鉬棒軋機的軋輥表面凹陷、斷裂分析與改進

唐松林

(自貢硬質合金有限責任公司，四川 成都 610100)

0 引 言

長期以來，我國的鎢鉬加工企業采用單機旋鍛開坯工藝。但是，旋鍛開坯技術噪音大，能耗高，工人勞動強度大，生產效率低，一直制約著鎢鉬加工企業的發展[1]。近年來，許多鎢鉬加工企業已經逐漸放棄傳統的旋鍛開坯，而選用較先進的三輥Y型軋機開坯技術，這是我國鎢鉬加工企業的一大技術進步。

三輥Y型軋機連軋技術在鎢鉬深加工領域已經得到普遍應用。由于該技術在國內的應用時間還比較短，涉及該技術的研究較少，鎢鉬材料在三輥Y型軋機連軋過程中出現的主要問題及控制方法更是鮮有報道，同行業的科技工作者無法借鑒學習，不利于推動鎢鉬深加工行業的整體技術進步。

三輥Y 型連軋機一般由10余組獨立工作的機架組成，每個機架的3個軋輥呈 Y 型分布，兩軋輥之間互成120°，3個輥環組成的空間為軋制工藝孔型(內切圓直徑)[2]。直流電機通過減速箱將動力傳到機架內的主動軋輥軸，錐齒輪再將動力傳到其他兩個被動軋輥軸。機架的放置分上傳動和下傳動(如圖1所示)。10余組機架按照工藝要求修磨成規定的工藝孔型，并按圖1方式進行交替排列，將粗鉬桿軋制成需要的規格。

圖1 三輥Y型軋機機架(a：上傳動，b：下傳動)1-軋輥;2-錐齒輪;3-被動軋輥軸;4-主動軋輥軸

2008年自貢硬質合金有限責任公司引進Y型連軋機，該設備用于鉬桿開坯加工。連軋開坯加工工藝與傳統的旋鍛加工工藝比較，單道次壓縮比大，軋制力大，生產效率高，工業自動化水平高，人工成本低，環境污染小，但設備維護保養難度大、要求高[3]。本文的主要目的就是針對軋輥表面凹陷、軋輥斷裂，分析產生的原因，提出改進措施，通過設計新的軋輥結構、增加軋輥表面合金層厚度、控制軋輥使用周期、規范換輥方式等措施，消除軋輥表面凹陷與斷裂故障，保障了軋制工藝的穩定，同時提高了軋制鉬桿的表面質量及后續產品的成品率。

1 軋輥損壞情況

軋輥在高溫下工作，它承受強大的軋制力，劇烈的磨損和熱疲勞，軋輥表面的磨損是軋輥正常消耗，但軋輥表面凹陷(圖2)、軋輥斷裂(圖3)是軋輥損壞的兩種主要情況[4]。軋輥表面凹陷會使加工的鉬桿表面出現不規則凸出物、裂紋、毛刺等質量缺陷[5]，影響鉬桿表面質量，降低產品成品率。軋輥斷裂會使加工的鉬材料成為廢品，產生原料損失及備件損失，同時更換軋輥，重新恢復到工藝孔型需要1～2 d的時間，導致生產無法連續運行，嚴重影響鉬桿的生產效率，提高了運行成本。

圖2 軋輥表面凹陷實物圖

圖3 軋輥斷裂實物圖

從自貢硬質合金有限責任公司2015年輥環損壞數據匯總來看，軋輥斷裂占整個損壞情況80%以上，是軋輥損壞的主要形式。

表1 2015年軋輥損壞數據匯總表

2 軋輥損壞原因分析

軋輥表面凹陷：當軋輥表面合金層厚度不足，其承受大的軋制力時，表面掉塊或直接擠壓軋輥基體，形成表面凹陷。

軋輥斷裂：軋輥受的軋制力超過其發生形變的臨界力。影響軋制力超過臨界壓力因素有：軋輥抗形變能力不足，受力過度集中；孔型不匹配使軋輥受力變大；不規范的軋輥換修方式使軋輥受力變大。

2.1 軋輥表面合金層厚度對軋輥表面凹陷的影響

為節省成本，軋輥均設計為重復使用，即每次只報廢2個機架的軋輥，其余機架的軋輥均通過修磨重復使用。自貢硬質合金有限責任公司的Y型軋機將5#機架、最終機架的軋輥設計為新軋輥，初始機架至5#機架的軋輥用中段新軋輥修磨，6#機架至最終機架的軋輥用最終新軋輥修磨。新軋輥表面合金厚度均為5 mm，每道次軋輥表面合金層厚度見表2。1#機架、2#機架、6#機架的軋輥表面的合金層厚度最薄。在實際生產運行中， 1#、2#、6#軋輥頻繁出現軋輥表面凹陷現象，與表面合金層厚度正好相關。

