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    　 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合金钢管的磨削工艺。通过对比试验，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的原因，得出了较优的砂带磨削工艺参数，将该工艺参数用于钢管镀覆前的机械加工处理，可提高钢管加工质量和加工效率，降低生产成本。

关键词：12Cr1MoVG合金钢管；砂带磨削；表面材料去除量；表面粗糙度；堵塞程度；砂带寿命

    　12Cr1MoVG是珠光体耐热合金结构钢，具有较好的高温力学性能，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，一般在高温正火及高温回火状态下使用；主要用于超高压锅炉中工作温度≤570—585℃的过热器管、介质温度≤570℃的管路附件(法兰、法兰盖等)，以及其他用途的锻件(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)之前需要除去表面的氧化皮和缺陷层等，并保证一定的表面粗糙度，避免应力集中，保证其使用强度。目前常用的处理方法有清洗、工具除锈、酸洗、抛丸除锈等4类，而抛丸除锈是最理想的管道除锈处理方式。抛丸除锈的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，清除金属表面的铁锈及其他污染，并得到有一定精糙度的，显露金属本色的表面。该处理方法一方面彻底清除了铁锈、氧化物和污物；另一方面在磨料猛烈冲击和摩擦力的作用下，使钢管达到所需要的表面粗糙度【5】。但这种表面处理方式很容易将抛丸所使用的磨料嵌入到待加工钢管的表面，加速了钢管表面的电化学腐蚀，不仅成本高，而且提高钢管表面质量的能力有限。因此，急需一种既能获得较好表面加工质量，又能充分降低甚至消除引起钢管表面电化学腐蚀不利因素的机械加工前钢管表面处理工艺。

  　  实践证明，采用磨削工艺是明显优于其他机械切削工艺的一种较好的解决方案。  而砂带磨削是一种集磨削、研磨、抛光多种功能于一体的复合加工工艺；具有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的一种现代精密加工方法，是钢管修磨工艺中最有效的手段之一[6-8]。本研究通过采用不同工艺对12CrlMoVG合金钢管进行磨削试验，分析磨料与工件间的交互作用机理，讨论了影响钢管表面的磨削质量、砂带堵塞程度及砂带寿命的主要因素，旨在找出一种适合12crlMoVG合金钢管高效、高质的砂带磨削加工工艺。

1 试验装置及条件

  本试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的2M5015D-5B无心外圆砂带磨床上进行的。2M5015D-5B无心外圆砂带磨床结构如图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无心外圆砂带磨床结构示意图

    　为了提高磨削效率和磨削质量，该磨床共配置了5个浮动磨头，每个磨头所用的砂带粒度均不相同。1—5号磨头所用的砂带磨料粒度依次增大，工件由右向左进给一次磨削完成。工件进给采用变频调速，以适应各种工艺参数的选用。工件自转并连续送进，配合堆料架和自动上下料架，工件多机头连续加工，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3480mm×150 mm的砂带，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Φ38.1mm×9.5× 5m(外径×壁厚×长度)的12Cr1MoVG合金钢管进行恒压力水磨。

2 试验方法

  　　在进行磨削试验时，首先通过单因素试验分析磨削过程中影响12cr1MoVG合金钢管表面质量、砂带堵塞程度及砂带寿命的主要因素。然后分析不同条件下砂带的磨损情况，具体方法如下。

   　 (1)改变各磨头的砂带线速度v0在各磨头法向磨削力不变情况下，对工件进行磨削加工。测量工件的表面粗糙度和工件磨削前后的质量并计算表面材料去除量。由于5个磨头的砂带线速度组合有多种，很难在短时间内找出一种理想的方案。根据经验，从多种组合方案中筛选出以下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的组合方案。

  　  (2)改变各磨头的磨削压力Fn0在磨头砂带线速度组合方案选定的情况下，对工件进行磨削加工。测量工件的表面粗糙度和工件磨削前后的质量并计算表面材料去除量。磨削压力的组合方案也有多种，从中筛选出以下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的组合方案。

 (3)改变砂带磨料种类。在砂带线速度组合方案和磨削压力组合方案选定的前提下，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试验，对采用不同磨料磨削的钢管表面材料去除量和表面粗糙度进行对比。

　　(4)采用多因素正交试验方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程度的影响规律。

    　(5)砂带寿命试验。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的前提下，对12crlMoVG合金钢管进行砂带寿命(耐用度)试验，观察和分析砂带随时间变化的磨损情况。

3 试验分析

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，合理的砂带线速度组合不仅能够获得较大的材料去除量以彻底清除氧化皮和油污，而且能够获得较好的表面质量。不同砂带线速度组合方案下钢管的表面材料去除量和表面粗糙度Ra的对比如图2~3所示：

图2不同砂带线速度组合方案下钢管的表面材料去除量

     图3不同砂带线速度组合方案下钢管的表面粗糙度

　　从图2~3可以看出，方案6的砂带线速度组合是6种方案中最理想的。采用方案6不仅能够获得较大的钢管表面材料去除量，而且表面质量是最好的。因此，选择方案6的砂带线速度组合进行磨削试验。

3.2 磨削压力组合方案分析

    在砂带线速度选定的前提下，经过试验，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的表面材料去除量和表面粗糙度Ra的对比。如图4~5所示。

    从图4~5可以看出，方案6的磨削压力组合是6种方案中最理想的。采用方案6不仅能进一步的提高钢管表面材料去除量，而且表面质量也有进一步地提高。因此，选择方案6的磨削压力组合进行磨削试验。

