鋼廠冷床托輥軸裝配制造工藝的優(yōu)化

謝 龍，張琪鋒，曾祥泉

（江西新鋼機(jī)械制造有限責(zé)任公司，江西新余 338004）

0 引言

冷床在冶金鋼鐵行業(yè)中是種專用冷卻設(shè)備，用來冷卻熱軋、熱處理后的板材。板材軋制后或某些特殊板材，為了提高產(chǎn)品的機(jī)械性能，需對板材進(jìn)行回火、正火、淬火等熱處理。通常在軋制或熱處理后板材表面均保持較高溫度，通常有700 ℃甚至更高。為了降低工作環(huán)境溫度，防止板材在后續(xù)剪切工序出現(xiàn)藍(lán)邊現(xiàn)象，保證板材正常機(jī)械性能，需要將板材進(jìn)行冷卻，一般冷卻至300 ℃以下，此工序一般在冷床上進(jìn)行。

冷床在軋制工藝流程中，一般布置在軋機(jī)或加熱爐后。全套設(shè)備由冷床輸入輥道、冷床上料裝置、冷床本體、冷床下料裝置、冷床輸出輥道等組成。在冷床全套設(shè)備中，尤以冷床本體最為重要，它是直接將板材進(jìn)行冷卻的承載設(shè)備。輥盤式冷床因其結(jié)構(gòu)緊湊、工藝性能好、制造維修方便，廣泛應(yīng)用在軋制板材車間內(nèi)。

1 冷床改造內(nèi)容

某鋼鐵廠技改中板3 m 改造項目中就增加二項熱處理冷床項目，其中一處布置在軋機(jī)、矯直機(jī)后，冷床尺寸為39.8 m×36.5 m，另一處布置在正火爐后，冷床尺寸為11 m×28 m。某公司承制的冷體本體主要包含10 種共576 根長度4～6 m 的托輥軸，2 種規(guī)格3926 件滾盤、托盤，6 種2974 件套筒等組成。冷床本體總重約1165 t，本體零件結(jié)構(gòu)十分繁雜，數(shù)量及種類多，原材料涉及到圓鋼、鋼管、鑄件、鍛件等各種類型原材料，加工方法涉及到車、銑、刨、磨、鏜、鉆等各種加工方法。因工期緊任務(wù)重，如果按常規(guī)的工藝組織安排生產(chǎn)，其難度相當(dāng)大。因此合理安排工藝，優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)對設(shè)備的按時完成就顯得極為關(guān)鍵。冷床項目由鋼鐵設(shè)計院設(shè)計，通過工藝分析發(fā)現(xiàn)在制造過程中存在以下加工難點：

（1）冷床托輥軸長度規(guī)格多，數(shù)量多，設(shè)計要求托輥軸直徑在全長上均保證h7 級精度，表面粗糙度要求在Ra3.2 μm 以上（圖1）；4 種托輥軸共193 件，已超出公司C6110 車床的5 m 加工范圍；工件長度與直徑之比L/D 在30～45，屬細(xì)長軸加工范疇，加工過程中極易出現(xiàn)變形，難以達(dá)到圖紙的圓柱度要求。

圖1 冷床托輥軸

（2）托輥軸上安裝滾盤的結(jié)構(gòu)形式由3 種鍵組成，最后一件平鍵的長度需要現(xiàn)場配制，之后用手電鉆在長軸上鉆孔，用鍵將滾盤固定在長軸上，結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜，裝配困難（圖2）。

圖2 滾盤鍵安裝

（3）長軸熱處理變形難以控制。

（4）套筒（Φ168 mm×3.5 mm）上避讓托輥軸上鍵的槽加工尺寸太大，屬于薄壁件加工范疇，加工難度較大；套筒用6 件M16×45 mm 螺栓頂住長軸，防止長軸轉(zhuǎn)動時套筒因碰撞托輥軸而發(fā)出噪聲（圖3）。

圖3 套筒安裝

2 工藝措施

針對上述加工難點，認(rèn)真分析產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、裝配形式，從保證冷床功能出發(fā)，找出最優(yōu)化、最合理的結(jié)構(gòu)形式，方便加工、提高效率，確定合理的加工工藝，確保冷床本體制作順利完成。

2.1 降低托輥軸非配合面的加工要求

通過結(jié)構(gòu)分析，發(fā)現(xiàn)托輥軸上僅每隔1 m 裝配一處滾盤，其余各處并無裝配要求，因此為降低加工、裝配難度，僅保留裝配處的Φ140 mm（h7）及表面粗糙度Ra3.2 μm 要求，而不裝配處尺寸精度和表面粗糙度要求降低，縮短車削加工時間，降低滾盤安裝難度，提高工作效率（圖4）。此項改進(jìn)后，長托輥軸車削加工時間由16 h降為7 h，提高工效128%。

圖4 冷床托輥軸改進(jìn)

2.2 改進(jìn)工裝和工藝

因托輥軸外圓車削工序集中在2 臺C6110 和1 臺C6180 上，為擴(kuò)大可利用設(shè)備數(shù)量，將2 臺C630 導(dǎo)軌對接，重新灌漿，校平導(dǎo)軌，重新利用加工能力受限的C630 車床。而對C6110 車床，制作了1件2 m 的對接導(dǎo)軌，將C6110 車床加工能力延伸到7 m，解決了設(shè)備無法加工4 種托輥軸的難題。

