修磨機磨頭振紋產(chǎn)生的原因及控制方法

劉 博

（中國寶武太鋼集團不銹冷軋廠， 山西 太原 030003）

0 引言

不銹鋼因其較高的耐蝕性及裝飾性而得到廣泛的應用，尤其在醫(yī)療用具、食品工業(yè)用具、餐具、廚房用具等方面得到普及與推廣。太鋼冷軋廠2 號修磨機組生產(chǎn)的拋光板在電梯裝飾板、地鐵車廂裝飾板、冰箱面板等方面得到了廣泛的應用。但振紋引起的表面缺陷，成了影響帶鋼表面的重要問題。結(jié)合筆者的實際經(jīng)驗探討修磨機振紋產(chǎn)生的原因，以及從設(shè)備維修方面提出對振紋的控制方法。

1 研究對象說明

太鋼不銹冷軋廠2 號修磨機組是太鋼唯一的1 臺對冷軋退火酸洗后的不銹鋼成品鋼帶進行拋光研磨的機組，可生產(chǎn)AISI NO.3 和AISI NO.4 等級表面的不銹鋼拋光板或發(fā)紋板。其主要配備開卷機，焊機，2 臺下表面磨頭，4 臺上表面磨頭，發(fā)紋機，脫脂、卷取機以及修磨油過濾器等。磨頭，是該機組的關(guān)鍵設(shè)備，由美國HILL ACME 公司生產(chǎn)。

作為拋光研磨的核心部件磨頭，就是利用砂帶的高速旋轉(zhuǎn)來修磨或拋光帶鋼表面的設(shè)備，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示，其中擺動輥、接觸輥、被壓輥垂直排列，偏導輥位于出入口側(cè)。

圖1 磨頭結(jié)構(gòu)

它的各個組成部分的功能說明如下：

1）擺動輥：在其驅(qū)動側(cè)配有一擺動氣缸，配合砂帶對中系統(tǒng)來控制擺動輥往復擺動，達到砂帶前后擺動的目的。另外，擺動輥兩端由大直徑立柱來支撐，通過其上下的運動來崩緊砂帶，通過其后部的氣缸運動來保證砂帶的張力恒定。當砂帶張力變化時，氣缸就運動，直到產(chǎn)生的砂帶張力克服了氣缸內(nèi)氣體的壓力為止，氣壓維持砂帶的張力恒定，即使由于砂帶被拉長而引起砂帶長度的變化，張力也保持不變。鋼輥規(guī)格尺寸為Φ403 mm×1 473 mm。

2）接觸輥：其高速旋轉(zhuǎn)帶動砂帶高速運動來完成對鋼帶表面的修磨。接觸輥配有驅(qū)動電機，經(jīng)過V 帶傳動接觸輥主軸，主軸帶動接觸輥旋轉(zhuǎn)。接觸輥的操作側(cè)有一個向下?lián)u擺的軸承支撐架。這個支撐架在修磨的過程中確保穩(wěn)定支撐，向下?lián)u擺用于快速更換砂帶。膠輥規(guī)格尺寸為Φ216 mm×1 422 mm。

3）被壓輥：可以平行和橫向調(diào)節(jié)，其上下運動由液壓缸來完成，其上下運動可以使鋼帶產(chǎn)生傾角張力，以貼緊砂帶。依據(jù)磨削壓力可調(diào)節(jié)被壓輥軸承座，通過伺服電機來控制。鋼輥規(guī)格尺寸為Φ203 mm×1 472 mm。

4）偏導輥：安裝在每臺修磨機的進口端與出口端，其上下運動調(diào)節(jié)可以使鋼帶產(chǎn)生0°～20°的傾角，傾角越大，帶鋼修磨程度越大，大的傾角用于修磨（如20°的傾角），而小的傾角用于拋光（如5°～10°的傾角），膠輥規(guī)格尺寸為Φ305 mm×1 370 mm。

