CN104826869B - 电致塑性与超声滚压耦合进行轧辊在线修复的系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种电致塑性与超声滚压耦合进行轧辊在线修复的系统及方法，该系统包括：安装于轧辊前边的轧机机体上的一对支架；由电动机驱动的丝杆、导轨和滑块，该丝杆和该导轨安装于所述的一对支架之间，该滑块由该丝杆驱动，并能沿着该导轨平移；绝缘安装于所述滑块上的载有超声滚压装置的气缸、左电刷装置和右电刷装置，该超声滚压装置的滚压头能够与所述轧辊辊面紧密接触；所述左电刷装置的左电刷和所述右电刷装置的右电刷与所述轧辊辊面滑动接触；及，输出端分别连接所述左电刷和右电刷的脉冲电源。本系统与轧机结合可以实现轧辊的在线修复，将电致塑性、超声冲击及滚压共同作用于轧辊辊面，使辊面晶粒细化并形成压应力强化层，快速实现轧辊的在线修复。

Description

电致塑性与超声滚压耦合进行轧辊在线修复的系统及方法

技术领域

本发明涉及轧辊修复技术，具体是一种电致塑性与超声滚压耦合进行轧辊在线修复的系统以及基于该系统的轧辊在线修复方法。

背景技术

轧机的轧辊在轧制生产过程中承受着动静载荷、热冲击、磨损等多种作用，工作环境复杂恶劣。作为轧辊工作区的辊面直接与轧料接触，复杂的磨损、应力和热冲击等交变载荷使得辊面很容易出现裂纹、剥落等破坏，影响轧制质量和轧辊寿命，严重的甚至会引起整个轧辊的断裂失效，造成严重的生产事故和经济损失。因此，实际生产过程需要对轧辊辊面状态实时监测，并定期对辊面出现的一些裂纹、剥落等缺陷进行修复。轧辊修复的一般操作为，轧机停轧并将轧辊从轧机上拆下，根据辊面的失效形式和破坏程度，选择局部修补或整体磨削等工艺进行修复处理，修复完成后再将轧辊装回轧机复轧。对于断裂失效等破坏严重的轧辊则直接做报废处理，换之以新轧辊。为了承受巨大的轧制抗力和得到好的轧制效果，轧辊一般由高硬度的钢种制成，且表面经淬火调质后磨抛处理，辊面具有很高的硬度和表面光洁度，这就使得轧辊的修复难度急剧增大。此外，轧辊为轧机的核心部件，拆装工序复杂耗时长。轧辊修复占用生产时间，需要大量的人力资金投入且推高生产成本，尤其对于大型轧机来说，轧辊修复成本在生成总成本中占了很大比例。因此，发展一种实际可行的高效低成本在线轧辊修复技术尤为迫切。

发明内容

针对现有轧辊修复技术存在的诸多问题，本发明提供一种电致塑性与超声滚压耦合进行轧辊在线修复的系统以及基于该系统的轧辊在线修复方法。

本发明电致塑性与超声滚压耦合进行轧辊在线修复的系统，包括：

安装于轧辊前边的轧机的机体上的一对支架；

由电动机驱动的丝杆、导轨和滑块，所述丝杆和所述导轨安装于所述一对支架之间，所述滑块由所述丝杆驱动，并能沿着所述导轨平移；

与空气压缩机输出端连接的气缸，所述气缸绝缘安装于所述滑块上；

由超声发生器驱动的超声滚压装置，所述超声滚压装置安装在所述气缸上并由所述气缸推动，所述超声滚压装置的滚压头能够与所述轧辊的辊面紧密接触；

位于所述气缸左、右两侧的左电刷装置和右电刷装置，所述左、右电刷装置绝缘安装于所述滑块上，所述左电刷装置的左电刷和所述右电刷装置的右电刷与所述轧辊的辊面紧密滑动接触；及

脉冲电源，其两输出端分别连接所述左电刷和右电刷。所述脉冲电源可提供频率为50-10000Hz、脉宽为20-1000μs、峰值电流为100-10000A脉冲电流。

上述系统可以包括一冷却润滑装置，该装置采用不导电介质冷却或者采用强制风冷方式。

其中，所述左电刷的中心、所述右电刷的中心和所述超声滚压装置的滚压头的中心均于处于所述轧辊的中心线所在的水平面内，所述超声滚压装置的中心线与经过所述滚压头的辊面法线重合。

