专利名称：高硬度螺纹钢轧辊的电解加工设备及加工方法
技术领域：
本发明涉及一种高硬度螺纹钢轧辊的电解加工设备及加工方法，更具体地说，涉及一种具有更高效率的高硬度螺纹钢轧辊的电解加工设备及加工方法。
背景技术：
普通铸铁螺纹钢轧辊的硬度只有HRC57 65，不论车削还是横肋铣削，常规合金钢、高速钢刀具都能够胜任。但是由于硬度低，耐磨性差，轧机需要频繁调整换辊换槽，钢筋外形尺寸波动大，质量不稳定。为了提高螺纹钢轧辊的耐磨性，各厂都试图采用高速钢甚至碳化钨等高硬度轧辊，现场试验效果相当突出，高速钢轧辊单槽过钢量比铸铁辊提高3 4倍，碳化钨轧辊可达10倍以上。高速钢轧辊表面硬度超过HRC85，只能使用氮化硼车刀，刀片安装需要螺栓压板夹持，强度和韧性都不足，只得降低吃刀量和主轴转速。通常，螺纹钢轧辊在工作一段时间之后会由于轧辊表面疲劳需要对其进行返修， 以去除疲劳层。当返修螺纹钢成品轧辊时，遇到的难题更大。由于横肋槽的存在，无法使用机夹氮化硼车刀，只能采取先用焊接刀粗车，破坏掉横肋以后，再使用机夹氮化硼精车。由于横肋槽的存在，在粗车过程中，往往造成轧槽粉碎性裂纹，降低返修率，造成轧辊提前报废，经济效益难以发挥。返修一次，焊接刀也往往被破坏多次，整个加工效率极低。
发明内容
本发明的各方面提供了一种高硬度螺纹钢轧辊的电解加工设备，所述设备包括 夹持件，用于固定被加工的轧辊；导电块，与轧辊的辊颈处电连接；工具阴极，具有空腔，电解液通过空腔从工具阴极的面向轧辊的端部喷出；电解液供应装置，用于向工具阴极供应电解液；电源部分，其正极连接到导电块，负极连接到工具阴极，其中，工具阴极的所述端部具有扇形间隙。根据本发明的一方面，工具阴极的所述端部包括多个电解液喷头，每个电解液喷头分别对应于轧辊的各个轧槽部分。根据本发明的一方面，电解液供应装置供应压力为I. 5MPa至4. 5MPa，温度为25°C 至40°C的电解液。根据本发明的一方面，工具阴极的所述端部与轧辊之间的加工间隙为O. Imm至 O. 5mmο根据本发明的一方面，所述设备还包括电解液回收装置，将收集的电解液回收净化后供应至电解液供应装置。根据本发明的一方面，所述设备还包括氢气回收装置，回收并处理电解过加工过程中产生的氢气。本发明的另一方面提供了一种高硬度螺纹钢轧辊的电解加工方法，该方法包括下述步骤将被加工的轧辊固定到夹持件上，使轧辊的辊颈与电连接到电源正极的导电块之间形成滑动电连接；通过电解液供应装置向工具阴极供应电解液，工具阴极具有空腔，电解液通过空腔从工具阴极的面向轧辊的端部喷出；其中，工具电极的所述端部具有扇形间隙。根据本发明的一方面，工具阴极的所述端部包括多个电解液喷头，每个电解液喷头分别对应于轧辊的各个轧槽部分。根据本发明的一方面，电解液供应装置供应压力为I. 5MPa至4. 5MPa，温度为25°C 至40°C的电解液。根据本发明的一方面，工具阴极的所述端部与轧辊之间的加工间隙为O. Imm至
O.5mmο根据本发明的一方面，该方法还包括利用电解液回收装置将收集的电解液回收净化后供应至电解液供应装置。根据本发明的一方面，该方法还包括利用氢气回收装置回收并处理电解加工过程中产生的氢气。根据本发明的一方面，该方法还包括通过电解加工破坏被加工的轧辊的横肋侧壁尖角部位之后，再利用氮化硼机夹车刀进行精加工。利用根据本发明的高硬度螺纹钢轧辊的电解加工设备和方法能够大幅度缩短加工时间，并且能够提高加工精度并且减少车刀的损坏。从而解决高硬度螺纹钢轧辊返修时因横肋槽存在，容易造成崩槽、崩刀，加工效率低下，费用高昂的问题。
