瓦楞辊知识之一----设计与制造

瓦楞辊的设计和制造

瓦楞辊是瓦楞纸箱生产过程中至关重要的部件。瓦楞辊的制造方法、材料选材以及楞型的设计都会对瓦楞辊的成本和性能产生很大的影响。当我们了解了瓦楞辊制造的各个步骤之后，就会对此有更清楚的认识。

瓦楞辊的选材

钢材因其较高的性价比而成为制造瓦楞辊的首选材料。钢材是在铁中加入适量的碳元素并经过锻造而成的合金。此外还可以加入锰、铬、钼、硅和锂等其它元素的合金，从而使合金钢获得某些特殊性能。制造瓦楞辊选用钢材的最终规格又取决于各瓦楞辊供应商的选材标准。供应商必须要考虑这种压力容器生产的相关法规和所用材料的成本、性能和市场供应情况。钢材的生产工艺是先将铸铁熔化后加入合金元素。然后把钢水倒进钢模，使之凝固成一个重达50吨的钢锭。这块钢锭经加热和锻压变成圆柱体的钢坯，这便是瓦楞辊的坯料。

优质瓦楞辊是由实心锻件制造而成。锻造工艺（包括热轧钢坯）可以改变和致密化钢的纹理结构，并由此增强钢的密度和强度，提高稳定性。稳定性在随后的加工（比如热处理）中起着非常关键的作用，它能确保辊体不会扭曲变形。

把钢锭加工成钢块、钢坯和钢板时，所有的钢都经历了不同程度的锻造。接下来的工序中，钢锭还要经过拉拔加工以最终成型。这样，钢里面所有不能溶解的杂质（在最初的锻造中杂质会集中到钢锭的中央）会被保留下来并成为成品瓦楞辊的一部分。微观上这些杂质呈现出纤维纹理，与木材中的纹理结构很相似。但是，软木和硬木的结构有所不同：硬木的纹理结构很光滑致密，而软木的则很疏松。同样地，千锤百炼后形成的具有光滑致密纹理结构的钢材的硬度较高，是制作瓦楞辊的优质材料。

瓦楞辊的加工

把锻造过的圆钢坯放进车床，对其外径和两个端面进行粗加工，做成端面平行的规则圆柱体。再把加工过的钢坯放入另外一个机器里去除辊芯。圆柱体的一端被紧紧地固定住，带杂质的钢坯被开孔去除辊芯（就像苹果被去核一样）。许多供应商都会把去除辊芯后的钢坯放置几个星期，以便释放钢坯内部的应力。

辊体内外径大小将决定辊壁的厚度。由于厚度会影响到瓦楞辊的导热性能，所以是一个很重要的设计指标。另外，辊体质量和硬度也会受此影响，进而影响到辊体的自有频率或振动反应。

瓦楞辊的两端经过反向钻孔，以便安装短轴或轴颈。在这一中间环节往往需要进行质量检验。轴颈（锻造后成型）端部经过粗加工，加工时要预留一定尺寸待后续加工。轴颈端部也需进行特殊处理（如热处理）以释放辊体内的应力。

轴颈现在就可装入辊体中。装配时可以把辊体两端加热膨胀，也可以把辊颈浸入液态氮中使其遇冷收缩，以便顺利装配。当辊轴装入辊体内并恢复到常温后，通过预热、焊接连接处，或使用螺栓等方法在轴颈和辊体之间形成一个坚固的密合界面。焊接时要特别小心仔细。成品瓦楞辊运转时辊体温度不断升高，同时还承受着辊体内部的蒸汽压力，这就形成了所谓的“压力容器”。鉴于此，辊体与辊轴的接缝处必须通过压力测试，并通过国内权威机构的检验。

把装配好的瓦楞辊放回车床进行再加工，所有的直径尺寸都要比成品稍大一些。由于所有的轴同步旋转，所以必须确保它们是同心轴。这对单面机的平稳运转非常重要。这次加工后的辊还要接受检查，检查内容包括磁粉探伤检测上文提到的压力检测试。

