砂轮及其在磨削硬面轧辊中的应用

摘要

一种砂轮，其特征在于，组成成分为：氧化铝30～35％；单晶刚玉30～35％；碳化硅30～40％，而且氧化铝与单晶刚玉的比为1∶1。砂轮在修整后具有两段对称的第一正弦曲线和与其光滑连接的第二正弦曲线构成的宽度外缘。当这种砂轮用于磨削高速钢轧辊时，砂轮转速和砂轮的Z轴速度可以变小，但是进刀量增加，磨削时间减少。该砂轮的使用寿命延长，减少更换砂轮的时间和磨床工的劳动强度；磨削时的砂泥量减少，可以改善磨床周围的环境；砂轮的性价比显著提高。

说明书

技术领域

本发明涉及一种砂轮，特别是涉及一种用于磨削硬面轧辊的砂轮及其在磨削硬面轧辊中的应用。

背景技术

国内热轧板带钢粗轧机架的水平轧辊一般采用半钢和高铬钢轧辊，但当选用高硬度的高速钢轧辊时，对其轧辊的磨削就成了比较严重的问题，因为原有的砂轮和磨床的磨削参数无法适应高速钢轧辊的磨削加工。

典型的高铬钢与高速钢轧辊表征耐磨性的组织成分比较如下表1

表1

高速钢轧辊的高硬度组织决定了在辊身硬度、抗压强度和摩擦系数等指标都高于高铬钢轧辊，因此在生产不锈钢卷板时高速钢轧辊具有优良的轧制特性。所以在粗轧机架使用高速钢轧辊。

轧辊磨床使用原有的砂轮是刚玉类磨料的树脂砂轮，如型号为PA30的砂轮，这种砂轮目前由上海树脂砂轮厂提供。其主视图和侧视图如12所示，其中1为砂轮宽度轮廓，2为通孔。其使用前通常修整为如图2所示的宽度外缘形状。如由对称的两段圆弧6和直线7构成光滑连接的宽度外缘形状，其中圆弧6的半径通常为10毫米，直线长度一段为70毫米。

用这种砂轮磨削高铬钢工作辊，铬5锻钢支撑辊，高铬铁工作辊等，已经形成一套成熟的磨削工艺方法。但是这种传统的磨削工艺方法在磨削高速钢轧辊时，出现了每导程的磨屑厚度小，磨削时间长，砂轮消耗高，轧辊表面易产生磨痕等缺陷，辊型精度变差的问题。因此必须重新设计高速钢轧辊的磨削工艺方法。

发明内容

本发明的目的是提供适合高速钢轧辊磨削的材料、砂轮；以及使用该砂轮的适合高速钢轧辊磨削的工艺方法，从而有效解决高速钢轧辊磨削问题，同时兼顾其他种类的轧辊磨削，为粗轧机架使用高速钢等高硬度轧辊的磨削创造条件。

本发明的磨削材料，其组成成分为：氧化铝30～35％；单晶刚玉30～35％；碳化硅30～40％，而且氧化铝与单晶刚玉的比为1:1。

本发明的砂轮，其组成成分为：氧化铝30～35％；单晶刚玉30～35％；碳化硅30～40％，而且氧化铝与单晶刚玉的比为1:1。

在本发明的磨削材料及砂轮配方中，氧化铝是高性能的新型磨料；单晶刚玉是起骨架的作用；碳化硅是普通磨料。

氧化铝：起主要切削作用。磨料颗粒形状尖锐，颗粒内部结构为多晶体，能有效切入到较硬的材料中。

单晶刚玉：起平衡轧辊表面质量的作用。用氧化铝切削形成很多的沟(划道)，单晶刚玉可以将波峰削平，并用挤压法将波谷填平。氧化铝和单晶刚玉的配比以1:1为宜，氧化铝比例过高会造成轧辊表面的磨痕；单晶刚玉的比例过高会降低磨削效率。

碳化硅：属于基本磨料，形状也是尖锐状，硬度比氧化铝稍微低些，在本发明中使用碳化硅的比例主要是基于砂轮性价比的考虑。

由于氧化铝磨料颗粒的锋利特性，与现有技术的刚玉类磨料的砂轮比较，能够快速地磨削如表一所示的MC、M₂C高硬度碳化物。

高性能的氧化铝磨料经特殊引晶凝胶系统烧结而成，是新一代磨料，具有硬度高，韧性好，锋利度强等优点。与刚玉磨料相比具有磨耗比高，保形性强，工件表面加工质量好，砂轮修整量少，磨削效率高等优越性。

本发明的砂轮仍然按照常规的流程进行制作：如，选料—称重—混料—压制—干燥—固化—几何尺寸加工—平衡回转测试—包装—入库等。

优选地，本发明的砂轮在经过修整后，其在宽度方向截面的上下轮廓形状为：由对称的两段第一正弦曲线、和在该两段第一正弦曲线之间与其光滑连接的第二正弦曲线构成的宽度外缘，其中，第二正弦曲线弦长与第一正弦曲线弦长的比为7～10，第二正弦曲线弦高与第一正弦曲线弦高的比为0.001～0.004。这种比例关系是由砂轮对称的角部曲线和中间曲线几何形状决定的。如果弦长的比例过大，引起角部的曲线变短，磨削过程中砂轮的角部容易爆裂；弦长的比例过小，引起砂轮中间部位的曲线变短，使磨削效率下降。弦高的比例过小，磨削起始阶段磨削效果下降；如果弦高的比例过大，砂轮的磨削比下降。

