大型绿色低温一次法混炼生产线冷却辊筒机械加工工艺设计

韩亚娜，范勋铭，曲荣旭，侯培勇

（大连橡胶塑料机械股份有限公司，辽宁　大连　116036）

大型绿色低温一次法混炼生产线冷却辊筒机械加工工艺设计

韩亚娜，范勋铭，曲荣旭，侯培勇

（大连橡胶塑料机械股份有限公司，辽宁大连116036）

简述了大型低温一次法混炼生产线的理念，从冷却辊筒的结构、材料性能等特性出发，设计、分析了冷却辊筒的机械加工工艺及加工过程中易出现问题的解决措施。

绿色低温；一次法；混炼生产线；冷却辊筒；机械加工；工艺设计

低温一次法混炼生产线秉承着现代轮胎绿色制造的理念，将传统的多段胶料混炼变为一次混炼，胶料通过密炼机一次高温密炼后，经过多台开炼机和胶片冷却辅机的自动连续低温强化混炼而得到终炼胶片（如图1）。与传统的炼胶工艺相比，低温一次法混炼生产线减少了胶料中间传递环节和周转占用场地，延长低温下混炼时间，避免了高温炼胶所产生的胶料被氧化现象，炼出的胶质量好。

大型低温一次法混炼生产线用冷却辊筒，其工作面直径不小于1 600 mm，其结构形式如图2所示，是一次法混炼生产线的重要零件之一。

图1　低温一次法混炼生产线示意图

冷却辊筒质量的好坏，直接影响着生产线的产品质量，因此为保证其质量，应从其结构特点及材料、热处理、机械加工等多方面进行分析，具体如下。

图2　冷却辊筒示意图

1　冷却辊筒的结构特点及材料1.1　结构特点

冷却辊筒是焊接件，主要由内圈、外圈、轴头和端盖组成，内圈、外圈为过盈配合，辊筒的最高精度等级为6级。

1.2材料

外圈选择不锈钢，如1 Cr18Ni9Ti或1Cr13等；内圈选择不锈钢或锅炉钢，如1Cr18Ni9Ti、 1Cr13或20g等； 轴头与端盖为碳素钢，如45、Q235A等。

考虑材料成本，表1成本最高的是锻造毛坯，最低的是板料围圆焊接，内、外圈较为适宜的材料组合是表2的内、外圈均为1Cr1或外圈材料为1Cr13—内圈为20 g的组合。

表1　材料单位价格参考表

2　冷却辊筒最小过盈量

冷却辊筒基本尺寸如图3所示，选取内、外圈均为不锈钢，当da=1 600 mm，dt=1 570 mm，di=1 500 mm，lt=2 400 mm，扭矩M=1 258 kgcm，孔的表面粗糙度Ra3.2 μm，轴的表面粗糙度Ra1.6μm，摩擦系数取μ=0.14，泊松比取γa=γi=0.30，弹性模量Ea=Ei=2.1×106kg/cm2时，经计算其直径比：qa=dt/da=0.98；qi=di/ dt=0.95；

系数Ca=［（1+qa2）/（1-qa2）］+γa

配合件的压力强度：

传递扭矩所需的最小有效过盈量：

考虑压平时冷却辊筒的最小过盈量为：

因此，冷却辊筒内、外圈采用过盈配合时，其过盈量应不小于0.514 mm。

3　冷却辊筒加工工艺设计与分析

内、外圈采用热装加工工艺，其主要工艺

图3　基本尺寸示意图

表2冷却辊筒不同材料组成成本表材料

外圈1Cr18Ni9Ti1Cr13

内圈1Cr18Ni9Ti1Cr1320 g1Cr1320 g辊筒成本万元（9～9.6）G（6.6～7.1）G（5.3～5.7）G（4.2～4.6）G（2.9～3.2）G

成本高低排列54321

注：G为外圈与内圈毛坯重量之和。

名称流程如图4所示：

图4　冷却辊筒加工主要工艺流程

3.1焊接性能分析

由于冷却辊筒内、外圈是薄壁筒件，外形尺寸大、焊接时间长，已焊部分极易变冷产生大的焊接应力和焊接变形。材料的化学成分、碳当量不同，其焊接性能也有较大差异。

3.1.1材料的主要化学成份、碳钢的碳当量及焊接性能

Q235A和20 g材料的碳当量小于0.40%，焊接性能好，焊前不需要预热；45钢的碳当量大于0.60%，焊接性能差，淬硬倾向较强，在冷焊或预热温度较低时，焊接部位刚度较大，焊区极易产生裂纹，参见表3。