下一个步骤就是把辊放到刨床上刻出大致的瓦楞形状。为此，单点式刻刀沿轴向来回移动刻出凹槽，直到刻出指定的楞深，这个工序需多次重复。当辊的整个圆周都被刻上凹槽后，降低刻刀，重复上面的操作，刻出微深一些的凹槽。刻楞型是还可以借助目前使用较普遍的滚铣刀。操作的时候，同时刻出辊体沿圆周方向瓦楞。这些还只是粗加工工序，仅刻出了楞的大致形状。最后，通过碾磨或研磨，瓦楞辊的楞才最终成型。

现在就可以对辊进行硬化处理。经过一道道热处理工序，瓦楞辊表面变得更加耐磨、耐用。

硬化之后，根据用户使用的纸型和(或)楞型，沿辊体圆周按一定的间隔切割凹槽，以供真空施压或导爪定位。当然，这些凹槽的间隔也可根据瓦楞辊制造商的标准设计来切割。在辊体端侧的凹槽距辊端较近，以更好地支撑纸的边缘（真空吸附式或压力式）。这些凹槽是用金刚石盘刀刻进辊面的。一些制造商在辊硬化之前就刻槽了，因为加工软的材料相对来说容易一些。理论上讲，这会使辊在后面的加热过程出现问题，凹槽部分硬度会有所变化。只有当供应商认识到金属的局限性并在加热过程中多加小心，这种潜在的问题才可避免。

至此，瓦楞辊的加工过程可以说基本结束。热处理后的辊被放在磨床上完成楞型的轮廓加工。用金刚砂磨床将所需的楞型刻入研磨轮，每研磨完一定数量的凹槽，这个轮就需要打磨一下以保证楞型的精密度。但是，这种研磨过程有两个缺点。第一就是金刚砂磨床的刀具非常昂贵。而且供应商只能用已经购买的金刚砂磨床加工固定的楞型。第二，每个金刚砂磨床已经按照特定的辊的直径和楞间距（单面机供应商提供的辊的直径规格）进行研磨。辊筒的重新加工包括对辊重新研磨以减小直径，意味着调整楞型并且增加收缩率。另外一种克服了这些缺陷的打磨系统是使用电脑控制的金刚砂磨床，可以改变研磨轮的形状以适应多种楞型的研磨。当使用这套系统时，还可对楞尖弧度进行修改，从而减少或消除翻修辊经常存留的影响伸缩率的不利因素。

部分辊筒需要进行进一步的表面处理，比如镀铬或碳化钨喷涂。由于供应商的要求不同，这些辊在出厂之前的需要接受的检测也有所不同。尺寸检查应该和强度检测、模拟运行一起进行，以充分地保证瓦楞辊的性能。每一套辊筒应附有一份完整的说明书。这样，使用者和制造者在以后的翻修中可以用它作参考。

辊表面处理和喷涂

喷涂技术介绍

近年来，瓦楞纸箱行业越来越多的人利用特殊喷涂来提升瓦楞辊的性能。

未喷涂的辊通过硬化增强了钢辊表面的耐久性和抗磨损性。辊面硬化可以有很多方法，下面将介绍最常用的几种。所有方法都是要改变钢辊表层的结构，而经处理后钢辊的表层性能又取决于所选用的钢材的规格。

采用传统硬化方法的钢辊的局限是硬度越高，辊筒就越脆。这样的辊筒在使用时易破碎和断裂。辊的最佳表面硬度是63Rc。实际上，新辊的硬度经常会小一点（60Rc ~61Rc），有时感应硬化的辊筒，硬度会在使用过程中有所提高。这是因为在硬化过程中，辊表的碳（和钢混合在一起获得更大的硬度）会丢失，所以辊表层的硬度就会比它下层的硬度略小。在辊筒的使用过程中，硬度偏低的表层会被不同程度地磨损掉（见辊的磨损这一部分），并且这个渐进的磨损过程会在所生产纸板的厚度上有所反映。

