12CrlMoVG合金钢管砂带磨削试验及基本工艺研究应用.doc

12CrlMoVG合金钢管砂带磨削实验及工艺研究张磊1，2， 余维才3， 黄云1，2(1重庆大学机械传动国家重点实验室，重庆400044；2重庆市材料表面精密加工及成套装备工程技术研究中心；重庆40021；3攀钢集团成都钢钒有限公司金堂分公司，四川 成都610403)摘要：研究了5头无心外圆砂带磨床磨削12CrMoVG合金钢管磨削工艺。通过对比实验，找出了影响砂带磨削12Cr1MoVG合金钢管表面材料去除量和表面质量因素，得出了较优砂带磨削工艺参数，将该工艺参数用于钢管镀覆前机械加工解决，可提高钢管加工质量和加工效率，减少生产成本。核心词：12Cr1MoVG合金钢管；砂带磨削；表面材料去除量；表面粗糙度；堵塞限度；砂带寿命 12Cr1MoVG是珠光体耐热合金构造钢，具备较好高温力学性能，冷变形时塑性高，无回火脆性倾向，切削加性较好，焊接性尚可，普通在高温正火及高温回火状态下使用；重要用于超高压锅炉中工作温度570585过热器管、介质温度570管路附件(法兰、法兰盖等)，以及其她用途锻件(如平孔盖、温度计插座)1-4。 在对12Cr1MoVG合金钢管外表面制作防腐涂层(涂油或镀铜等)之前需要除去表面氧化皮和缺陷层等，并保证一定表面粗糙度，避免应力集中，保证其使用强度。当前惯用解决办法有清洗、工具除锈、酸洗、抛丸除锈等4类，而抛丸除锈是最抱负管道除锈解决方式。抛丸除锈原理是通过大功率电机带动叶片高速旋转，使钢砂、钢丸、铁丝段、矿物质等磨料高速喷射于金属表面，在冲击和摩擦作用下，清除金属表面铁锈及其她污染，并得到有一定精糙度，显露金属本色表面。该解决办法一方面彻底清除了铁锈、氧化物和污物；另一方面在磨料剧烈冲击和摩擦力作用下，使钢管达到所需要表面粗糙度【5】。但这种表面解决方式很容易将抛丸所使用磨料嵌入到待加工钢管表面，加速了钢管表面电化学腐蚀，不但成本高，并且提高钢管表面质量能力有限。因而，急需一种既能获得较好表面加工质量，又能充分减少甚至消除引起钢管表面电化学腐蚀不利因素机械加工前钢管表面解决工艺。 实践证明，采用磨削工艺是明显优于其她机械切削工艺一种较好解决方案。 而砂带磨削是一种集磨削、研磨、抛光各种功能于一体复合加工工艺；具备磨削工件表面质量好，不易引入污染物，加工成本低等优势。砂带磨削工艺作为与砂轮磨削同等重要一种当代精密加工办法，是钢管修磨工艺中最有效手段之一6-8。本研究通过采用不同工艺对12CrlMoVG合金钢管进行磨削实验，分析磨料与工件间交互作用机理，讨论了影响钢管表面磨削质量、砂带堵塞限度及砂带寿命重要因素，旨在找出一种适合12crlMoVG合金钢管高效、高质砂带磨削加工工艺。1 实验装置及条件 本实验是在重庆市材料表面精密加工及成套装备工程技术研究中心研发2M5015D-5B无心外圆砂带磨床上进行。2M5015D-5B无心外圆砂带磨床构造如图1所示。 1-磨头护罩2-磨头组件3-磨头4-压轮机构5-托轮升降机构6-托轮组件图12M 5015D-5B无心外圆砂带磨床构造示意图 为了提高磨削效率和磨削质量，该磨床共配备了5个浮动磨头，每个磨头所用砂带粒度均不相似。15号磨头所用砂带磨料粒度依次增大，工件由右向左进给一次磨削完毕。工件进给采用变频调速，以适应各种工艺参数选用。工件自转并持续送进，配合堆料架和自动上下料架，工件多机头持续加工，上下料架采用气压控制，磨削采用恒压力水磨方式。采用规格为3480mm150 mm砂带，砂带磨料为陶瓷堆积磨料、氧化铝磨料、锆刚玉磨料、碳化硅磨料，磨料粒度号为P24、P36、P60、P120、P240，分别对规格为38.1mm9.5 5m(外径壁厚长度)12Cr1MoVG合金钢管进行恒压力水磨。2 实验办法 在进行磨削实验时，一方面通过单因素实验分析磨削过程中影响12cr1MoVG合金钢管表面质量、砂带堵塞限度及砂带寿命重要因素。然后分析不同条件下砂带磨损状况，详细办法如下。 (1)变化各磨头砂带线速度v0在各磨头法向磨削力不变状况下，对工件进行磨削加工。测量工件表面粗糙度和工件磨削先后质量并计算表面材料去除量。由于5个磨头砂带线速度组合有各种，很难在短时间内找出一种抱负方案。