根据本发明，优选地，所述的第一正弦曲线的弦长为8～10毫米、弦高为4～5毫米；第二正弦曲线的弦长为70～74毫米、弦高为0.004～0.016毫米。根据磨削原理，第二正弦曲线作为磨削轧辊的主要部分需要较小的曲率半径，提高磨削效率。

根据本发明，优选地，所述的第一正弦曲线和第二正弦曲线的角度为88～90度。

根据本发明，优选地，砂轮的直径为Φ915毫米。

本发明的砂轮具有等高性好的微刃。

本发明的砂轮优选地应用于磨削高速钢轧辊。

参照了磨床操作说明书的规范(磨床操作说明书，磨床型号WS3CP50.201*6000，生产商德国WALDRICH SEIGEN)：

砂轮转速最大值45米/秒；

砂轮沿轧辊轴向(Z轴)的行程速度最大值6000毫米/分；

砂轮沿轧辊径向(X轴)的进给速度最大值1000毫米/分。

本发明的砂轮磨削高速钢轧辊的工艺包括：

砂轮转速：40～45米/秒；

Z轴速度：1800～1900毫米/分；

连续进刀量：70～80微米；

边缘进刀量：8～10微米；

磨削时间：40～45分；

加工余量：0.8～0.9毫米。

砂轮：转速最大值不能超过规范要求；转速太低会降低磨削效率。

Z轴速度：速度太大，磨削后轧辊辊面会产生磨痕等缺陷；速度太小会降低磨削效率。适宜的Z轴速度为1800～1900毫米/分。

进刀量：取值太大，会引起磨削负荷超过规范要求；取值太小，会降低磨削效率。因此适宜的边缘进刀量为8～10微米。

有利地，本发明砂轮的磨削特点是运用精密磨削技术，精细修整砂轮，使磨粒微细破碎而产生具有很好等高性的微刃，如图1所示。这些等高的微刃能从工件表面切除极微薄的尚具有一些微量缺陷及微量形状误差和尺寸误差的余量。

砂轮磨屑公式

外圆磨削时，磨屑的厚度公式a的近似公式为：

$a=\frac{\mathrm{Vw}}{30*\mathrm{Vo}*M}\sqrt{\mathrm{Ap}*(\frac{1}{\mathrm{Do}}+\frac{1}{\mathrm{Dw}})}$

其中：

a—磨屑的厚度(mm)；

Vw—工件圆周速度(m/min)；

Vo—砂轮圆周速度(m/s)；

Ap—背吃刀量(mm)；

Do—砂轮直径(mm)；

Dw—工件直径(mm)；

M—砂轮圆周单位长度内磨粒数。

本发明的砂轮使得砂轮圆周速度Vo下降；砂轮圆周单位长度内磨粒数M变小；背吃刀量Ap增加，从而引起磨屑的厚度a值上升。

因此，砂轮转速和砂轮的Z轴速度变小，但是进刀量增加，磨削时间减少。

本发明的砂轮应用于磨削高速钢轧辊，砂轮转速和Z轴速度低于原砂轮，但是该砂轮的进刀量大于原砂轮；在轧辊的粗磨阶段，砂轮光滑的凸形外缘和不规则的凹形辊面的合理接触将快速地磨完辊面的硬化层并恢复轧辊的原始辊形，效率明显提高；磨削后辊面无磨痕、螺旋形、烧伤等缺陷，粗糙度值为Ra1.5～1.6微米，满足了轧辊辊面的质量要求。

本发明砂轮应用于磨削高速钢轧辊，可以使砂轮的使用寿命延长，减少更换砂轮的时间和磨床工的劳动强度；磨削时的砂泥量减少，可以改善磨床周围的环境；砂轮的性价比显著提高。

附图说明

图1是现有技术的砂轮的形状示意图。

图2是现有技术的砂轮的宽度形状示意图。

图3是本发明的砂轮的一个实施例的宽度形状示意图。

图4是说明磨粒微刃的等高性示意图。

图5是本发明的砂轮磨削轧辊的示意图。

附图标记说明

1    砂轮宽度轮廓

2    通孔

3    等高线

4    磨粒

5    微刃

6    圆弧段

7    直线段

10   砂轮

11   第一正弦段

12   第二正弦段

13   砂轮宽度轮廓

14   砂轮行程

20   轧辊

具体实施方式

下面结合附图以及通过一个具体实施例对本发明进行较为详细的说明。

实施例

1、砂轮的制作：

●砂轮的组成：氧化铝30％，单晶刚玉30％，碳化硅40％。

●砂轮制作的过程：

原料准备：按照氧化铝、单晶刚玉和碳化硅的重量比例进行选料、称重。所有磨料的硬度为中性硬度，粒度为36粒/时，直径550微米。(参见砂轮标准，ANSI(美国国家标准化组织)B7.1)