为了清楚说明本发明，下面将对实施例所需要的附图作简单介绍。显然，下面描述的附图仅仅是本发明的一些示例，对本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他实施例，在附图中图I是根据本发明示例性实施例的高硬度螺纹钢轧辊的电解加工设备的示意图；图2是根据本发明示例性实施例的高硬度螺纹钢轧辊的电解加工设备的多个电解液喷头的剖视图；图3A示意性地示出了根据本发明示例性实施例的高硬度螺纹钢轧辊的月牙横肋槽；图3B示意性地示出了沿图3A的线A-A截取的剖视图；图4示意性地示出了根据本发明示例性实施例的高硬度螺纹钢轧辊的月牙横肋槽放大图；图5A示意性地示出了根据本发明示例性实施例的高硬度螺纹钢轧辊的月牙横肋槽的不意图；图5B示意性地示出了根据本发明示例性实施例的经过电解加工后的月牙横肋槽的示意图。附图标记说明1-工具阴极；2-轧辊；3-工具阴极固定装置；4-电解液输送管道；5_电解液压力表；6_管道开关；7_变频恒压泵；8_电解液储存箱；9_电解液回收管路; 10-主轴步进电机；11_电极进给电机；12_电解液回收装置；13-氢气回收装置；14_工具阴极；15_扇形间隙；16_卡盘绝缘层；17_顶针绝缘层；18_导电块；19_电源负极接线柱；20-电源部分；21_横肋槽；22_重新加工后的轧槽；23_电解加工前的横肋槽的上侧壁； 24-电解加工后的横肋槽的上侧壁。
具体实施例方式本发明公开了一种高硬度螺纹钢轧辊的电解加工设备及加工方法，主要用来加工高速钢、碳化钨等高硬度螺纹钢轧辊的轧槽等，解决高硬度螺纹钢轧辊不容易加工的难题。下面结合附图和实施例，对本发明进一步说明。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下，所获得的所有其他实施例都属于本发明保护的范围。 参照图I和图2，图I是根据本发明示例性实施例的高硬度螺纹钢轧辊的电解加工设备的示意图；图2是根据本发明示例性实施例的高硬度螺纹钢轧辊的电解加工设备的多个电解液喷头的剖视图。为了清晰地示出根据本发明的高硬度螺纹钢轧辊的电解加工设备，在图I中，同时示出了电解加工设备的俯视图和侧视图，其中，上部分为侧视图，下部分为俯视图。根据本发明一个实施例的高硬度螺纹钢轧辊的电解加工设备可包括夹持件，用于固定被加工的轧辊2，夹持件与轧辊2之间具有绝缘构件；导电块18，与轧辊2的辊颈处电连接，导电块18与辊颈之间能够相对滑动而不破坏它们之间的电连接；工具阴极1，具有空腔，电解液通过空腔从工具阴极I的面向轧辊2的端部喷出；电解液供应装置，用于向工具阴极I供应电解液；电源部分20，其正极连接到导电块18，负极连接到工具阴极I。根据本发明的一个实施例，高硬度螺纹钢轧辊的电解加工设备的夹持件用于固定被加工的轧辊2，夹持件与轧辊2之间具有绝缘构件。夹持件可以是能够用于固定轧辊，并且能够使轧辊根据需要进行转动和移动等的部件。根据本发明的一个实施例，采用一种数控轧辊车床为本体，主轴传动系统仍采用车床的主轴蜗轮蜗杆传动，由步进电机经蜗轮蜗杆传动给三爪卡盘，卡盘上夹紧面上形成有卡盘绝缘层16。同样，机床顶针与轧辊顶针孔间形成有顶针绝缘层17。根据该实施例， 夹持件由经过绝缘处理的三爪卡盘和机床顶针构成。然而，本发明不限于此，根据所采用的加工设备的具体形式，夹持件可以是可以固定被加工轧辊的其它装置，例如，可以是机械手臂、卡盘等。绝缘构件是设置在夹持件与轧辊2之间的用于使夹持件与轧辊2之间保持绝缘的构件。根据本发明的一个实施例，可以通过在夹持件与轧辊2之间设置绝缘层、绝缘垫片或其它绝缘结构来形成绝缘构件。根据本发明的另一实施例，可利用绝缘材料形成夹持件，从而使夹持件本身起到绝缘构件的作用。