專業生產經營合金鋼管
公司鋼管現貨資源量大、規格齊全、質優價低
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研究了 5 頭無心外圓砂帶磨床磨削 12CrMoVG合金鋼管的磨削工藝。通過對比 試驗，找出了影響砂帶磨削 12Cr1MoVG合金鋼管表面材料去除量和表面質量的原因，得出了較優的砂帶磨削工藝參數，將該工藝參數用于鋼管鍍覆前的機械加工處理，可提高 鋼管加工質量和加工效率，降低生產成本。
12Cr1MoVG是珠光體耐熱合金結構鋼，具有較好的高溫力學性能， 冷變形時塑性高， 無回火脆性傾向，切削加性較好，焊接性尚可，一般在高溫正火及高溫回火狀態下使用； 主要用于超高壓鍋爐中工作溫度≤570—585℃的過熱器管、 介質溫度≤570℃的管路附件 (法蘭、法蘭蓋等)，以及其他用途的鍛件(如平孔蓋、溫度計插座)[1-4]。 在對 12Cr1MoVG 合金鋼管外表面制作防腐涂層(涂油或鍍銅等)之前需要除去表面 的氧化皮和缺陷層等，并保證一定的表面粗糙度，避免應力集中，保證其使用強度。
目前常用的處理方法有清洗、工具除銹、酸洗、拋丸除銹等 4 類，而拋丸除銹是最理想的 管道除銹處理方式。拋丸除銹的原理是通過大功率電機帶動葉片高速旋轉，使鋼砂、鋼 丸、鐵絲段、礦物質等磨料高速噴射于金屬表面，在沖擊和摩擦作用下，清除金屬表面 的鐵銹及其他污染，并得到有一定精糙度的，顯露金屬本色的表面。該處理方法一方面 徹底清除了鐵銹、氧化物和污物；另一方面在磨料猛烈沖擊和摩擦力的作用下，使鋼管 達到所需要的表面粗糙度【5】。但這種表面處理方式很容易將拋丸所使用的磨料嵌入到 待加工鋼管的表面，加速了鋼管表面的電化學腐蝕，不僅成本高，而且提高鋼管表面質 量的能力有限。
因此，急需一種既能獲得較好表面加工質量，又能充分降低甚至消除引 起鋼管表面電化學腐蝕不利因素的機械加工前鋼管表面處理工藝。實踐證明，采用磨削工藝是明顯優于其他機械切削工藝的一種較好的解決方案。 而砂帶磨削是一種集磨削、研磨、拋光多種功能于一體的復合加工工藝；具有磨削工件 表面質量好，不易引入污染物，加工成本低等優勢。砂帶磨削工藝作為與砂輪磨削同等 重要的一種現代精密加工方法，是鋼管修磨工藝中最有效的手段之一[6-8]。本研究通過 采用不同工藝對 12CrlMoVG合金鋼管進行磨削試驗， 分析磨料與工件間的交互作用機理， 討論了影響鋼管表面的磨削質量、砂帶堵塞程度及砂帶壽命的主要因素，旨在找出一種 適合12crlMoVG合金鋼管高效、高質的砂帶磨削加工工藝。
1 試驗裝置及條件
本試驗是在重慶市材料表面精密加工及成套裝備工程技術研究中心研發的 2M5015D-5B 無心外圓砂帶磨床上進行的。2M5015D-5B 無心外圓砂帶磨床結構如圖 1 所示。 1-磨頭護罩 2-磨頭組件 3-磨頭 4-壓輪機構 5-托輪升降機構 6-托輪組件 5015D圖 12M 5015D-5B 無心外圓砂帶磨床結構示意圖為了提高磨削效率和磨削質量，該磨床共配置了 5 個浮動磨頭，每個磨頭所用的 砂帶粒度均不相同。