大型矫直辊锻件制造工艺研究

王炯

(太原重工股份有限公司，山西 太原 030024)

1 技术要求

矫直辊作为矫正机设备中直接参与钢板矫直的核心零件，使用工况十分恶劣，被矫直钢板最高温度超过800℃，同时还要承受最大35 MN的交变矫直力，所以矫直辊要有耐高温特性以及足够的抗疲劳强度。本台矫正机设备中的矫直辊选用的材料为60CrMoV，材料化学成分需满足JB/T 6401—2017《大型轧辊锻件用钢技术条件》中对60CrMoV的化学成分要求，如表1所示。

表1 60CrMoV化学成分(%)

60CrMoV属于耐热高铬合金钢，Cr元素可提高材料的强度、硬度、屈服强度、耐磨性、淬透性和韧性，使材料组织细化而又均匀分布，由于Cr元素的碳化物难熔解，在加热情况下可有效阻止晶粒长大，所以可有效降低材料的热敏感性；Mo元素具有细化晶粒的作用，可降低钢的过热倾向性，提高材料的强度、硬度和热稳定性；V元素对细化材料晶粒具有很大作用，可提高材料的强度和韧性，减少材料热敏感性，改善材料热稳定性[1]。综上所述，60CrMoV具有高强度、不易磨损、耐热的特点，而且该材料经过热处理后的可加工性较好，因此60CrMoV常被用于大型轧辊、支撑辊等大型合金锻件的制造。

本台矫正机中的矫直辊辊身长度2500 mm，辊身直径220 mm，如图1所示。辊身表面要求淬火，表淬硬度为62～65HRC，淬火深度为8～12 mm。调质处理后力学性能要求见表2[2]。

表2 调质处理后力学性能要求

图1 矫直辊结构图

2 制造工艺流程分析

矫直辊制造工艺流程为：冶炼→锻造→粗加工→调质热处理→力学性能测试→半精加工→表面淬火→精加工→检验→入库。

矫直辊的制造工艺流程从材料冶炼开始，经过锻造(锻造比≥4)和粗加工后进行调质热处理，达到力学性能要求，然后再经过半精加工满足淬火要求后进行辊身表面淬火，辊身表淬硬度和深度均需满足技术要求，下一步再进行矫直辊的精加工，最后检验合格后入库，从而完成矫直辊的整个制造工艺流程[3]。

3 锻造工艺

3.1 锻造工艺路线

为保证矫直辊材料的纯净度，选用的锻造钢锭必须经过精炼处理，如脱氢处理、脱氧处理、脱硫处理等。对于同一台设备中的矫直辊应选用同一熔炼炉号的钢锭以及同一批次的锻件，这样就可有效降低各矫直辊之间的材质和性能差异，保证各矫直辊质量的一致性。

矫直辊的锻造工艺采用自由锻的方式，自由锻具有操作简便、灵活的特点，尤其是对于大型锻件来说自由锻是最佳的选择。为得到较好的力学性能和锻造质量，矫直辊的锻造比要求≥4，锻造比不宜过大，否则不仅会增加锻造的工作量，而且还会引起锻件的各向异性[4]。同时，为了避免锻件出现缩孔、偏析等不良缺陷，通常会在钢锭的冒口位置和两端面留一定长度的切除量。锻造完成后对毛坯进行超声检测，满足JB/T 5000.15—2007《重型机械通用技术条件 第15部分：锻钢件无损检测》中II级无损检测要求。

3.2 锻后热处理

矫直辊锻后热处理的主要目的是消除矫直辊的锻造应力，细化晶粒，改善切削性能。由于60CrMoV材料对于白点敏感性较高，白点存在会降低材料的强度和韧性，如白点发生在应力集中部位，会极易导致矫直辊断裂[5-6]。所以，锻后热处理是矫直辊重要的热处理工序之一，锻后热处理曲线图如图2所示。

图2 矫直辊锻后热处理曲线图

4 热处理工艺

4.1 调质处理

调质处理是金属热处理的重要工艺之一，是指金属在淬火后再经过高温回火，从而提高金属的综合力学性能。

矫直辊在矫直钢板过程中会承受较大的矫直力，这就要求矫直辊具有较高的力学性能，经过调质处理后矫直辊将消除网状碳化物，细化碳化物，可得到细珠光体或索氏体组织，提高屈强比，使组织更加致密，可在大矫直力作用下仍能够保持良好的韧性，承受循环弹性变形；而且调质处理后矫直辊的切削性能将大为改善，有助于后续机加工[7-8]。同时，还为最终辊身表面淬火热处理做准备。矫直辊调质处理曲线图如图3所示。