高硬度螺纹钢轧辊的电解加工设备的导电块18与轧辊2的辊颈处电连接，导电块 18与辊颈之间能够相对滑动而不破坏它们之间的电连接。具体地说，导电块18用于与轧辊 2之间形成导电接触，同时不限制轧辊2的移动。根据本发明的一个实施例，当使用数控轧辊车床的三爪卡盘和顶针作为夹持件时，在轧辊2的非传动侧(即，远离三爪卡盘且靠近顶针的一侧)的辊颈处，安装石墨上电块18作为导电块。根据本发明的一个实施例，该加工设备的工具阴极I具有空腔，由电解液供应装置供应的电解液通过空腔从工具阴极I的面向轧辊2的端部喷出。电源部分20的正极连接到导电块18，负极连接到工具阴极1，从而在电解液的作用下形成导电通路并腐蚀位于工具阴极I附近的轧辊2的表面。工具电极I的所述端部可具有扇形间隙15。还可依据轧槽数量和内径大小设置并联多喷头工具阴极，S卩，在工具阴极I的面向轧辊的端部设置多个并联的电解液喷头，每个电解液喷头分别对应于轧辊的各个轧槽部分，电解液喷头并联在同一缓冲恒压空腔内，确保电解液压力和流量分布均匀。在每个喷嘴前端面对轧槽部位形成宽度为的扇形间隙,扇形夹角150° 160° ,喷嘴侧壁由扇形中心发散径向处理。高压电解液经此间隙喷向轧辊2，保证电解液均匀分布到每个轧槽。采用可控硅整流电源(即电源部分)20，其电压为0-24V连续可调，最大电流 200A。电源部分20的正极与轧辊2的辊颈处的导电块18连接，保证做到随着轧辊缓慢旋转而接触良好。电源部分20的负极通过电源负极接线柱19连接到工具阴极I。根据本发明的一个实施例，可将工具阴极I夹持在数控车床的刀架之间。电解液供应装置为电解加工部位供应I. 5-4. 5MPa压力、稳定流量和适宜温度 25-40°C的经过滤的洁净电解液。在电解液供应装置中，变频电机驱动变频恒压泵7吸附电解液，加压后电解液经管道开关6、单向阀、精过滤器等通过电解液输送管道4传输到工具阴极1，然后经扇形间隙15喷向各轧槽加工部位。还可将电解加工的各种操控开关转移到数控系统内，从而实现自动控制。例如，可以设置油泵启停开关、变频压力调整钮、供油压力检测、X主轴快速找正回升按钮等操控开关。本发明的电解液设备还包括氢气回收装置13，以收集并处理电解过程中产生的氢气。在工作过程中启动氢气回收装置，确保安全。根据本发明的实施例的加工设备还可包括工具阴极固定装置3，用于固定工具阴极I ;电解液压力表5，设置在电解液输送管道4中，用于测量管道中的电解液的压力；电解液储存箱8，与电解液输送管道4和电解液回收管道9连接，以储存电解液，其中，电解液回收管道9连接到电解液回收装置12 ;驱动电机，包括主轴步进电机10、电极进给电机11 等，用于驱动加工设备的各种部件。根据本发明的另一实施例，还提供了一种高硬度螺纹钢轧辊的电解加工方法。该方法使用根据本发明一个实施例的电解加工设备，将被加工的轧辊固定到夹持件上，使轧辊的辊颈与电连接到电源正极的导电块之间形成滑动电连接，夹持件与轧辊之间具有绝缘构件；通过电解液供应装置向工具阴极供应电解液，工具阴极具有空腔，电解液通过空腔从工具阴极的面向轧辊的端部喷出；其中，工具电极的所述端部具有扇形间隙。具体地说，可以利用根据本发明实施例的电解加工设备来执行该电解加工方法， 可将待加工的轧辊固定到夹持件上，使轧辊与夹持件之间保持绝缘并使轧辊与导电块之间形成电连接。然后，将电解液通过工具阴极喷射到轧辊的表面上，同时接通电源以形成电流通路。在加工过程中，工具电极并不直接接触轧辊表面，从而避免了崩槽、崩刀等生产事故。 轧辊表面的疲劳层在电解液和电流的作用下被腐蚀，因此能够在不接触轧辊的情况下完成对轧辊表面的加工。