复合碳套辊及其制作方法与流程

本发明涉及一种复合碳套辊及其制作方法，属于机械设备技术领域。

背景技术：

板带在生产过程中需经退火炉热处理，为炉内传送板带需要，退火炉内安装了数量众多的碳套辊，板带与碳套相接触可防止金属辊表面积瘤，保证板带产品质量。现有技术的碳套辊如图1所示，由金属辊身和石墨质的碳套3两部分组成，金属辊身由辊身2和两侧的左轴头1和右轴头4组成，左轴头1和右轴头4采用过盈配合装入辊身2，并与辊身2焊接为一体，辊身2内部为空心。根据带钢产品工艺需要，有些产品要求退火温度在1100℃左右。碳套辊使用期间，辊身沿轴向逐渐发生弯曲，对下机弯曲辊身进行检测，冷态下变形最大部位达到10mm以上，导致碳套擦伤板带表面，被迫停炉更换碳套辊，影响机组产能。

经过分析，在高温环境下，碳套辊金属辊身材料性能急剧下降，虽然采用了性能较好的金属材料，但高温强度仅为几个mpa，在辊身自重和离心力的作用下，极易发生弯曲变形。

为了延长碳套辊的使用寿命，有研究提出过在辊身内部空腔灌注一种特殊高温高强度微膨胀的陶瓷浇注料(以下简称：陶瓷浇注料)的复合结构方案。如图2所示，辊身2内呈空腔结构，在辊身2内的空腔中填充有陶瓷浇注料7，且在辊身2与左轴头1和右轴头4相接触的两个端部各加设三个挡筋条6，左轴头1和右轴头4的中央均设有排气孔5。这样的设计是基于陶瓷浇注料在高温下的强度具有远高于金属材料强度的特点，进而复合结构碳套辊辊身充分发挥了陶瓷浇注料高温下强度高的特点，最终获得金属辊身和陶瓷浇注料的强度叠加效果，在高温条件下两者共同抵抗弯曲变形，如图3所示。

但是，由于金属热膨胀系数是陶瓷材料的10倍，常温下金属与陶瓷浇注料之间无间隙，在高温烘烤过程中，金属膨胀极可能导致陶瓷浇注料产生裂纹而断裂，浇注体的质量难以受控，导致灌注式陶瓷浇注料复合辊寿命提高有限。

技术实现要素：

本发明基于复合结构设计思想的基础上，开发一种质量稳定可靠的陶瓷、金属复合结构的碳套辊辊身。

复合结构碳套辊的核心技术是利用陶瓷材料的高温强度优于金属材料的特性来抵抗辊身弯曲，前提是必须保证辊身内部的陶瓷材料无裂纹等缺陷，而灌注式陶瓷浇注料复合辊的质量难以受控。在此提出了在辊身内部空腔插入一种达到陶瓷材料高温特性的陶瓷预制件的复合结构方案，陶瓷预制件采用模具浇注的方案进行制作，脱模后，则可方便地检测陶瓷预制件的浇注质量，能确保插入辊身空腔内的陶瓷预制件无裂纹等缺陷。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种复合碳套辊，其包括左轴头、右轴头、辊身、陶瓷预制件、碳套和若干挡筋条，所述辊身嵌套于陶瓷预制件的外侧，所述左轴头和右轴头通过辊身的包覆分别固设于陶瓷预制件的两侧，所述碳套嵌套于辊身的外侧，若干所述挡筋条以均分的方式分别嵌设于陶瓷预制件的两端，即在辊身两端的内壁分别均匀焊接数根挡筋条，相邻两根挡筋条的距离均相等。

作为优选方案，所述挡筋条的数量为六条。

本发明的基本原理为：目前的碳套辊辊身设计为空腔结构，将达到陶瓷材料高温特性的陶瓷预制件插入到辊身内部空腔。陶瓷预制件在高温下的强度具有远高于金属材料强度的特点，在此基础上设计的复合结构碳套辊辊身，充分发挥了陶瓷预制件高温下的强度高的特点。这样金属辊身和陶瓷预制件的强度叠加，在高温条件下两者共同抵抗弯曲变形。

一种如前述的复合碳套辊的制作方法，其包括如下步骤：

制作带有键槽的陶瓷预制件；

在陶瓷预制件的每个键槽内各设置一个挡筋条；

将带有挡筋条的陶瓷预制件水平插入辊身的空腔内，将所述挡筋条与辊身的内壁进行焊接；

将碳套套接于辊身的外侧。

例如：制作两端各有三个键槽的陶瓷预制件，在陶瓷预制件插入辊身内前，在每个键槽位置通过螺栓和圆螺母安装一个挡筋条，将带有挡筋条的陶瓷预制件水平穿设在辊身内，最后将挡筋条与辊身焊接固定。

