锻钢冷轧辊磨削烧伤问题切削加工工艺研究

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锻钢冷轧辊磨削烧伤问题切削加工工艺研究

【摘要】锻钢冷轧辊是轧制冷轧板、有色金属的一种重要工具, 因为锻钢冷轧辊的强度、硬度高,塑性、韧性好, 抗冲击载荷能力强, 所以锻钢冷轧辊的切削加工一直是一个难题。通过对锻钢冷轧辊的性能分析, 以及对大量生产实践的总结, 提出了合理的锻钢冷轧辊切削加工工艺改进措施, 基本解决了锻钢冷轧辊切削加工困难的难题。
锻钢冷轧辊是一种重要的轧钢工具, 被广泛用于冷轧板和有色金属的轧制, 冷轧板在轻工、汽车、石化、水电、建筑和铁路等行业用量很大, 近年来, 随着这些行业的迅猛发展, 冷轧板的需求量增长速度很快, 在这种情况下, 轧钢行业对冷轧辊的需求量大幅增加, 同时对冷轧辊的质量要求不断提高, 由于冷轧辊在轧钢过程中受力大, 磨损严重, 所以要求冷轧辊辊身硬度高而均匀, 同时还要具有高的弹性极限和高耐磨性, 而高硬度、高弹性极限、高耐磨性造成轧辊机加工困难, 机加工困难严重影响了冷轧辊的产量和使用, 如何提高冷轧辊的机加工质量和机加工速度已经成为一个亟待解决的问题。可用于生产冷轧辊的材质有: 轴承钢、9Cr2Mo、86CrMoV7、Cr3、Cr5、Cr8 等。冷轧辊的加工状态包括:退火状态、调质状态和淬火状态。退火状态在机加工工序中为粗车, 加工余量不均匀, 强度、硬度较低, 较易加工。调质状态在工序中为半精加, 易产生调质变形, 硬度稍有增高, 更难断屑。淬火状态表面组织为回火马氏体, 硬度更高, 一般在HSD90- 96 甚至更高, 使得淬火辊车削加工困难。
2 切削加工中存在的问题及改进措施
在锻钢冷轧辊的生产过程中, 存在两大问题, 一是刀具磨损快, 二是挖刀。下面分别讨论这两大问题的解决方法。
2.1 刀具的选用
锻钢冷轧辊的机加工速度主要和刀具有关, 只有合理的选用刀具及刀具角度才能提高冷轧辊的机加工速度。
硬质合金刀片的硬度在89~94HRA，相当于71~76HRC，对于HRC40以上的淬火钢加工时硬质合金刀片容易烧刀造成磨损块且加工效率低，陶瓷刀片由于脆性太大、容易崩刀，PCBN刀具的硬度一般为HV3000~5000，精HV硬度换算HRC相当于HRC95-100，对于HRC50以上高硬度淬火工件高速加工降低成本来讲最为经济划算。目前， CBN刀具经黑色金属加工领域，是耐磨性最高的刀具材料，经过论证，CBN刀片的寿命一般是硬质合金刀片和陶瓷刀片的几倍到几十倍，而且随着研究的进步， CBN刀具适应各种高硬度复杂材料的加工，华菱HLCBN新研制的CBN刀具牌号BN-K10，可以加工HRC70以上硬度的碳化钨，在国内尚属首例；但同时，CBN刀具相对于硬质合金材料刀片，其脆性大是不争的事实，针对CBN刀片和陶瓷刀片刀片硬而脆的弱点，华菱超硬HLCBN曾推出的适合断续切削和重载粗加工非纯陶瓷粘合剂CBN刀片牌号，以华菱超硬BN-S20牌号CBN数控刀片为例，它不仅可以断续切削淬硬钢，也可以大余量切除工件的淬硬层，但前提是并没有牺牲刀具的耐磨性，这是与市场上的PCBN刀具最大的不同，“耐磨性与抗冲击性的完美平衡”是HLCBN品牌屹立于世界超硬刀具行业的原因之一，在国内外刀具学术界享有很高声誉。
        轧辊经淬火后, 工作表面硬度为HSD92-105, 轧制有色金属用冷轧辊、深淬硬层冷轧辊, 热处理后易发生弯曲变形, 因此淬火余量较大约( 2~3) mm, 淬火后由于硬度高、余量大, 只能采用磨削加工, 磨削效率低, 易造成磨削烧伤和振纹, 因此华菱超硬尝试应用BN-S20牌号纯CBN陶瓷刀具车削去除大余量。冷轧工作辊由于淬火后产生弯曲变形, 造成刀具在切削时受到断续冲击, 同时, 冷轧工作辊辊身一般较长, 因此切削路径长, 加上冷轧辊价格昂贵, 不允许在车削时发生意外, 所以对高硬度刀具硬度、耐热性、抗事故性提出了更高的要求。为了解决上述问题, 我们对切削系统的三个方面: 机床性能、工件材料、切削刀具进行了分析研究, 使机床、工件、刀具达到优化组合。经过刀具材料对比试验，
