專業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營合金鋼管
公司鋼管現(xiàn)貨資源量大、規(guī)格齊全、質(zhì)優(yōu)價(jià)低
公司鋼管現(xiàn)貨資源量大、規(guī)格齊全、質(zhì)優(yōu)價(jià)低
研究了 5 頭無心外圓砂帶磨床磨削 12CrMoVG合金鋼管的磨削工藝。通過對比 試驗(yàn)，找出了影響砂帶磨削 12Cr1MoVG合金鋼管表面材料去除量和表面質(zhì)量的原因，得出了較優(yōu)的砂帶磨削工藝參數(shù)，將該工藝參數(shù)用于鋼管鍍覆前的機(jī)械加工處理，可提高 鋼管加工質(zhì)量和加工效率，降低生產(chǎn)成本。
12Cr1MoVG是珠光體耐熱合金結(jié)構(gòu)鋼，具有較好的高溫力學(xué)性能， 冷變形時(shí)塑性高， 無回火脆性傾向，切削加性較好，焊接性尚可，一般在高溫正火及高溫回火狀態(tài)下使用； 主要用于超高壓鍋爐中工作溫度≤570—585℃的過熱器管、 介質(zhì)溫度≤570℃的管路附件 (法蘭、法蘭蓋等)，以及其他用途的鍛件(如平孔蓋、溫度計(jì)插座)[1-4]。 在對 12Cr1MoVG 合金鋼管外表面制作防腐涂層(涂油或鍍銅等)之前需要除去表面 的氧化皮和缺陷層等，并保證一定的表面粗糙度，避免應(yīng)力集中，保證其使用強(qiáng)度。
目前常用的處理方法有清洗、工具除銹、酸洗、拋丸除銹等 4 類，而拋丸除銹是最理想的 管道除銹處理方式。拋丸除銹的原理是通過大功率電機(jī)帶動葉片高速旋轉(zhuǎn)，使鋼砂、鋼 丸、鐵絲段、礦物質(zhì)等磨料高速噴射于金屬表面，在沖擊和摩擦作用下，清除金屬表面 的鐵銹及其他污染，并得到有一定精糙度的，顯露金屬本色的表面。該處理方法一方面 徹底清除了鐵銹、氧化物和污物；另一方面在磨料猛烈沖擊和摩擦力的作用下，使鋼管 達(dá)到所需要的表面粗糙度【5】。但這種表面處理方式很容易將拋丸所使用的磨料嵌入到 待加工鋼管的表面，加速了鋼管表面的電化學(xué)腐蝕，不僅成本高，而且提高鋼管表面質(zhì) 量的能力有限。
因此，急需一種既能獲得較好表面加工質(zhì)量，又能充分降低甚至消除引 起鋼管表面電化學(xué)腐蝕不利因素的機(jī)械加工前鋼管表面處理工藝。實(shí)踐證明，采用磨削工藝是明顯優(yōu)于其他機(jī)械切削工藝的一種較好的解決方案。 而砂帶磨削是一種集磨削、研磨、拋光多種功能于一體的復(fù)合加工工藝；具有磨削工件 表面質(zhì)量好，不易引入污染物，加工成本低等優(yōu)勢。砂帶磨削工藝作為與砂輪磨削同等 重要的一種現(xiàn)代精密加工方法，是鋼管修磨工藝中最有效的手段之一[6-8]。本研究通過 采用不同工藝對 12CrlMoVG合金鋼管進(jìn)行磨削試驗(yàn)， 分析磨料與工件間的交互作用機(jī)理， 討論了影響鋼管表面的磨削質(zhì)量、砂帶堵塞程度及砂帶壽命的主要因素，旨在找出一種 適合12crlMoVG合金鋼管高效、高質(zhì)的砂帶磨削加工工藝。
1 試驗(yàn)裝置及條件
本試驗(yàn)是在重慶市材料表面精密加工及成套裝備工程技術(shù)研究中心研發(fā)的 2M5015D-5B 無心外圓砂帶磨床上進(jìn)行的。2M5015D-5B 無心外圓砂帶磨床結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。 1-磨頭護(hù)罩 2-磨頭組件 3-磨頭 4-壓輪機(jī)構(gòu) 5-托輪升降機(jī)構(gòu) 6-托輪組件 5015D圖 12M 5015D-5B 無心外圓砂帶磨床結(jié)構(gòu)示意圖為了提高磨削效率和磨削質(zhì)量，該磨床共配置了 5 個(gè)浮動磨頭，每個(gè)磨頭所用的 砂帶粒度均不相同。