浅谈轧辊磨削质量影响因素及主要缺陷控制

供稿|韦莹，唐水清 /

作者单位：广西钢铁集团有限公司冷轧厂，防城港 538000

轧辊是保证带钢表面质量的重要设备，在轧制生产中会受到机械磨损、高温氧化等因素影响使其表面受损，最终影响带钢质量。轧辊磨削加工就是为了恢复轧辊表层的力学及物理性能、辊型和表面粗糙度，从而保证轧制产品的表面质量及板形，因此，轧辊磨削在带钢轧制生产中有着重要的地位。本文通过轧辊磨削原理介绍、设备对磨削质量的影响和磨削主要缺陷控制等三方面对轧辊磨削表面质量控制进行了分析，对现场磨削操作具有较强的实际操作借鉴意义。

轧辊磨削参数与质量控制的关系

轧辊磨削简要描述

轧辊磨削是砂轮与轧辊之间在磨床设定的曲线轨迹上的相互摩擦的一种运动。作为磨削过程中的刀具——砂轮是用结合剂粘结特定磨粒制成的，可以看成由无数把形貌不规则，分布不均匀的刀头组合而成的一种特殊铣刀[1]。为了方便磨削机制的过程分析，将连贯完成并没有明确界线的整个磨削过程界定为粗磨阶段、精磨阶段、抛光阶段等三个阶段：(1) 粗磨阶段控制辊型，对轧辊加工余量完成80%磨削量；(2)精磨阶段保持磨削的稳定，使表面粗糙度逐渐下降；(3)抛光阶段使表面粗糙度达到目标值且保证其均匀性。

轧辊磨削及粗糙度的影响因素分析

磨粒切削厚度影响分析

依据铣刀的切削理论，砂轮磨粒可以假设成变异的铣刀，而砂轮就是一把多齿的铣刀，利用单齿铣削厚度的原理，并假设砂轮是理想铣刀的前提下，可以推导出一个磨粒的切削厚度公式(1)，实际上每个磨粒在砂轮表面的分布是不规则的且切削厚度是不同的，借助公式(1)对影响磨削质量的相关因素进行定性分析。

切削厚度与磨粒的切削负荷、磨削力和砂轮磨损成正比，且切削厚度越大磨出的轧辊表面质量越差，切削厚度越小磨出的轧辊表面质量越好。式(1)中，当头架转速vw、拖板速度fa、砂轮进给量fr增大时，单个磨粒的磨削厚度增大，磨削的轧辊表面质量就会变差；当砂轮转速v、砂轮宽度B、砂轮直径d0、砂轮粒度m、轧辊直径dw增大时，单个磨粒的磨削厚度变小，磨削的轧辊表面质量就会变好。

轧辊表面粗糙度影响因素分析

工件磨削加工后表面的较小间距微小峰谷的不平度，可以表明工件表面的微观特性，用表面粗糙度来定义。

式中，R为磨削表面粗糙度；K为根据磨削情况而定的常数；a，b，c为指数。

式(2) 中，一般情况下指数取a=0.25，b=0.5，c=0.38，因此可以得出对粗糙度影响最大的是托板速度(轴向进给量)fa，其次是磨削速比vw/v，最小的是径向进给量fr。径向进给量fr在粗磨和前精磨阶段对表面粗糙度影响较大，到后精磨阶段和抛光阶段时对表面粗糙度影响变得很小。因此，在实际操作中，有经验的轧辊磨床操作工通常将轴向进给量fa控制在小而平稳的状态下，不仅能有效降低磨削表面残余应力，优化轧辊表面的物理、力学机能，还能获得均匀的轧辊表面粗糙度值。

轧辊磨削参数的定性分析及选择

由磨削原理分析可知，m、B、d0、dw是加工前确定了的数据，即在磨削工艺过程中不能改变的静态因素。fa、fr、vw/v是在磨削工艺流程中可以改变的动态因素，是磨床操作工控制磨削质量的直接因素，因此这些参数选择的经验值显得尤为重要。

