CN111331313B

CN111331313B - 一种连铸辊驱动辊轴花键修复方法

Info

Publication number: CN111331313B
Application number: CN202010262509.9A
Authority: CN
Inventors: 程采金; 葛国华; 高安阳; 王成
Original assignee: Masteel Heavy Machinery Manufacturing Co Of Anhui
Current assignee: Masteel Heavy Machinery Manufacturing Co Of Anhui
Priority date: 2020-04-07
Filing date: 2020-04-07
Publication date: 2022-02-11
Anticipated expiration: 2040-04-07
Also published as: CN111331313A

Abstract

本发明公开了一种连铸辊驱动辊轴花键修复方法，属于花键修复技术领域。本发明的一种连铸辊驱动辊轴花键修复方法，包括选择与母体材料焊接融合性较好且化学成分与母材接近的焊材，进行整体堆焊修复花键，焊后采取适当的热处理方式消除应力及提高机械性能；然后对其进行受力分析，计算出应力影响区距齿根部尺寸，并制作有限元模型，确定整体车削加工花键外圆尺寸，最终滚齿加工花键。其中，整体堆焊的方法修复花键流程：去除旧齿→整体堆焊→重新加工的修复方法。花键修复后可达到新品标准，避免重新制作，节约成本。

Description

一种连铸辊驱动辊轴花键修复方法

技术领域

本发明涉及花键修复技术领域，更具体地说是一种连铸辊驱动辊轴花键修复方法。

背景技术

连铸辊是连铸机设备的核心部件，工作中温度冷热交替、气液具有腐蚀性。连铸辊工作环境及其恶劣，根据安装位置不同每2-6个月就要换新或修复。因此，提高连铸辊的质量和使用寿命，将直接影响到维修成本、产品质量以及铸机作业率。通过修复来提高其再生寿命可以显著节省维修费用和停机时间。驱动辊花键为DIN5480-W150x5x30x28x8s，与齿轮不同，渐开线花键工作中为全齿受力，理论上是所有齿均匀受力，而齿轮啮合时为1-2齿受力对单齿要求较高。花键传递扭矩大，修复性更强。驱动辊在连铸过程中起支撑、矫直、传动作用，其传动靠花键连接，花键部位因磨损、掉齿等原因不能正常工作时，必须立即更换。为节约成本，通过对花键进行修复，从而避免报废。传统的修复方法有镶齿、变位修复等。

经检索，李乃根在《花键及花键轴的修理》一文中指出，花键轴的花键部分磨损，可像修复齿轮磨损那样，采用堆焊法修复。利用堆焊机纵向堆焊花键3轴上磨损的键齿，为顺利施焊并能得到良好的焊层质量，应仔细清洗花键部分，然后夹持在卧式车床上，车床主轴静止不动，将堆焊机机头转90°，并将焊嘴调整到与主轴中心线成45°的键齿侧面进行堆焊工作，经实践发现，修复使用后，花键整个齿部包含其齿根以下部分仍存在应力集中，表面出现疲劳层、裂纹。

发明内容

1.发明要解决的技术问题

针对现有技术中花键部位失效的驱动辊通常报废处理等问题，本发明提出了一种连铸辊驱动辊轴花键修复方法，基于：去除旧齿→整体堆焊→重新加工，修复后花键可达到新品标准，避免重新制作，节约成本。

2.技术方案

为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：

一种连铸辊驱动辊轴花键修复方法，其步骤如下：

步骤一、有限元分析：模拟花键啮合受力，分析得出应力产生的应变距齿根的距离，从而确定焊前去除的花键旧齿长度；

步骤二、预热：因连铸辊本体材质极易产生裂纹等缺陷，故埋弧自动焊接前对工件整体预热，升温速度为30-50℃/h，预热至250-350℃，保温1-2h。局部焊接时，可以对补焊处及其附近75mm范围，用割炬火焰进行局部预热处理；