作为优选方案，所述陶瓷预制件与辊身之间呈间隙配合。

作为优选方案，所述陶瓷预制件与辊身之间的间隙为1～2mm。

作为优选方案，所述辊身的内径的尺寸精度不超过0.05mm。

作为优选方案，所述陶瓷预制件的外径的尺寸精度不超过0.5mm，直线度不超过0.65mm。

作为优选方案，所述陶瓷预制件的制作方法包括如下步骤：

将一个纸质套筒竖直放置，作为纸质套筒模具，并在纸质套筒模具的两端内壁各设置三个挡筋条作为陶瓷预制件的键槽的凸模；

将陶瓷浇注料浇注入所述纸套筒模具内；

冷却定型后，脱模得到带有键槽的陶瓷预制件。

即：在制作陶瓷预制件时就将键槽在陶瓷预制件上制出，最后脱模时，直接将纸质套筒模具烧毁即可。

作为优选方案，所述纸质套筒的制作方法包括如下步骤：

将一根圆柱形棒材竖直放置，在所述棒材的外侧用纸进行缠绕，得到纸质套筒，且在纸质套筒制作完毕后，保持纸质套筒竖直放置。

作为优选方案，所述纸质套筒的内径尺寸精度不超过0.2mm。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明的复合结构碳套辊辊身形成了一种“金属-陶瓷复合结构”的碳套辊辊身，由于陶瓷浇注料的高温下的抗折强度(15～25mp)远高于金属材料的高温强度，从而为金属辊身起到支撑作用，提高了碳套辊辊身在高温下地抗变性能力，延长了碳套辊辊身的在机使用寿命。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为原始的碳套辊的结构示意图；

图2为经过改进的碳套辊的结构示意图；

图3为金属材料与陶瓷材料强度曲线合成图；

图4为本发明的复合碳套辊的结构示意图；

图5为本发明的复合碳套辊的浇注状态示意图；

图6为本发明中辊身内部插入陶瓷预制件施工状态示意图；

图中：1、左轴头；2、辊身；3、碳套；4、右轴头；5、排气孔；6挡筋条；7、陶瓷浇注料；8、陶瓷预制件；9、金属底座；10、纸质套筒模具；11、螺栓；12、圆螺母。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

一方面，本发明提供的一种复合碳套辊的结构如图4所示，其包括左轴头1、右轴头4、辊身2、陶瓷预制件8、碳套3和六条挡筋条6，辊身2嵌套于陶瓷预制件8的外侧，左轴头1和右轴头4通过辊身2的包覆分别固设于陶瓷预制件8的两侧，碳套3嵌套于辊身2的外侧，三条挡筋条6嵌设于陶瓷预制件8的一端，剩余三条挡筋条6嵌设于陶瓷预制件8的另一端。陶瓷预制件8两端的挡筋条6均在陶瓷预制件8的圆周上均匀分布。

另一方面，本发明还提供的一种如前述的复合碳套辊的制作方法，其包括如下步骤，如图5和6所示：

将一根圆柱形棒材竖直放置，在所述棒材的外侧用纸进行缠绕，得到纸质套筒，且在纸质套筒制作完毕后，保持纸质套筒竖直放置，作为纸质套筒模具10，纸质套筒模具10的内径尺寸精度不超过0.2mm；

将一个纸质套筒模具10竖直放置于金属底座9的表面，并在纸质套筒模具10的内壁两端各设置三个挡筋条作为陶瓷预制件的键槽的凸模；

向纸质套筒模具10内浇注陶瓷浇注料7，待陶瓷浇注料7冷却定型后，得到两端都带有键槽的陶瓷预制件8，控制陶瓷预制件8的外径的尺寸精度不超过0.5mm，直线度不超过0.65mm。在每个键槽内通过螺栓11和圆螺母12加装一个挡筋条6，最后在脱模时将纸质套筒模具10烧毁即可。当然，也可以在脱模后将挡筋条与陶瓷预制件进行固定连接。

