12CrlMoVG合金鋼管砂帶磨削試驗(yàn)

[ 關(guān)鍵詞：12CrlMoVG合金鋼管　發(fā)表日期：2022-10-05 22:12:03 ]

　　12Cr1MoVG合金鋼管是珠光體耐熱合金結(jié)構(gòu)鋼，具有較好的高溫力學(xué)性能，冷變形時(shí)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(tài)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(zhì)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(jì)插座)[1-4]。

　　在對(duì)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(yīng)力集中，保證其使用強(qiáng)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(jī)帶動(dòng)葉片高速旋轉(zhuǎn)，使鋼砂、鋼丸、鐵絲段、礦物質(zhì)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(dá)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(xué)腐蝕，不僅成本高，而且提高鋼管表面質(zhì)量的能力有限。因此，急需一種既能獲得較好表面加工質(zhì)量，又能充分降低甚至消除引起鋼管表面電化學(xué)腐蝕不利因素的機(jī)械加工前鋼管表面處理工藝。實(shí)踐證明，采用磨削工藝是明顯優(yōu)于其他機(jī)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(fù)合加工工藝；具有磨削工件表面質(zhì)量好，不易引入污染物，加工成本低等優(yōu)勢。砂帶磨削工藝作為與砂輪磨削同等重要的一種現(xiàn)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(duì)12CrlMoVG合金鋼管進(jìn)行磨削試驗(yàn)，分析磨料與工件間的交互作用機(jī)理，討論了影響鋼管表面的磨削質(zhì)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(zhì)的砂帶磨削加工工藝。

1 試驗(yàn)裝置及條件

　　本試驗(yàn)是在重慶市材料表面精密加工及成套裝備工程技術(shù)研究中心研發(fā)的2M5015D-5B 無心外圓砂帶磨床上進(jìn)行的。2M5015D-5B 無心外圓砂帶磨床結(jié)構(gòu)如圖1 所示。 1-磨頭護(hù)罩2-磨頭組件3-磨頭 4-壓輪機(jī)構(gòu)5-托輪升降機(jī)構(gòu)6-托輪組件 圖12M 5015D-5B 無心外圓砂帶磨床結(jié)構(gòu)示意圖為了提高磨削效率和磨削質(zhì)量，該磨床共配置了5 個(gè)浮動(dòng)磨頭，每個(gè)磨頭所用的砂帶粒度均不相同。1—5 號(hào)磨頭所用的砂帶磨料粒度依次增大，工件由右向左進(jìn)給一次磨削完成。工件進(jìn)給采用變頻調(diào)速，以適應(yīng)各種工藝參數(shù)的選用。工件自轉(zhuǎn)并連續(xù)送進(jìn)，配合堆料架和自動(dòng)上下料架，工件多機(jī)頭連續(xù)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(guī)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(hào)為P24、P36、P60、P120、P240，分別對(duì)規(guī)格為Φ38.1mm ×9.5× 5m(外徑×壁厚×長度)的12Cr1MoVG合金鋼管進(jìn)行恒壓力水磨。

2 試驗(yàn)方法

　　在進(jìn)行磨削試驗(yàn)時(shí)，首先通過單因素試驗(yàn)分析磨削過程中影響12cr1MoVG合金鋼管 表面質(zhì)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(duì)工件進(jìn)行磨削加工。測量工件的表面粗糙度和工件磨削前后的質(zhì)量并計(jì)算表面材料去除量。由于5 個(gè)磨頭的砂帶線速度組合有多種，很難在短時(shí)間內(nèi)找出一種理想的方案。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，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(chǎn)實(shí)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(duì)工件進(jìn)行磨削加工。測量工件的表面粗糙度和工件磨削前后的質(zhì)量并計(jì)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(chǎn)實(shí)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(jìn)行磨削試驗(yàn)，對(duì)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(jìn)行對(duì)比。
(4)采用多因素正交試驗(yàn)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(duì)砂帶堵塞程度的影響規(guī)律。
(5)砂帶壽命試驗(yàn)。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(duì)12crlMoVG合金鋼管進(jìn)行砂帶壽命(耐用度)試驗(yàn)，觀察和分析砂帶隨時(shí)間變化的磨損情況。

3 試驗(yàn)分析

3.1 砂帶線速度組合方案分析

　　砂帶線速度對(duì)鋼管表面材料去除量和表面質(zhì)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(zhì)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(duì)比如圖 2~3 所示：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(zhì)量是最好的。因此，選擇方案6 的砂帶線速度組合進(jìn)行磨削試驗(yàn)。

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(jīng)過試驗(yàn)，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(duì)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(jìn)一步的提高鋼管表面材料去除量，而且表面質(zhì)量也有進(jìn)一步地提高。因此，選擇方案6 的磨削壓力組合進(jìn)行磨削試驗(yàn)。