进给速度fa

磨削过程中，z轴轴向进给速度fa对表面粗糙度影响最大，应逐渐减小，参数设置一般根据砂轮宽度来选择，即头架每转一次砂轮沿z轴轴向行走距离为：粗磨阶段fa=(0.3～0.85)B，精磨阶段fa=(0.2～0.3)B，抛光阶段fa=(0.1～0.2)B。

x 轴径向进给量fr

磨削过程中，x轴径向进给量fr也应不断减小，其值跟轧辊的硬度、砂轮的脱粒、磨削辊面的直径有关。拖板每往复一个行程，结合原始辊型及磨削要求来选择fr：粗磨阶段fr=(0.005～0.02) mm，精磨阶段fr=(0.001～0.005) mm，抛光阶段取消径向进给或稳定保持很小的径向进给量。

砂轮转速v

相比轴向进给速度fa，磨削速比vw/v虽然对磨削表面的影响略小，但也是最终决定磨削表面优劣的关键因素。在不超过砂轮自身额定线速度的上限45 m/s 以及磨床系统不出现振纹和斜花纹等不稳定的现象的前提下，使用尽量高的砂轮速度，一般情况下，砂轮速度v=(25～35) m/s。

头架转速vw

磨削过程中，头架转速vw也应不断降低。按磨削工艺选择：粗磨阶段vw=(40～45) r/min，精磨阶段vw=(35～40) r/min，抛光阶段vw=(30～35) r/min。

磨床设备与磨削质量的关系

磨床安装及维护

磨床安装精度直接影响轧辊磨削精度，因此，磨床安装的一般要求是：要求安装点周围无振动源、无阳光直射、通气良好，尤其不能有严重冲击运动的机器，安装在水泥厚度为 150 mm 以上且四周开设隔离防振沟的地面上。同时，磨床安装应满足一下精度要求：

(1)床身V 形导轨安装精度：水平和垂直方向直线度≤0.01 mm/m，接触点方面要求每25 mm×25 mm 面积12～14点，相对托板导轨的垂直度≤0.02 mm/250 m。 床身平面导轨精度： 垂直直线度≤0.01 mm/m，接触点要求12～14 点/(25 mm×25 mm)，对V 形导轨的平行度≤0.02 mm/m。

(2)托板V 形导轨精度：垂直方向直线度≤0.01 mm(在全部长度上)，每25 mm×25 mm 面积上接触点要求10～12 点。 托板平面导轨精度：平行度≤0.02 mm/m(与V 形导轨之间)，每25 mm×25 mm 面积上接触点要求10～12 点。

(3)砂轮主轴动压轴承：采用刮刀刮研轴瓦表面的转研方式，同时满足轴瓦和主轴轴颈之间的接触点和配合间隙0.0025～0.005 mm 的要求。静压轴承检查检查前后轴承油腔压力，发现异常即可调整。

(4)砂轮主轴电机的振动对磨削表面粗糙度影响比例最大。如果振动较大，应对研砂轮法兰盘锥孔与主轴锥端，使接触面80%以上。

另外，磨床润滑也是影响磨削精度的一个主要原因，如工作台导轨的润滑及一些液压机构的压力值是否正常都会直接影响磨削精度，应定期检查。

砂轮

砂轮的选择

砂轮会直接影响磨削质量，选择砂轮一般从砂轮的磨料、硬度、粒度和结合剂等因素综合考虑。

磨料：为获得较高的磨削表面质量，一般根据不同材料的钢质轧辊选用与之相匹配的刚玉型砂轮。

硬度：砂轮磨粒脱落的难易程度。如果砂轮磨损太快，说明所选用的砂轮太软，可采取提高砂轮线速度，提高拖板速度到砂轮宽度的2/3～3/4(增加工件每转轴向进给量)，降低轧辊速度等措施。 如果采取这些措施后效果仍不明显，则应选择硬度高一点的砂轮。如果砂轮磨削时钝化磨粒不易脱落，砂轮易粘着磨屑，辊面出现烧伤、拉毛现象，则说明砂轮太硬，可采取降低砂轮线速度，提高轧辊速度等措施。如果磨削效果仍不明显，则说明所选砂轮太硬，应选择硬度低一点的砂轮。

粒度：粒度是指磨料颗粒尺寸的大小。砂轮的粒度大则耐用度高、切削能力强、不易被堵塞，砂轮的粒度小则性能稳定、磨削轧辊表面质量高。一般情况，满足粗磨磨削选用粒度24～80 的砂轮，精密磨削选用粒度150 的砂轮，超精磨或镜面磨削选用W64～W14 的微粉砂轮。

