1、支撑辊成型工艺设计09成型班冯瑶冷轧支撑辊成型工艺设计摘要：随着工业化的发展，现在机器也要求具有越来越好的工作效益，支撑辊的耐磨性和强度也开始受到人们的关注。新型的材料、新型的加工方法也开始用在支撑辊的制造上了，冷轧70Cr3 Mo系列支撑辊就是其中一种。并在工件表面堆焊一层特殊的材料，可以提高支撑辊的强度和耐磨性，同时节约工艺步骤，节省材料。这样的新型加工方法用在现在的工业上节约了成本，降低了耗材，在工厂里普遍受到欢迎。关键字：冷轧 支撑辊 检验1 概述1.1冷轧支撑辊的目前的发展情况 支撑辊有辊身、辊颈和轴头三部分组成。辊颈安装在轴承中，并通过轴承座和压下装置把轧制刀传给机架。轴头和连接轴
2、相连接，传递轧制扭矩。传统的冷轧支撑辊，为保证机器的高速化、大型化、高精度，保证支撑辊中CrC比，保证硬度，不损失耐磨性，C也在不断往高的方向发展，但是适应剧烈的热处理淬火方式，C的含量有由高向低发展趋势。所以传统的支撑辊材料是9Cr2Mo，含碳量0.9%左右。铬含量2%的材料，但是随着轧机设计要求的提高和轧制工况的改变，该材料的不足之处开始体现出来。这些改变包括：(一) 更深的淬硬层深度要求。现代轧机往往要求支撑辊的单边深度在35mm以上，最多要求75mm。9Cr2Mo由于受其自身合金元素含量的影响，其淬透性达不到这样的要求。(二) 工况的变化需要专门的材质来适应。现代轧机对轧辊的要求越来越
3、高，工作辊要求耐磨，抗事故，抗辊印，均匀性高，而支撑辊的表面要求抗疲劳性能和耐磨性变得更为重要。(三) Cr2Mo由于碳含量较高，基体中存在较多的碳化物，这些碳化物如果处理不当，分布状态不理想，就会降低基体的疲劳强度；另外材料中的Cr/C比决定该材料的碳化物为M3C型，硬度偏低（约900HV），会降低轧辊的耐磨性。70Cr3 Mo系列开始成为支撑辊的首选材质，而在一些高速重载轧机，支撑辊材质甚至使用50Cr4MoV和45 Cr5 MoV系列材质。总的发展趋势是更高的合金元素含量（以铬为主，也有镍、钼量的调整），较低的碳含量。当然制造方也有相应的工艺改进，从而实现更深的淬硬层深度，更好的抗疲劳性
4、能和耐磨性，以及表面硬度的均匀性。1.2冷轧支撑辊的性能支撑辊的质量特征要求是辊身得到硬度高，硬度均匀性好，辊颈及辊身芯部具有良好的强韧性。使用特征是耐磨性高，抗剥落性好和抗事故性好。同时不允许有砂眼、气孔、夹杂与裂纹等缺陷。在机器中，支撑辊都协助工作辊实现轧制过程中金属变形的直接工具，因此，对支撑辊质量要求严格。其主要的质量要求有强度、硬度、耐热性、耐用性等。支撑辊的工作特点是：(一) 工作负荷大。由于轧辊的轴身直径要保持强度，而轴承座外观尺寸不应该大于周身最小直径，辊颈长度短，所以辊颈上能承受的单位载荷大。(二) 工作环境恶劣。各种轧机在轧制时，轧辊都要用水冷却，且有氧化铁皮飞溅：冷轧机在
5、轧制时要采用工艺润滑油来润滑，冷却轧制与轧件，因此，对轴承的密封要求有较高的要求。1.3本课题研究目的及制造工艺本课题研究一个直径为800mm，长为1350mm，能轧制的带材的最小厚度为0.002mm，其宽度为1250mm。 冷轧支撑辊的制造工艺过程如下：计算模件尺寸绘制零件铸造工艺图制造模具浇注凝固成型落砂清理粗车探伤调制半精车堆焊精车处理检测热处理磨削终检42方案设计2.1 方案依据（一）要增加材料的硬度，从我们所学的金属学与热处理中可知，就是要提高钢的淬透性，而由所学知识可知，增加淬透性的元素有：Mn、Cr、B、Ni、W、Wo，从而为了更深的淬硬层深度，支撑辊采用70Cr3 Mo系列材质
