轧辊托磨技术的研究与推广应用

张贵敏 孙熙钊 何彦杰 马晓龙

(1.中钢集团邢台机械轧辊有限公司，河北054025；2.轧辊复合材料国家重点实验室，河北054025)

轧辊磨削采用顶中心孔磨削工艺虽简单但存有许多不足之处。一是在磨削过程中，中心孔容易产生变化，有时需多次上下修研中心孔，增加了磨削辅助时间，影响加工效率。二是中心孔定位接触面积小，刚性差，磨削过程中极易产生振动，造成尺寸精度和表面质量差，限制了磨削参数的提高。三是特大型轧辊(例如5 m宽厚板工作辊)由于吨位大(60 t以上)、磨削时间长，中心孔顶磨难以保持磨削过程的稳定，使磨削无法正常进行。另外，长期以来公司轧辊磨床具有的托磨功能未能正常发挥作用。为此，有必要推广、应用轧辊托磨工艺，以达到提高轧辊磨削效率和加工精度，降低磨削成本的目的。

1 轧辊托磨技术理论

轧辊托磨的成圆理论，尚属无心磨削理论的一种特殊形式。俄罗斯、德国、日本和我国都从不同角度、采用不同方式，进行过多种研究，建立了许多理论体系，包括几何成圆理论，静态成圆理论和动态成圆理论。轧辊采用托磨方式，其组成部分主要有工件、机床、托磨架、拨盘、挡块等，如图1所示。

托磨成圆的基本原理是：依靠合理设计的支点和工件的自身重量，迫使工件在回转过程中紧贴侧托块和下托块，使其成圆。在轧辊加工中，磨削工序是在精车工序之后，托架部位的外圆变化形态如图2。轧辊托磨在精车以后，这时工件形态一般呈椭圆状，在轧辊的托磨过程中，只磨椭圆的长轴而不磨短轴，即凸磨凹不磨，因此，磨削过程可能会造成工件出现多棱圆的问题。

图2 托架部位的外圆变化形态
Figure 2 Change of the outer circle of the bracket

一般认为磨削成多棱圆的原因是：(1)车削后的工件呈多棱圆，托磨削时复印在工件上；(2)磨削时顶尖孔呈多棱圆，使磨削时复印在工件上。由图3可知，工件在回转时L数值未发生变化，工件的中心在发生变化。因此，在磨削时，工件回转随着多棱形的变化而变化，棱形数量聚集，每一托块接触数十条棱时，工件中心也不会发生变化时，就会发生测量不扁，使用千分表发生跳动的现象。

为了减少和防止多棱圆，就出现了新形式托架，如图4所示，两托块之间的夹角对轧辊磨削有一定的影响，夹角越大所需回转的力矩越大，磨削部位的测量越困难，越易产生多棱圆。经研究，两托块之间的角度以90°为宜。

(a)(b)

图4 新形式托架
Figure 4 New form bracket

2 轧辊托磨工艺的制定

2.1 轧辊托磨工艺

结合磨床特性制定了适用的托磨工艺。托磨时为防止轧辊轴向窜动，尾座端均采用端面直径大于中心孔的平底尼龙顶尖，顶住辊颈端面，不接触中心孔，托磨用托瓦均为圆弧面托瓦。制定的轧辊托磨工艺如下：

(1)确定所要加工的产品各部尺寸，选择合理的托磨部位，根据托磨部位的尺寸，选择合适的托磨架和托磨块。

(2)换托磨块时，要先把托块和托架接触部位擦拭干净，对尖角、毛刺和碰伤进行打磨处理。上托瓦或换托瓦后，锁紧托块的紧固螺丝，要使托块与托架接触配合好。把托瓦圆弧接触面擦洗干净，如有硬点或高点要打磨掉，并用油石和细砂纸做圆滑处理。上活前要把工件托磨部位擦洗干净。