步骤三、清理补焊面：彻底清除干净补焊面及附近25mm范围内锈等污物；

步骤四、保护好不需要修复的加工面：包括刷涂抗高温氧化涂料防止升温中(包括退火)产生氧化皮，或者用石棉布包裹、遮挡，以防焊接飞溅、打弧，烧损不需要修复的加工面；

步骤五、工艺规范：出炉后立即焊接，层间温度控制在300±2℃；

步骤六、焊后热处理：退火送炉时，炉膛不能冷炉，初始温度应在300℃左右，升温速度为50-60℃/min，退火温度为500℃，保温时间为6-8h；降温速度为≤60℃/min，降至150℃左右出炉空冷；

步骤七、焊后加工：因连铸辊辊身部位也要堆焊修复、加工或者减径加工，以内孔为基准校正加工各部外圆，滚齿机或者插床加工花键。如此可将连铸辊修旧如新。

进一步的技术方案，步骤一中，根据圆周力、径向力和法向力计算公式算出花键转矩T1，将矩T1转化为载荷力，并在花键分度圆与齿面宽度方向交线处添加载荷，检查模型应力，根据最大应力下所产生的单位长度变形量，从而确定焊前去除的花键旧齿长度，载荷力分解后的力的计算公式如下：

圆周力：

径向力：F_r＝F_t tanα；

法向力：

进一步的技术方案，还包括焊前准备步骤，包括：

步骤A、焊接材料的确定：

i)采用Φ3.2mm药芯焊丝CY430配SJ604焊剂(或焊剂HJ260)焊接过渡层，保证单边3mm左右；

ii)采用Φ3.2mmH2Cr13药芯焊丝配SJ604焊剂(或焊剂HJ260)焊接盖面耐磨层，焊接方向往复循环；

步骤B、工艺规范：焊剂在250℃下烘烤2h以上，出炉冷却后使用。

进一步的技术方案，步骤六中，若不能立即退火，首先在堆焊机床上转动加热至350℃左右，然后立即用石棉布包裹辊子进行保温，缓冷至室温。

进一步的技术方案，步骤七中，在不损坏加工面的前提下，彻底清除抗高温氧化涂料。

进一步的技术方案，步骤七中，对粗加工见光的辊子进行半成品检验，外观几何形状检查、加工尺寸检查及硬度检查；然后对堆焊层进行着色探伤和超声波探伤，检测是否有裂纹。

进一步的技术方案，检验后若有不合格，采用局部深加工，如可采用铲挖、磨削、碳弧气刨或机械加工等方法清除，然后焊补填平，直至探伤合格为止。

进一步技术方案，使用碳弧气刨清理缺陷时，应该对缺陷周围75mm范围进行预热200℃左右，气刨后必须进行砂轮打磨，以除去增碳层，然后用对应的焊丝焊补填平。

进一步技术方案，还包括堆焊层厚度的确认，对加工彻底清除缺陷后的辊面进行尺寸测量、记录，根据图纸尺寸恢复要求确定该辊子实际堆焊层厚度，保证焊好后，各加工面处单边有不低于3mm的加工余量，然后在辊身两端用宽40mm以上、厚度8mm的扁钢焊接两端弧圈。

进一步的技术方案，还包括焊后精加工步骤，按照图纸要求完全外形尺寸精加工即可。

3.有益效果

采用本发明提供的技术方案，与现有技术相比，具有如下有益效果：

(1)本发明的一种连铸辊驱动辊轴花键修复方法，花键应力影响区域在齿根部0.5mm以内，加工去除原有旧齿后，再向下加工1-2mm可完全去除旧齿的疲劳层；

(2)本发明的一种连铸辊驱动辊轴花键修复方法，选用430焊丝，该材料特点是化学成分与连铸辊母材接近，且与连铸辊母材的焊接融合性较好；

(3)本发明的一种连铸辊驱动辊轴花键修复方法，对堆焊层进行着色探伤和超声波探伤，检验后若有不合格，采用局部深加工，如可采用铲挖、磨削、碳弧气刨或机械加工等方法清除，然后焊补填平，直至探伤合格为止；