1—5 號磨頭所用的砂帶磨料粒度依次增大，工件由右向左進(jìn)給一次 磨削完成。工件進(jìn)給采用變頻調(diào)速，以適應(yīng)各種工藝參數(shù)的選用。工件自轉(zhuǎn)并連續(xù)送進(jìn)， 配合堆料架和自動上下料架，工件多機(jī)頭連續(xù)加工，上下料架采用氣壓控制，磨削采用 恒壓力水磨方式。 采用規(guī)格為 3480mm×150 mm 的砂帶，砂帶磨料為陶瓷堆積磨料、氧化鋁磨料、鋯剛 玉磨料、 碳化硅磨料， 磨料粒度號為 P24、 P36、 P60、 P120、 P240， 分別對規(guī)格為Φ38.1mm ×9.5× 5m(外徑×壁厚×長度)的 12Cr1MoVG合金鋼管進(jìn)行恒壓力水磨。
2 試驗(yàn)方法
在進(jìn)行磨削試驗(yàn)時(shí)，首先通過單因素試驗(yàn)分析磨削過程中影響 12cr1MoVG 合金鋼管 表面質(zhì)量、砂帶堵塞程度及砂帶壽命的主要因素。然后分析不同條件下砂帶的磨損情況， 具體方法如下。
(1)改變各磨頭的砂帶線速度
v0 在各磨頭法向磨削力不變情況下， 對工件進(jìn)行磨削 加工。測量工件的表面粗糙度和工件磨削前后的質(zhì)量并計(jì)算表面材料去除量。由于 5 個(gè) 磨頭的砂帶線速度組合有多種，很難在短時(shí)間內(nèi)找出一種理想的方案。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，從多 種組合方案中篩選出以下 6 種速度組合方案(表 1)， 以求從這 6 種速度組合方案中找到一 種更加切合生產(chǎn)實(shí)際的組合方案。
(2)改變各磨頭的磨削壓力
Fn0 在磨頭砂帶線速度組合方案選定的情況下，對工件 進(jìn)行磨削加工。測量工件的表面粗糙度和工件磨削前后的質(zhì)量并計(jì)算表面材料去除量。 磨削壓力的組合方案也有多種，從中篩選出以下 6 種速度組合方案(表 2)，以求在這 6 種組合方案中找到一種更加切合生產(chǎn)實(shí)際的組合方案。
(3)改變砂帶磨料種類。
在砂帶線速度組合方案和磨削壓力組合方案選定的前提下， 分別采用碳化硅磨料砂帶、氧化鋁磨料砂帶、鋯剛玉磨料砂帶與陶瓷堆積磨料砂帶進(jìn)行 磨削試驗(yàn)，對采用不同磨料磨削的鋼管表面材料去除量和表面粗糙度進(jìn)行對比。
(4)采用多因素正交試驗(yàn)方法綜合研究砂帶粒度、 砂帶線速度和磨削壓力在磨削過程 中對砂帶堵塞程度的影響規(guī)律。
(5)砂帶壽命試驗(yàn)。在砂帶線速度組合方案、磨削壓力組合方案及砂帶磨料選定的 前提下，對 12crlMoVG 合金鋼管進(jìn)行砂帶壽命(耐用度)試驗(yàn)，觀察和分析砂帶隨時(shí)間變 化的磨損情況。
3 試驗(yàn)分析
3.1 砂帶線速度組合方案分析
砂帶線速度對鋼管表面材料去除量和表面質(zhì)量均有很大影響，合理的砂帶線速度組 合不僅能夠獲得較大的材料去除量以徹底清除氧化皮和油污，而且能夠獲得較好的表面 質(zhì)量。不同砂帶線速度組合方案下鋼管的表面材料去除量和表面粗糙度 Ra 的對比如圖 2~3 所示：圖 2 不同砂帶線速度組合方案下鋼管的表面材料去除量 圖 3 不同砂帶線速度組合方案下鋼管的表面粗糙度 從圖 2~3 可以看出，方案 6 的砂帶線速度組合是 6 種方案中最理想的。采用方案 6 不僅能夠獲得較大的鋼管表面材料去除量，而且表面質(zhì)量是最好的。因此，選擇方案 6 的砂帶線速度組合進(jìn)行磨削試驗(yàn)。
3.2 磨削壓力組合方案分析