1—5 號磨頭所用的砂帶磨料粒度依次增大，工件由右向左進給一次 磨削完成。工件進給采用變頻調速，以適應各種工藝參數的選用。工件自轉并連續送進， 配合堆料架和自動上下料架，工件多機頭連續加工，上下料架采用氣壓控制，磨削采用 恒壓力水磨方式。 采用規格為 3480mm×150 mm 的砂帶，砂帶磨料為陶瓷堆積磨料、氧化鋁磨料、鋯剛 玉磨料、 碳化硅磨料， 磨料粒度號為 P24、 P36、 P60、 P120、 P240， 分別對規格為Φ38.1mm ×9.5× 5m(外徑×壁厚×長度)的 12Cr1MoVG合金鋼管進行恒壓力水磨。
2 試驗方法
在進行磨削試驗時，首先通過單因素試驗分析磨削過程中影響 12cr1MoVG 合金鋼管 表面質量、砂帶堵塞程度及砂帶壽命的主要因素。然后分析不同條件下砂帶的磨損情況， 具體方法如下。
(1)改變各磨頭的砂帶線速度
v0 在各磨頭法向磨削力不變情況下， 對工件進行磨削 加工。測量工件的表面粗糙度和工件磨削前后的質量并計算表面材料去除量。由于 5 個 磨頭的砂帶線速度組合有多種，很難在短時間內找出一種理想的方案。根據經驗，從多 種組合方案中篩選出以下 6 種速度組合方案(表 1)， 以求從這 6 種速度組合方案中找到一 種更加切合生產實際的組合方案。
(2)改變各磨頭的磨削壓力
Fn0 在磨頭砂帶線速度組合方案選定的情況下，對工件 進行磨削加工。測量工件的表面粗糙度和工件磨削前后的質量并計算表面材料去除量。 磨削壓力的組合方案也有多種，從中篩選出以下 6 種速度組合方案(表 2)，以求在這 6 種組合方案中找到一種更加切合生產實際的組合方案。
(3)改變砂帶磨料種類。
在砂帶線速度組合方案和磨削壓力組合方案選定的前提下， 分別采用碳化硅磨料砂帶、氧化鋁磨料砂帶、鋯剛玉磨料砂帶與陶瓷堆積磨料砂帶進行 磨削試驗，對采用不同磨料磨削的鋼管表面材料去除量和表面粗糙度進行對比。
(4)采用多因素正交試驗方法綜合研究砂帶粒度、 砂帶線速度和磨削壓力在磨削過程 中對砂帶堵塞程度的影響規律。
(5)砂帶壽命試驗。在砂帶線速度組合方案、磨削壓力組合方案及砂帶磨料選定的 前提下，對 12crlMoVG 合金鋼管進行砂帶壽命(耐用度)試驗，觀察和分析砂帶隨時間變 化的磨損情況。
3 試驗分析
3.1 砂帶線速度組合方案分析
砂帶線速度對鋼管表面材料去除量和表面質量均有很大影響，合理的砂帶線速度組 合不僅能夠獲得較大的材料去除量以徹底清除氧化皮和油污，而且能夠獲得較好的表面 質量。不同砂帶線速度組合方案下鋼管的表面材料去除量和表面粗糙度 Ra 的對比如圖 2~3 所示：圖 2 不同砂帶線速度組合方案下鋼管的表面材料去除量 圖 3 不同砂帶線速度組合方案下鋼管的表面粗糙度 從圖 2~3 可以看出，方案 6 的砂帶線速度組合是 6 種方案中最理想的。采用方案 6 不僅能夠獲得較大的鋼管表面材料去除量，而且表面質量是最好的。因此，選擇方案 6 的砂帶線速度組合進行磨削試驗。
3.2 磨削壓力組合方案分析