5）砂帶自動對中系統(tǒng)：當修磨砂帶運轉(zhuǎn)時，一套氣動對中系統(tǒng)可以確保砂帶在一定控制范圍內(nèi)運動。砂帶對中系統(tǒng)是利用一個可以產(chǎn)生壓力的“氣眼盒”來檢測砂帶的邊緣，當砂帶在輥道上運轉(zhuǎn)，其邊緣通過空氣噴射管和2 個銅片之間，當砂帶位于中央時，砂帶就會擋住噴向后邊銅片的空氣，而不會擋住空氣對前面銅片的沖擊，前邊的銅片與一個常閉微動開關(guān)相聯(lián)，這個微動開關(guān)閉合，此時，微動開關(guān)發(fā)出一個信號使一個氣動電磁換向閥換向，使壓縮空氣進入擺動輥后部的氣缸內(nèi)，氣缸運動使擺動輥向后擺動，這樣砂帶就會向后運動，重新對中；一旦砂帶又重新對中，此時常閉微動開關(guān)又打開，電磁閥不動作，一個彈簧機構(gòu)使托輥的后部復位，氣缸回到中間位置；如果砂帶向后運功，空氣噴射到后邊銅片，使常閉微動開關(guān)閉合，使氣動電磁換向閥換向，氣缸運動使擺動輥向前擺動，從而確保砂帶在一定控制范圍內(nèi)運動。

2 振紋產(chǎn)生的原因

因為拋光板多用于一些裝飾面板上，所以表面的缺陷對于鋼板來說就成了致命缺陷。振紋，就是帶鋼表面出現(xiàn)一種明暗相間、與帶鋼運動方向垂直的條紋，是由板面振波由于對光的不同反射角度而引起的一種視覺現(xiàn)象[1]。

振紋的產(chǎn)生就是由于設(shè)備的振動，通過與鋼板接觸的接觸輥傳導到鋼板表面，從而產(chǎn)生明暗相間的視覺效果。所以想要控制振紋，就是要控制設(shè)備的振動。但是由于磨頭部分，包含機械、電氣、液壓和控制等多個組成部分的復雜系統(tǒng)，凡是能對系統(tǒng)造成沖擊或引起作用力變化的因素都可能導致振動的發(fā)生[2-3]。

3 振動排查和控制方法

振動源的查找利用排除法來完成。具體分為以下幾個步驟：

1）降低機組運行的線速度，如果振動有改善，說明被壓輥出現(xiàn)故障，可檢查輥子軸承是否良好、輥子平直度、輥軸兩端同軸度等。經(jīng)長期的觀察，這種故障情況很少，并且可以通過換輥馬上排除故障。

2）單機空載旋轉(zhuǎn)時，可通過拆下砂帶比較振動情況，如果振動有改善，基本可以肯定是由于擺動輥故障產(chǎn)生的，可主要檢查以下幾個方面：一是擺動輥本體有故障的前提下，可檢查軸承是否良好。更換軸承或者更換輥子即可排除故障。二是修磨油進入輥筒內(nèi)，擺動輥高速旋轉(zhuǎn)時，由于油液產(chǎn)生的附加離心力破壞了輥子平衡，會造成振動。這種故障均是由于輥子軸頭油封損壞造成的，排出輥體中的油液，更換密封即可排除故障。三是擺動輥的升降是為了保證砂帶的張力恒定，如果張力不恒定，也會帶來振動。如圖2所示，擺動輥A 是由氣缸B 拉動齒條，由齒條驅(qū)動齒輪，再由齒輪驅(qū)動擺動輥兩端帶有齒條結(jié)構(gòu)的立柱來實現(xiàn)升降的。所以想要保持張力恒定，必須保證氣缸無泄漏，并且氣源壓力穩(wěn)定。另外，還要檢查機械結(jié)構(gòu)傳動無卡阻。四是砂帶自動對中時，擺動輥擺動沖擊過大，造成振動。擺動輥的擺動是由一個裝在擺動輥驅(qū)動側(cè)的單作用氣缸與彈簧的結(jié)構(gòu)來完成擺動的。這時可調(diào)整氣缸節(jié)流閥，降低擺動的換向速度，以達到減小沖擊、減輕振動的目的。

圖2 擺動輥結(jié)構(gòu)

