韓亞娜，范勛銘，曲榮旭，侯培勇

（大連橡膠塑料機械股份有限公司，遼寧　大連　116036）

大型綠色低溫一次法混煉生產線冷卻輥筒機械加工工藝設計

韓亞娜，范勛銘，曲榮旭，侯培勇

（大連橡膠塑料機械股份有限公司，遼寧大連116036）

簡述了大型低溫一次法混煉生產線的理念，從冷卻輥筒的結構、材料性能等特性出發(fā)，設計、分析了冷卻輥筒的機械加工工藝及加工過程中易出現問題的解決措施。

綠色低溫；一次法；混煉生產線；冷卻輥筒；機械加工；工藝設計

低溫一次法混煉生產線秉承著現代輪胎綠色制造的理念，將傳統(tǒng)的多段膠料混煉變?yōu)橐淮位鞜挘z料通過密煉機一次高溫密煉后，經過多臺開煉機和膠片冷卻輔機的自動連續(xù)低溫強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線減少了膠料中間傳遞環(huán)節(jié)和周轉占用場地，延長低溫下混煉時間，避免了高溫煉膠所產生的膠料被氧化現象，煉出的膠質量好。

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

圖1　低溫一次法混煉生產線示意圖

冷卻輥筒質量的好壞，直接影響著生產線的產品質量，因此為保證其質量，應從其結構特點及材料、熱處理、機械加工等多方面進行分析，具體如下。

圖2　冷卻輥筒示意圖

1　冷卻輥筒的結構特點及材料1.1　結構特點

冷卻輥筒是焊接件，主要由內圈、外圈、軸頭和端蓋組成，內圈、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、外圈較為適宜的材料組合是表2的內、外圈均為1Cr1或外圈材料為1Cr13—內圈為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、外圈均為不銹鋼，當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，摩擦系數取μ=0.14，泊松比取γa=γi=0.30，彈性模量Ea=Ei=2.1×106kg/cm2時，經計算其直徑比：qa=dt/da=0.98；qi=di/ dt=0.95；

系數Ca=［（1+qa2）/（1-qa2）］+γa

配合件的壓力強度：

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、外圈采用過盈配合時，其過盈量應不小于0.514 mm。

3　冷卻輥筒加工工藝設計與分析

內、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、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生大的焊接應力和焊接變形。材料的化學成分、碳當量不同，其焊接性能也有較大差異。

3.1.1材料的主要化學成份、碳鋼的碳當量及焊接性能

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

1Cr18Ni9Ti奧式體不銹鋼焊接接頭易出現熱裂紋和晶間腐蝕。熱裂紋主要是因為材料組織枝晶方向性強、線膨脹系數大，焊縫冷卻時收縮應力大、變形傾向大而產生的；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，當在腐蝕性介質中，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烈的淬硬傾向，焊接時熱影響區(qū)易產生粗大的馬氏體組織，易出現熱裂紋，但晶間腐蝕傾向小，由于導熱性差，殘余應力大，還易產生冷裂紋；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為滿足技術要求，焊前對使用的焊條要進行烘干處理。

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化，減少焊縫中的有害雜質，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，采用專門設計的定圈專用工裝前最大直徑誤差值達+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棱進行計算，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棱計算，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力。

表3　構件的主要化學成份、碳鋼的碳當量及焊接性能

圖5　輥筒圓度測量原理圖

3.1.4焊接接頭質量檢驗

焊接接頭最重要的部位是內外、圈圍圓焊接后的焊縫，質量檢驗以檢驗焊縫為主。焊縫外觀缺陷的檢驗使用放大倍數為五倍的放大鏡進行檢驗，內部缺陷采用超聲波探傷或X射線探傷，檢驗焊縫中的未熔合、裂紋、未焊透、夾渣、氣孔等。

3.2熱處理分析

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

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

3.3機械加工分析

3.3.1內、外圈的車削加工

影響輥筒內、外圈車削加工的因素有輥筒本身結構、材料的化學成分、力學性能、金相組織、刀具材料、導熱率和線膨脹系數等，具體如下：

3.3.1.1內、外圈本身結構的影響由于內、外圈是薄壁筒，車內、外圈時，都會產生大的圓度誤差，因此在加工過程中，外圈、內圈要分別采用圖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化學成分、力學性能的影響