6、，使其淬透性达到我们所需要的要求。（二）为保证支撑辊的高强度和高硬度，粗车后淬火+低温回火，根据所学知识，低温回火温度是150-250度（打不来摄氏度），得到的组织应该是残余奥氏体分解为F相和弥散的碳化物FexC组成的机械混合物回火马氏体或下贝氏体，马氏体具有极高的强度和硬度，保证表面硬度在 40HRC以上。（三）为保证支撑辊表面的耐磨性，可对支撑辊表面进行堆焊。2.2模具的设计以及凝固成型（一）本课题研究的是一个直径为800mm，长为1350mm的支撑辊，为防止冷收缩和为以后的加工作准备，我们设计的模型直径为803mm，长度为1353mm的模具。因为保证模件能从模膛中取出、易于在生产过程中发
7、现错模现象、减少加工余块并其支撑辊的结构比较对称，所以选择如图（21）所示的a_a面。图21（二）从材料的性能和铸件的现状上，我们可以考虑采用实型铸造，（由热加工工艺基础可知：实型铸造又称消失模铸造）2。采用聚苯乙烯发泡的塑料模样代替普通模样，造好型后不取出模样就浇入金属液，在金属液的作用下，塑料模样燃烧、气化、消失，金属液取代塑料模所占据的空间位置，冷却凝固后获得我们所需的支撑辊。查阅相关资料，使我懂得实型铸造的优点： 1、由于采用了遇金属液即气化的方法，无需起模，无飞型面，也无飞边毛刺，减少了由型芯组合而引起的铸件尺寸误差。2、减少了铸件生产工序，缩短了生产周期，简化了铸件工艺设计。实型铸
8、造适用范围很广，几乎不受铸造合金、铸件大小及生产批量的限制，尤其适用于形状复杂件2。 凝固成型过程实际上就是一个金属的结晶过程，当液态金属冷却到结晶温度下某一温度，液态金属才能是结晶，它们的差叫做过冷度。 但是由于化学成分、浇铸温度、浇铸结构和铸型条件的影响，在冷却凝固过程中铸件容易发生收缩，这就产生了缩孔、缩松更或者气泡的产生。2.3落砂清理、粗车、探伤、调制和半精车一段时间后在模型里的液态金属全部冷却以后，将胚料取出，将表面先进行。落砂处理，然后粗车，出去铸件表面上留下的部分准备切削区的金属层厚度。再用探伤仪对胚料进行探伤，看是否符合材料的价格要求，如何符合就进行下一步加工，如果不符合就只
9、有报废。当材料符合后就开始对胚料进行调制和半精工，半加工后的产品直径为780mm左右，长度要加宽来放加工余料。2.4堆焊和探伤 为简化工艺，降低生产成本，现在有的工厂开始采用堆焊技术来保证材料的硬度、保证材料的承载能力，同时又辊面不会产生裂纹、气孔等缺陷。 堆焊是首先的预热加热温度350(应高于母材的Ms点)，保持时间1.5minmm。在堆焊时，焊接电流400-500A，焊接电压28-32V，焊接速度500mmmin(工艺参数由试验后确定 )。在退火时应该保持如图（22）所示的退火温度和时间： 等到堆焊结束后，在用探伤仪对原件进行测试，以确定原件达到理想的强度和硬度。2.5热处理 热处理是将金
10、属在固态下通过加热、保温和不同的冷却方式，改变金属内部组织结构，从而获得所需性能的操作工艺。将工件进行频繁的淬火、回火和探伤1。 淬火是将工件加热到临界点Ac3或者Ac1以上一定温度，保温后以大于临界冷却速度的速度冷却得到马氏体的热处理工艺3。淬火的目的是使更多的奥氏体化后的工件获得较多的马氏体。为此，必须注意选择适当的淬火温度和冷却速度。由于不同钢件过冷奥氏体稳定性不同，钢淬火获得马氏体的能力各异。回火是将淬火钢在A1以下温度加热，使其转变为稳定的回火组织，并以适当的方式冷却到室温的工艺过程3。回火的主要目的是减少或消除淬火应力，保证相应的组织转变，提高钢的韧性和塑性，获得强度、硬度、塑性和
