修磨機磨頭振紋產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，尤其在醫療用具、食品工業用具、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。結合筆者的實際經驗探討修磨機振紋產生的原因，以及從設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AISI NO.3 和AISI NO.4 等級表面的不銹鋼拋光板或發紋板。其主要配備開卷機，焊機，2 臺下表面磨頭，4 臺上表面磨頭，發紋機，脫脂、卷取機以及修磨油過濾器等。磨頭，是該機組的關鍵設備，由美國HILL ACME 公司生產。

作為拋光研磨的核心部件磨頭，就是利用砂帶的高速旋轉來修磨或拋光帶鋼表面的設備，其結構如圖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。

圖1 磨頭結構

它的各個組成部分的功能說明如下：

1）擺動輥：在其驅動側配有一擺動氣缸，配合砂帶對中系統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，直到產生的砂帶張力克服了氣缸內氣體的壓力為止，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。鋼輥規格尺寸為Φ403 mm×1 473 mm。

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

3）被壓輥：可以平行和橫向調節，其上下運動由液壓缸來完成，其上下運動可以使鋼帶產生傾角張力，以貼緊砂帶。依據磨削壓力可調節被壓輥軸承座，通過伺服電機來控制。鋼輥規格尺寸為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，其上下運動調節可以使鋼帶產生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），膠輥規格尺寸為Φ305 mm×1 370 mm。

5）砂帶自動對中系統：當修磨砂帶運轉時，一套氣動對中系統可以確保砂帶在一定控制范圍內運動。砂帶對中系統是利用一個可以產生壓力的“氣眼盒”來檢測砂帶的邊緣，當砂帶在輥道上運轉，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相聯，這個微動開關閉合，此時，微動開關發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，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，此時常閉微動開關又打開，電磁閥不動作，一個彈簧機構使托輥的后部復位，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運動。

2 振紋產生的原因

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象[1]。

振紋的產生就是由于設備的振動，通過與鋼板接觸的接觸輥傳導到鋼板表面，從而產生明暗相間的視覺效果。所以想要控制振紋，就是要控制設備的振動。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，凡是能對系統造成沖擊或引起作用力變化的因素都可能導致振動的發生[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，擺動輥高速旋轉時，由于油液產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，由齒條驅動齒輪，再由齒輪驅動擺動輥兩端帶有齒條結構的立柱來實現升降的。所以想要保持張力恒定，必須保證氣缸無泄漏，并且氣源壓力穩定。另外，還要檢查機械結構傳動無卡阻。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動側的單作用氣缸與彈簧的結構來完成擺動的。這時可調整氣缸節流閥，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 擺動輥結構

3）單機空載旋轉時，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規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，從而防止振動的產生。三是接觸輥操作側軸承型號是NU312ECM，NU 型號軸承是內圈無擋邊滾子軸承，軸承滾動體可以相對于軸承內套在軸向方向移動。這樣要求軸承內套必須是過盈配合，安裝需熱裝，保證在運轉時軸承內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 所示接觸輥操作側軸承座與外側支撐必須同為60 號的7∶24 錐度體且螺栓鎖定可靠。五是傳動皮帶恰當的張緊力，能夠起到過載保護和隔絕主電機振動的作用。在修磨機拋光作業時，磨削力相對較小，可以適度減小張緊力。六是主軸操作側的徑向圓跳動必須控制在0.03～0.05 mm 之間，傳動側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 接觸輥結構

圖4 接觸輥潤滑部位結構

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 轉速下轉動平衡；鋼帶穩定的張力，可以減少振動的產生；修磨油的噴射壓力穩定，噴射均勻。良好的潤滑也可以減少振動的產生；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 對設備的改進

1）因為原有螺栓預緊力不足，操作工經常發現有振紋產生，這樣就需要重新緊固螺栓。針對這一設備的不足，研發人員設計了“修磨接觸輥鎖定裝置”，如圖5 所示。該設計選用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的扭力螺紋鎖緊，受力壓環產生軸向的頂緊力，實現了無耗件、低維護。另外，為減少高速運轉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，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，提高了產品質量和成材率。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構

2）如圖6 所示，接觸輥的操作側有一個向下搖擺的軸承支撐架。這個支撐架在修磨的過程中可以確保穩定支撐，向下搖擺用于快速更換砂帶。支撐架經常需要拆裝，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 的內絲。再另外加工一個內絲為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，經常需要更換，頻繁地造成停車，嚴重影響了機組的生產效率。針對這一問題，研發人員設計了“修磨機擺動輥的驅動裝置”，如圖7 所示。利用現有的安裝位置，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，實現純氣動控制，取消了原有的彈簧，實現了無耗件、低維護。另外，在兩個風缸的入口處增加了節流閥，可以方便地控制換向速度，減小了換向沖擊，降低了產生振動的可能。此裝置已經在太鋼不銹冷軋廠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，明顯提高產品質量和成材率。

5 結論

通過長期觀察、研究、試驗，總結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，降低了振紋產生，滿足了冷軋廠2 號修磨機對拋光板生產的要求。主要的研究結論如下：

1）控制振紋，就是要控制設備的振動。

2）控制接觸輥的振動尤為關鍵。

3）日常維護時要注意每一個細節，每一個小的問題都有可能匯集成大問題。