1Cr18Ni9Ti奥式体不锈钢焊接接头易出现热裂纹和晶间腐蚀。热裂纹主要是因为材料组织枝晶方向性强、线膨胀系数大，焊缝冷却时收缩应力大、变形倾向大而产生的；晶间腐蚀主要是由于焊缝在450～850℃停留时，奥氏体晶粒内的碳会以Cr23C6形式沿奥氏体晶界析出，使晶界的晶粒表层贫Cr，当在腐蚀性介质中，晶间贫Cr层会造成焊接接头的晶间腐蚀；1Cr13马氏体不锈钢具有强烈的淬硬倾向，焊接时热影响区易产生粗大的马氏体组织，易出现热裂纹，但晶间腐蚀倾向小，由于导热性差，残余应力大，还易产生冷裂纹；接头中含氢量增加会加重裂纹倾向；受热超过1 150℃的温度区间，晶粒粗大显著，过快和过慢的冷却速度都可能引起接头的脆化。

因此焊接时需正确选用焊接材料和焊接工艺才能防止上述缺陷的发生。

3.1.2焊材的选择

冷却辊筒内外、圈围圆焊接时选用与母材相同成分的焊丝，也可以从母材上剪下板条作为焊丝。异种钢焊接材料的焊缝金属性能只需符合两种母材中的一种即认为满足技术要求，焊前对使用的焊条要进行烘干处理。

3.1.3减少焊接热裂纹、冷裂纹、晶间腐蚀及焊接变形的措施

焊接时采用低氢焊条使焊缝金属晶粒细化，减少焊缝中的有害杂质，提高焊缝的抗裂性；采取快焊速，前一道焊缝冷却到60℃左右时再焊下一道，以减小焊缝过热，焊接结束或中断时，收弧要慢，将弧坑填满，防止弧坑裂纹，选用较小的焊接电流，与腐蚀介质接触的焊缝最后焊接，尽量减少焊接接头在危险温度范围内停留的时间，避免热裂纹、冷裂纹和晶间腐蚀。

表4是辊筒外圈焊接后，按照图5的测量原理，测得的8个位置的直径误差值，采用专门设计的定圈专用工装前最大直径误差值达+10.1 mm，最小为0 mm；为简化分析按照被测轮廓形状为等分偶数棱进行计算，其圆度误差t=Δmax/2=（Dmax-Dmin）/2=5.05 mm。

图6-a为采用专用的外置定圈工装来减少辊筒变形，采用定圈后的最大直径误差为+1.30 mm，最小为-0.55 mm（见表4）；同样按照被测轮廓的形状为等分偶数棱计算，其圆度误差t=Δmax/2=（Dmax-Dmin）/2=0.925 mm，可以看出辊筒外圈的圆度误差大大降低了，同理内圈采用同样方法控制变形，焊接时采用边焊边振动的方法来减少焊接应力。

表3　构件的主要化学成份、碳钢的碳当量及焊接性能

图5　辊筒圆度测量原理图

3.1.4焊接接头质量检验

焊接接头最重要的部位是内外、圈围圆焊接后的焊缝，质量检验以检验焊缝为主。焊缝外观缺陷的检验使用放大倍数为五倍的放大镜进行检验，内部缺陷采用超声波探伤或X射线探伤，检验焊缝中的未熔合、裂纹、未焊透、夹渣、气孔等。