11、韧性的适当配合，以满足各种用途工件的性能要求。本实验要求得到回火马氏体，所以采用低温回火，低温回火的温度约在150250经淬火并低温回火得到隐晶回火马氏体和均匀细小的碳化物组织，具有很高的硬度和耐磨性，同时显著降低钢的淬火应力和脆性。对于淬火获得低碳马氏体的钢，经低温回火后可减少内应力，并进一步提高钢的强度和塑性，保持优良的综和力学性能。回火保温时间应保证工作各部件温度均匀，同时保证组织转变充分进行，并尽可能见底或取消内应力。生产上常用硬度来衡量淬火钢的回火转变程度，本实验工件的回火时间为一个半小时。2.6磨削 在工件完成热处理后，应该对工件进行精加工磨削，磨削是指用磨料，磨具切除工件上多余材
12、料的加工方法，它利用高速旋转的砂轮等磨具加工工件表面的切削加工。磨削可以用于加工各种材料，包括淬硬钢、高强度合金钢、硬质合金、玻璃、陶瓷和大理石等高硬度金属和非金属材料。磨削的比功率比一般切削大，金属切除率比一般切削小，故在磨削之前工件通常都先经过其他切削方法去除大部分加工余量，仅留0.11毫米或更小的磨削余量。随着缓进给磨削、高速磨削等高效率磨削的发展，已能从毛坯直接把零件磨削成形。 经过磨削出来后的工件更能保证精确度，完成轧制的带材的最小厚度为0.002mm，其宽度为1250mm的要求。3性能测试由支撑辊工作性能可以知道，要了解支撑辊是否合格，我们就必须对其强度和耐磨性进行测试。3.1对强
13、度的测试强度是材料在外力的作用下，抵抗变形和破坏的能力，常用的指标有抗拉强度和屈服强度。将标准试样装在拉伸试验机上，对试样两端缓慢施加轴向拉力，随着拉力的增加，试样渐渐被拉长，直至断裂。在整个拉伸过程中，记录小每一瞬间的拉力（P）和伸长量（L），并绘制它们之间的关系曲线，称为拉伸曲线。 但拉力大于Pe后，试样开始产生永久变形即塑性变形。当拉力达到Ps后，拉伸曲线出现平台，即拉力虽不增加，但是试样却继续产生塑性变形而伸长。当拉力增加到最大值Pk是，试样在缩颈处断裂。Pb是试样在拉断前能承受的最大拉力5。 金属材料强度的指标通常以应力的形式来表示。应力即单位截面积上的外力，以表示： =PF(MPa
14、) 式中 P外力（N） F截面面积（mm2）抗拉强度时金属材料在拉断前缩能承受的最大应力，以b表示： b=PbFo(MPa) 式中Pb试样拉断前的最大拉力（N） Fo试样的原始截面面积（mm2）屈服强度时金属材料产生屈服是的应力，以s表示： s=PsFo(MPa) 式中Ps试样产生屈服是所承受力（N） Fo试样的原始截面面积（mm2）3.2对耐磨性的测试 金属抵抗磨损的能力称为耐磨性，影响耐磨性的外部条件十分复杂，其中包括试样的表面粗糙度，陪试试样的材料、性质、表面粗糙度，试样和陪试样的结构形成、表面的接触状态，相对滑动速度，施加的载荷，环境介质、温度及散热条件等。每一个因素对耐磨性的影响都不
15、以忽略。在网上搜出了现在比较常用的是用摩擦磨损试验机来测定，也不是很清楚这个摩擦磨损试验机正不正确？摩擦磨损试验机型号为：MPX-2000型盘销式试验机 图3-3 MPX-2000型盘销式试验机试验机由三速电机1通过一级齿形带轮2和6直接带动上试样轴旋转，使装在上试样轴上的上试样9同步旋转。由于采用了同步齿形带传动，就不会由于试样间摩擦力的增加造成皮带打滑，同时噪音也比较低。试验负荷由标准四等工业法码通过1:10的和杆22、加载块30和下主轴15，直接作用于试样10和9上。上试样9是通过试样夹具8联接在上主轴7的端面上，下试样10是靠两个圆柱销31固定在下主轴的上端面上。同时，下主轴上固定着力