在砂帶線速度選定的前提下，經過試驗，分別得出 6 種磨削壓力組合方案下 12CrlMoVG 合金鋼管砂帶磨削后鋼管的表面材料去除量和表面粗糙度 Ra 的對比。 如圖 4~5 所示。 從圖 4~5 可以看出，方案 6 的磨削壓力組合是 6 種方案中最理想的。采用方案 6 不 僅能進一步的提高鋼管表面材料去除量，而且表面質量也有進一步地提高。因此，選擇 方案 6 的磨削壓力組合進行磨削試驗。
3.3 不同磨料砂帶磨削性能對比分析
在砂帶線速度和磨削壓力選定的情況下，對相同粒度、不同磨料砂帶磨削 12Cr1MoVG 合金鋼管的磨削效果進行研究。 6~7 所示為不同磨料下鋼管的表面材料去除 圖 量和表面粗糙度 Ra 的對比。 從圖 6~7 中不難看出，陶瓷堆積磨料砂帶的磨削性能最好。陶瓷堆積磨料之所以具 備較高的研磨品質及長時間的使用壽命，是由于堆積磨料具有特殊的多層磨料的構造特 性，因此在研磨過程中，可通過不同的磨削速度實現自我銳利功能。堆積磨料的研磨效 果比傳統磨料強 2~3 倍，研磨時間更長，磨削效果更好。
3.4 砂帶磨削堵塞分析
在 12CrlMoVG 合金鋼管砂帶磨削試驗過程中， 當砂帶磨削到一定程度后出現較為嚴 重的堵塞現象時，會造成被磨削工件表面溫度急劇升高，表面質量惡化。為了探究砂帶 磨削堵塞現象，本試驗借助 Image-Pro Plus 專業圖像分析軟件，研究陶瓷堆積磨料砂帶 (粒度號為 P36)的堵塞面積百分比隨時間的變化規律，并以此作為衡量砂帶磨削堵塞程度 的評定依據[11]。 圖 8 所示為陶瓷堆積磨料砂帶 SK 840 (粒度號為 P36)的堵塞程度圖像(為便于說明， 已將圖像處理為灰度圖)。 8 中白色的亮點為粘附堵塞在砂帶上的 12Cr1MoVG 合金鋼磨 圖 屑，暗色部分為砂帶尚未磨損的磨粒。在 Image-Pro Plus 專業圖像分析軟件的幫助下， 經計算后得知該圖像上的砂帶堵塞面積百分比為 70％。圖 9 砂帶堵塞面積百分比隨時間的變化規律 （陶瓷堆積料砂帶 SK840，P36，v-30m/s，水磨） 陶瓷堆積料砂帶 SK840，P36， 30m/s，水磨） 通過對試驗數據的統計分析，可得到砂帶堵塞面積百分比隨時間的變化規律(圖 9)。
從圖 9 可以看到， 砂帶磨削初期(0~7.5min )是砂帶堵塞程度的迅速增加期； 7.5min 后 在 開始進入堵塞穩定期，砂帶堵塞面積百分比穩定在 26％左右；當磨削到 115min 后由于 堵塞嚴重，砂帶壽命完結。 造成以上現象的原因是： 新砂帶在磨削初期， 大量的磨粒發生頂尖破碎或整體破碎， 附著在磨粒表面的 12Cr1MoVG 合金鋼磨屑隨著磨粒的破碎而掉落，因此不會在砂帶表面 形成穩定的堵塞層； 隨著砂帶漸漸進入穩定磨損期， 12Cr1MoVG 合金鋼在砂帶磨粒表面頂 尖附近形成穩定的粘附層，這層粘附層隨著磨粒的穩定磨損而磨掉，新的粘附層附著在 新露出的磨粒上，因此由粘附層構成的砂帶堵塞面積基本是穩定的。當砂帶工作一定時間后，只有最后一層磨粒，沒有新的磨粒露出時，粘附物將會被迅速擠入砂帶容屑空間 內并造成整個砂帶堵塞，使之無法繼續工作，此時 12Cr1MoVG 合金鋼管表面溫度急劇上 升，表面質最惡化，砂帶壽命終結[12] 。