图3 矫直辊调质处理曲线图

矫直辊属于细长类轴类零件，为避免矫直辊在调质过程中发生较大的变形，在调质处理时采用井式炉的热处理方式，如图4所示，这样可以使热处理变形尽可能发生在轴向方向，减小矫直辊径向变形。工艺人员根据不同直径的矫直辊，设计制作了一系列的热处理工装，极大地提高了热处理效率。

图4 矫直辊井式炉调质处理

还有一点需要强调的是，在调质处理前，矫直辊尖角必须倒钝，轴肩根部须做倒圆处理，表面粗糙度不粗于Ra6.3 μm，从而避免在调质过程中在尖角、根部及表面产生应力集中发生裂纹。同时，矫直辊调质处理前辊身直径留余量10～12 mm，从而确保矫直辊发生径向变形后仍具有足够的加工余量。

为检测矫直辊调质后的力学性能，矫直辊轴头保留长度约150 mm的取样区，对于同一熔炼炉、同一热处理批次的矫直辊抽样30%，但不少于2件，取样位置距离取样区表面1/3半径处。分别对取样试棒做拉伸试验和冲击试验，得到其屈服强度、抗拉强度、断后伸长率、断面收缩率、冲击吸收能量等力学性能指标。各项指标数据满足要求后方可进行下一工序。

4.2 表面淬火处理

钢的表面淬火处理是将钢的被淬火表面进行快速加热获得奥氏体组织，然后再进行快速冷却使表面获得马氏体组织，从而提高钢表面的硬度和耐磨性，芯部仍可保持较高的韧性强度，表面淬火后应及时进行回火处理，消除淬火产生的热处理应力。根据加热方式的不同，表面淬火可分为感应加热表面淬火、火焰加热表面淬火、电接触加热表面淬火、电解液加热表面淬火等，其中以感应加热和火焰加热两种方法应用最广。感应加热方式具有效率高、稳定性好、淬火深度易控制等特点，所以矫直辊表面淬火处理选用的是感应加热的方式[9]。工艺人员根据矫直辊辊身直径、辊身长度设计了不同规格的淬火感应器，制定了规范的工艺参数，以保证矫直辊辊面感应淬火的效果和稳定性。

钢板在矫直过程中发生反复“弹—塑—弹—塑”变形过程，若要使钢板发生塑性变形，矫直辊辊面必须具备较高的硬度，同时芯部还要具有足够的韧性，尤其是对于高强钢板来说，则需要对矫直辊辊面提出更高的要求。因此，为保证矫直辊“内韧外刚”的特性，在确保辊面硬度(62～65HRC)的前提下，要严格控制淬火层深度(8～12 mm)，所以在辊面淬火时需将感应器功率与移动速度控制在合理范围内，完成淬火后检验辊面硬度，满足技术要求，检测时一般选取两条母线，每条母线上相邻检测点距离不大于200 mm[10]。

这里需要指出的是，由于矫直辊辊面淬火前留有一定的加工余量，而辊面淬火后硬度随着深度的增加会有不同程度的硬度下降情况。所以，淬火后的辊面硬度值应略高于图纸要求硬度，从而保证在加工完成后辊面硬度仍在要求范围内。

5 机加工工艺

矫直辊是矫直机的关键零件之一，矫直辊具有硬度高、长径比大(16∶1)、加工精度要求高(粗糙度Ra0.4 μm，圆柱度∅0.04 mm，辊面全跳动0.025 mm，辊面直径尺寸公差0.05 mm)，矫直辊的加工质量和精度，直接决定了矫直机设备的工作精度，所以在矫直辊加工过程中要严格控制切削参数，确保矫直辊加工质量的稳定性。矫直辊加工工艺流程为：粗车→半精车→粗磨→精车→半精磨→精磨(关键工序)。

工序一：粗车。按矫直辊调质处理前工序图要求，粗车矫直辊辊身、辊颈及端面。由于矫直辊毛坯外形不规则，留有大量氧化皮，车削时车刀受到的冲击力较大，所以选用前角与后角均较小的车刀，提高车刀强度和散热，此次矫直辊加工选用某品牌硬质合金数控刀片，切削深度ap为5 mm，进给速度f为0.15 mm/r，切削速度Vc为80 m/min[11]，为防止热处理时产生裂纹，矫直辊加工表面粗糙度不高于Ra12.5 μm。