将设置了挡筋条6的陶瓷预制件8水平插入辊身2的空腔内，控制辊身2的内径的尺寸精度不超过0.05mm，以及陶瓷预制件8与辊身2之间呈间隙配合，间隙为1～2mm。

将挡筋条6与辊身2的内壁进行焊接；

将碳套3套接于辊身2的外侧。

上述方法需要注意的关键技术点如下：

1、陶瓷、金属复合结构的碳套辊实现方式之模具设计及浇注

复合结构碳套辊的核心技术是利用陶瓷材料的高温强度优于金属材料的特性来抵抗辊身弯曲，前提是必须保证辊身内部的陶瓷材料无裂纹等缺陷，而灌注式陶瓷浇注料复合辊的质量难以受控。在此提出了在辊身内部空腔插入一种达到陶瓷材料高温特性的陶瓷预制件的复合结构方案，即陶瓷、金属复合结构的碳套辊实现方式由“灌注式”转变为“插入式”，陶瓷预制件采用模具浇注的方案进行制作，脱模后，则可方便地检测陶瓷预制件的浇注质量，能确保插入辊身空腔内的陶瓷预制件无裂纹等缺陷。要实现此种方案，关键在于设计并制造符合尺寸精度要求且便于脱模的模具。原先采用金属管制造模具，为便于脱模，必须将内孔已加工的金属模具线切割成两半，然后采用螺栓将模具的两半组合成一个整体模具，由于存在拼装误差，浇注出来的浇注料棒存在错位现象(达到3mm以上)，直接影响浇注料棒的尺寸精度，难以满足尺寸精度要求。后续经过多次调研，最终决定选用纸套筒作为模具，纸套筒成型方式：纸绕着高精度的辊子缠绕成型，纸套筒内孔尺寸精度由金属辊外径精度保证，其内孔尺寸精度能控制在0.2mm以内，制造完毕的纸套筒应立即竖直悬置，避免出现弯曲，同时在浇注过程中纸套筒也应竖直悬置，如果纸套筒水平放置，受其自重影响纸套筒会出现弯曲，浇注过程中弯曲更加剧，导致浇注料棒出现弯曲。

2、金属辊身内孔与陶瓷预制件的尺寸公差配合技术

为了保证陶瓷预制件顺利插入至金属辊身内部空腔，又要避免金属辊身内孔与陶瓷预制件的间隙过大。如果间隙过大，浇注料棒支撑金属辊身的效果会变差，甚至无效果，金属辊身仍会明显弯曲；间隙过小，浇注料棒存在无法插入金属辊身的风险而无法使用。故基于以下3个因素确定金属辊身内孔与陶瓷预制件的尺寸公差配合：1)、金属与陶瓷材料高温膨胀量的差异；2)、金属辊身内孔与陶瓷预制件加工精度的可控度；3)、设备运转时对金属辊身变形量的控制值。

将陶瓷预制件和金属辊身内孔的配合设计为间隙配合，常温下间隙控制在1～2mm之内，同时也要考虑到在1100℃高温下的间隙变化情况，由于金属热膨胀系数是陶瓷材料的10倍，此处忽略陶瓷预制件的热膨胀，金属材料的热膨胀系数为17.6×10^-6(1/℃)，室温25℃，最大温升1075℃，经计算，金属辊身内孔在1100℃时尺寸增大量小于2mm，热态总间隙在3～4mm之内，根据实际使用经验，金属辊身弯曲变形量的控制值小于10mm，完全能满足生产需求。

金属辊身内孔的尺寸精度能控制在±0.05mm之内，陶瓷预制件的尺寸精度主要由纸套筒精度及机加工精度所决定，通过采用高精度的纸套筒及对烘烤脱模后的陶瓷预制件表面机加工，采用特制的金刚石刀和特制的三点式固定辊身的方法进行加工，能够将陶瓷预制件的外圆尺寸精度控制在±0.5mm之内，直线度在0.65mm之内。

总结：通过对金属辊身内孔和陶瓷预制件的尺寸精度控制，能保证常温下两者配合间隙控制在1～2mm之内，实际间隙为1～1.2mm。

3、陶瓷预制件在金属辊身内部的固定技术

为了防止金属辊身运转时，金属辊身内腔的陶瓷预制件与金属辊身相对转动而损坏，陶瓷预制件需固定在金属辊身上一起转动。在制造陶瓷预制件时，在陶瓷预制件的两端处各预留三个键槽，将陶瓷预制件插入金属辊身后，在陶瓷预制件的键槽部位放入挡筋条，并将挡筋条与金属辊身内壁焊接。

综上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用来限定本发明实施的范围，凡依本发明权利要求范围所述的形状、构造、特征及精神所为的均等变化与修饰，均应包括于本发明的权利要求范围内。