在砂帶線速度選定的前提下，經(jīng)過試驗(yàn)，分別得出 6 種磨削壓力組合方案下 12CrlMoVG 合金鋼管砂帶磨削后鋼管的表面材料去除量和表面粗糙度 Ra 的對比。 如圖 4~5 所示。 從圖 4~5 可以看出，方案 6 的磨削壓力組合是 6 種方案中最理想的。采用方案 6 不 僅能進(jìn)一步的提高鋼管表面材料去除量，而且表面質(zhì)量也有進(jìn)一步地提高。因此，選擇 方案 6 的磨削壓力組合進(jìn)行磨削試驗(yàn)。
3.3 不同磨料砂帶磨削性能對比分析
在砂帶線速度和磨削壓力選定的情況下，對相同粒度、不同磨料砂帶磨削 12Cr1MoVG 合金鋼管的磨削效果進(jìn)行研究。 6~7 所示為不同磨料下鋼管的表面材料去除 圖 量和表面粗糙度 Ra 的對比。 從圖 6~7 中不難看出，陶瓷堆積磨料砂帶的磨削性能最好。陶瓷堆積磨料之所以具 備較高的研磨品質(zhì)及長時(shí)間的使用壽命，是由于堆積磨料具有特殊的多層磨料的構(gòu)造特 性，因此在研磨過程中，可通過不同的磨削速度實(shí)現(xiàn)自我銳利功能。堆積磨料的研磨效 果比傳統(tǒng)磨料強(qiáng) 2~3 倍，研磨時(shí)間更長，磨削效果更好。
3.4 砂帶磨削堵塞分析
在 12CrlMoVG 合金鋼管砂帶磨削試驗(yàn)過程中， 當(dāng)砂帶磨削到一定程度后出現(xiàn)較為嚴(yán) 重的堵塞現(xiàn)象時(shí)，會造成被磨削工件表面溫度急劇升高，表面質(zhì)量惡化。為了探究砂帶 磨削堵塞現(xiàn)象，本試驗(yàn)借助 Image-Pro Plus 專業(yè)圖像分析軟件，研究陶瓷堆積磨料砂帶 (粒度號為 P36)的堵塞面積百分比隨時(shí)間的變化規(guī)律，并以此作為衡量砂帶磨削堵塞程度 的評定依據(jù)[11]。 圖 8 所示為陶瓷堆積磨料砂帶 SK 840 (粒度號為 P36)的堵塞程度圖像(為便于說明， 已將圖像處理為灰度圖)。 8 中白色的亮點(diǎn)為粘附堵塞在砂帶上的 12Cr1MoVG 合金鋼磨 圖 屑，暗色部分為砂帶尚未磨損的磨粒。在 Image-Pro Plus 專業(yè)圖像分析軟件的幫助下， 經(jīng)計(jì)算后得知該圖像上的砂帶堵塞面積百分比為 70％。圖 9 砂帶堵塞面積百分比隨時(shí)間的變化規(guī)律 （陶瓷堆積料砂帶 SK840，P36，v-30m/s，水磨） 陶瓷堆積料砂帶 SK840，P36， 30m/s，水磨） 通過對試驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，可得到砂帶堵塞面積百分比隨時(shí)間的變化規(guī)律(圖 9)。
從圖 9 可以看到， 砂帶磨削初期(0~7.5min )是砂帶堵塞程度的迅速增加期； 7.5min 后 在 開始進(jìn)入堵塞穩(wěn)定期，砂帶堵塞面積百分比穩(wěn)定在 26％左右；當(dāng)磨削到 115min 后由于 堵塞嚴(yán)重，砂帶壽命完結(jié)。 造成以上現(xiàn)象的原因是： 新砂帶在磨削初期， 大量的磨粒發(fā)生頂尖破碎或整體破碎， 附著在磨粒表面的 12Cr1MoVG 合金鋼磨屑隨著磨粒的破碎而掉落，因此不會在砂帶表面 形成穩(wěn)定的堵塞層； 隨著砂帶漸漸進(jìn)入穩(wěn)定磨損期， 12Cr1MoVG 合金鋼在砂帶磨粒表面頂 尖附近形成穩(wěn)定的粘附層，這層粘附層隨著磨粒的穩(wěn)定磨損而磨掉，新的粘附層附著在 新露出的磨粒上，因此由粘附層構(gòu)成的砂帶堵塞面積基本是穩(wěn)定的。當(dāng)砂帶工作一定時(shí)間后，只有最后一層磨粒，沒有新的磨粒露出時(shí)，粘附物將會被迅速擠入砂帶容屑空間 內(nèi)并造成整個(gè)砂帶堵塞，使之無法繼續(xù)工作，此時(shí) 12Cr1MoVG 合金鋼管表面溫度急劇上 升，表面質(zhì)最惡化，砂帶壽命終結(jié)[12] 。