所述导轨中心线、所述丝杆中心线平行于所述轧辊中心线。

典型实施例中，所述左电刷装置由左电刷、左调节器和左电刷架组成，所述左电刷架由安装部、支杆和该支杆上端的连接段组成，所述左调节器由左套筒和设置于左套筒内的左弹簧组成，所述左电刷位于该左套筒一端，所述左电刷架的连接段插接于该左套筒另一端内并接触该左弹簧。所述右电刷装置由右电刷、右调节器和右电刷架组成，所述右电刷架由安装部、支杆和该支杆上端的连接段组成，所述右调节器由右套筒和设置于右套筒内的右弹簧组成，所述右电刷位于该右套筒一端，所述右电刷架的连接段插接于该右套筒另一端内并接触该右弹簧。通过所述左弹簧的弹压作用使所述左电刷工作面紧密滑动接触于所述轧辊辊面；通过所述右弹簧的弹压作用使所述右电刷工作面紧密滑动接触于所述轧辊辊面。

所述滑块上设置绝缘层，所述左电刷架用穿过所述左电刷架的安装部和所述绝缘层的多个第一绝缘螺栓螺于所述滑块上；所述右电刷架用穿过所述右电刷架的安装部和所述绝缘层的多个第二绝缘螺栓螺于所述滑块上；所述气缸用穿过所述气缸的安装部和所述绝缘层的多个第三绝缘螺栓螺于所述滑块上。

所述超声滚压装置滚压头的超声振动频率为15000-60000Hz，超声振动振幅为5-50μm。

所述空气压缩机同过调压阀向所述气缸提供压缩空气，所述气缸输出力为100-3000N。

一种轧辊在线修复方法，基于上述电致塑性与超声滚压耦合进行轧辊在线修复的系统，包括以下步骤：

将所述系统的一对支架安装于轧辊前边轧机的机体上使所述系统与所述轧机结合，用100-3000N输出力的气缸推动带滚压头的超声滚压装置使所述滚压头顶紧于所述轧辊的辊面，左电刷装置的左电刷和右电刷装置的右电刷与所述轧辊的辊面紧密滑动接触；

启动所述轧机，带动所述轧辊转动；启动电动机，所述电动机带动丝杆转动，绝缘安装有所述气缸、超声滚压装置、左电刷装置和右电刷装置的滑块由所述丝杆驱动并沿导轨移动；同时，打开超声发生器和脉冲电源，所述超声发生器通过所述超声滚压装置对所述轧辊的辊面进行超声冲击滚压，所述脉冲电源通过所述左电刷、右电刷集中施加脉冲电流到所述轧辊辊面的超声滚压区，电致塑性、超声冲击及滚压共同作用于所述超声滚压区，使辊面晶粒细化并形成具有纳米梯度结构组织的压应力强化层，实现轧辊的在线修复。

该方法中，所述超声滚压装置的滚压头的超声振动频率为15000-60000Hz，超声振动振幅为5-50μm；所述脉冲电流的频率为50-10000Hz、脉宽为20-1000μs、峰值电流为100-10000A。所述滑块的移动速度为0.01-5m/min；所述轧辊的转动线速度为10-150m/min。

本发明轧辊在线修复系统能与轧机配合实现轧辊的在线修复。在修复轧辊时安装于轧机机体上，将电致塑性、超声冲击及滚压同时作用于轧辊辊面，使辊面晶粒细化并形成压应力强化层，实现轧辊的在线修复。修复完成后将轧辊在线修复系统拆下即可以复轧，修复过程耗时耗工少。

修复时，该系统借助安装于滑块上的、与超声滚压装置同步移动的、紧密滑动接触于超声滚压区两侧轧辊表面的两个电刷将脉冲电流导入辊面滚压区。基于电流回路最短电阻最小原理和脉冲电流集肤效应，所加脉冲电流绝大部分会沿着两个电刷之间的超声滚压区流过。始终高度集中在辊面滚压区的脉冲电流可带来更高的工作效率和更低的成本消耗。采用脉冲电流的电致塑性效应、趋肤效应和热效应适当降低高硬度辊面的塑性变形抗力，同时对辊面进行超声滚压处理。在电致塑性与超声滚压耦合作用下，辊面发生晶粒细化并形成具有纳米梯度结构组织的压应力强化层，可大幅提高辊面硬度和表面强化层深度，同时修复后的辊面具有很高的表面光洁度且表面微裂纹大幅减少，疲劳寿命和表面硬度提高，修复后的轧辊具有更高的使用寿命。

