分體式無縫定徑輥環(huán)加工方法研究

汪 凡，曹雙磊，鄭丙策，張建波，崔照威

（中鋼集團(tuán)邢臺(tái)機(jī)械軋輥有限公司，河北054025）

0 引言

定徑輥環(huán)用于無縫鋼管的軋制，分布于熱連軋機(jī)的定徑機(jī)架。定徑機(jī)架輥軸連接有三種形式：過盈連接、鍵連接和花鍵連接。因花鍵連接具有導(dǎo)向性好、受力均勻、應(yīng)力集中小以及使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)，在行業(yè)內(nèi)應(yīng)用愈加普遍，但其加工工序長，要求精度較高，邢臺(tái)軋輥公司結(jié)合產(chǎn)品形狀特征和工藝難點(diǎn)，對(duì)分體式無縫定徑輥環(huán)加工方法進(jìn)行了研究，形成了穩(wěn)定的加工工藝，提高了產(chǎn)品質(zhì)量，滿足了用戶使用要求。本文結(jié)合國外某分體式無縫定徑輥環(huán)，對(duì)該產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和使用特點(diǎn)、加工難點(diǎn)、加工工藝設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析和闡述。

1 產(chǎn)品特點(diǎn)

定徑輥環(huán)組件是由輥環(huán)與花鍵套組裝而成。輥環(huán)材質(zhì)為珠光體球墨鑄鐵，基體中珠光體占比70%～80%，該材質(zhì)綜合性能優(yōu)于鐵素體和滲碳體，強(qiáng)度和硬度適中，硬度HSD50～65，加工性能較差，輥環(huán)外圓兩側(cè)存在斜角，中部有深10 mm孔型，產(chǎn)品外形尺寸為423 mm×180 mm×165 mm，重量126 Kg。花鍵套材質(zhì)為42CrMo，屬于合金結(jié)構(gòu)鋼，具有良好的機(jī)械性能及可加工性，經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后硬度HSD40～50，有較高的疲勞極限和抗沖擊能力，花鍵存在于內(nèi)孔中間位置，兩側(cè)內(nèi)孔分為大小孔，外形尺寸為190 mm×102 mm×165 mm，重量21 Kg。輥環(huán)與花鍵套結(jié)構(gòu)如圖1所示，定徑輥環(huán)組件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 輥環(huán)與花鍵套結(jié)構(gòu)

圖2 定徑輥環(huán)組件結(jié)構(gòu)

2 加工難點(diǎn)分析

（1）輥環(huán)與花鍵套裝配過盈量的確定。為保證產(chǎn)品在軋制的大扭矩作用下，輥環(huán)與花鍵套不產(chǎn)生相對(duì)位移以及在多種應(yīng)力作用下不產(chǎn)生斷裂，過盈量的選擇尤為關(guān)鍵。過盈量選擇過大，會(huì)造成輥環(huán)開裂；過盈量選擇過小，在大轉(zhuǎn)矩作用下會(huì)使花鍵套與輥環(huán)發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。

（2）輥環(huán)與花鍵套組裝前后花鍵的檢測。花鍵齒形為漸開線。花鍵的構(gòu)成要素復(fù)雜，各項(xiàng)公差互有關(guān)聯(lián)。常見花鍵檢測技術(shù)參數(shù)有公法線、跨棒距和大徑、小徑。本次研究的花鍵套小徑為Φ104 mm，規(guī)格小，花鍵位置位于內(nèi)孔中間，同時(shí)，成品檢測除檢測花鍵尺寸外，還需測量花鍵與兩側(cè)內(nèi)孔同軸度，常規(guī)測量操作繁瑣且效率低。

（3）輥環(huán)與花鍵套過盈配合的熱裝配。在裝配過程中花鍵套需要定位，重點(diǎn)需要對(duì)花鍵套中花鍵與輥環(huán)端面的相對(duì)位置進(jìn)行結(jié)構(gòu)和工藝設(shè)計(jì)。

（4）輥環(huán)外圓兩側(cè)為斜面結(jié)構(gòu)，不易裝夾。無論是孔磨工序還是精車工序，在機(jī)床上都不具備良好的裝卡條件。如何對(duì)產(chǎn)品工藝臺(tái)以及裝夾工裝具的設(shè)計(jì)也是需要考慮的重要問題。