圖6　減少輥筒變形示意圖

從表3、表5可知，內、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重，合金元素融入奧氏體中，硬度增強，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，使刀具磨損嚴重；20g鋼經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、外圈；當使用硬質合金刀具時，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、外圈；加工材料為20 g，Kr在1.65～2.5之間，高速鋼和硬質合金刀具均較易加工。

3.3.1.5導熱率和線膨脹系數的影響

從表6可知，1Cr18Ni9Ti不銹鋼導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1 000℃，切削刃易產生過熱現象，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，強度和韌性，具有良好的耐磨性，抗氧化性，抗粘結性的硬質合金，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

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；為了加強刀頭強度，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、噴霧冷卻的方式進行冷卻。

3.3.2內、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進行計算，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?。?.001～0.002）d；

d——配合直徑mm（按上述取1 570 mm）；

表5　輥筒內、外圈不同材料相對力學性能、切削性能表

表6　不銹鋼和碳鋼的導熱率和線膨脹系數比較

t0——裝配環(huán)境溫度℃（取20℃）；

k×10-6——材料線膨脹系數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合實際經驗，取外圈實際加熱溫度在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行，或采用火焰加熱，火焰加熱需要制作專用的加熱裝置；內、外圈進行熱裝時，當膨脹量達到要求后，應立即進行熱裝，迅速熱裝到位，中途不應停頓。由于內、外圈的高度高，熱裝時不易控制好二件的相應端面平齊，需要制作專用的熱裝工裝來控制內、外圈端面尺寸位置，為防止起吊裝置達不到筒皮高度要求，將內圈落于事先準備好的地坑中，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，故加工表面易出現燒傷現象。

（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。

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）結合劑的選擇：采用陶瓷結合劑，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大。易導致尺寸測量上的誤差；出現表面不光，有波紋、螺旋紋、拉毛或燒傷現象，或出現圓柱度誤差或圓度誤差，應正確修整砂輪，選擇合適的切削用量，并使用冷卻液充分冷卻等措施，減少這些問題的產生。

3.3.3.3砂帶磨削（拋光）選擇在C61160普通車床上進行

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?？梢酝瑫r參加切削，產生的切削熱少，散熱效果好，輥筒表面被燒傷現象大大低于砂輪磨削，所引起的尺寸誤差也低于砂輪磨削，生產效率高?；蛴蒙皫伖獯嫔皫?。砂帶磨削（拋光）易出現砂帶磨損、振動、磨粒脫落等現象，影響砂帶的壽命；采用適當的磨削力、定期變換砂帶的運轉方向，及用適當的磨削液（拋光劑）或助磨劑，來提高砂帶的壽命。

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機械加工后輥筒工作表面缺陷的檢驗用著色探傷

3.3.5噴砂

磨削（拋光）后，根據不同使用要求，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線冷卻輥筒的加工，需要從其結構特點及材料性能、最小過盈量、化學成分等因素，分析其焊接、熱處理、機械加工等工藝性，從刀具材料、切削用量等方面提高加工質量，解決加工過程中遇到的各種難題，從而提高產品質量。

［1］ 橡膠機械設計. 山東化工學院，1998.

［2］ 機械加工工藝手冊. 機械工業(yè)出版社，1992.

［3］ 機械設計手冊. 化學工業(yè)出版社，2004.

［4］ 極限與配合 過盈配合的計算和選擇. GB/T5371-2004，國家標準出版社.

［5］ UG NX4.0中文版零件設計. 清華大學出版社，2007年第一版.

［6］ 產品幾何量技術規(guī)范 形狀和位置誤差 檢測規(guī)定. GB/ T 1958-2004， 國家標準出版社.

［7］ 圓度測量誤差組合. GB4380-84，國家標準出版社.

（XS-05）

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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年機械制造工藝及設備專業(yè)畢業(yè)，從事機械制造工藝設計工作多年，所負責的產品有多項榮獲 “國家科技進步一、二等獎”，公開發(fā)表學術論文8篇，有多篇榮獲“大連市自然科學優(yōu)秀學術論文二等獎”。

2013-12-24