该系统能整体安装于轧机并方便拆卸，不受轧辊尺寸大小的影响和限制，所加脉冲电流的利用效率很高，相比于传统的轧辊修复技术，可在线实现轧辊辊面的高效、高质量、低成本修复。

附图说明

图1为本发明电致塑性与超声滚压耦合进行轧辊在线修复系统的结构示意图；

图2为图1中电动机驱动的丝杆、导轨及滑块部分位置示意图；

图3为GCr15轴承钢材质轧辊经电致塑性和超声滚压耦合在线修复处理后表面硬化层的显微维氏硬度分布。

附图中标记：轧辊1、轧机的机体2、左电刷3、右电刷4、左调节器5、左电刷架6、带滚压头7的超声滚压装置8、气缸9、支架10、绝缘层11、滑块12、导轨13、丝杆14、第一绝缘螺栓15、第三绝缘螺栓16、支架固定器17、电动机18。

具体实施方式

以下结合实施例附图做进一步说明。

参照图1、图2，电致塑性与超声滚压耦合进行轧辊在线修复的系统，包括以下部分：

一对支架10，用支架固定器17安装在轧辊1前边轧机的机体2上；

由电动机18驱动的丝杆14、导轨13和滑块12，丝杆14、导轨13安装于所述一对支架10之间，滑块12由丝杆14驱动，并能沿着导轨13平移；

在滑块12上设置绝缘层11，气缸9采用多个第三绝缘螺栓16穿过气缸9的安装部及绝缘层11螺于滑块12；

位于气缸9左、右两侧设置左电刷装置和右电刷装置，左、右电刷装置绝缘安装于滑块12上，左电刷装置的左电刷3和右电刷装置的右电刷4与轧辊1辊面紧密滑动接触；

超声滚压装置8由超声发生器（图中未示出）驱动，超声滚压装置8安装在所述气缸9上由气缸9推动，超声滚压装置8的滚压头7能够与所述轧辊1辊面紧密接触；

脉冲电源（图中未示出），脉冲电源的两输出端分别连接所述左电刷3和右电刷4，可提供频率为50-10000Hz、脉宽为20-1000μs、峰值电流为100-10000A脉冲电流。

超声滚压装置8的滚压头7的超声振动频率为15000-60000Hz，超声振动振幅为5-50μm。气缸9输出力为100-3000N，由空气压缩机（图中未示出）通过调压阀向气缸9提供压缩空气。

实施例中，所述左电刷装置由左电刷3、左调节器5和左电刷架6组成，左电刷架6由安装部、支杆和该支杆上端的连接段组成，左调节器5由左套筒和设置于左套筒内的左弹簧组成，左电刷3位于该左套筒一端，左电刷架6的连接段插接于该左套筒另一端内并接触该左弹簧。所述右电刷装置由右电刷、右调节器和右电刷架组成，所述右电刷架由安装部、支杆和该支杆上端的连接段组成，所述右调节器由右套筒和设置于右套筒内的右弹簧组成，所述右电刷位于该右套筒一端，所述右刷架的连接段插接于该右套筒另一端内并接触该右弹簧。通过所述左弹簧的弹压作用使所述左电刷工作面紧密滑动接触于所述轧辊辊面；通过所述右弹簧的弹压作用使所述右电刷工作面紧密滑动接触于所述轧辊辊面。

滑块12上设有绝缘层11，左电刷架6用穿过左电刷架6的安装部和所述绝缘层11的多个第一绝缘螺栓螺15于滑块12上；同样，所述右电刷架用穿过所述右电刷架的安装部和所述绝缘层11的多个第二绝缘螺栓螺于所述滑块12上。

通过上述电致塑性与超声滚压耦合进行轧辊在线修复的系统，在线修复轧辊的方法步骤如下：

首先将轧机停轧，用支架固定器17将所述系统的支架10安装在轧辊1前边轧机的机体2上，使所述系统与轧机（图中未示出）结合；

空气压缩机（图中未示出）通过调压阀（图中未示出）向气缸9冲入压缩空气，压缩空气推动超声滚压装置8，使滚压头7以一定压力顶紧于轧辊1的辊面；左电刷装置的左电刷3和右电刷装置的右电刷4与所述轧辊辊面紧密滑动接触；