(4)本发明的一种连铸辊驱动辊轴花键修复方法，使用碳弧气刨清理缺陷时，对缺陷周围75mm范围进行预热200℃左右，气刨后必须进行砂轮打磨，以除去增碳层；

(5)本发明的一种连铸辊驱动辊轴花键修复方法，对加工彻底清除缺陷后的辊面进行尺寸测量、记录，根据图纸尺寸恢复要求确定该辊子实际堆焊层厚度，保证焊好后，各加工面处单边有加工余量；

(6)本发明的一种连铸辊驱动辊轴花键修复方法，采用proe5.0自带分析模块模拟花键啮合受力，根据圆周力、径向力和法向力计算公式算出花键转矩T1，将矩T1转化为载荷力，并在花键分度圆与齿面宽度方向交线处添加该载荷力，作出花键受转动力矩后产生的应力、应变以及位移有限元模型，根据最大应力下所产生的单位长度变形量，从而确定焊前去除的花键旧齿长度。

附图说明

图1为花键辊轴立体结构示意图；

图2为花键辊轴剖面图；

图3为本发明的花键辊轴焊前加工要求示意图；

图4为本发明的花键齿轮模型分度圆处载荷力分解示意图；

图5为本发明的花键齿轮有限元模型应力分布模拟图；

图6为本发明的花键齿轮有限元模型应变分布模拟图；

图7为本发明的花键齿轮有限元模型单位长度变形量模拟图。

图中：1-辊身；2-辊颈；3-花键；31-花键旧齿；32-花键新齿。

具体实施方式

为进一步了解本发明的内容，结合附图对发明作详细描述。

实施例1

本实施例的一种连铸辊驱动辊轴花键修复方法，如图1-2所示，包括如下步骤：

步骤四、保护好不需要修复的加工面：包括刷涂抗高温氧化涂料，例如202涂料，防止升温中(包括退火)产生氧化皮，或者用石棉布包裹、遮挡，以防焊接飞溅、打弧，烧损不需要修复的加工面；

步骤五、工艺规范：出炉后立即焊接，层间温度控制在300℃±2℃；

步骤七、焊后加工：因连铸辊辊身1部位也要堆焊修复、加工或者减径加工，以内孔为基准校正加工各部外圆，滚齿机或者插床加工花键3。如此可将连铸辊修旧如新。

本实施例中，步骤六中，若不能立即退火，首先在堆焊机床上转动加热至350℃左右，然后立即用石棉布包裹连铸辊进行保温，缓冷至室温；步骤七中，在不损坏加工面的前提下，彻底清除抗高温氧化涂料，堆焊工艺参数见表1。

表1堆焊工艺参数

其中，施焊要点如下：

i)在专用堆焊设备上，进行单丝圆周方向连续环形堆焊；

ii)堆焊过程最好连续进行，两班倒不间断焊接，如确需停焊时，用预热温度进行保温，整个堆焊过程中层间温度控制在300℃左右。夜间轧辊回炉保温，保温温度控制在350℃以上；

iii)为防止在辊身两端出现“缺肉”现象，在辊身1的两端，需多焊一圈；

iv)为使各堆焊层平整，应使各堆焊层间的焊道搭接紧密；

v)焊接层间清除焊渣，注意避免夹渣；并通过增加简单的排风通道，解决焊接烟尘；

vi)焊接过程中若发现裂纹、未熔合、夹渣、气孔缺陷时，应报告检查人员并采取措施清除缺陷，在确认缺陷已被清除后方可继续焊接；

vii)堆焊完毕后，应立即退火。

实施例2

本实施例的一种连铸辊驱动辊轴花键修复方法，基本结构同实施例1，不同和改进之处在于：步骤一中，采用proe5.0自带分析模块模拟花键3啮合受力，如图4所示，根据圆周力、径向力和法向力计算公式算出花键3转矩T1，其中T1＝Fr，将转矩T1转化为载荷力，并在花键3分度圆与齿面宽度方向交线处添加载荷，作出花键3受转动力矩后产生的应力、应变以及位移有限元模型，根据最大应力下所产生的单位长度变形量，分析得出应力产生的应变距齿根的距离，从而确定焊前去除的花键旧齿31长度，载荷力分解后的力的计算公式如下：