为了减少辊磨损引起的不良后果，延长辊筒的寿命，研究人员开发出喷涂技术来代替钢表硬化工艺。这些涂层是一层薄薄的更坚固更耐磨的材料，在纸和辊面之间起着屏障的作用。

下面将介绍各种硬化和喷涂工艺及其优缺点。

感应硬化（辊表面处理和涂层下级标题）

所有的硬化都通过加热和冷却材料来改变金属结构而实现的。感应硬化是辊在垂直的状态下，用电缠绕辊体，电圈通电后就会在辊表面产生强大的磁场，辊面温度迅速上升到所需温度，接着快速进行油冷淬火，使加热过程中得以改变的表层结构被保留下来，约4毫米~5毫米的表层变得更坚硬（大约68Rc）。

接下来，就是对辊筒进行回火加工。这包括在一个熔炉里对辊加热到远低于硬化时的温度，然后慢慢冷却。这两个工序的结合可使辊筒硬度达到63 Rc以上。

感应硬化加工速度快，成本低，而且操作容易控制，具有普通硬化钢表面的特性和局限。由于芯纸和硬化的楞尖间的自然磨损过程变长，瓦楞辊磨损也得以减轻。

氮化（辊表面处理和涂层下级标题）

氮化时，辊筒必须放在一个特制的充满氮气的炉子里加热，这样就在辊的表面产生了一层0.75毫米厚的坚硬外壳。通过这个过程，辊表结构发生变化，从而获得绝佳的耐磨性。然而，如果辊筒在硬化时有任何变形，这个较薄的表层就不得不被磨掉。这样，为确保辊筒的使用寿命，辊制造者需再进行研磨和硬化。氮化工艺是一种相当成熟的并广为应用的技术，这种工艺成本不高，而且成功率高。使用时，氮化辊的磨损率低，而且相当稳定。但当这个硬化层被磨光后，磨损的速度就会明显加快。

离子氮化的超级硬化（辊表面处理和涂层下级标题）

为了改善传统的氮硬化工艺辊筒易磨损和硬化层偏薄的特缺陷，一些供应商开发出一种新的工艺：把离子氮化和感应硬化结合起来。这样硬度值保持63RC~64Rc，硬化层的厚度却已增加到1.2毫米~1.4毫米。

传统镀铬（辊表面处理和涂层下级标题）

镀铬工艺已经被使用了好几年。在某些地方，比如美国，镀铬工艺是瓦楞辊表面处理的主要方法。镀铬层本身就给辊的不锈钢表面提供了一个坚固耐磨层。这种电镀工艺在靠电极板的地方镀层更厚。对瓦楞辊而言，这意味着楞尖将会比楞侧和楞谷有更厚的铬层。这被认为是最有用的特性，因为楞尖是瓦楞辊最易磨损的地方。（不同供应商提供的瓦楞辊的铬层厚度不同，但楞尖镀层的厚度多为0.1毫米左右。）镀铬的另外一个优点是铬表面和芯纸之间的摩擦系数小，这有助于减少瓦楞辊间的张力。硬化辊适合用于加工磨擦系数较大的纸张，而镀铬辊则适合用于干净的原生纤维抄造的芯纸。如果纸里有大的硬颗粒（超过0.5毫米），镀铬辊的楞尖容易剥落。这种剥落会导致楞尖夹持芯纸，从而引起楞形异常。

加工高强芯纸时，镀铬辊会比用传统方法硬化的不锈钢辊的使用寿命长很多，然而价格却要高很多。所以用户须仔细考虑其经济性。

评估一套正在使用的镀铬辊的磨损情况不象评估传统硬化不锈钢辊那么容易。最初，当铬层的没有被破坏时，辊筒磨损较慢，而且很难检测其磨损情况。当铬层磨掉后，磨损就开始加速，这时其磨损速度和传统硬化辊毫无差别。

在辊筒使用期间，使用硫化铜对铬层的状况进行定期（比如每三个月）检测就可以了解铬层的状况。当硫化铜把辊面某些地方变成褐色时，证明这部分铬层已经缺失。铬层最易缺失的区域应当是在辊中央的凹槽边缘。