為了進(jìn)一步探究砂帶粒度、 砂帶線速度和磨削壓力等工藝參數(shù)在磨削過程中對砂帶 堵塞面積百分比的影響規(guī)律，采用多因素正變試驗(yàn)方法進(jìn)行綜合試驗(yàn)研究。選用陶瓷堆 積磨料砂帶(粒度號為 P36)進(jìn)行單磨頭磨削試驗(yàn)。 砂帶堵塞面積百分比隨磨料粒度、 砂帶 線速度和磨削壓力變化的位級趨勢如圖 10~12 所示。從圖 10 可以看出，隨著砂帶粒度的增大，砂帶堵塞面積百分比相應(yīng)提高，但相比 之下磨料粒度的影響并不是很大。粒度增大，容屑空間相對變小，不利于細(xì)小的磨屑排 除，造成砂帶堵塞加劇。
從圖 11 可以看出，隨著砂帶線速度的提高，砂帶堵塞面積百分比逐漸增大。砂帶 線速度增加，單位時(shí)間內(nèi)磨粒同工件接觸的次數(shù)增多，磨粒在磨削區(qū)內(nèi)的駐留時(shí)間縮短， 磨粒刃口來不及充分切入工件即與工件分離。磨粒平均切削厚度變薄，致使產(chǎn)生更加細(xì) 小的磨屑。隨著砂帶線速度的增加，磨削溫度急劇升高，細(xì)小的磨屑軟化并粘附在磨粒 表面或堵塞在容屑空間內(nèi)，加劇了砂帶堵塞程度。 從圖 12 可以看出，隨著磨削壓力的增大，砂帶堵塞面積百分比顯著增大。磨削壓 力增大，砂帶磨粒切入工件的深度增加，摩擦發(fā)熱致使溫度迅速升高，磨屑更易軟化附 著在磨粒表面，加劇了砂帶堵塞程度。 通過極差分析可知，12Cr1MoVG 合金鋼管磨削過程中砂帶堵塞程度受磨削壓力的影 響最大，磨削壓力是砂帶堵塞程度的決定性因素。
3.5 砂帶壽命分析 通過試驗(yàn)可得到 5 種不同粒度的陶瓷堆積磨料砂帶的磨損量與磨削時(shí)間的關(guān)系曲 線，如圖 13 所示。 圖 13 砂帶磨損量與磨削時(shí)間的關(guān)系曲線 （v1-30m/s，v2-30 m/s，v3-30 m/s，v4-25 m/s，v5-25 m/s；F1-900N，F(xiàn)2-900N， F3-750N，F(xiàn)4-400N，F(xiàn)5-300N；水磨） 由圖 13 可知，無論砂帶磨料的粒度大小如何，砂帶在壽命期內(nèi)的磨損過程可以分為 初期快速磨損和后期穩(wěn)定磨損兩個(gè)階段，前者以磨粒破碎磨損為主，后者以磨粒磨耗磨 損為主。陶瓷堆積磨料砂帶相對其他磨料砂帶的磨損較輕微，不僅鋼管表面材料去除量 大，而且磨削后鋼管的表面質(zhì)量也較好。
4 試驗(yàn)結(jié)果
通過進(jìn)一步試驗(yàn)研究可得砂帶磨削 12Cr1MoVG 合金鋼管較優(yōu)的工藝參數(shù)，見表 3。 該磨削工藝已被攀鋼集團(tuán)成都鋼釩有限公司金堂分公司采納并成功應(yīng)用在 ZM50150-5B 無心外圓砂帶磨床磨削 12Cr1MoVG 合金高壓鍋爐管生產(chǎn)線上，并取得了良好 的經(jīng)濟(jì)效益。
5 結(jié)論
(1)砂帶磨削 12Cr1MoVG 合金鋼管時(shí)，表面材料去除量受磨削壓力、砂帶線速度、 磨料種類及粒度等的影響較大。
(2)陶瓷堆積磨料砂帶磨削 12Cr1MoVG 合金鋼管可獲得較大的表面材料去除量和較 好的表面質(zhì)量。
(3)砂帶磨削 12Cr1MoVG 合金鋼管時(shí)，砂帶堵塞程度受多個(gè)因素的影響，且較為復(fù) 雜，其中磨削壓力對砂帶堵塞程度影響最大。
(4)砂帶磨削 12Cr1MoVG 合金鋼管時(shí)，磨平磨飩是砂帶磨粒最主耍的磨損形式。陶 瓷堆積磨料砂帶相對其他 3 種磨料砂帶磨損較緩慢，表面材料去除量大，磨削后的鋼管 表面質(zhì)量好。