钢厂冷床托辊轴装配制造工艺的优化

谢 龙，张琪锋，曾祥泉

（江西新钢机械制造有限责任公司，江西新余 338004）

0 引言

冷床在冶金钢铁行业中是种专用冷却设备，用来冷却热轧、热处理后的板材。板材轧制后或某些特殊板材，为了提高产品的机械性能，需对板材进行回火、正火、淬火等热处理。通常在轧制或热处理后板材表面均保持较高温度，通常有700 ℃甚至更高。为了降低工作环境温度，防止板材在后续剪切工序出现蓝边现象，保证板材正常机械性能，需要将板材进行冷却，一般冷却至300 ℃以下，此工序一般在冷床上进行。

冷床在轧制工艺流程中，一般布置在轧机或加热炉后。全套设备由冷床输入辊道、冷床上料装置、冷床本体、冷床下料装置、冷床输出辊道等组成。在冷床全套设备中，尤以冷床本体最为重要，它是直接将板材进行冷却的承载设备。辊盘式冷床因其结构紧凑、工艺性能好、制造维修方便，广泛应用在轧制板材车间内。

1 冷床改造内容

某钢铁厂技改中板3 m 改造项目中就增加二项热处理冷床项目，其中一处布置在轧机、矫直机后，冷床尺寸为39.8 m×36.5 m，另一处布置在正火炉后，冷床尺寸为11 m×28 m。某公司承制的冷体本体主要包含10 种共576 根长度4～6 m 的托辊轴，2 种规格3926 件滚盘、托盘，6 种2974 件套筒等组成。冷床本体总重约1165 t，本体零件结构十分繁杂，数量及种类多，原材料涉及到圆钢、钢管、铸件、锻件等各种类型原材料，加工方法涉及到车、铣、刨、磨、镗、钻等各种加工方法。因工期紧任务重，如果按常规的工艺组织安排生产，其难度相当大。因此合理安排工艺，优化产品结构对设备的按时完成就显得极为关键。冷床项目由钢铁设计院设计，通过工艺分析发现在制造过程中存在以下加工难点：

（1）冷床托辊轴长度规格多，数量多，设计要求托辊轴直径在全长上均保证h7 级精度，表面粗糙度要求在Ra3.2 μm 以上（图1）；4 种托辊轴共193 件，已超出公司C6110 车床的5 m 加工范围；工件长度与直径之比L/D 在30～45，属细长轴加工范畴，加工过程中极易出现变形，难以达到图纸的圆柱度要求。

图1 冷床托辊轴

（2）托辊轴上安装滚盘的结构形式由3 种键组成，最后一件平键的长度需要现场配制，之后用手电钻在长轴上钻孔，用键将滚盘固定在长轴上，结构形式复杂，装配困难（图2）。

图2 滚盘键安装

（3）长轴热处理变形难以控制。

（4）套筒（Φ168 mm×3.5 mm）上避让托辊轴上键的槽加工尺寸太大，属于薄壁件加工范畴，加工难度较大；套筒用6 件M16×45 mm 螺栓顶住长轴，防止长轴转动时套筒因碰撞托辊轴而发出噪声（图3）。

图3 套筒安装

2 工艺措施

针对上述加工难点，认真分析产品结构、装配形式，从保证冷床功能出发，找出最优化、最合理的结构形式，方便加工、提高效率，确定合理的加工工艺，确保冷床本体制作顺利完成。

2.1 降低托辊轴非配合面的加工要求

通过结构分析，发现托辊轴上仅每隔1 m 装配一处滚盘，其余各处并无装配要求，因此为降低加工、装配难度，仅保留装配处的Φ140 mm（h7）及表面粗糙度Ra3.2 μm 要求，而不装配处尺寸精度和表面粗糙度要求降低，缩短车削加工时间，降低滚盘安装难度，提高工作效率（图4）。此项改进后，长托辊轴车削加工时间由16 h降为7 h，提高工效128%。