依照经验，从各种组合方案中筛选出如下6种速度组合方案(表1)，以求从这6种速度组合方案中找到一种更加切合生产实际组合方案。 (2)变化各磨头磨削压力Fn0在磨头砂带线速度组合方案选定状况下，对工件进行磨削加工。测量工件表面粗糙度和工件磨削先后质量并计算表面材料去除量。磨削压力组合方案也有各种，从中筛选出如下6种速度组合方案(表2)，以求在这6种组合方案中找到一种更加切合生产实际组合方案。 (3)变化砂带磨料种类。在砂带线速度组合方案和磨削压力组合方案选定前提下，分别采用碳化硅磨料砂带、氧化铝磨料砂带、锆刚玉磨料砂带与陶瓷堆积磨料砂带进行磨削实验，对采用不同磨料磨削钢管表面材料去除量和表面粗糙度进行对比。(4)采用多因素正交实验办法综合研究砂带粒度、砂带线速度和磨削压力在磨削过程中对砂带堵塞限度影响规律。 (5)砂带寿命实验。在砂带线速度组合方案、磨削压力组合方案及砂带磨料选定前提下，对12crlMoVG合金钢管进行砂带寿命(耐用度)实验，观测和分析砂带随时间变化磨损状况。3 实验分析3.1 砂带线速度组合方案分析 砂带线速度对钢管表面材料去除量和表面质量均有很大影响，合理砂带线速度组合不但可以获得较大材料去除量以彻底清除氧化皮和油污，并且可以获得较好表面质量。不同砂带线速度组合方案下钢管表面材料去除量和表面粗糙度Ra对例如图23所示：图2不同砂带线速度组合方案下钢管表面材料去除量 图3不同砂带线速度组合方案下钢管表面粗糙度从图23可以看出，方案6砂带线速度组合是6种方案中最抱负。采用方案6不但可以获得较大钢管表面材料去除量，并且表面质量是最佳。因而，选取方案6砂带线速度组合进行磨削实验。3.2 磨削压力组合方案分析 在砂带线速度选定前提下，通过实验，分别得出6种磨削压力组合方案下12CrlMoVG合金钢管砂带磨削后钢管表面材料去除量和表面粗糙度Ra对比。如图45所示。 从图45可以看出，方案6磨削压力组合是6种方案中最抱负。采用方案6不但能进一步提高钢管表面材料去除量，并且表面质量也有进一步地提高。因而，选取方案6磨削压力组合进行磨削实验。3.3 不同磨料砂带磨削性能对比分析 在砂带线速度和磨削压力选定状况下，对相似粒度、不同磨料砂带磨削12Cr1MoVG合金钢管磨削效果进行研究。图67所示为不同磨料下钢管表面材料去除量和表面粗糙度Ra对比。 从图67中不难看出，陶瓷堆积磨料砂带磨削性能最佳。陶瓷堆积磨料之因此具备较高研磨品质及长时间使用寿命，是由于堆积磨料具备特殊多层磨料构造特性，因而在研磨过程中，可通过不同磨削速度实现自我锐利功能。堆积磨料研磨效果比老式磨料强23倍，研磨时间更长，磨削效果更好。3.4 砂带磨削堵塞分析 在12CrlMoVG合金钢管砂带磨削实验过程中，当砂带磨削到一定限度后浮现较为严重堵塞现象时，会导致被磨削工件表面温度急剧升高，表面质量恶化。为了探究砂带磨削堵塞现象，本实验借助Image-Pro Plus专业图像分析软件，研究陶瓷堆积磨料砂带(粒度号为P36)堵塞面积比例随时间变化规律，并以此作为衡量砂带磨削堵塞限度评估根据11。 图8所示为陶瓷堆积磨料砂带SK 840 (粒度号为P36)堵塞限度图像(为便于阐明，已将图像解决为灰度图)。图8中白色亮点为粘附堵塞在砂带上12Cr1MoVG合金钢磨屑，暗色某些为砂带尚未磨损磨粒。在Image-Pro Plus 专业图像分析软件协助下，经计算后得知该图像上砂带堵塞面积比例为70。图9砂带堵塞面积比例随时间变化规律（陶瓷堆积料砂带SK840，P36，v-30m/s，水磨） 通过对实验数据记录分析，可得到砂带堵塞面积比例随时间变化规律(图9)。从图9可以看到，砂带磨削初期(07.5min )是砂带堵塞限度迅速增长期；在7.5min 后开始进入堵塞稳定期，砂带堵塞面积比例稳定在26左右；当磨削到115min 后由于堵塞严重，砂带寿命完结。 导致以上现象因素是：新砂带在磨削初期，大量磨粒发生顶尖破碎或整体破碎，附着在磨粒表面12Cr1MoVG合金钢磨屑随着磨粒破碎而掉落，因而不会在砂带表面形成稳定堵塞层；随着砂带徐徐进入稳定磨损期，12Cr1MoVG合金钢在砂带磨粒表面顶尖附近形成稳定粘附层，这层粘附层随着磨粒稳定磨损而磨掉，新粘附层附着在新露出磨粒上，因而由粘附层构成砂带堵塞面积基本是稳定。