（5）車削工序的工藝安排。其中：輥環(huán)包括端面、外圓斜角、孔型、內(nèi)孔車削；花鍵套包括端面、外圓、內(nèi)孔的車削。車削工序需保證組裝前的可操作性，組裝后輥環(huán)與花鍵套端面的平整，以及以輥環(huán)端面定位的內(nèi)孔長度尺寸、輥環(huán)孔型與斜角與內(nèi)孔的同軸度等要素。

（6）孔磨工序的工藝安排。孔磨工序共分為兩次，第一次為輥環(huán)的內(nèi)孔磨工序，第二次為花鍵套的內(nèi)孔磨工序。孔磨工序關(guān)鍵是要保證裝配的過盈量，上下偏差必須有嚴(yán)格的控制。另外，工藝設(shè)置上保證花鍵套內(nèi)孔、花鍵小徑、輥環(huán)孔型的同軸度，以滿足使用條件。

3 加工工藝設(shè)計(jì)

3.1 加工工藝流程設(shè)計(jì)

為保證組裝后輥環(huán)與花鍵套端面的平整，以及輥環(huán)端面定位的內(nèi)孔長度尺寸、輥環(huán)孔型與斜角與內(nèi)孔的同軸度，工藝設(shè)計(jì)上先對(duì)輥環(huán)與花鍵套分別進(jìn)行半精車；熱裝后，平磨端面，再精磨花鍵套內(nèi)孔，車削輥環(huán)孔型和斜角，使最終產(chǎn)品達(dá)到工藝設(shè)計(jì)要求。具體加工工藝流程為：

（1）組裝前：輥環(huán)半精車→磨孔→檢測→組裝；花鍵套半精車→磨孔→銑花鍵→組裝。

（2）組裝后：平磨組件兩端面→磨孔（花鍵套大、小孔）→精車孔型→精車斜角→檢測。

3.2 裝夾工藝設(shè)計(jì)

為保證輥環(huán)孔磨的裝夾，在產(chǎn)品半精車時(shí)兩側(cè)預(yù)留工藝臺(tái)，根據(jù)孔磨機(jī)床卡盤結(jié)構(gòu)和夾緊力情況，將工藝臺(tái)尺寸設(shè)計(jì)為直徑Φ388 mm，寬度25 mm。通過磨床卡盤夾緊兩側(cè)工藝臺(tái)，實(shí)現(xiàn)定位找正加工。

輥環(huán)與花鍵套組裝后，需以花鍵套內(nèi)孔為基準(zhǔn)，精車輥環(huán)外圓與斜角。花鍵套內(nèi)徑為Φ102 mm，內(nèi)孔較小，如果以卡爪撐住內(nèi)孔固定，會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品無法找正，并且會(huì)由于撐孔夾緊力小導(dǎo)致車削過程中產(chǎn)品移動(dòng)。綜合考慮以上因素，我公司設(shè)計(jì)專用芯軸，采取輥環(huán)內(nèi)孔與芯軸裝配后，端面上壓蓋，通過螺絲連接擰緊的裝夾結(jié)構(gòu)。芯軸與花鍵套采用間隙配合，選取合理間隙大小0.05 mm以內(nèi)，保證產(chǎn)品內(nèi)孔與外圓的同軸度，并在兩側(cè)設(shè)計(jì)有便于機(jī)床卡盤夾持的凸臺(tái)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的定位固定。并且在加工外圓斜角時(shí)，不用調(diào)頭，可整體車成，提高加工效率。專用芯軸設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如3所示，芯軸與輥環(huán)裝配后示意圖如圖4所示。

圖3 專用芯軸設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

圖4 芯軸與輥環(huán)裝配后示意圖

3.3 輥環(huán)與花鍵套組裝工藝設(shè)計(jì)

輥環(huán)與花鍵套采用過盈配合、熱裝方式組裝。其中需重點(diǎn)考慮三個(gè)方面的問題：一是輥環(huán)與花鍵套熱裝過盈量的核算和確定；二是過盈量的加工保證措施；三是裝配具體工藝要求。