3.3 不同磨料砂帶磨削性能對(duì)比分析

　　在砂帶線速度和磨削壓力選定的情況下，對(duì)相同粒度、不同磨料砂帶磨削 12Cr1MoVG合金鋼管的磨削效果進(jìn)行研究。圖6~7 所示為不同磨料下鋼管的表面材料去除量和表面粗糙度Ra 的對(duì)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(zhì)及長時(shí)間的使用壽命，是由于堆積磨料具有特殊的多層磨料的構(gòu)造特性，因此在研磨過程中，可通過不同的磨削速度實(shí)現(xiàn)自我銳利功能。堆積磨料的研磨效果比傳統(tǒng)磨料強(qiáng)2~3 倍，研磨時(shí)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(yàn)過程中，當(dāng)砂帶磨削到一定程度后出現(xiàn)較為嚴(yán)重的堵塞現(xiàn)象時(shí)，會(huì)造成被磨削工件表面溫度急劇升高，表面質(zhì)量惡化。為了探究砂帶磨削堵塞現(xiàn)象，本試驗(yàn)借助Image-Pro Plus 專業(yè)圖像分析軟件，研究陶瓷堆積磨料砂帶 (粒度號(hào)為P36)的堵塞面積百分比隨時(shí)間的變化規(guī)律，并以此作為衡量砂帶磨削堵塞程度的評(píng)定依據(jù)[11]。 圖8 所示為陶瓷堆積磨料砂帶SK 840 (粒度號(hào)為P36)的堵塞程度圖像(為便于說明，已將圖像處理為灰度圖)。圖8 中白色的亮點(diǎn)為粘附堵塞在砂帶上的12Cr1MoVG合金鋼磨屑，暗色部分為砂帶尚未磨損的磨粒。在Image-Pro Plus 專業(yè)圖像分析軟件的幫助下，經(jīng)計(jì)算后得知該圖像上的砂帶堵塞面積百分比為70％。

　　砂帶堵塞面積百分比隨時(shí)間的變化規(guī)律 （陶瓷堆積料砂帶SK840，P36，v-30m/s，水磨） 通過對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，可得到砂帶堵塞面積百分比隨時(shí)間的變化規(guī)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；在7.5min 后開始進(jìn)入堵塞穩(wěn)定期，砂帶堵塞面積百分比穩(wěn)定在26％左右；當(dāng)磨削到115min 后由于堵塞嚴(yán)重，砂帶壽命完結(jié)。

　　造成以上現(xiàn)象的原因是：新砂帶在磨削初期，大量的磨粒發(fā)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(huì)在砂帶表面形成穩(wěn)定的堵塞層；隨著砂帶漸漸進(jìn)入穩(wěn)定磨損期，12Cr1MoVG合金鋼在砂帶磨粒表面頂尖附近形成穩(wěn)定的粘附層，這層粘附層隨著磨粒的穩(wěn)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(gòu)成的砂帶堵塞面積基本是穩(wěn)定的。當(dāng)砂帶工作一定時(shí)間后，只有最后一層磨粒，沒有新的磨粒露出時(shí)，粘附物將會(huì)被迅速擠入砂帶容屑空間內(nèi)并造成整個(gè)砂帶堵塞，使之無法繼續(xù)工作，此時(shí)12Cr1MoVG合金鋼管表面溫度急劇上升，表面質(zhì)最惡化，砂帶壽命終結(jié)[12] 。 為了進(jìn)一步探究砂帶粒度、砂帶線速度和磨削壓力等工藝參數(shù)在磨削過程中對(duì)砂帶堵塞面積百分比的影響規(guī)律，采用多因素正變?cè)囼?yàn)方法進(jìn)行綜合試驗(yàn)研究。選用陶瓷堆積磨料砂帶(粒度號(hào)為P36)進(jìn)行單磨頭磨削試驗(yàn)。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(jí)趨勢如圖10~12 所示。

　　隨著砂帶粒度的增大，砂帶堵塞面積百分比相應(yīng)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(duì)變小，不利于細(xì)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(shí)間內(nèi)磨粒同工件接觸的次數(shù)增多，磨粒在磨削區(qū)內(nèi)的駐留時(shí)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(chǎn)生更加細(xì)小的磨屑。隨著砂帶線速度的增加，磨削溫度急劇升高，細(xì)小的磨屑軟化并粘附在磨粒表面或堵塞在容屑空間內(nèi)，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(fā)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(yàn)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(shí)間的關(guān)系曲線，如圖13 所示。 圖13 砂帶磨損量與磨削時(shí)間的關(guān)系曲線 （v1-30m/s，v2-30 m/s，v3-30 m/s，v4-25 m/s，v5-25 m/s；F1-900N，F(xiàn)2-900N， F3-750N，F(xiàn)4-400N，F(xiàn)5-300N；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(nèi)的磨損過程可以分為初期快速磨損和后期穩(wěn)定磨損兩個(gè)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(duì)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(zhì)量也較好。

4 試驗(yàn)結(jié)果

　　通過進(jìn)一步試驗(yàn)研究可得砂帶磨削12Cr1MoVG合金鋼管較優(yōu)的工藝參數(shù)，見表3。 該磨削工藝已被攀鋼集團(tuán)成都鋼釩有限公司金堂分公司采納并成功應(yīng)用在 ZM50150-5B 無心外圓砂帶磨床磨削12Cr1MoVG 合金高壓鍋爐管生產(chǎn)線上，并取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

5 結(jié)論

(1)砂帶磨削12Cr1MoVG合金鋼管時(shí)，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(zhì)量。
(3)砂帶磨削12Cr1MoVG合金鋼管時(shí)，砂帶堵塞程度受多個(gè)因素的影響，且較為復(fù)雜，其中磨削壓力對(duì)砂帶堵塞程度影響最大。
(4)砂帶磨削12Cr1MoVG合金鋼管時(shí)，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(duì)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(zhì)量好。