启动超声发生器（图中未示出）向超声滚压装置8提供超声振动；启动轧机（图中未示出）带动轧辊1转动；启动电动机18转动丝杆14，由丝杆14驱动绝缘安装有所述气缸9、超声滚压装置8、左电刷装置和右电刷装置的滑块12沿导轨13移动，进而通过该超声滚压装置8对所述轧辊的辊面进行超声冲击滚压；同时，脉冲电源（图中未示出）通过所述左电刷装置的左电刷3、所述右电刷装置的右电刷4集中施加脉冲电流到所述轧辊1辊面的超声滚压区，电致塑性、超声冲击及滚压共同作用于所述超声滚压区，使辊面晶粒细化并形成压应力强化层，实现轧辊的在线修复。

根据实际需要，轧辊1辊面的电致塑性与超声滚压耦合在线修复次数为1-15次。修复结束后，关闭脉冲电源、超声发生器、电动机18、空气压缩机和轧机，松开支架固定器17，整体拆下所述在线修复系统，轧辊1的辊面修复完毕，轧机复轧。

轧辊1的修复过程中，脉冲电源的两输出端分别连接左电刷3和右电刷4，通过左电刷3、轧辊1辊面的超声滚压区和右电刷4构成电流回路，集中向轧辊1辊面的超声滚压区施加频率为50-10000Hz、脉宽为20-1000μs、峰值电流为100-10000A的脉冲电流。

超声发生器的输出端与超声滚压装置8连接，用于向超声滚压装置8提供超声振动，超声滚压装置8的滚压头7的超声振动频率为15000-60000Hz，超声振动振幅为5-50μm。

空气压缩机的通过调压阀（图中未示出）连接气缸9，用于向气缸9提供压缩空气，气缸9输出力100-3000N。

电动机18的转轴与丝杆14连接，转动的丝杆14通过滑块12内的丝母带动滑块12移动，滑块12的移动速度为0.01-5m/min；轧辊1由轧机带动转动，其转动线速度为10-150m/min。

系统安装完毕后，所述导轨13的中心线、所述丝杆14的中心线平行于所述轧辊1中心线。左电刷3的中心、右电刷4的中心和超声滚压装置8的滚压头7中心均于处于所述轧辊1的中心线所在的水平面内，超声滚压装置8的中心线与经过所述滚压头7的辊面法线重合。

本发明轧辊在线修复的方法所加脉冲电流始终高度集中在辊面滚压区的脉冲电流可带来更高的工作效率和更低的成本消耗。在电致塑性与超声滚压耦合作用下，辊面发生晶粒细化并形成压应力强化层，可大幅提高辊面硬度和表面强化层深度（形成纳米梯度结构组织），同时修复后的辊面具有很高的表面光洁度且表面微裂纹大幅减少，修复后的轧辊具有更高的使用寿命。

为了使应用过程更加清楚，结合图1-2，选取本实验室小轧机上使用的GCr15轴承钢材质轧辊（GCr15轴承钢为制作轧辊的常用原料）作为修复对象，在按上述具体实施方法装配的电致塑性与超声滚压耦合进行轧辊在线修复的装置和小轧机配合下对其进行在线修复处理。修复参数为：超声滚压装置滚压头的超声振动频率为30000Hz，超声振动振幅为15μm；脉冲电源输出脉冲电流频率为500Hz、脉宽为60μs、峰值电流为2500A；滑块移动速度为0.2m/min；轧辊直径100mm，处理前表面粗糙度Ra0.6μm，转动线速度为2m/min。

电致塑性与超声滚压耦合进行在线修复处理后，轧辊的表面粗糙度降低为Ra0.2μm，表面质量也大幅提高；修复处理后轧辊表面硬化层内的显微维氏硬度分布如图3所示，轧辊表面硬度达到670HV（测试条件为100g载荷和15s承载时间），并在原有的淬火调质硬化层（处理前轧辊的表面硬度约为600HV）表面形成一层100μm厚、且硬度更高的强化层，这使得修复后的轧辊具有更高的表面光洁度和更高的使用寿命。