3.2热处理分析

不锈钢内、外圈筒皮围圆焊接后进行稳定化处理，材料为20g的焊后进行退火处理，用来消除或减小焊接残余应力，促使氢扩散逸出以防止产生冷裂纹，并提高切削加工性能。

热处理时，由于内、外圈壁薄、尺寸大和重量重，将产生很大的变形，使得在前序焊接时所控制的圆度误差又变大，采用图6（b）所示的专用内置定圈工装来减小辊筒的变形。

3.3机械加工分析

3.3.1内、外圈的车削加工

影响辊筒内、外圈车削加工的因素有辊筒本身结构、材料的化学成分、力学性能、金相组织、刀具材料、导热率和线膨胀系数等，具体如下：

3.3.1.1内、外圈本身结构的影响由于内、外圈是薄壁筒，车内、外圈时，都会产生大的圆度误差，因此在加工过程中，外圈、内圈要分别采用图6、图7所示的减少变形专用工装来降低圆度误差。

3.3.1.2化学成分、力学性能的影响

图6　减少辊筒变形示意图

从表3、表5可知，内、外圈的含碳量≤0.20，1Cr18Ni9Ti奥氏体不锈钢的延伸率δ＞30℅，1Cr13马氏体不锈钢的断面收缩率ψ为60℅，硬度均＜187HB，是难切削材料，加工时易产生的问题。

①切屑不易被切离，消耗的能量多。1Cr18Ni9Ti不锈钢的延伸率δ为40%，为45号钢的250% ，1Cr13不锈钢的延伸率δ为20%，为45号钢的125%，20 g的延伸率δ为25%，为45号钢的156%，因此材料的塑性、韧性大，切屑不易被切离，形成切屑消耗的能量比切去同体积的45号钢多；

②易产生积屑瘤，降低刀具寿命。不锈钢的切削力比45号钢提高25%，切削温度比45号钢高，因此高的切削温度和高的切屑粘附性，使切屑易粘附在前刀面上形成积屑瘤，加工时易产生振动，使刀具磨损，降低刀具的使用寿命和已加工面的粗糙度，使切削加工变得困难。

表4　辊筒外圈不同位置直径测量误差值mm

3.3.1.3金相组织的影响1Cr18Ni9Ti不锈钢的金相组织主要是奥氏体，切削加工时加工硬化严重，合金元素融入奥氏体中，硬度增强，使切削加工性能显著降低；1Cr13不锈钢的金相组织主要是马氏体，硬度高脆性大，使刀具磨损严重；20g钢经退火后的珠光体所占比例：珠光体%=钢中含碳量%/0.8=25%，另有铁素体存在，有较好的切削性能。

3.3.1.4刀具材料的影响

使用高速钢刀具切削时，Kr＜0.65，刀具只能在＜600℃加工，难切削不锈钢内、外圈；当使用硬质合金刀具时，Kr在0.65～1.0之间，刀具可在≥600℃加工，稍难切削加工不锈钢内、外圈；加工材料为20 g，Kr在1.65～2.5之间，高速钢和硬质合金刀具均较易加工。

3.3.1.5导热率和线膨胀系数的影响

从表6可知，1Cr18Ni9Ti不锈钢导热率最低仅为普通碳钢的28% ，1Cr13的为普通碳钢的45%，故大量的切削热不能及时扩散出去，切屑热集中在没被切离的切屑和前刀面上，切屑瞬时温度可达1 000℃，切削刃易产生过热现象，在高温的作用下易失去切削能力，加速刀具的磨损。不锈钢线膨胀量大又加剧辊筒的加工难度。

3.3.1.6改善车削性能的措施

（1）合理选择刀具材料、切削用量

刀具材料选择有较高硬度，强度和韧性，具有良好的耐磨性，抗氧化性，抗粘结性的硬质合金，车1 C r 1 3马氏体不锈钢的刀具材料推荐选择Y W 1、Y W 2，切削用量推荐为v=84～90 m/min，f=0.4 mm/r，ap=3 mm；车1Cr18Ni9Ti奥氏体不锈钢的刀具材料推荐选择YG6X、YA6，切削用量v=50～100 m/min，f=0.2～0.5 mm/r，ap=3～6 mm。