图4 冷床托辊轴改进

2.2 改进工装和工艺

因托辊轴外圆车削工序集中在2 台C6110 和1 台C6180 上，为扩大可利用设备数量，将2 台C630 导轨对接，重新灌浆，校平导轨，重新利用加工能力受限的C630 车床。而对C6110 车床，制作了1件2 m 的对接导轨，将C6110 车床加工能力延伸到7 m，解决了设备无法加工4 种托辊轴的难题。

细长轴加工变形是金属加工中较难处理的工艺问题，为提高加工质量，采取以下加工措施：①改进工件装夹并反向进给；②使用三爪跟刀架；③增大车刀主偏角，减少径向切削分力；④加工前对弯曲变形严重的托辊轴进行矫直。

2.3 改进滚盘装配结构

原设计托辊轴上滚盘安装方式复杂：轴上键槽加工长度343 mm，滚盘轴向通过最后装配的键配做键长后钻孔，用紧定螺钉定位（图2）。为减轻装配强度，提高托辊轴键槽铣削及装配效率，改进辊盘安装形式，键槽长度由343 mm 降为180 mm，滚盘轴向通过平键与键槽紧配合，并焊接挡块定位，键数量由3件减少为2 件（图5）。原设计用斜键斜面传递转矩，现改为用平键二侧面和楔键斜面传递转矩，改进后的联接原理比原设计更合理。经此项改进后，每件键槽铣削时间由0.5 h 下降为0.2 h，提高效率150%；每件滚盘安装时间由0.3 h 下降为0.1 h，效率提高200%，每套滚盘用键费用降低费用150%。

图5 滚盘键安装改进

2.4 改进托辊轴毛坯选型

根据GB/T 702—2017《热轧钢棒尺寸、外形、重量及允许偏差》45#圆钢锻材最高精度组别第一组规定，在每米内弯曲度在2.5 mm 内，托辊轴加工余量至少在15 mm 以上，因而托辊轴毛坯直径至少要选Φ155 mm。为提高经济效益，托辊轴并不是在全长上均有装配要求，因而将托辊轴毛坯直径选定在Φ150 mm。经此项改进后，材料由Φ155 mm 改为Φ150 mm，可节省材料30.1 t。

2.5 改进托辊轴热处理工艺

根据中国机械工程学会热处理分会主编的《热处理节能技术》所阐述的理论和实际试验结果，直径Φ140 mm 的45#钢长轴进行调质并不比正火更优越，其抗拉强度仅由640 MPa 降为600 MPa，下降约6.25%，屈服强度由385 MPa 降为355 MPa，下降约7.8%。根据第三强度理论校核，其强度安全系数由29.2下降为26.8，仅下降7.5%，仍远远大于常规安全系数要求。因此将原定的加工工艺“粗车—调质—精车”调整为“正火—精车”，以减少加工变形。根据工件的体积与表面积之比（V/A）选择合理的加热时间而省去多余的保温时间，由原调质所需8 h下降为正火所需2.5 h，提高工效220%。经此项改进后，材料由Φ155 mm 改为Φ150 mm，热处理时间由1152 h 下降为360 h，按300 kW 井式炉计算，可节省能耗237 600 kW·h。

2.6 改进套筒结构

原设计托辊轴上键槽长度为343 mm，为保护托辊轴不受板材热应力影响而设置的套筒上，必需开出长220 mm 的让位槽。套筒规格为Φ168 mm×3.5 mm，由于让位槽太长，所需冲压力超过公司现有冲床能力，只能在铣床上加工，效率低。而将托辊轴上键槽变为180 mm 后，套筒上的让位槽相应变为40 mm，就可以利用现有冲床直接冲压加工，减少材料和加工费用（图6）。经此项改进后，每件套筒节省加工让位槽和孔时间1.5 h，节省6 套联接螺栓。

图6 套筒改进

3 改造成果

通过上述工艺优化，冷床本体制作质量和工期有明显提高，中板冷床本体项目在工期内顺利制作完成，一直正常运行，为技改中板改造项目提供了设备保障。冷床本体项目的顺利完成，推动公司业务量的提升，对承制相同类型产品提供了宝贵的制作经验。公司在后续又为厚板厂承制了1#～4#同类型冷床共1500余吨产品，再次降本增效，取得了良好的经济效益。