(3)第一次上活托磨，先上好托架。上托架时要把机床导轨和托架下部与导轨接触面擦拭干净，并在导轨面上浇上润滑机油，再把托架放在导轨面上。然后吊工件上活，工件两端中心孔定位，打表检测托磨部位跳动不大于0.05 mm。顶磨浇冒两端托磨台见圆(要保证精磨量)，两端托磨台直径差不大于0.02 mm。打表记录托磨台的圆跳动，并用千分尺测量圆度。调整托架托块，用托块托住托磨台(手摇托块摇不动为止，两端用力要一致，力度大小要合适)。紧死托架上托块，锁紧螺丝。

(4)吊起工件，两端顶尖上放置尼龙轴向止推块(放床头的尼龙块时，可在尼龙块内涂上少量二硫化钼，粘在床头顶尖上，不能用手扶尼龙块顶活)，调整托架位置，调整到能托到托磨台为止，锁紧托架地脚螺丝。将工件缓慢、平稳地放置在托架上，床头端工件端面要紧挨尼龙止推块端面。调整好尾座位置并锁紧好地脚螺丝，调整尾座套筒位置，将尼龙止推块顶在工件端面上，力度不宜过大。

(5)卡箍卡紧时注意要平行于卡盘，拨爪位置调整合适，必须使两拨爪受力均匀，使工件在转动过程中达到平稳、匀速。

(6)开启托架润滑系统，慢慢转动工件，看头架拨爪受力情况，通过调整拨爪位置，使两拨爪受力均匀，自卫板平行于拨盘。

(7)调整好拨爪后，各部位打表，满足加工要求后方可加工。托磨台打表跳动不能大于0.05 mm。如有问题检查托瓦、托架和头架拨爪的受力情况，并加以调整。磨两端托磨台，磨削量0.05 mm～0.10 mm，打表检查圆跳动(现机床托磨跳动精度0.003 mm～0.005 mm)。检查稍度，如有稍度可微调托架侧瓦。如检查无问题，精磨托磨台，尺寸加工到公差的上差加0.01 mm～0.02 mm。精磨其它留量部位，其它留量部位都精磨完后，再把浇冒托磨台精磨0.02 mm～0.03 mm(上刀量要小，每次上刀量0.005 mm)。注：因现在修砂轮刀粗，加工托磨台时留量可控制在0.10 mm～0.20 mm，但必须见圆。修砂轮量要小。工作中，时刻观察托瓦处的润滑情况，看润滑油箱油泵是否正常工作，看油路是否畅通。注意观察托架润滑油箱内的润滑油量，不可出现无油状况。

(8)下活时，把工件的扁面转动到竖立方向，再反转一下拨盘，使拨盘两拨爪连线成水平状(使拨爪与工作扁面之间有距离，防止下活工件起吊时发生碰撞)。工件要选择合适的吊装位置，吊带的受力力度要合适。尾座套筒退出，松开尾座地脚螺丝并向后开出一定距离。即可吊工件下活并放置到指定位置。托架的底瓦和侧瓦不要动，托架的底脚螺丝可以松开，便于左右移动托架(要移动托架的时候工件必须要向上吊起一小段距离)，方便下活。

2.2 托磨时拨爪受力平衡的调整方法

在磨床托磨，特别是自卫托磨时，床头拨盘两拨爪与工件卡箍接触受力情况对托磨精度的影响至关重要。其接触受力的情况可通过调整拨爪的位置来实现。托磨时拨盘两拨爪的调整方法如下：

(1)卡箍卡紧时注意要平行于卡盘，先目测把拨爪位置调整合适，使两拨爪到工件的中心距离相等，以保证工件所受扭矩的力臂相等，使两拨爪在工作中的受力均匀。

(2)开启托架润滑系统，慢慢转动工件，看头架拨爪受力情况，自卫板受力后要平行于拨盘。如不平行的话，微调整拨爪位置，下陷多的一端拨爪，向外侧微调。下陷少的一端拨爪，向内侧微调，最终使两拨爪受力均匀。