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的情况下，对相同粒度、不同磨料砂带磨削12Cr1MoVG合金钢管的磨削效果进行研究。图6~7所示为不同磨料下钢管的表面材料去除量和表面粗糙度Ra的对比。

  　　从图6~7中不难看出，陶瓷堆积磨料砂带的磨削性能最好。陶瓷堆积磨料之所以具备较高的研磨品质及长时间的使用寿命，是由于堆积磨料具有特殊的多层磨料的构造特性，因此在研磨过程中，可通过不同的磨削速度实现自我锐利功能。堆积磨料的研磨效果比传统磨料强2~3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合金钢管砂带磨削试验过程中，当砂带磨削到一定程度后出现较为严重的堵塞现象时，会造成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，本试验借助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)的堵塞面积百分比随时间的变化规律，并以此作为衡量砂带磨削堵塞程度的评定依据[11]。

    　图8所示为陶瓷堆积磨料砂带SK 840 (粒度号为P36)的堵塞程度图像(为便于说明，已将图像处理为灰度图)。图8中白色的亮点为粘附堵塞在砂带上的12Cr1MoVG合金钢磨屑，暗色部分为砂带尚未磨损的磨粒。在Image-Pro Plus 专业图像分析软件的帮助下，经计算后得知该图像上的砂带堵塞面积百分比为70％。

图9砂带堵塞面积百分比随时间的变化规律

（陶瓷堆积料砂带SK840，P36，v-30m/s，水磨）

 　　 通过对试验数据的统计分析，可得到砂带堵塞面积百分比随时间的变化规律(图9)。从图9可以看到，砂带磨削初期(0~7.5min )是砂带堵塞程度的迅速增加期；在7.5min 后开始进入堵塞稳定期，砂带堵塞面积百分比稳定在26％左右；当磨削到115min 后由于堵塞严重，砂带寿命完结。

   　 造成以上现象的原因是：新砂带在磨削初期，大量的磨粒发生顶尖破碎或整体破碎，附着在磨粒表面的12Cr1MoVG合金钢磨屑随着磨粒的破碎而掉落，因此不会在砂带表面形成稳定的堵塞层；随着砂带渐渐进入稳定磨损期，12Cr1MoVG合金钢在砂带磨粒表面顶尖附近形成稳定的粘附层，这层粘附层随着磨粒的稳定磨损而磨掉，新的粘附层附着在新露出的磨粒上，因此由粘附层构成的砂带堵塞面积基本是稳定的。当砂带工作一定时间后，只有最后一层磨粒，没有新的磨粒露出时，粘附物将会被迅速挤入砂带容屑空间内并造成整个砂带堵塞，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百分比的影响规律，采用多因素正变试验方法进行综合试验研究。选用陶瓷堆积磨料砂带(粒度号为P36)进行单磨头磨削试验。砂带堵塞面积百分比随磨料粒度、砂带线速度和磨削压力变化的位级趋势如图10~12所示。

    　从图10可以看出，随着砂带粒度的增大，砂带堵塞面积百分比相应提高，但相比之下磨料粒度的影响并不是很大。粒度增大，容屑空间相对变小，不利于细小的磨屑排除，造成砂带堵塞加剧。

  　  从图11可以看出，随着砂带线速度的提高，砂带堵塞面积百分比逐渐增大。砂带线速度增加，单位时间内磨粒同工件接触的次数增多，磨粒在磨削区内的驻留时间缩短，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，致使产生更加细小的磨屑。随着砂带线速度的增加，磨削温度急剧升高，细小的磨屑软化并粘附在磨粒表面或堵塞在容屑空间内，加剧了砂带堵塞程度。

  　  从图12可以看出，随着磨削压力的增大，砂带堵塞面积百分比显著增大。磨削压力增大，砂带磨粒切入工件的深度增加，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，加剧了砂带堵塞程度。

    　通过极差分析可知，12Cr1MoVG合金钢管磨削过程中砂带堵塞程度受磨削压力的影响最大，磨削压力是砂带堵塞程度的决定性因素。

　　3.5 砂带寿命分析

   　 通过试验可得到5种不同粒度的陶瓷堆积磨料砂带的磨损量与磨削时间的关系曲线，如图13所示。

　　图13  砂带磨损量与磨削时间的关系曲线

　　（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，无论砂带磨料的粒度大小如何，砂带在寿命期内的磨损过程可以分为初期快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他磨料砂带的磨损较轻微，不仅钢管表面材料去除量大，而且磨削后钢管的表面质量也较好。

　　4  试验结果

　　通过进一步试验研究可得砂带磨削12Cr1MoVG合金钢管较优的工艺参数，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，并取得了良好的经济效益。

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、磨料种类及粒度等的影响较大。

   　 (2)陶瓷堆积磨料砂带磨削12Cr1MoVG合金钢管可获得较大的表面材料去除量和较好的表面质量。

   　 (3)砂带磨削12Cr1MoVG合金钢管时，砂带堵塞程度受多个因素的影响，且较为复杂，其中磨削压力对砂带堵塞程度影响最大。

   　 (4)砂带磨削12Cr1MoVG合金钢管时，磨平磨饨是砂带磨粒最主耍的磨损形式。陶瓷堆积磨料砂带相对其他3种磨料砂带磨损较缓慢，表面材料去除量大，磨削后的钢管表面质量好。

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 　　 *高档数控机床装备科技重大专项(2009ZX04001-042），重庆市重点科技攻关项目(CSTC  2007AB3004)

作者简介：

张磊(1987-)，男，在读硕士研究生，研究方向为先进制造技术研究等。

原载《钢管》杂志第40卷第2期（2011年4月）