（1）技術(shù)人員根據(jù)輥環(huán)與花鍵套的配合尺寸，以及材料的彈性模量、泊松比、摩擦系數(shù)計(jì)算過盈量，并經(jīng)過數(shù)次試驗(yàn)確定最終過盈量，過盈量最大允許上下波動(dòng)0.01 mm。

（2）為保證裝配過盈量，孔磨工藝上選取配磨方式。先加工花鍵套，測量確認(rèn)花鍵套外徑實(shí)際尺寸，技術(shù)人員根據(jù)實(shí)測尺寸和過盈量，配磨輥環(huán)內(nèi)孔尺寸，公差范圍±0.01 mm。通過配磨，避免花鍵套和輥環(huán)均按公差磨，造成的累積偏差超出公差范圍。

（3）為保證裝配的定位要求，在輥環(huán)端面車削定位子口，在花鍵套外圓設(shè)計(jì)和加工定位臺(tái)階。根據(jù)工件材質(zhì)和過盈量，工藝上安排將輥環(huán)加熱至300°后熱裝。熱裝前清理掉裝配表面雜物，裝配時(shí)，輥環(huán)定位臺(tái)側(cè)端面朝上，花鍵套從上放入，冷卻至室溫后加工。

3.4 花鍵的檢測

花鍵的檢測分為2個(gè)步驟。首先，組裝前花鍵的尺寸檢測，檢測合格后開始熱裝工序；其次，組裝后花鍵與兩側(cè)內(nèi)孔尺寸同軸度的檢測。根據(jù)產(chǎn)品批量加工的特性以及尺寸要求，公司技術(shù)人員未采取常規(guī)的參數(shù)檢測，而是設(shè)計(jì)制作了花鍵檢測驗(yàn)棒，通過試裝花鍵驗(yàn)棒判斷花鍵是否合格。根據(jù)實(shí)際情況，工藝人員設(shè)計(jì)了過驗(yàn)棒和止驗(yàn)棒。如果過驗(yàn)棒能通過，且止驗(yàn)棒不能通過，則為合格，反之，則不合格。

花鍵驗(yàn)棒設(shè)計(jì)有三個(gè)關(guān)鍵尺寸，包括花鍵參數(shù)和兩側(cè)軸頸直徑。根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合模數(shù)和分度圓直徑、公差等級(jí)計(jì)算出產(chǎn)品的花鍵公法線尺寸及上下偏差，根據(jù)偏差大小以及驗(yàn)棒預(yù)留試裝間隙，設(shè)計(jì)驗(yàn)棒花鍵制作參數(shù)；驗(yàn)棒兩側(cè)軸頸根據(jù)產(chǎn)品實(shí)際內(nèi)孔尺寸公差和預(yù)留試裝間隙，設(shè)計(jì)軸徑的大小。花鍵驗(yàn)棒結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 花鍵驗(yàn)棒結(jié)構(gòu)

3.5 車削工序設(shè)計(jì)

為保證輥環(huán)和花鍵套組裝前的可操作性，組裝后端面的平整，以及輥環(huán)端面定位的內(nèi)孔長度尺寸、輥環(huán)孔型與斜角與內(nèi)孔的同軸度等要求。

（1）組裝前：車削工序設(shè)計(jì)上，輥環(huán)精車端面留0.8 mm平磨余量，輥環(huán)內(nèi)孔留0.5 mm孔磨余量，其余部位不加工；花鍵套端面留0.8 mm平磨余量，內(nèi)孔留0.5 mm孔磨余量，其余部位加工至要求。

（2）組裝后：輥環(huán)兩端面平磨加工保證平整；在車削工序設(shè)計(jì)上，內(nèi)孔通過與定位芯軸間隙配合定位，車削外圓孔型與斜角，保證外圓與內(nèi)孔的同軸度。

4 結(jié)語

邢臺(tái)軋輥公司通過對(duì)分體式無縫定徑輥環(huán)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、加工難點(diǎn)、加工工藝的研究與摸索，提出了一套無縫管軋機(jī)定徑輥環(huán)的加工方案，并形成了成熟的定徑輥環(huán)加工和組裝工藝，加工精度高且適用于批量加工。該加工方法已在實(shí)際生產(chǎn)中得到應(yīng)用驗(yàn)證，產(chǎn)品在軋線上使用效果良好，滿足客戶的使用要求，為以后此類產(chǎn)品的加工提供了借鑒。