通过调整拨爪使工件受到两个方向相反、大小相等的扭矩，减少了工件对托瓦的连续不等力摩擦。保证了工件的回转精度，并使工件在转动过程中达到平稳、匀速，满足加工要求。

2.3 影响轧辊托磨精度的因素

轧辊的托磨过程是采用合成误差来研究自身定位，其实际情况与研究结论非常相符，影响轧辊托磨精度的合成误差因素包括：

(1)两托架部位同轴度误差：拨盘受力不均，将使拨盘产生力矩，干涉工件的回转轨迹，造成圆柱度误差。反映较强烈的部位在卡盘端，等力矩拨动工件是托磨轧辊的重要因素。

(2)拨盘受力不均的力矩干涉：两托架部位的同轴度误差，将直接产生磨削工件部位圆柱度误差。一般精车后的轧辊应满足或接近工件的同轴度误差，经反复磨削两托架辊颈直至托架部位达到等直径，然后再磨削可提高托磨部位圆度的精度，一般可达圆柱度0.005 mm～0.010 mm。

(3)机床和托架的刚性：托架和机床刚性一般要满足工件回转和磨削时在径向和轴向产生的力，并且在磨削时不能发生弹性变形和振动。

(4)轧辊的轴向定位：轧辊磨削在轴向定位，只能在托磨时限制工件的轴向窜动，不能干涉工件径向回转。因此，顶尖部加挡板等措施是解决既限制轴向的窜动，同时不干涉工件回转的精度。

3 轧辊托磨技术的应用

推广轧辊托磨以来，实现了细长轴轧辊、5 m宽厚板工作辊等特殊轧辊的托磨，轧辊托磨覆盖率达到了95%以上，磨削效率、磨削质量(形位公差)均有较大提高。

3.1 规范托磨磨削参数

根据产品和设备对托磨磨削参数进行了规范。生产中工件转速未达到磨削参数要求，主要原因是托磨润滑不良，若提升工件转速，托磨部位温度变化较大，影响加工尺寸，存在质量隐患；砂轮转速基本能够达到参数要求；进给量完全达到参数要求。具体托磨参数见表1。

表1 磨削参数Table 1 Grinding parameters

3.2 提高轧辊磨削效率

3.3 提高轧辊磨削质量

统计实施托磨加工前的入库产品形位公差情况：入库422支轧辊，共开具认证单58张，合格率为86.2%。统计托磨后质量票证中轧辊精磨情况：实际具备托磨加工产品457支，形位公差加工处置单0，共开具形位公差认证单13张，合格率为97.2%。

3.4 经济效益分析

轧辊托磨加工推广后取得了较好的经济效益，吨耗台时降低，节省了加工台时费用，据估算，每年可节约费用40余万元。对于特大宽厚板工作辊，主要体现在产品质量的形位公差保证能力较强，间接经济效益较大，能够满足图纸要求及用户要求，用户现场的适用性较强；若发生圆度变化，需重新研孔修复，每支可节约加工时间7 h，可节省费用480元，每年按加工宽厚板工作辊80支计算，可节约费用4万元。

4 结束语

轧辊托磨工艺推广应用后，轧辊托磨覆盖率达到了95%以上，磨削效率(辊身)、磨削质量(形位公差)均有较大提高，将轧辊托磨和冷轧辊辊颈振纹的托检结合起来，节省了冷轧辊托检振纹的时间。

(1)不同形式的托架对产品质量有不同程度的影响，轧辊托磨精度的影响因素包括两托架部位同轴度误差、机床托架的刚性、轧辊轴向定位的干涉等方面。

(2)制定了科学合理的轧辊托磨工艺，通过现场试验、摸索和改进，制订了切实可行的托磨加工工艺，为提高产品精度提供了保障。

(3)提高了细长轴、5 m宽厚板工作辊等特殊产品的磨削精度，对于宽厚板工作辊，采用托磨加工方式，减少了自身重力造成的弹性变形及弯曲变形，提升工件的回转稳定性和一致性。

通过对托磨技术的研究和推广应用，提高了产品质量，降低了制造成本，还需进一步加强与托磨相关的配套工作，如加强托架、托块和磨削冷却液的管理等。