（2）合理选择刀具几何参数

车削不锈钢推荐采用较大的前角，一般γo=12～30°，后角αo＞8～10°， 减少切屑与刀面的摩擦和加工硬化；为了加强刀头强度，刃倾角λs=-2～-6°；

（3）合理选择切削液和冷却方式

切削液要有良好的冷却、润滑、渗透作用，选用含硫等极压添加剂的乳化液，或选煤油、硫化油等切削液，采用高压冷却、喷雾冷却的方式进行冷却。

3.3.2内、外圈的热装

3.3.2.1外圈的加热

按理论加热温度公式t=［（δ+Δ）/k×10-6d）］+t0进行计算，外圈不同材料理论加热温度如表7。式中：

t——加热温度℃；

δ——配合过盈量mm；

Δ——最小装配间隙m m，一般取（0.001～0.002）d；

d——配合直径mm（按上述取1 570 mm）；

表5　辊筒内、外圈不同材料相对力学性能、切削性能表

表6　不锈钢和碳钢的导热率和线膨胀系数比较

t0——装配环境温度℃（取20℃）；

k×10-6——材料线膨胀系数l/℃。

表7　辊筒外圈不同材料理论加热温度

考虑外圈的尺寸较大并结合实际经验，取外圈实际加热温度在240～300℃。

3.3.2.2加热与热装

外圈的加热选择在有能力的大型热处理炉中进行，或采用火焰加热，火焰加热需要制作专用的加热装置；内、外圈进行热装时，当膨胀量达到要求后，应立即进行热装，迅速热装到位，中途不应停顿。由于内、外圈的高度高，热装时不易控制好二件的相应端面平齐，需要制作专用的热装工装来控制内、外圈端面尺寸位置，为防止起吊装置达不到筒皮高度要求，将内圈落于事先准备好的地坑中，同时有防止筒皮倾倒的措施。

3.3.3辊筒的磨削加工 采用砂轮磨削或砂带磨削（抛光）

3.3.3.1用砂轮磨削时易产生的问题

（1）加工表面易烧伤。不锈钢的韧性大切屑不易被切离，切屑瞬时温度高，故加工表面易出现烧伤现象。

（2）磨屑易堵塞砂轮。磨屑易粘在砂轮上，砂轮磨粒易磨损变钝，降低磨粒切削作用。

（3）辊筒易变形。磨削薄壁辊筒时，磨削温度高易产生变形，影响工件尺寸，易造成测量误差。因此要合理地选择砂轮，以减少或避免上述问题的出现。

3.3.2.3砂轮的选择

（1）磨料的选择：采用白色刚玉，有较好的切削性能和自锐性。

（2）粒度的选择：采用中等粒度，如4 6#、6 0#的砂轮为宜，精磨用6 0#，粗磨用46#。

（3）结合剂的选择：采用陶瓷结合剂，能耐热、抗腐蚀，使砂轮保持良好的切削性能，有较高的强度、承受较大的冲击载荷。

（4）砂轮硬度的选择：采用G～N（R3～Z2）硬度的砂轮，其中以K～L（ZR1～ZR2）为普遍。

（5）砂轮组织的选择：选用5～8号组织较为疏松的砂轮，减少磨屑对砂轮的堵塞。

磨削时由于不锈钢的线膨胀系数大。易导致尺寸测量上的误差；出现表面不光，有波纹、螺旋纹、拉毛或烧伤现象，或出现圆柱度误差或圆度误差，应正确修整砂轮，选择合适的切削用量，并使用冷却液充分冷却等措施，减少这些问题的产生。

3.3.3.3砂带磨削（抛光）选择在C61160普通车床上进行

如图7所示，因砂带磨料多是针状磨粒，粒度均匀，磨粒与辊筒表面的接触面积小，全部磨粒可以同时参加切削，产生的切削热少，散热效果好，辊筒表面被烧伤现象大大低于砂轮磨削，所引起的尺寸误差也低于砂轮磨削，生产效率高。或用砂带抛光代替砂带磨。砂带磨削（抛光）易出现砂带磨损、振动、磨粒脱落等现象，影响砂带的寿命；采用适当的磨削力、定期变换砂带的运转方向，及用适当的磨削液（抛光剂）或助磨剂，来提高砂带的寿命。

辊筒砂带磨（抛光）前表面粗糙度Ra3.2～1.6 μm，留磨量0.50～0.60 mm，推荐磨料采用白色刚玉，粒度采用P150～220，磨不锈钢的砂带速度在12～20 m/s，20 g为20～25 m/s。