更具体地讲，使用根据本发明的高硬度螺纹钢轧辊的电解加工设备对轧辊进行电解处理包括以下步骤将工具电极I对正轧辊2的旧轧槽；分别启动电解液的变频恒压泵7、数控车床、电源，将扇形间隙15与轧辊2的轧槽的加工间隙控制为O. 1-0. 5mm ;然后启动主轴步进电机10控制轧棍旋转，保持线速度I. 0-1. 5mm/min,方向自上向下,从而电解液被喷射到待处理的轧辊2上，并且从工具阴极I喷出的电解液经过轧辊2之后可落入电解液回收装置12内。电解液回收装置12能够将使用后的电解液回收、净化并返回电解液供应装置。以Φ370πιπι成品轧辊返修为例，径向切入后，完成一周所加工的长度为L =
3.14*370 = 1162mm,以加工速度I. 5mm/分钟计算，完成一圈轧槽的处理需要1162 + 1. 5 = 775分钟，合计775 + 60 = 13个小时。然而，根据现有技术的方法，仅机加工采取焊接车刀破坏横肋轧槽粗加工所需的时间就需要大约13个小时，之后还需要使用高硬度车刀进行粗车和精车加工。综合比较， 使用本发明的方法与现有技术的方法相比，工效可提高大约50%。图3A示意性地示出了根据本发明示例性实施例的高硬度螺纹钢轧辊的月牙横肋槽；图3B示意性地示出了沿图3A的线A-A截取的剖视图；图4示意性地示出了根据本发明示例性实施例的高硬度螺纹钢轧辊的月牙横肋槽放大图；图5A示意性地示出了根据本发明示例性实施例的高硬度螺纹钢轧辊的月牙横肋槽的示意图；图5B示意性地示出了根据本发明示例性实施例的经过电解加工后的月牙横肋槽的示意图。下面参照图3A至图5B来描述根据本发明示例性实施例的电解加工高硬度螺纹钢轧辊的过程。参照图3A和图3B，为了将钢材轧制成螺纹钢，在高硬度螺纹钢轧辊上形成有多个横肋槽21，这些横肋槽通常是月牙形的，因此通常将其称作月牙槽或月牙横肋槽。为了清楚起见，在图3A中仅示出一个月牙横肋槽21，但是本领域普通技术人员应当理解，高硬度螺纹钢轧辊上形成有分布均匀的多个横肋槽21。在当高硬度轧辊使用一段时间后，由于轧辊表面疲劳，因此必须将疲劳层去掉才能继续使用。根据本发明的一个实施例，可利用根据本发明的高硬度螺纹钢轧辊的电解加工设备来去除轧辊表面的疲劳层。如图4所示，在电解加工处理之前，轧辊表面为b-a-b，其中轧辊上的横肋槽21的底表面为虚线表示的b-c-b，利用根据本发明的高硬度螺纹钢轧辊的电解加工设备处理后， 将轧辊表面的疲劳层去除，从而形成新的轧辊表面b’ -a’ _b’，新的轧辊表面低于原横肋槽 21的底表面，从而在轧辊上去除了疲劳层以及横肋槽21并形成了新的轧槽22。去除了疲劳层和横肋槽21的轧辊再经过后续处理形成新的横肋槽，从而完成了轧辊的返修处理。利用根据本发明的高硬度螺纹钢轧辊的电解加工设备和方法能够大幅度缩短加工时间，并且能够提高加工精度并且减少车刀的损坏，从而解决高硬度螺纹钢轧辊返修时因横肋槽存在，容易造成崩槽、崩刀，加工效率低下，费用高昂的问题。此外，还可以采取只用电解加工破坏横肋侧壁的尖角部位，降低横肋侧壁斜度，解除机械车削的刚性冲击，采用机夹氮化硼车刀精加工的方式来进行加工，这样能够进一步缩短轧辊返修的时间。根据本发明的一个实施例，当采用这种方式时，与现有技术的时间相比，轧辊返修时间还可以再缩短60%。具体地说，参照图5A和图5B，在根据现有技术的方法中，车刀往往是在撞到横肋槽的上侧壁23(由线b-a-c围成的表面)时损坏的。这是因为当轧辊自上而下地旋转时，上侧壁23的尖角部分(线a-b)与车刀迎面相撞而没有缓冲，这种刚性冲击会产生较大的撞击力，从而使车刀容易损坏。