结合剂：砂轮是用结合剂将磨粒粘结在一起成型并使其具有一定的硬度。最常用的砂轮结合剂有陶瓷结合剂(V)和树脂结合剂(B)。轧辊磨床一般选用树脂结合剂材质的砂轮。

砂轮的安装与平衡

(1)砂轮的安装稳定性和精度直接影响加工精度。砂轮卡盘直径应大于砂轮直径的1/3。为保证磨削过程中热膨胀不出现砂轮胀裂或砂轮配合较松出现偏心振动现象，砂轮内孔与轴或法兰盘外圆之间的间隙为0.1～0.8 mm。

(2)砂轮安装中螺母垫厚度1～2 mm，安装于法兰盘与砂轮端面间的软垫直径大于卡盘直径2 mm。为保证安装精度，卡盘上不能有锈蚀、磨损或污渍等缺陷。

(3)砂轮运转不平衡，将会加重砂轮主轴的振动和轴承的磨损，影响加工质量和机床精度。因此，砂轮一般要进行静平衡或动平衡测试，使其重心与旋转轴线重合。一般只作静平衡，但对于高精度数控轧辊磨床，应进行动平衡弥补砂轮本身的缺陷和安装时产生的误差，到达运行平稳及实现高质量磨削的目的。

砂轮的修整

砂轮的修整就是去除不均匀的表面磨粒，重新获得平整锋利的磨粒，恢复自身外形精度及加工能力。当出现下面三种情形时，说明砂轮需要修正：一是受轧辊的摩擦挤压造成砂轮磨粒逐渐磨圆变钝。二是磨削韧性材料，磨屑嵌塞在孔隙中产生打滑、引起砂轮振动和出现噪音，影响磨削效率和表面质量。三是砂轮硬度及表面磨损不均匀丧失外形精度，影响轧辊表面粗糙度及形状精度。而修整砂轮的主要工具是金刚石，一般先用金刚石对砂轮进行精修，然后再用油石对砂轮进行细修。

磨削主要缺陷分析及对策

轧辊磨削辊型缺陷

凸度

轧辊凸度主要有凸度对称性差和中高超差两个缺陷。凸度对称性差存在床身导轨精度超标和轧辊中心未达标准两个原因。因此，首先要对床身导轨进行必要的调整，校正恢复其精度；其次核对轧辊工作面的中心和砂轮起刀到结束的中心是否完全重合。中高超差的原因有床身精度超标和成型机构的间隙消除机构调整不合适。因此，首先要对床身进行必要的调整，校正恢复其精度，再调整成型机构的间隙消除机构。注意，由于标尺转动角度极小，机械传动机构非常精密，调整时不能随意拆卸且需要保证润滑良好。

锥度

轧辊对锥度的要求非常苛刻，冷轧工作辊锥度一般要求为0.005 mm。出现锥度超差的原因一方面是床身精度不达标，床头中心线和轧辊中心线之间的同轴性差，另一方面是磨削中一侧托架润滑不良出现明显发热导致轧辊中心线偏移。因此，在磨削前，首先，要认真校正轧辊中心。带自动测量装置的磨床，轧辊中心线与基准的同轴度可达0.001 mm。没有自动测量的磨床，借助千分表测量调整轧辊中心线与基准间的误差在0.005 mm 之内。其次，要仔细开展托瓦清洁工作，防止异物掉落，同时使用合适的润滑油保证润滑充分，防止辊颈发热。

圆度

要求将轧辊工作面圆度偏差及辊颈的圆度偏差控制在0.005 mm。但是，在实际轧辊磨削时，即便辊颈处圆度不大于0.005 mm，磨后辊身圆度也可能会超出要求值的2～3 倍。如图1 转动轧辊，用千分表测量磨床托架支撑轧辊的主要部位A、B、C、D、E 处的振摆，判断轧辊振动来源。任何一点振摆过大都会导致轧辊圆度不佳，因此要对振摆过大点的相应部位做适宜的调整来减小振摆。