工序二：半精车。经过调质处理后的矫直辊虽然硬度有所提高，但可切削性大为改善，所以半精加工时选用前角和后角稍大的车刀，切削加工时切削阻力小、摩擦力小、切削温度低、刀具磨损小，切削深度ap为2 mm，进给速度f为0.3 mm/r，切削速度Vc为120 m/min，矫直辊加工表面粗糙度不高于Ra6.3 μm。

工序三：粗磨。粗磨矫直辊辊身、辊颈，为保证辊身淬火处理时不发生裂纹，粗磨后表面粗糙度不高于Ra3.2 μm。

工序四：精车。精车矫直辊各外圆表面及端面，辊身、辊颈外圆留余量2 mm。

工序五：半精磨。半精磨矫直辊各外圆表面。

工序六：精磨。精磨是矫直辊加工成败的关键工序，是决定矫直辊辊面粗糙度、尺寸和形位公差的重要一环。因此，在精磨过程中要严格控制磨削参数，磨削吃刀量控制在5～10 μm，砂轮转速控制在10～20 r/min，当辊身精磨至图纸时空刀走一遍，磨削辊面高点，修正辊面圆度。不仅如此，在精磨矫直辊时要采用大量切削液，以降低磨削产生的大量切削热，减小磨削热变形。矫直辊精磨工序在重型卧式外圆磨床上完成，如图5所示。

图5 精磨工序

在精磨过程中，经常出现的磨削加工问题有：

(1)辊面外圆出现螺旋痕迹。这种情况的发生主要有几方面因素所导致：1)砂轮硬度过高，砂轮目数选择不合理；2)切削参数选择不合理，吃刀量或进给量过大；3)砂轮外圆圆度差，母线直线度低；4)机床导轨问题，存在爬行或摆动等情况。

(2)辊面外圆出现烧伤。导致这种情况的原因主要有：1)砂轮粒度太小或硬度太高；2)砂轮不锋利；3)磨削线速度过低；4)冷却液不充分影响散热。

(3)辊面出现振纹。导致辊面振纹的原因主要有：1)中心孔圆与磨床顶尖接触率不良；2)零件重量过大，超过机床额定负载，导致机床运行不平稳；3)砂轮动平衡差，运行时发生振动；4)机床主轴轴承存在间隙，转动过程中发生跳动。

(4)辊身圆度差。导致辊身圆度差的原因主要有：1)中心孔圆度差，导致回转过程中回转中心发生变化；2)工件未完全顶紧固定，致使磨削回转时发生窜动；3)中心孔贴合面硬度偏低，当受到工件自身重力后，中心孔变形。

工艺人员经过多年的技术积累，已经完全掌握了矫直辊的磨削加工技术，能够根据磨削过程中出现的各种问题，快速的识别问题根源并找出解决方案，目前矫直辊合格率达到了99.8%以上。

6 检验

矫直辊完成全部加工后方可进行最终检验，检验内容包括：零件全部加工尺寸、形位公差、辊身表面硬度、粗糙度以及表面裂纹等项目。零件尺寸检测一般采用外径千分尺、游标卡尺等检测工具；形位公差检测采用临床打表的方式，主要检查辊身圆度、同轴度等项目；表面硬度采用便携式硬度计，选取两条母线，每条母线上相隔200 mm选取检测点打硬度并记录；表面粗糙度检测采用粗糙度比对块或粗糙度检测仪进行检测；表面裂纹检测采用磁粉检测的方式，满足JB/T 5000.15—2007中Ⅱ级要求。

7 结语

从化学成分、锻造工艺、热处理工艺、机加工工艺、检验等方面对大型矫直辊锻件进行了深入研究，并且锻造、热处理和机加工工艺都在实际生产中得到了充分验证，结果表明各项工艺参数科学合理，制造完成的所有矫直辊均满足图纸设计要求。

近些年高温合金材料堆焊技术逐渐在矫直辊修复过程中被采用，当矫直辊使用一段时间辊面淬火层磨损后，通过堆焊处理实现对磨损矫直辊的修复再利用。同时，一些矫直辊制造单位也正在研究在成本相对较低的42CrMo材料表面堆焊高温合金材料，用来代替成本较高的60CrMoV，从而实现成本控制，该技术已在部分矫直机设备中得到了验证。但是，对于X38CrMoV5或X40CrMoV7等矫直辊材料还没有突破其堆焊技术，矫直辊堆焊技术还有待进一步发展。相信随着新材料、新工艺的不断突破，矫直辊的制造工艺技术也将会得到不断优化和完善，矫直辊的制造质量和效率将稳步提升。