在使用根据本发明示例性实施例的高硬度螺纹钢轧辊的电解加工设备处理之后，将该尖角部分去除，从而形成新的横肋槽的上侧壁24(由线b-a’ -c 围成的表面)。由于经过电解处理后的上侧壁24降低了横肋槽上侧壁的斜度，因此形成了较为平缓的斜面。在这种情况下，当车刀与上侧壁24相遇时，会存在一个车刀与上侧壁24 逐渐接近并接触的过程，从而避免了由于刚性冲击而产生的撞击力，因此能够减少或防止车刀的损坏，同时进一步缩短加工所需的时间。已经参照附图描述了根据本发明的实施例，然而本发明不限于此，本领域普通技术人员应当理解，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对实施例进行各种修改和改变，本发明的范围由权利要求书及其等同物限定。
权利要求
1.一种高硬度螺纹钢轧辊的电解加工设备，所述设备包括夹持件，用于固定被加工的轧辊；导电块，与轧辊的辊颈处电连接；工具阴极，具有空腔，电解液通过空腔从工具阴极的面向轧辊的端部喷出；电解液供应装置，用于向工具阴极供应电解液；电源部分，其正极连接到导电块，负极连接到工具阴极，其中，工具阴极的所述端部具有扇形间隙。
2.如权利要求I所述的设备，其中，工具阴极的所述端部包括多个电解液喷头，每个电解液喷头分别对应于轧辊的各个轧槽部分。
3.如权利要求I所述的设备，其中，电解液供应装置供应压力为I.5MPa至4. 5MPa、温度为25°C至40°C的电解液。
4.如权利要求I所述的设备，其中，工具阴极的所述端部与轧辊之间的加工间隙为 O. Imm 至 O. 5mmο
5.如权利要求I所述的设备，所述设备还包括电解液回收装置，将收集的电解液回收净化后供应至电解液供应装置。
6.如权利要求I所述的设备，所述设备还包括氢气回收装置，回收并处理电解过加工过程中产生的氢气。
7.一种高硬度螺纹钢轧辊的电解加工方法，该方法包括下述步骤将被加工的轧辊固定到夹持件上，使轧辊的辊颈与电连接到电源正极的导电块之间形成滑动电连接；通过电解液供应装置向工具阴极供应电解液，工具阴极具有空腔，电解液通过空腔从工具阴极的面向轧辊的端部喷出，其中，工具电极的所述端部具有扇形间隙。
8.如权利要求7所述的方法，其中，工具阴极的所述端部包括多个电解液喷头，每个电解液喷头分别对应于轧辊的各个轧槽部分。
9.如权利要求7所述的方法，其中，电解液供应装置供应压力为I.5MPa至4. 5MPa、温度为25°C至40°C的电解液。
10.如权利要求7所述的方法，其中，工具阴极的所述端部与轧辊之间的加工间隙为O.Imm 至 O. 5mmο
11.如权利要求7所述的方法，还包括利用电解液回收装置将收集的电解液回收净化后供应至电解液供应装置。
12.如权利要求7所述的方法，还包括利用氢气回收装置回收并处理电解过加工过程中产生的氢气。
13.如权利要求7所述的方法，所述方法还包括通过电解加工破坏被加工的轧辊的横肋尖角部位之后，再利用氮化硼机夹车刀进行精加工。
全文摘要
本发明公开了一种高硬度螺纹钢轧辊的电解加工设备和加工方法，所述设备包括夹持件，用于固定被加工的轧辊；导电块，与轧辊的辊颈处电连接；工具阴极，具有空腔，电解液通过空腔从工具阴极的面向轧辊的端部喷出；电解液供应装置，用于向工具阴极供应电解液；电源部分，其正极连接到导电块，负极连接到工具阴极，其中，工具电极的所述端部具有扇形间隙。
文档编号B23H3/10GK102601469SQ20121002024
公开日2012年7月25日 申请日期2012年1月29日 优先权日2012年1月29日
发明者杨乐彦, 杨乐彬, 郭锟 申请人:莱芜钢铁集团有限公司