圆周力：

径向力：F_r＝F_t tanα

法向力：

其中：花键3的参数：DIN5480-30-28-8(齿数28、压力角30°、模数8)；采用proe5.0自带分析模块，主要分析花键3受转动力矩后产生的应力、应变(应力所产生的单位长度变形量)、位移等。将花键3轴内孔约束固定；将花键3分度圆与齿面宽度方向交线处添加载荷(模拟花键3啮合受力分析)，载荷力是按28个齿均分载荷量，载荷方向是30°压力角方向；现场使用11KW减速电机，其转矩为6420Nm，分解到每个齿上转矩T1＝229Nm，经计算，Ft＝2*229/0.140＝3275N，将转矩转化为载荷力，将其载荷力添加至花键3齿轮模型的分度圆处，检查模型应力，如图4所示，发现最大应力分布在载荷部位，为216.1Mpa；如图5所示，最大应变为0.000256，分析可知应力产生的应变在整个齿部，并包含其齿根以下1mm左右；在修复时应将此部去除，从而加工出花键新齿32，最后整体堆焊再加工；另外，如图6所示，在载荷力作用下，作用点会出现微观的位移，最大位移量为0.00132mm，发现较大的位移变化也是集中在齿部及齿根下1mm左右位置，从而确定焊前去除的花键旧齿31长度为整个齿部包含其齿根以下1mm左右位置，从而形成焊前的花键新齿32，如图3所示。

实施例3

本实施例的一种连铸辊驱动辊轴花键修复方法，基本结构同实施例2，不同和改进之处在于：还包括焊前准备步骤，包括：

步骤A、焊接材料的确定：

本实施例中，综合考虑花键3本体与焊材的融合性，连铸辊材质为21CrMoV5，焊材中应含C、Cr、Mo、Ni等元素，焊前对连铸辊加热至工艺温度，焊接时采用明弧焊机螺旋焊接方法，并注意焊接的层间温度，焊后保温处理；母体材质为21CrMoV5+QT，含碳量较低，调质后机械性能要求：屈服强度540N/mm²，抗拉强度690-830N/mm²，延伸率16％，冲击功42J；选用430焊材，焊后屈服强度及抗拉强度高于21CrMoV5+QT。经过实际应用，基于整体堆焊的方法修复的花键3性能达了到新品标准，上线使用未出现因修复花键3问题导致的异常下线。将全部花键3损坏的驱动辊修复以及后续损坏的驱动辊花键3修复可节约成本50吨/年，折合金额(50*20000＝100万元/年)。

实施例4

本实施例的一种连铸辊驱动辊轴花键修复方法，基本结构同实施例3，不同和改进之处在于：步骤七中，对粗加工见光的连铸辊进行半成品检验，外观几何形状检查、加工尺寸检查及硬度检查(沿轧辊轴线方向各取若干点，进行硬度测定，所有硬度值均达到HRC54-58)；然后对堆焊层进行着色探伤和超声波探伤，检测是否有裂纹，超声波探伤按JB/T5000.15-1998《锻钢件超声波探伤》标准进行，评定标准为Ⅱ级；检验后若有不合格，采用局部深加工，如可采用铲挖、磨削、碳弧气刨或机械加工等方法清除，然后焊补填平，直至探伤合格为止；

本实施例中，使用碳弧气刨清理缺陷时，应该对缺陷周围75mm范围进行预热200℃左右，气刨后必须进行砂轮打磨，以除去增碳层，然后用对应的焊丝焊补填平。

实施例5

本实施例的一种连铸辊驱动辊轴花键修复方法，基本结构同实施例4，不同和改进之处在于：还包括堆焊层厚度的确认，对加工彻底清除缺陷后的辊面进行尺寸测量、记录，根据图纸尺寸恢复要求确定该辊子实际堆焊层厚度，保证焊好后，各加工面处单边有不低于3mm的加工余量，然后在辊身两端用宽40mm以上、厚度8mm的扁钢焊接两端弧圈。