為了進一步探究砂帶粒度、 砂帶線速度和磨削壓力等工藝參數在磨削過程中對砂帶 堵塞面積百分比的影響規律，采用多因素正變試驗方法進行綜合試驗研究。選用陶瓷堆 積磨料砂帶(粒度號為 P36)進行單磨頭磨削試驗。 砂帶堵塞面積百分比隨磨料粒度、 砂帶 線速度和磨削壓力變化的位級趨勢如圖 10~12 所示。從圖 10 可以看出，隨著砂帶粒度的增大，砂帶堵塞面積百分比相應提高，但相比 之下磨料粒度的影響并不是很大。粒度增大，容屑空間相對變小，不利于細小的磨屑排 除，造成砂帶堵塞加劇。
從圖 11 可以看出，隨著砂帶線速度的提高，砂帶堵塞面積百分比逐漸增大。砂帶 線速度增加，單位時間內磨粒同工件接觸的次數增多，磨粒在磨削區內的駐留時間縮短， 磨粒刃口來不及充分切入工件即與工件分離。磨粒平均切削厚度變薄，致使產生更加細 小的磨屑。隨著砂帶線速度的增加，磨削溫度急劇升高，細小的磨屑軟化并粘附在磨粒 表面或堵塞在容屑空間內，加劇了砂帶堵塞程度。 從圖 12 可以看出，隨著磨削壓力的增大，砂帶堵塞面積百分比顯著增大。磨削壓 力增大，砂帶磨粒切入工件的深度增加，摩擦發熱致使溫度迅速升高，磨屑更易軟化附 著在磨粒表面，加劇了砂帶堵塞程度。 通過極差分析可知，12Cr1MoVG 合金鋼管磨削過程中砂帶堵塞程度受磨削壓力的影 響最大，磨削壓力是砂帶堵塞程度的決定性因素。
3.5 砂帶壽命分析 通過試驗可得到 5 種不同粒度的陶瓷堆積磨料砂帶的磨損量與磨削時間的關系曲 線，如圖 13 所示。 圖 13 砂帶磨損量與磨削時間的關系曲線 （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） 由圖 13 可知，無論砂帶磨料的粒度大小如何，砂帶在壽命期內的磨損過程可以分為 初期快速磨損和后期穩定磨損兩個階段，前者以磨粒破碎磨損為主，后者以磨粒磨耗磨 損為主。陶瓷堆積磨料砂帶相對其他磨料砂帶的磨損較輕微，不僅鋼管表面材料去除量 大，而且磨削后鋼管的表面質量也較好。
4 試驗結果
通過進一步試驗研究可得砂帶磨削 12Cr1MoVG 合金鋼管較優的工藝參數，見表 3。 該磨削工藝已被攀鋼集團成都鋼釩有限公司金堂分公司采納并成功應用在 ZM50150-5B 無心外圓砂帶磨床磨削 12Cr1MoVG 合金高壓鍋爐管生產線上，并取得了良好 的經濟效益。
5 結論
(1)砂帶磨削 12Cr1MoVG 合金鋼管時，表面材料去除量受磨削壓力、砂帶線速度、 磨料種類及粒度等的影響較大。
(2)陶瓷堆積磨料砂帶磨削 12Cr1MoVG 合金鋼管可獲得較大的表面材料去除量和較 好的表面質量。
(3)砂帶磨削 12Cr1MoVG 合金鋼管時，砂帶堵塞程度受多個因素的影響，且較為復 雜，其中磨削壓力對砂帶堵塞程度影響最大。
(4)砂帶磨削 12Cr1MoVG 合金鋼管時，磨平磨飩是砂帶磨粒最主耍的磨損形式。陶 瓷堆積磨料砂帶相對其他 3 種磨料砂帶磨損較緩慢，表面材料去除量大，磨削后的鋼管 表面質量好。