图1 轧辊传动与振动测量点示意图

影响轧辊磨削后圆度的原因有：(1)轧辊的辊颈圆度，因为其是轧辊磨削时的基准；(2)床身左右托架的刚度；(3)托架与轧辊辊颈的接触精度。磨床头架工装与磨床花盘夹头点接触，两头垫多片碟形弹簧缓冲驱动扭力，轧辊驱动时会产生一对驱动作用力偶(向左的力偶基本由侧瓦抵挡，向右的力偶只有底瓦来抵挡)，该驱动力偶会使轧辊每旋转一周作两次向右振摆，使E 处振摆是最高点。托架锁紧螺栓松动，托架与导轨面接触差存在间隙，托瓦丝杆的间隙过大，瓦面与辊颈的弧面接触差等使辊身振动，影响E 处的振摆大小。

因此，提高圆度可采取以下措施：采用变速磨削轧辊，通过改变力偶的周期变化来改变E 处振摆的周期性变化；铲刮磨床床身导轨面与托架接触面，接触均匀且接触点不少于12 点/25 mm×25 mm；碾刮托瓦巴氏合金，改善托瓦弧面和轧辊辊颈架接触面；更换侧瓦丝杆，修磨侧瓦压板内表面，校对新丝杆自由间隙，保证侧瓦平稳固定；更换花盘夹头碟形弹簧，调整夹头与轧辊扁头间间隙至合理值；调整合适主轴间隙，提高主轴刚度[2]。

轧辊磨削表面缺陷

振纹

轧辊磨削过程中任一位置的振动超幅其表面都有产生振痕的可能，而产生振纹的机理是轧辊在前一道次磨削时表面产生了波纹，后一道次将在有波纹的表面上进行磨削，会在轧辊表面上形成新的波纹。对于高精度磨床，产生振纹的主要原因是主轴系统，产生斜纹主要原因是床头拨盘系统。 因此振纹消除措施有：

(1)以10%/min 的变化幅度变速磨削轧辊，可以使轧辊表面的振纹相移不停变化，从而使系统能频繁离开颤振激发区，抑制颤振的出现，提高磨削质量；

(2)确保主轴系统精度在要求内。主轴圆度和圆柱度公差均≤0.00 1mm，表面粗糙度Ra0.02 μm；主轴径向间隙≤0.10 mm，轴向间隙约0.02 mm；轴与轴承内孔的接触点数≥12 点/(25 mm×25 mm)；

(3)主轴油腔必须密封、清洁无异物；主轴油无水汽、杂质等，清洁度达标且需定期更换；

(4)按磨削工艺修整砂轮。

划痕

划道是砂轮脱粒造成的不能完全消除的短划痕，如图2 所示，原因有：磨削时磨粒掉在砂轮和轧辊之间，冷却液将磨粒或磨屑带入砂轮与轧辊表面之间，砂轮工作面上存在凸起的磨粒，砂轮磨料脆性较大磨粒易破碎，砂轮硬度偏低或不均匀易脱落，选用粒度太粗的砂轮等。可采取以下措施减少或使其变短：(1)增加磨削液流量冲洗砂轮和辊面结合处；(2) 适当提高砂轮线速度；(3)选择脱粒速度合适的砂轮。

图2 划痕示意图

螺旋纹

由磨削原理可知，螺旋纹是无法完全消除的，其产生与磨削工艺和砂轮选型有关，见图3。通过每次修整完砂轮必须倒圆角，选择适宜的磨削工艺和匹配的砂轮，以及调整合理参数修磨可以减轻该缺陷。

图3 螺旋纹示意图

织布纹

织布纹和螺旋纹一样，由磨削原理决定其无法完全消除，但可以通过选择合适砂轮和调整磨削工艺得到减轻。

色差

色差是一种综合产物，是由轧辊粗糙度、圆度、硬度和辊面振纹等多方面因素造成的。控制好辊面粗糙度均匀性、辊身圆度、表面的浅振纹和轧辊辊身硬度的均匀性可以得到较好的控制。

结束语

本文通过对磨削和粗糙度公式进行分析，定性总结了磨削参数对轧辊磨削表面质量影响的静态因素和动态因素，加深了对磨削理论及规律的理解，同时也分析了磨床安装精度、砂轮使用与表面质量控制的关系，分析总结了磨削出现的主要表面、辊型缺陷及其控制策略，给轧辊磨床操作提供了优化操作方法的途径，为冷轧薄板高效生产提供了有力的设备保障。