轧辊粗糙度保持能力试验机的研制

杨金刚 田 奕 王金龙

(1．中钢集团邢台机械轧辊有限公司技术中心，河北054000；2．邢台轧辊机电工程有限公司，河北054000；3．轧辊复合材料国家重点实验室，河北054000)

冷轧工作辊在轧制过程中，一方面使轧材发生塑性变形减薄；一方面将本身的表面形貌印刷在轧材上。在轧材发生变形时，轧辊与轧材之间发生前滑和后滑，运动速度不一致而发生摩擦磨损。随着轧制距离的增加，轧辊表面变得逐渐光滑，表面粗糙度逐渐下降。当表面粗糙度下降到一定程度时，必须重新修磨辊面，否则会造成轧材表面过于光滑，不能满足后期表面处理工艺的要求，甚至造成产品报废和轧辊的非正常失效。因此冷轧工作辊在轧制过程中的粗糙度保持能力是评价其使用性能的一个重要指标。对于新研发的新材质新工艺的工作辊，采用实物现场验证实测的方法获得粗糙度保持能力的数据，周期长，成本高。因此迫切需要建立一种试验室内评价各种材质工作辊粗糙度保持能力的检测方法和评定依据。

为了能在试验室内得到与实际轧制趋势相近的试验结果，尝试在JPM-1接触疲劳磨损试验机上在10%滑差率和机油润滑介质下进行试验，虽然粗糙度数值降低，但摩擦磨损轻微，试验周期相当长。而后，又在MM-200磨损试验机上采用环环磨损的方式，在10%滑差率和水润滑下进行试验。在能够接受的时间内粗糙度明显降低，但该试验方式对试样的加工精度和试验机的装配精度要求很高，尺寸公差和形位公差见图1。当尺寸精度和装配精度无法满足要求时会导致试样环向上磨损不均匀，导致测量数据波动增大。因此试样的加工费用和加工周期制约试验的进行。

图1 MM-200磨损试验机试样要求Figure 1 Sample requirements of MM-200 wear testing machine

基于上述原因，研制了一种专门用于轧辊表面粗糙度保持能力测试的摩擦磨损试验机，试验力、转速、润滑介质等试验参数调节范围大，具有试样制取方便，装卡定位快捷，精度高，磨损均匀，一根试样进行多点试验的优点。

1 试验机的设计

1.1 试验原理

冷轧工作辊材质试样为长圆棒状，圆柱区为试验区，两端为圆锥面，为定位夹持区。试验时只需将试样放在试验机的两端锥孔中夹紧，即实现精确定位，试样两端的径向跳动均优于0.02 mm，因而整个试验区的形位公差均有保证，可确保整个试验环带的磨损均匀性。试样外圆热处理后磨削加工到要求的表面粗糙度。陪试样采用低碳钢或其它材质，以一定的试验力和转速与试样进行滑动摩擦磨损，试样沿轴向不同部位的摩擦行程逐渐增大。整个外圆面试验完后，检测不同摩擦行程的粗糙度变化，绘制摩擦行程-粗糙度曲线，进行函数拟合，得到粗糙度降落的特性参数。粗糙度保持能力试验机原理图如图2所示。

图2 粗糙度保持能力试验机原理图Figure 2 Principle of testing machinefor roughness holding capacity

1.2 机械部分

为达到要求的试验目的，试验机主机的机械部分按功能分试样旋转机构、陪试样加载机构、陪试样的轴向位移机构、摩擦润滑机构四个部分。伺服电机驱动夹持固定在轴承座和尾座上的试样按设定速度旋转，加载砝码通过绳轮驱动齿条向前推动陪试样与试样顶紧接触。旋转双向滑座上的手轮实现陪试样在试样的不同轴向位置与其进行摩擦磨损试验，见图3。

(a)俯视图(b)后视图1—试验机基座 2—伺服电机 3—联轴器 4—扭矩传感器5—组合轴承座 6—试样 7—组合尾座 8—陪试样9—陪试样导向装置 10—陪试样夹持装置 11—加载齿条12—双向滑座 13—加载齿轮 14—加载轴承座15—加载绳轮 16—砝码 17—喷淋管18—回液盘 19—喷淋泵 20—储液槽图3 试验机示意图Figure 3 Testing machine