砂轮成形：在三种磨料加入树脂结合剂经过充分的搅拌混料后，由压力机压制成形，然后经过干燥处理后砂轮固化。

机械加工：砂轮毛坯经过打磨后完成几何尺寸加工。

性能测试：安全性测试——平衡回转测试；硬度测试。

包装、入库。

其中，除了所采用的磨料组分组成不同以外，是按照常规工艺过程制作的。

除了上述的砂轮以外，磨削材料还可以制成其他任何适用于磨削高速钢轧辊的形式。

2、砂轮的修整

在数控磨床上，我们按照两种组合的正弦曲线组成的光滑曲线形状，编制了砂轮修整程序，就可以自动实现修整砂轮。

砂轮经修整后的宽度轮廓如图3所示。其中宽度方向的上下轮廓均由对称的两段第一正弦曲线6和中间一段第二正弦曲线7构成光滑连接的宽度外缘形状。正弦曲线的特征参数有三个：弦长、弦高和角度。其中，对称的两段第一正弦曲线的弦长为10毫米、弦高为5毫米、及角度为90度；中间的第二正弦曲线的弦长为70毫米、弦高为0.01毫米、及角度为90度。

图4是本发明的方法得到的砂轮的磨粒微刃的等高性示意图。

从图4中可以看出，本发明的砂轮经过金刚石的修整，其锋利性在微观上表现为均匀，坚韧，适应高硬度的高速钢轧辊的磨削。

3、轧辊的磨削

在数控磨床上，我们按照设定的磨削曲线执行磨削程序，完成轧辊的磨削作业。

磨削程序的主要内容包括：

●对修整后的砂轮直径的测量；

●磨削前轧辊几何参数的测量；

●根据设定的改进后磨削工艺参数对轧辊进行粗磨、精磨；

●磨削后轧辊几何参数的测量、自动探伤等作业；

●对磨削后轧辊的几何参数和探伤记录的打印。

砂轮磨削高速钢轧辊，如图5所示。其中砂轮10沿着砂轮行程14对轧辊20进行磨削。

轧辊使用后，因为不均匀磨损，辊面的形状呈不规则的凹形；辊面的加工硬化层硬度通常达到90Hs左右。在轧辊的粗磨阶段，本发明砂轮光滑的凸形外缘和不规则的凹形辊面的合理接触将快速地磨完辊面的硬化层并恢复轧辊的原始辊形。

两种砂轮磨削高速钢轧辊的主要工艺参数见表2。

表2

 

    指标加工余量        毫米    磨削时间        分钟    砂轮转速        米/秒   Z轴速度       毫米/分连续进刀        量，微米边缘进刀        量，微米现有技术0.8～0.950～5540～452500～260060～708～10本发明0.8～0.940～4533～381800～190070～808～10

注：Z轴速度是指砂轮沿着轧辊轴线方向的运行速度

从上表中可以看出，砂轮转速和砂轮的Z轴速度变小，但是进刀量增加，从而磨削时间减少。

两种砂轮磨削轧辊的主要数据见表3。

表3

 

砂轮类型本发明现有技术PA30磨削轧辊支数125118

 

磨削时间合计(分钟)55076288平均磨削时间(分钟)44.0653.29磨削比3.241.41

注：磨削比是指每秒磨削掉的轧辊体积(mm³)与砂轮磨损的体积(mm³)比。

4、事故轧辊的处理

高速钢事故轧辊表现为辊面存在由2～3毫米的裂纹，按照工艺规程，轧辊的磨削必须把这些裂纹磨削干净。

原先的砂轮按照传统的磨削工艺方法在磨削高速钢轧辊时，出现了每导程的磨屑厚度小，磨削时间长，砂轮消耗高，轧辊表面易产生磨痕等缺陷，辊型精度变差的特征。

新的砂轮具有韧性好，锋利度强等特点，经过磨削前的砂轮修整后，按照改进后的磨削工艺参数，磨削效率高，磨削质量好，综合效果明显。

两种砂轮在处理高速钢事故轧辊时的磨削数据对比见表4。

表4

 

砂轮类型本发明现有技术PA30磨削轧辊毫米数8.595.81磨削时间合计(分钟)460654

采用本发明的砂轮对高速钢轧辊进行磨削，其有益结果如下：

本发明的砂轮使用时间可以达到11～12天；现有技术的砂轮PA30一般使用3～3.5天。因此使用本发明的砂轮减少了更换砂轮的时间和降低了磨床工的劳动强度。

本发明的砂轮磨削时，砂泥量减少，改善了磨床周围的环境。

本发明的砂轮不仅提高了生产效率，而且其性价比提高了。

以上通过具体实施例较详细说明了本发明及其效果，但不仅仅限于该实施例，在不脱离本发明构思的前提下，还可以有更多其他等效的实施例。