細(xì)長軸加工變形是金屬加工中較難處理的工藝問題，為提高加工質(zhì)量，采取以下加工措施：①改進(jìn)工件裝夾并反向進(jìn)給；②使用三爪跟刀架；③增大車刀主偏角，減少徑向切削分力；④加工前對彎曲變形嚴(yán)重的托輥軸進(jìn)行矯直。

2.3 改進(jìn)滾盤裝配結(jié)構(gòu)

原設(shè)計托輥軸上滾盤安裝方式復(fù)雜：軸上鍵槽加工長度343 mm，滾盤軸向通過最后裝配的鍵配做鍵長后鉆孔，用緊定螺釘定位（圖2）。為減輕裝配強(qiáng)度，提高托輥軸鍵槽銑削及裝配效率，改進(jìn)輥盤安裝形式，鍵槽長度由343 mm 降為180 mm，滾盤軸向通過平鍵與鍵槽緊配合，并焊接擋塊定位，鍵數(shù)量由3件減少為2 件（圖5）。原設(shè)計用斜鍵斜面?zhèn)鬟f轉(zhuǎn)矩，現(xiàn)改為用平鍵二側(cè)面和楔鍵斜面?zhèn)鬟f轉(zhuǎn)矩，改進(jìn)后的聯(lián)接原理比原設(shè)計更合理。經(jīng)此項改進(jìn)后，每件鍵槽銑削時間由0.5 h 下降為0.2 h，提高效率150%；每件滾盤安裝時間由0.3 h 下降為0.1 h，效率提高200%，每套滾盤用鍵費用降低費用150%。

圖5 滾盤鍵安裝改進(jìn)

2.4 改進(jìn)托輥軸毛坯選型

根據(jù)GB/T 702—2017《熱軋鋼棒尺寸、外形、重量及允許偏差》45#圓鋼鍛材最高精度組別第一組規(guī)定，在每米內(nèi)彎曲度在2.5 mm 內(nèi)，托輥軸加工余量至少在15 mm 以上，因而托輥軸毛坯直徑至少要選Φ155 mm。為提高經(jīng)濟(jì)效益，托輥軸并不是在全長上均有裝配要求，因而將托輥軸毛坯直徑選定在Φ150 mm。經(jīng)此項改進(jìn)后，材料由Φ155 mm 改為Φ150 mm，可節(jié)省材料30.1 t。

2.5 改進(jìn)托輥軸熱處理工藝

根據(jù)中國機(jī)械工程學(xué)會熱處理分會主編的《熱處理節(jié)能技術(shù)》所闡述的理論和實際試驗結(jié)果，直徑Φ140 mm 的45#鋼長軸進(jìn)行調(diào)質(zhì)并不比正火更優(yōu)越，其抗拉強(qiáng)度僅由640 MPa 降為600 MPa，下降約6.25%，屈服強(qiáng)度由385 MPa 降為355 MPa，下降約7.8%。根據(jù)第三強(qiáng)度理論校核，其強(qiáng)度安全系數(shù)由29.2下降為26.8，僅下降7.5%，仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于常規(guī)安全系數(shù)要求。因此將原定的加工工藝“粗車—調(diào)質(zhì)—精車”調(diào)整為“正火—精車”，以減少加工變形。根據(jù)工件的體積與表面積之比（V/A）選擇合理的加熱時間而省去多余的保溫時間，由原調(diào)質(zhì)所需8 h下降為正火所需2.5 h，提高工效220%。經(jīng)此項改進(jìn)后，材料由Φ155 mm 改為Φ150 mm，熱處理時間由1152 h 下降為360 h，按300 kW 井式爐計算，可節(jié)省能耗237 600 kW·h。

2.6 改進(jìn)套筒結(jié)構(gòu)

原設(shè)計托輥軸上鍵槽長度為343 mm，為保護(hù)托輥軸不受板材熱應(yīng)力影響而設(shè)置的套筒上，必需開出長220 mm 的讓位槽。套筒規(guī)格為Φ168 mm×3.5 mm，由于讓位槽太長，所需沖壓力超過公司現(xiàn)有沖床能力，只能在銑床上加工，效率低。而將托輥軸上鍵槽變?yōu)?80 mm 后，套筒上的讓位槽相應(yīng)變?yōu)?0 mm，就可以利用現(xiàn)有沖床直接沖壓加工，減少材料和加工費用（圖6）。經(jīng)此項改進(jìn)后，每件套筒節(jié)省加工讓位槽和孔時間1.5 h，節(jié)省6 套聯(lián)接螺栓。

圖6 套筒改進(jìn)

3 改造成果

通過上述工藝優(yōu)化，冷床本體制作質(zhì)量和工期有明顯提高，中板冷床本體項目在工期內(nèi)順利制作完成，一直正常運行，為技改中板改造項目提供了設(shè)備保障。冷床本體項目的順利完成，推動公司業(yè)務(wù)量的提升，對承制相同類型產(chǎn)品提供了寶貴的制作經(jīng)驗。公司在后續(xù)又為厚板廠承制了1#～4#同類型冷床共1500余噸產(chǎn)品，再次降本增效，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。