1.2.1 试样旋转机构

旋转机构由伺服电机、联轴器、扭矩传感器、组合轴承座、组合尾座组成。为满足试验过程中不同转速的需要，选择转速0～1200 rmin，额定转矩为7.16 N·m的伺服电机。扭矩传感器的最大扭矩为10 N·m。组成尾座的轴向伸缩行程为100 mm。试验采用中心直径∅30 mm、平行部分长度80～180 mm的试样，试样两端为锥面，分别与组合轴承座轴和组合尾座轴的锥孔配合。旋转尾座后部手柄旋出尾座轴，顶紧试样，确保试样整个长度方向上的跳动小于0.02 mm。试样传动端线切割加工扁面，组合轴承座轴上安装扭矩传递环，带动试样同步旋转，不与传动轴发生相对滑动。

1.2.2 陪试样加载机构

采用重力砝码加载的方式，砝码通过绳轮、加载轴承座、加载齿轮、加载齿条将重力放大10倍后施加到陪试样上，陪试样穿过导向装置与试样接触。确保陪试样的磨损量很大时，施加的试验力始终恒定。通过增减砝码实现不同试验力的增减，最大试验力以保证伺服电机不发生堵转为准。陪磨样横截面10 mm×10 mm，长度范围40～200 mm。陪磨样的横截面与试样配合，预制R15 mm圆弧面。

1.2.3 陪试样的轴向位移机构

将加载机构安装在X-Y双向滑座上，旋转X方向的手轮，拖动加载机构沿试样轴向平移，实现试样不同轴向部位的摩擦磨损。

1.2.4 摩擦润滑机构

液下泵将供液箱中的润滑冷却介质喷淋到摩擦区域提供冷却和润滑，试样上方有防溅挡水罩，下方有回液盘，挡水罩安装在加载机构上，随着轴向移动。回液盘内采用磁铁和滤布将磨损产物吸附过滤。润滑介质可选取水、乳化液、轧制油等。

1.3 测控系统

采用集成的测控软件对试验参数、试验动作、过程数据进行设置、控制和采集。试验前根据试验要求对转速、转数、冷却介质类型、试验力、采集周期及试样号参数进行设定，设定完成后按下启动，伺服电机和液下泵开始工作，润滑液喷淋到试样上后，松开砝码托盘，开始加载。设备按设定参数运转，扭矩、转速、累积旋转圈数参数实时显示在显示器上，后台记录数据，到达设定转数后设备自动停止，保存数据后，可按试样号进行历史数据查询，进行数据比对。

2 试验及分析

2.1 试验材料

采用Cr3材质和Cr5材质的冷轧辊的辊颈切片，加工成圆棒后分别淬火+低温回火热处理，硬度达到63HRC以上，加工成试样，最后磨削表面，粗糙度目标值控制在Ra1.0～1.2 μm，陪试样采用45钢，经淬火+中温回火，硬度为40HRC。

2.2 试验方法

试验在自制的粗糙度保持能力试验机上进行，试样直径∅30 mm，平行部分150 mm，陪试样10 mm×10 mm×200 mm，试样转速300 rmin，试验力980 N。润滑介质为纯净水。每运转6000 r(摩擦行程为565.2 m)为一个试验周期，试样轴向每15 mm递增一个试验周期。每个试验部位圆周方向均匀分布检测8点粗糙度数据，记录试验后粗糙度的变化，见表1。

表1 Cr3和Cr5材质冷轧辊表面粗糙度Table 1 Surface roughness of cold rollers with Cr3 and Cr5 materials

2.3 试验结果分析

试样表面原来磨削产生的磨痕凸峰处逐渐磨平。到后期，凹痕也逐渐减少。

采用y=A1exp(-xt1)+y0函数对粗糙度降落情况进行拟合，当x为0时，y=A1+y0表示试验前的原始表面粗糙度，当x→∞时，y=y0表示经长期摩擦磨损后，表面粗糙度达到的最终稳定值。t1为粗糙度降落速率。图5为表面粗糙度降落曲线，表2为表面粗糙度拟合结果。从拟合结果看，y0(Cr3)=0.48906，y0(Cr5)=0.48641；t1(Cr3)=1.55338，t1(Cr5)=2.5466。说明两种材质的最终稳定值非常接近，但Cr5材质较Cr3材质的粗糙度降落慢。

表2 粗糙度降落函数拟合结果Table 2 Fitting results of roughness landing functions

图5 粗糙度降落曲线Figure 5 Roughness landing curves

3 结论

根据冷轧辊粗糙度在摩擦磨损中降落的特性，自主研制了专用的轧辊粗糙度保持能力试验机。该试验机具有样品制取方便，摩擦磨损均匀，试验参数大范围可调节的特点。对两种冷轧辊材质进行初步的粗糙度保持能力模拟试验，得到有规律的粗糙度降落曲线。

不同摩擦行程的粗糙度形貌可以同时存在于一个试样上，为后期进行组织、形貌的微观分析创造了便利条件。