瓦楞辊的更换视工厂的不同考量而定，可以在铬层完全缺失后再更换。也可在硫化铜测试显示涂层刚开始缺失就更换，这样可能会更经济。只需进行剥离、研磨、喷涂即可完成翻新。和重新雕刻楞型或切割并镀铬相比，这可节约大量成本。

NU重铬喷涂（辊表面处理和涂层下级标题）

现在市场上出现了一种新的方法叫做NU铬，它会给辊筒带来一层更耐磨的涂层。和传统的镀铬相比，辊筒寿命更长，而且价格还很低。这种工艺中使用的材料和传统的镀铬材料没什么区别，关键在这种电镀工艺本身。NU铬指的是使用改进的喷涂工具，喷涂后涂层更加厚实。使用时，它的使用和维护同其他传统的镀铬辊一样。在辊楞尖处NU铬的厚度多达0.15毫米左右。

碳化钨喷涂（辊表面处理和涂层下级标题）

二十世纪90年代末，碳化钨喷涂辊在欧洲广泛流行，而在美国这种工艺有着更长的历史。这种涂层本身是由非常坚固的碳化钨颗粒结合而成，并通过一种模具（材质通常为钴）涂敷在辊面上。其他元素，比如镍或铬也可以加入到涂层中以提高它的性能，如抗腐蚀性能。

也可使用多种方法把涂层涂到辊面上，比如：HVOF（火焰喷涂法），这种涂层材料（粉末状）被加热到其熔点以上成为气体，然后喷到辊表面。由于这种工艺的特性，HVOF是最适合把涂层介质以90度的角度（涂到瓦楞辊楞侧上有一定的难度）进行喷涂。然而相对来说，最好的方法就是以60度的角度进行喷涂，所以HVOF在瓦楞辊市场上占有一席之地。

其他常用的涂层方法有爆炸喷涂和超级爆炸喷涂（爆炸喷涂的升级版）。简单说，这两种方法都需要把圈状涂层材料高速（爆炸喷涂的速度为760m/s, 超级爆炸喷涂的速度为900m/s）轰击到辊面上。

仔细控制这个过程，这些材料会变成很厚很稳定的涂层，具有良好的性能。这种工艺的最大优势是以45度的角度喷涂出来的涂层性能最佳，厚厚的涂层性能优越，而且辊上的涂层厚度均匀（如果操控制适当的话）。缺点是喷涂之后，需要对粗糙的部分进行抛光，而且与其他工艺相比，成本高昂。

和其他的涂层材料一样，碳化钨喷涂也需要注意几个重要方面。比如，涂层和辊面紧密结合，涂层均匀统一，并且最终的涂层表面要足够光滑，芯纸才能顺利地在辊间运行（摩擦系数低）。过去，有些领域应用碳化钨涂层的实践都以失败而告终。

通过做好喷涂前的准备工作，提高喷涂技术水平，研究涂层材料特性和开发有效的抛光技术，这个工艺可以得到很大的提高。

碳化钨喷涂是一种比较昂贵的加工工艺，单凭一已之力，多数辊筒供应商不能独立完成。碳化钨喷涂的辊筒涂层微薄、坚固、耐久，同时有很高的耐磨性。主要的优势在于能延长辊筒寿命和保持辊筒性能稳定。瓦楞辊正确维护方法是当碳化钨涂层被磨光后，就应该立即换掉，这样，纸板厚度的变化就不明显。辊筒也可以以最低的成本进行翻新。当确定碳化钨涂布辊的规格参数时，使用造成的磨损甚至可以忽略不计。由于碳化钨涂层的这种绝佳性能，在辊筒一开始使用时即可确定它的参数，而且在使用过程中，伸展系数始终保持最小。

使用中，碳化钨辊涂层的完整性同样可以采用在镀铬辊上使用的硫化铜来测试。涂层本身就很薄（最小0.04毫米，最大0.14毫米——取决于设计和使用方法），很难用物理方法对辊筒进行测试。

碳化钨辊的翻新仅仅包括剥离旧涂层、研磨楞型、再喷涂和再磨光四道工序。翻新后的辊筒的性能与新辊在周长、耐磨和使用寿命上没有差别。而且有的使用寿命甚至比新辊还长。