以上通过具体实施例对本发明做了详细的说明，这些具体的描述不能认为本发明仅仅限于这些实施例的内容。本领域技术人员根据本发明构思、这些描述并结合本领域公知常识做出的任何改进、等同替代方案，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (8)

1.一种电致塑性与超声滚压耦合进行轧辊在线修复的系统，包括：

安装于轧辊前边轧机的机体上的一对支架；

由电动机驱动的丝杆、导轨和滑块，所述丝杆和所述导轨安装于所述一对支架之间，所

述滑块由所述丝杆驱动，并能沿着所述导轨平移；

与空气压缩机输出端连接的气缸，所述气缸绝缘安装于所述滑块上；

由超声发生器驱动的超声滚压装置，所述超声滚压装置设置于所述气缸上并由所述气

缸推动，所述超声滚压装置的滚压头能够与所述轧辊的辊面紧密接触；

位于所述气缸左、右两侧的左电刷装置和右电刷装置，所述左、右电刷装置绝缘安装于

所述滑块上，所述左电刷装置的左电刷和所述右电刷装置的右电刷与所述轧辊的辊面紧密滑动接触；

脉冲电源，其两输出端分别连接所述左电刷和右电刷；及

冷却装置，该冷却装置采用不导电介质冷却或者采用强制风冷方式；

其中，所述气缸的输出力为100-3000N。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述左电刷的中心、所述右电刷的中心和

所述超声滚压装置的滚压头的中心均于处于所述轧辊的中心线所在的水平面内，所述超声滚压装置的中心线与经过所述滚压头的辊面法线重合。

3.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述左电刷装置由左电刷、左调节器

和左电刷架组成，所述左电刷架由安装部、支杆和该支杆上端的连接段组成，所述左调节器由左套筒和设置于左套筒内的左弹簧组成，所述左电刷位于所述左套筒一端，所述左电刷架的连接段插接于所述左套筒另一端内并接触所述左弹簧；

所述右电刷装置由右电刷、右调节器和右电刷架组成，所述右电刷架由安装部、支杆和

该支杆上端的连接段组成，所述右调节器由右套筒和设置于右套筒内的右弹簧组成，所述右电刷位于所述右套筒一端，所述右电刷架的连接段插接于所述右套筒另一端内并接触所述右弹簧。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述滑块上设置绝缘层，所述左电刷架用

穿过所述左电刷架的安装部和所述绝缘层的多个第一绝缘螺栓螺于所述滑块上；所述右电刷架用穿过所述右电刷架的安装部和所述绝缘层的多个第二绝缘螺栓螺于所述滑块上；所述气缸用穿过所述气缸的安装部和所述绝缘层的多个第三绝缘螺栓螺于所述滑块上。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述超声滚压装置滚压头的超声振动频

率为15000-60000Hz，超声振动振幅为5-50μm。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述脉冲电源输出频率为50-10000Hz、脉

宽为20-1000μs、峰值电流为100-10000A的脉冲电流。

7.一种轧辊在线修复方法，基于权利要求1-6任一项所述电致塑性与超声滚压耦合进行轧辊在线修复的系统，其特征在于包括以下步骤：

将所述系统的一对支架安装于轧辊前边轧机的机体上使所述系统与所述轧机结合，由

气缸推动带滚压头的超声滚压装置使所述滚压头顶紧于所述轧辊的辊面，左电刷装置的左电刷和右电刷装置的右电刷与所述轧辊的辊面紧密滑动接触；

启动所述轧机，带动所述轧辊转动；启动电动机带动丝杆转动，绝缘安装有所述气缸、

超声滚压装置、左电刷装置和右电刷装置的滑块由所述丝杆驱动并沿导轨移动；同时，超声发生器通过所述超声滚压装置对所述轧辊的辊面进行超声冲击滚压，脉冲电源通过所述左电刷、右电刷集中施加脉冲电流到所述轧辊辊面的超声滚压区，电致塑性、超声冲击及滚压共同作用于所述超声滚压区，使辊面晶粒细化并形成压应力强化层，实现轧辊的在线修复。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述超声滚压装置的滚压头的超声振动

频率为15000-60000Hz，超声振动振幅为5-50μm ；所述脉冲电流的频率为50-10000Hz、脉宽为20-1000μs、峰值电流为100-10000A ；所述滑块的移动速度为0.01-5m/min ；所述轧辊的转动线速度为10-150m/min。