图7　砂带磨削（抛光）示意图

3.3.4机械加工后辊筒工作表面缺陷的检验用着色探伤

3.3.5喷砂

磨削（抛光）后，根据不同使用要求，不锈钢辊筒表面采用高压喷砂，使辊面的物理、机械性能得到改善，提高辊面组织稳定性；20g辊筒表面喷砂后可镀铬，提高辊筒表面的物理、机械性能和抗腐蚀性能。

综上所述，大型绿色低温一次法混炼生产线冷却辊筒的加工，需要从其结构特点及材料性能、最小过盈量、化学成分等因素，分析其焊接、热处理、机械加工等工艺性，从刀具材料、切削用量等方面提高加工质量，解决加工过程中遇到的各种难题，从而提高产品质量。

［1］ 橡胶机械设计. 山东化工学院，1998.

［2］ 机械加工工艺手册. 机械工业出版社，1992.

［3］ 机械设计手册. 化学工业出版社，2004.

［4］ 极限与配合 过盈配合的计算和选择. GB/T5371-2004，国家标准出版社.

［5］ UG NX4.0中文版零件设计. 清华大学出版社，2007年第一版.

［6］ 产品几何量技术规范 形状和位置误差 检测规定. GB/ T 1958-2004， 国家标准出版社.

［7］ 圆度测量误差组合. GB4380-84，国家标准出版社.

（XS-05）

大连金州重型机器有限公司开发出合成橡胶新型挤压脱水机

大连金州重型机器有限公司开发出一种合成橡胶新型挤压脱水机，包括：机座及其上安装的数字自动控制系统、主电动机、蛇形联轴器、减速机、夹壳联轴器、装配式螺杆轴、机体、调压体、切刀、出料口、进料口。主电动机经蛇形联轴器拖动减速机转动，经夹壳式联轴器带动螺杆轴定轴右旋转动；螺杆轴尾端的第一节螺套将物料推入机体，其余螺套按减小螺距和改变螺杆槽径结构实现动态压缩；机体内对称设置的剪切板限制物料旋转，水分经机体笼条间隙排出。多功能的调压体实现对整机功能实现产量、含水率、物料形状以及重要的膨胀“闪蒸”功能综合控制。该脱水机效率高、技术性能稳定、防腐可靠，适用于丁苯橡胶（SBR）等胶种的干燥脱水处理。

燕丰供稿

中国昆仑工程公司开发出顺丁橡胶胶液混配系统

中国昆仑工程公司开发出一种顺丁橡胶胶液混配系统，包括若干个胶液储罐，还包括进料管、混合器和出料管，若干个所述胶液储罐的出口均连接所述进料管的入口。所述进料管的出口连接所述混合器的入口，所述混合器的出口连接所述出料管的入口，所述出料管的出口连接混合后胶液储罐。采用该系统可以有效地实现来自不同胶液储罐的顺丁橡胶装置聚合单元生产的胶液的充分混合，提高制备的胶液的门尼值的均一性。

燕丰供稿

中昊晨光院开发出低门尼高氟含量氟橡胶及其制备方法

中昊晨光化工研究院有限公司发明提供一种低门尼高氟含量氟橡胶及其制备方法，所述低门尼高氟含量氟橡胶的共聚单元包括偏氟乙烯、四氟乙烯、六氟丙烯和CH2=CH-（CF2）n-F，其中n为0～7。采用乳液聚合方法制备出低门尼高氟含量的氟橡胶，该氟橡胶具有硫化效果好，拉伸强度高、耐燃油和溶剂效果极佳、永久压缩形变低等特点。同时，所得的低门尼氟橡胶兼具较好的硫化性能，且具有良好的耐油性能，可以应用于多种工业领域，特别是汽车工业中，包括密封件、润滑油管等。

燕丰供稿

Process design of cooling roller machining for large green single stage mixed production line at low temperature

TQ330.43

1009-797X（2015）01-0054-07

B

10.13520/j.cnki.rpte.2015.01.011

韩亚娜（1 9 6 5-），女，高级工程师，1987年机械制造工艺及设备专业毕业，从事机械制造工艺设计工作多年，所负责的产品有多项荣获 “国家科技进步一、二等奖”，公开发表学术论文8篇，有多篇荣获“大连市自然科学优秀学术论文二等奖”。

2013-12-24