16、矩压杆18，力矩压杆压在荷重传感器的测量头上，这样，由于上主轴的旋转，通过试样间的摩擦力迫使下主轴和力矩压轩扭转一定角度并作用于荷重传感器的测量头上。荷重传感器输出的力矩信号经放大后由一个表头显示，以此可计算试样间的摩擦系数。摩擦系数与磨损量的测定 按库仑力定律 F=N其中：F-摩擦力，牛顿；-摩擦系数；N-正压力，牛顿正压力即试验时的载荷值，而摩擦力乘以试样摩擦半径0.0135米正是本试验机所测得的摩擦力矩M(牛顿米)。 所以摩擦系数可按下式计算： =M / 0.0135N式中：M-摩擦力矩，牛顿米；N-载荷，牛顿 磨损量可用称重法和测长法测量。对所有的测试完毕，如果工件满足要求就可使运用在
17、生产上，但是，如果工件不满足要求就只有作废了。4总结 这次冷轧支撑辊成型工艺设计的完成，让我不仅通过自己的努力大致了解了冷轧支撑辊的制作流程，还学会了把自己书本上学到的知识运用到实际物体上去。支撑辊是协助工作辊完成对钢铁等材料进行轧制过程，所以支撑辊必须具有强的硬度和高的耐磨性。冷轧是在工件的再结晶温度以下对工件进行轧制，冷轧使支撑辊的强度、硬度上升、韧塑指标下降。支撑辊是通过液态金属浇注到模具里冷固成型，在冷固的过程里要学会控制浇注温度、浇注速度以及环境条件来保证凝固件的力学性能也就是保证晶体的结构。之后，就是对工件进行处理，剔除表面的毛料，便于堆焊，堆焊是在工件表面镀一层特殊的材料，保证其
18、硬度和耐磨性。堆焊后就是对工件进行热处理，反复的淬火和回火，改善其内部组织结构，提高力学性能。最后对工件进行的是消磨，提高它工作的精确度，保证轧制出来的板料等也有较高的精确度。等支撑辊完成之后，还不能马上投入生产，我们要用实际的数据证实其有较高的硬度和耐磨性，必须对工件的式样进行测试，当测试结果满足工作要求是才能投入到生产中去，否则，不合格的工件投入到生产中会使工件平凡更换和修复，这就提高了生产成本，也会造成浪费。前段时间在没有考金属学时，我觉得这个课程设计很难很难，但现在经过我对金属学的充分认识，我重新把这套支撑辊的设计完成了一遍，也从中发现了很多原作者的问题，使我从中吸取了精华部分，改正了
19、一个很严重的错误，比如：原作者的热加工工艺是淬火+中温回火，但据我所学知识，中温回火温度在300-450度，这是渗碳体以开始转变，虽然转换成比碳化物FexC更稳定的碳化物渗碳体，但是同时也开始生成针状的F相，淬火马氏体以完全分解，先生成的过渡碳化物此时已经消失，全部变成细粒状渗碳体。这种由针状F相和无共格联系的细粒状渗碳体组成的机械混合物叫做回火托氏体，显然，回火托氏体也属于珠光体，珠光体的强硬度没有马氏体高。70Cr3 Mo支撑辊需高硬度，故原作者的中温回火肯定是不正确的。当然我还发现有一些小问题，改正的不知道正确与否。这些都是理论上的成型工艺，在实际生产中肯定还有许多细节问题需要我们去解决
20、和改进。在这次的课程设计中，发挥出了自己单独设计支撑辊的热处理工艺能力和综合运用书本知识，体会了学以致用、突出自己劳动成果的喜悦心情，尤其是热处理加工工艺，是自己很有成就感。同时各科相关的课程都有了全面的复习与运用，独立思考的能力也有所提高，更为重要的是：在这次支撑辊成型的设计中，从中发现自己平时学习的不足和薄弱环节，进而加以弥补。参考文献1覃耀春.金属学与热处理.北京:机械工业出版社,20072谷春瑞 王桂新.天津：天津大学出版社，20093崔忠析 谭耀春.金属学与热处理.机械工业出版社4叶荣茂.铸造工艺设计简明手册.机械工业出版社5潘纯久.二十辊轧机及高精度冷轧钢带生产.北京：冶金工业出版社，2003