3）單機空載旋轉(zhuǎn)時，通過拆下砂帶比較振動情況，如果振動沒有改善，可判斷是接觸輥故障產(chǎn)生的，可主要檢查以下幾個方面：一是如圖3 所示，接觸輥與主軸的連接是靠輥端的錐頭與主軸端的錐母緊密配合，才能使輥子與主軸同軸。如果同軸情況稍有偏差，在高速運轉(zhuǎn)中就會引起振動。所以錐體部分必須為50 號的7∶24 錐度體，并且錐度體結(jié)合面要有較小的粗糙度、較高的硬度。在每次更換接觸輥前都應該用標準環(huán)規(guī)檢查接觸輥錐頭錐度，用干凈的布子擦拭外錐面，用風管吹掃主軸內(nèi)錐母，保證無磨屑黏附后方可安裝。二是螺栓要有足夠的預緊力。足夠的預緊力，也是為了輥子和主軸的錐度體有緊密的配合，從而防止振動的產(chǎn)生。三是接觸輥操作側(cè)軸承型號是NU312ECM，NU 型號軸承是內(nèi)圈無擋邊滾子軸承，軸承滾動體可以相對于軸承內(nèi)套在軸向方向移動。這樣要求軸承內(nèi)套必須是過盈配合，安裝需熱裝，保證在運轉(zhuǎn)時軸承內(nèi)套與輥軸無相對運動。該軸承為油霧潤滑，必須保證潤滑可靠，可通過觀察透明的油霧潤管道中油霧的流動情況，來判斷潤滑量是否足夠。四是如圖4 所示接觸輥操作側(cè)軸承座與外側(cè)支撐必須同為60 號的7∶24 錐度體且螺栓鎖定可靠。五是傳動皮帶恰當?shù)膹埦o力，能夠起到過載保護和隔絕主電機振動的作用。在修磨機拋光作業(yè)時，磨削力相對較小，可以適度減小張緊力。六是主軸操作側(cè)的徑向圓跳動必須控制在0.03～0.05 mm 之間，傳動側(cè)的徑向圓跳動必須控制在0.10～0.15 mm 之間。這是由于前端軸承（7222）為兩盤背靠背安裝的角接觸軸承，可以用絲圈調(diào)整微量游隙。但后端軸承（N319）為外圈無擋邊的滾子軸承，該軸承游隙略大，且不能調(diào)整。如果跳動量超過控制范圍要求，需要拆下主軸軸承箱，檢查軸及軸承有無磨損等的失效形式。軸承損壞，需一次性全部更換4 盤軸承，不能只更換失效軸承。主軸磨損，一般在前端軸承內(nèi)圈處，可使用熱輻射影響較小的激光焊堆焊，然后再磨削至原始尺寸，安裝后基本可以滿足圓跳動需求。

圖3 接觸輥結(jié)構(gòu)

圖4 接觸輥潤滑部位結(jié)構(gòu)

4）其他方面：同樣為了隔絕振動，可以選用輥面為邵氏硬度55、接觸面為寬10 mm×10 mm、傾角45°的接觸輥。并在1 800 r/min 轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)動平衡；鋼帶穩(wěn)定的張力，可以減少振動的產(chǎn)生；修磨油的噴射壓力穩(wěn)定，噴射均勻。良好的潤滑也可以減少振動的產(chǎn)生；接觸輥主動電機需要有較好的動平衡，較小的振動；為了提高軸承箱的裝配精度，裝配需采用定向裝配的方法，可參考車床主軸的裝配；軸承箱的軸承選用，需P5 及以上精度等級軸承。