以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种连铸辊驱动辊轴花键修复方法，其特征在于，步骤如下：

步骤一、有限元分析：采用proe5.0自带分析模块模拟花键(3)啮合受力，分析得出应力产生的应变距齿根的距离，根据圆周力、径向力和法向力计算公式算出花键(3)转矩T₁，将转矩T₁转化为载荷力，并在花键(3)分度圆与齿面宽度方向交线处添加载荷，作出花键受转动力矩后产生的应力、应变以及位移有限元模型，驱动辊花键为DIN5480-W150x5x30x28x8s；再根据最大应力下所产生的单位长度变形量，从而确定焊前去除的花键旧齿(31)长度，载荷力分解后的力的计算公式如下：

圆周力：

径向力：F_r＝F_ttanα；

法向力：

步骤二、预热：焊接前对工件整体预热，升温速度为30-50℃/h，预热至250-350℃，保温1-2h；

步骤三、清理补焊面：清除补焊面锈等污物；

步骤四、保护好不需要修复的加工面：包括刷涂抗高温氧化涂料防止升温中产生氧化皮，或者用石棉布包裹、遮挡；

步骤五、工艺规范：出炉后立即焊接，焊接的层间温度控制在300±2℃；

步骤六、焊后热处理：退火送炉时，炉膛初始温度为300±2℃，升温速度为50-60℃/min，退火温度为500±2℃，保温时间为6-8h；降温速度低于60±1℃/min，降至150±2℃出炉空冷；

步骤七、焊后加工：以内孔为基准校正加工各部外圆，以完成辊身(1)部位堆焊修复、加工或者减径加工；使用滚齿机或者插床加工花键(3)，从而完成连铸辊修复。

2.根据权利要求1所述的一种连铸辊驱动辊轴花键修复方法，其特征在于：局部焊接时，对补焊处用割炬火焰进行局部预热处理。

3.根据权利要求2所述的一种连铸辊驱动辊轴花键修复方法，其特征在于，还包括焊前准备步骤，包括：

步骤A、焊接过渡层：采用Φ3.2mm药芯焊丝CY430，配SJ604或HJ260焊剂，保证单边3±0.02mm；

步骤B、焊接盖面耐磨层：采用Φ3.2mmH2Cr13药芯焊丝，配SJ604或HJ260焊剂焊，焊接方向往复循环；

步骤C、工艺规范：焊剂在250±2℃下烘烤2h以上，出炉冷却后使用。

4.根据权利要求3所述的一种连铸辊驱动辊轴花键修复方法，其特征在于：若不能立即退火，首先在堆焊机床上转动加热至350±2℃，然后立即用石棉布包裹连铸辊进行保温，并缓冷至室温。

5.根据权利要求4所述的一种连铸辊驱动辊轴花键修复方法，其特征在于：在不损坏加工面的前提下，清除抗高温氧化涂料。

6.根据权利要求5所述的一种连铸辊驱动辊轴花键修复方法，其特征在于：对粗加工见光的连铸辊进行半成品检验，以及外观几何形状检查、加工尺寸检查和硬度检查；然后对堆焊层进行着色探伤和超声波探伤，检测是否有裂纹。

7.根据权利要求6所述的一种连铸辊驱动辊轴花键修复方法，其特征在于：检验后若有不合格，采用局部深加工，然后焊补填平，直至探伤合格为止。

8.根据权利要求7所述的一种连铸辊驱动辊轴花键修复方法，其特征在于：局部深加工包括使用碳弧气刨清理缺陷，对缺陷周围进行200±2℃的预热处理，气刨后进行砂轮打磨，以除去增碳层，然后用对应的焊丝焊补填平。

9.根据权利要求8所述的一种连铸辊驱动辊轴花键修复方法，其特征在于：还包括堆焊层厚度的确认，对加工清除缺陷后的辊面进行尺寸测量、记录，保证焊好后，各加工面处单边有不低于3±0.02mm的加工余量。