表2 軋輥表面合金層厚度表

圖4為新修磨好的1#機架軋輥，表面出現銹斑，表面合金層厚度小，該軋輥在使用2 d后出現圖5中軋輥表面凹陷現象。

圖4 2#機架軋輥表面遇水生銹

圖5 軋輥表面出現凹陷

2.2 軋輥結構對軋輥斷裂的影響

圖6為自貢硬質合金有限責任公司的軋輥結構圖，圖7為軋輥斷裂的實物圖。從初始機架到最終機架，每個機架均出現了軋輥斷裂。這種軋輥結構抗形變能力較差，容易導致軋輥斷裂。軋輥的鍵槽處受力集中，導致軋輥斷裂頻繁。斷裂的軋輥中90%都是從鍵槽處斷裂，印證了鍵槽的危害。

圖6 軋輥結構圖

圖7 軋輥斷裂實物圖

2.3 軋輥的孔型匹配對軋輥斷裂的影響

軋輥各道次孔型匹配是軋機平穩運行的關鍵。軋機根據各道次的工藝壓縮比來設計機架的傳動比。設備完成安裝，各機架傳動比是固定的，所以各道次的壓縮比也是固定的，各個軋輥的受力也基本是固定的。

孔型不匹配，道次壓縮比變大，軋輥軋制力變大，軋輥磨損加劇，壓縮比繼續加大，軋制力變大…最后導致軋輥斷裂。

試驗證明，當單個機架的軋輥孔型尺寸磨損超過0.8 mm，設備將頻繁出現卡料等故障，并導致軋輥斷裂。

2.4 換修輥方式對軋輥斷裂的影響

在實際生產運用中，為縮短修復時間，有時僅更換1片軋輥，新換軋輥很快會發生斷裂。圖8中僅更換1片軋輥將已經變為18 mm的孔再次修磨成16 mm,新換的1片軋輥比其他兩片直徑至少大7.4 mm，軋輥中心與機架中心偏移，大直徑軋輥受力遠大于其他兩片軋輥，導致軋輥斷裂。

圖8 軋輥修復尺寸變化示意圖

3 改進措施

3.1 增加軋輥表面合金層厚度

為防止和減少軋輥表面出現凹陷，我們增加軋輥表面合金層厚度。將原來從5#投入新軋輥改為從4#投入新軋輥，同時將新投入的軋輥表面合金層厚度從5 mm增加到6.5 mm。調整后軋輥表面合金層厚度見表3。

表3 軋輥表面合金層厚度表

調整軋輥表面合金層厚度以后，經長期生產驗證，軋輥凹陷現象不再發生。

實驗表明：當軋輥表面合金層厚度大于7 mm，合金層存在脫落風險；當軋輥表面合金層厚度低于3 mm時，其表面容易形成凹陷；當軋輥表面合金層厚度不低于3.5 mm，軋輥表面不會發生凹陷。

3.2 設計受力均勻的軋輥結構

為減少軋輥斷裂，我們對軋輥結構重新設計。新設計要避免受力集中，還要增加軋輥抗形變能力。圖9為新軋輥結構圖。新軋輥內孔由180 mm調整為120 mm，整體厚度由26 mm調整為30 mm，6個均勻分布的螺栓固定方式替代單一鍵槽固定方式。新軋輥抗形變能力大幅度提高，自應用以后，沒有再出現斷裂。

圖9 新軋輥結構圖

3.3 嚴格控制工藝孔型尺寸

嚴格按照工藝規程控制軋輥孔型尺寸。每加工10 t鉬棒對孔型進行一次全面檢測，每加工40 t鉬棒，對整套機架軋輥重新修磨，控制單個機架的軋輥磨損不超過0.8 mm，來保障軋輥不斷裂。

3.4 規范換輥方式

重新修訂軋機維護作業規程，制定規范的換輥方式。使同一機架上的3片軋輥直徑基本相等，受力均勻一致，可以防止軋輥斷裂。

4 結 論

(1)控制軋輥表面合金層厚度不低于3.5 mm，可以顯著減少軋輥表面發生凹陷的風險。

(2)設計受力均勻的軋輥結構，是減少軋輥斷裂最有效的方法。

(3)嚴格控制軋輥周期產量，只要軋機設備生產達到周期產量時，對機架孔型進行全面測量、記錄與分析，同時對所有機架孔型重新進行配置，以消除孔型不匹配對輥環斷裂產生的因素。

(4)制定規范的換輥方式，要求同一軋機機架3片輥環直徑基本相等，通過保障軋輥中心與機架中心一致可減少軋輥斷裂。

(5)將上述經過反復實踐驗證的行之有效的措施，編入Y型軋機維護保養操作規程。