動與振動測量點(diǎn)示意圖

        影響軋輥磨削后圓度的原因有:(1)軋輥的輥頸圓度,因?yàn)槠涫擒堓伳ハ鲿r(shí)的基準(zhǔn);(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(diǎn)接觸,兩頭墊多片碟形彈簧緩沖驅(qū)動扭力,軋輥驅(qū)動時(shí)會產(chǎn)生一對驅(qū)動作用力偶(向左的力偶基本由側(cè)瓦抵擋,向右的力偶只有底瓦來抵擋),該驅(qū)動力偶會使軋輥每旋轉(zhuǎn)一周作兩次向右振擺,使E 處振擺是最高點(diǎn)。托架鎖緊螺栓松動,托架與導(dǎo)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(dǎo)軌面與托架接觸面,接觸均勻且接觸點(diǎn)不少于12 點(diǎn)/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(cè)瓦絲桿,修磨側(cè)瓦壓板內(nèi)表面,校對新絲桿自由間隙,保證側(cè)瓦平穩(wěn)固定;更換花盤夾頭碟形彈簧,調(diào)整夾頭與軋輥扁頭間間隙至合理值;調(diào)整合適主軸間隙,提高主軸剛度[2]。

        軋輥磨削表面缺陷

        振紋

        軋輥磨削過程中任一位置的振動超幅其表面都有產(chǎn)生振痕的可能,而產(chǎn)生振紋的機(jī)理是軋輥在前一道次磨削時(shí)表面產(chǎn)生了波紋,后一道次將在有波紋的表面上進(jìn)行磨削,會在軋輥表面上形成新的波紋。對于高精度磨床,產(chǎn)生振紋的主要原因是主軸系統(tǒng),產(chǎn)生斜紋主要原因是床頭撥盤系統(tǒng)。 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(tǒng)能頻繁離開顫振激發(fā)區(qū),抑制顫振的出現(xiàn),提高磨削質(zhì)量;

        (2)確保主軸系統(tǒng)精度在要求內(nèi)。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(nèi)孔的接觸點(diǎn)數(shù)≥12 點(diǎn)/(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(zhì)等,清潔度達(dá)標(biāo)且需定期更換;

        (4)按磨削工藝修整砂輪。

        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(shí)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??刹扇∫韵麓胧p少或使其變短:(1)增加磨削液流量沖洗砂輪和輥面結(jié)合處;(2) 適當(dāng)提高砂輪線速度;(3)選擇脫粒速度合適的砂輪。

        圖2 劃痕示意圖

        螺旋紋

        由磨削原理可知,螺旋紋是無法完全消除的,其產(chǎn)生與磨削工藝和砂輪選型有關(guān),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(diào)整合理參數(shù)修磨可以減輕該缺陷。

        圖3 螺旋紋示意圖

        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(diào)整磨削工藝得到減輕。

        色差

        色差是一種綜合產(chǎn)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??刂坪幂伱娲植诙染鶆蛐?、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。

        結(jié)束語

        本文通過對磨削和粗糙度公式進(jìn)行分析,定性總結(jié)了磨削參數(shù)對軋輥磨削表面質(zhì)量影響的靜態(tài)因素和動態(tài)因素,加深了對磨削理論及規(guī)律的理解,同時(shí)也分析了磨床安裝精度、砂輪使用與表面質(zhì)量控制的關(guān)系,分析總結(jié)了磨削出現(xiàn)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(yōu)化操作方法的途徑,為冷軋薄板高效生產(chǎn)提供了有力的設(shè)備保障。

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