4 對設(shè)備的改進

1）因為原有螺栓預緊力不足，操作工經(jīng)常發(fā)現(xiàn)有振紋產(chǎn)生，這樣就需要重新緊固螺栓。針對這一設(shè)備的不足，研發(fā)人員設(shè)計了“修磨接觸輥鎖定裝置”，如圖5 所示。該設(shè)計選用M24×1215 的雙頭螺柱，M24×2RH 的液壓螺母（amtec H-9405）。利用液壓螺母+雙頭螺柱替代原有螺栓，用液壓頂力替代了傳統(tǒng)的扭力螺紋鎖緊，受力壓環(huán)產(chǎn)生軸向的頂緊力，實現(xiàn)了無耗件、低維護。另外，為減少高速運轉(zhuǎn)下液壓螺母自身帶來的跳動，在距離液壓螺母約20 mm 處專門設(shè)計一個8 mm 寬凸起的小臺階，與軸承箱主軸孔緊密配合，在如此短距離下，由于液壓螺母的壓力很大，即使在高速運轉(zhuǎn)下也可以讓液壓螺母與雙頭螺柱、軸承箱處于相對靜止狀態(tài)，最大限度地減少因自身重量造成的振動。此裝置使接觸輥錐面與軸承箱主軸錐面配合更緊密，穩(wěn)定性更高，解決了原先由于螺栓松動而引起的兩錐度配合軸線不共線的問題，使振動得到了有效控制。此裝置已經(jīng)在太鋼不銹冷軋廠2 號修磨機組的6 臺磨頭上安裝使用，使用后證明此裝置安全可靠，同時縮短了勞動時間，提高了產(chǎn)品質(zhì)量和成材率。此裝置已于2013 年3 月獲得專利——《修磨接觸輥鎖定裝置》（專利號：ZL201220398675.2）。

圖5 改進后的接觸輥裝置結(jié)構(gòu)

2）如圖6 所示，接觸輥的操作側(cè)有一個向下?lián)u擺的軸承支撐架。這個支撐架在修磨的過程中可以確保穩(wěn)定支撐，向下?lián)u擺用于快速更換砂帶。支撐架經(jīng)常需要拆裝，螺栓使用頻繁，使接觸輥軸承座的螺栓孔“脫扣”。針對這一問題，研發(fā)人員對軸承座端蓋進行了改造：如圖6 所示，用鑲套法對原有端蓋進行了改造，在原有端蓋M24 孔位上擴孔后攻一個M48 的內(nèi)絲。再另外加工一個內(nèi)絲為M24、外絲為M48 的高強度絲套。然后把絲套旋入端蓋，增加了絲扣的強度，加大了端蓋承受扭力，這樣端蓋螺栓就不會輕易產(chǎn)生松動，外支撐架能夠與軸承座緊密配合，減少了振動。本方案已經(jīng)在太鋼不銹鋼冷軋廠2 號修磨機組6 臺磨頭上投入使用，經(jīng)過歷時28 個月實際運行，使用情況正常良好。

圖6 軸承支撐架

3）原有擺動輥的擺動缸為單作用缸，回程靠彈簧復位。復位時擺動沖擊過大，會帶來額外的振動沖擊，并且彈簧頻繁壓縮，經(jīng)常需要更換，頻繁地造成停車，嚴重影響了機組的生產(chǎn)效率。針對這一問題，研發(fā)人員設(shè)計了“修磨機擺動輥的驅(qū)動裝置”，如圖7 所示。利用現(xiàn)有的安裝位置，制作支架和撥頭，把風缸1 安裝在擺動輥支撐座上方，利用原有風缸2推出，用風缸1 代替原有彈簧復位，實現(xiàn)純氣動控制，取消了原有的彈簧，實現(xiàn)了無耗件、低維護。另外，在兩個風缸的入口處增加了節(jié)流閥，可以方便地控制換向速度，減小了換向沖擊，降低了產(chǎn)生振動的可能。此裝置已經(jīng)在太鋼不銹冷軋廠2 號修磨機組的6 臺磨頭上安裝使用，經(jīng)過使用后驗證了此裝置安全可靠，同時能夠縮短勞動時間，明顯提高產(chǎn)品質(zhì)量和成材率。

5 結(jié)論

通過長期觀察、研究、試驗，總結(jié)出了一套查找振紋和控制振紋的方法，并把此方法推廣使用以后，經(jīng)過了實際運行效果驗證，表明該方法可靠有效，減小了振動，降低了振紋產(chǎn)生，滿足了冷軋廠2 號修磨機對拋光板生產(chǎn)的要求。主要的研究結(jié)論如下：

1）控制振紋，就是要控制設(shè)備的振動。

2）控制接觸輥的振動尤為關(guān)鍵。

3）日常維護時要注意每一個細節(jié)，每一個小的問題都有可能匯集成大問題。