当砂带工作一定期间后，只有最后一层磨粒，没有新磨粒露出时，粘附物将会被迅速挤入砂带容屑空间内并导致整个砂带堵塞，使之无法继续工作，此时12Cr1MoVG合金钢管表面温度急剧上升，表面质最恶化，砂带寿命终结12 。 为了进一步探究砂带粒度、砂带线速度和磨削压力等工艺参数在磨削过程中对砂带堵塞面积比例影响规律，采用多因素正变实验办法进行综合实验研究。选用陶瓷堆积磨料砂带(粒度号为P36)进行单磨头磨削实验。砂带堵塞面积比例随磨料粒度、砂带线速度和磨削压力变化位级趋势如图1012所示。 从图10可以看出，随着砂带粒度增大，砂带堵塞面积比例相应提高，但相比之下磨料粒度影响并不是很大。粒度增大，容屑空间相对变小，不利于细小磨屑排除，导致砂带堵塞加剧。 从图11可以看出，随着砂带线速度提高，砂带堵塞面积比例逐渐增大。砂带线速度增长，单位时间内磨粒同工件接触次数增多，磨粒在磨削区内驻留时间缩短，磨粒刃口来不及充分切入工件即与工件分离。磨粒平均切削厚度变薄，致使产生更加细小磨屑。随着砂带线速度增长，磨削温度急剧升高，细小磨屑软化并粘附在磨粒表面或堵塞在容屑空间内，加剧了砂带堵塞限度。 从图12可以看出，随着磨削压力增大，砂带堵塞面积比例明显增大。磨削压力增大，砂带磨粒切入工件深度增长，摩擦发热致使温度迅速升高，磨屑更易软化附着在磨粒表面，加剧了砂带堵塞限度。 通过极差分析可知，12Cr1MoVG合金钢管磨削过程中砂带堵塞限度受磨削压力影响最大，磨削压力是砂带堵塞限度决定性因素。3.5 砂带寿命分析 通过实验可得到5种不同粒度陶瓷堆积磨料砂带磨损量与磨削时间关系曲线，如图13所示。图13 砂带磨损量与磨削时间关系曲线（v1-30m/s，v2-30 m/s，v3-30 m/s，v4-25 m/s，v5-25 m/s；F1-900N，F2-900N，F3-750N，F4-400N，F5-300N；水磨）由图13可知，无论砂带磨料粒度大小如何，砂带在寿命期内磨损过程可以分为初期迅速磨损和后期稳定磨损两个阶段，前者以磨粒破碎磨损为主，后者以磨粒磨耗磨损为主。陶瓷堆积磨料砂带相对其她磨料砂带磨损较轻微，不但钢管表面材料去除量大，并且磨削后钢管表面质量也较好。4 实验成果通过进一步实验研究可得砂带磨削12Cr1MoVG合金钢管较优工艺参数，见表3。该磨削工艺已被攀钢集团成都钢钒有限公司金堂分公司采纳并成功应用在ZM50150-5B无心外圆砂带磨床磨削12Cr1MoVG合金高压锅炉管生产线上，并获得了良好经济效益。5 结论 (1)砂带磨削12Cr1MoVG合金钢管时，表面材料去除量受磨削压力、砂带线速度、磨料种类及粒度等影响较大。 (2)陶瓷堆积磨料砂带磨削12Cr1MoVG合金钢管可获得较大表面材料去除量和较好表面质量。 (3)砂带磨削12Cr1MoVG合金钢管时，砂带堵塞限度受各种因素影响，且较为复杂，其中磨削压力对砂带堵塞限度影响最大。 (4)砂带磨削12Cr1MoVG合金钢管时，磨平磨饨是砂带磨粒最主耍磨损形式。陶瓷堆积磨料砂带相对其她3种磨料砂带磨损较缓慢，表面材料去除量大，磨削后钢管表面质量好。6 参照文献赵品 谢辅洲 孙振国，材料科学基本教程M，2版，哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，：243张玮 刘自军 潘乾刚等，12Cr1MoV钢药芯焊丝工艺实验研究及其在锅炉集箱上应用J，电焊机，40(2)：100-104师瑞霞 杨瑞成 尹衍升等，合金元素对12Cr1MoV钢中Fe自扩散和C扩散能力影响J，钢铁研究，32(2)：34-37张而耕 刘桂玲 王志文，12Cr1MoV高温组织转变及其判废原则探讨J，石油化工腐蚀与防护，27(1)：29-32钱苗根 姚寿山 张少宗，当代表面技术M，北京：机械工业出版社，1999黄云 黄智，当代砂带磨削技术及其工程应用M，重庆：重庆大学出版社，Huang Yun,Huang Zhi,Xu Qingshun,etal. 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