采用BN-S20牌号陶瓷刀具车削冷轧辊, 效果比磨削提高了三倍, 工件表面温度均在150℃左右, 无烧伤现象, 刀具可靠稳定, 每个刀片可加工冷轧辊8 支左右。加工淬硬辊, 必须注意几点问题。
2.1.1 机床—工件—刀具切削系统的刚性
如刀具主偏角小, 切削刃与工件接触面增大, 易发生振动,造成刀片碎裂。
2.1.2 切削刃口的处理
陶瓷刀片由于其本身脆性大, 切削刃口的处理关系着刃口的切削阻力和切削热, 刃口一般采用( 0.5×25) °倒角, 增大楔角,无后角。但其刃口是刃磨出来的, 对于刃口的处理不当, 会造成刃口有十分微小的豁口, 对切削有害。陶瓷刀具经过金刚水程喷沙的钝化处理, 可防止缺口, BN-S20牌号韧性较好可以采用0.2*20度的倒棱下进行轻快切削，并可以修复锻钢冷轧辊的不规整表面。
2.1.3 机夹刀杆 需要特别制造
( 1) 刀杆受力面要求平面度、粗糙度高, 与刀槽配合要平, 不允许存在缝隙, 装刀时要仔细检查, 而硬质合金可放宽要求。( 2)刀垫应采用硬质合金或高速钢, 并经研修。( 3) 刀片上下面平面度要求高, 不允许使用表面呈圆弧状的刀片。( 4) 刀片装卡符合受力位置, 夹持可靠。
2.1.4 切削参数
( 1) 切削速度与刀具耐用度的关系最大, 与断续切削、机床刚性有关, 保持机床稳定。切削速度不宜高, 一般采用观察切削颜色和刃口温度的方法, 刃口呈大红色, 切屑呈紫红色, 说明切削速度偏高。( 2) ap 与工件余量有关。( 3) f 和切削速度配合。车削冷轧辊时, 只要利用好机床本身所固有的条件, 通过改善陶瓷刀具的几何角度, 切削刃口状态, 优化切削参数就可以稳定车削淬硬轧辊。
2.2 挖刀问题
挖刀时锻钢冷轧辊机加工中最常见也是最主要的缺陷, 因此, 提高冷轧辊的加工质量主要是解决挖刀问题。常见挖刀的原因分析及解决方法。
2.2.1 切削参数的选择
合适的切削参数是保证产品质量的重要因素, 如果选择的切削参数超过了刀具所能承受的能力, 刀具会出现打刀尖, 从而产生挖刀。加工时吃刀要深, 走刀量要小, 刀片厚, 吃刀、走刀量可大。 如BN-S20 SNMN120712刀片吃刀量可达7.5mm；BN-S20 CNMN120408吃刀量可达1.5mm；BN-S20RNMN120400刀片吃刀量可达2.5mm。BN-S20牌号CBN刀具切削参数和淬火辊车削加工案例如下：
（1），以加工瑞典锻钢冷轧辊（硬度HRC67）为例：BN-S20牌号数控刀片的切削深度4-7mm，线速度90m/min，寿命是国外某品牌CBN刀具寿命的2.5倍。
（2），车削修复9Cr2Mo冷轧工作辊时，采用BN-S20牌号，同样可以取得很好的效果，刀具寿命是国内CBN刀具寿命的4倍以上，且在车削修复冷轧辊时，遇到皲裂部位不崩刀，保证了CBN刀具使用的安全性和经济性。
2.2.2 刀具的磨损
刀具磨损严重而未及时判断刀具是否磨损, 或因不知怎样判断在车削时刀具磨损状况的方法造成打刀而挖刀。
2.2.3 操作方法不当造成挖刀
( 1) 联合走刀, 造成联合走刀的原因是手柄未挂到位或未观察试切状况。( 2) 切削受力状态发生变化易造成挖刀, 主要指毛坯状态和断续切削, 当切削力大于刀片所允许的承载力时刀片打坏。如果吃刀深度增大则切削力变大, 此时应正确选择切削参数。圆弧刀受径向力大, 易挖刀, 90°刀易挖刀。一般加工辊颈采用75°刀, 清根时采用90°刀。当用90°刀加工时, 开始吃刀深度小, 当吃刀到端面时, 吃刀深度突然加大, 使切削力发生剧变, 会因机床振动、机床间隙消除不彻底, 刀具未压紧, 造成打刀尖而挖刀。( 3) 工件材料硬度低, 切削参数选择大, 刀具若选用90度刀, 由于单位时间的金属切除率高, 任何意外都可能造成挖刀,所以要严格遵守粗、精车分开。不能为了提高生产率, 两刀并成一刀走, 直接留磨量, 这样最容易发生挖刀。圆弧根部预留方法。半精车预留圆弧太大, 造成修圆弧时耗功, 太小修不圆, 一般圆弧预留( 2~3) mm 为宜。
2.2.4 辊颈挖刀
辊颈加工刀具选择的主偏角一般较大, 为( 75~90) °, 当刀具受到的径向力小, 当工件硬度不均, 或工件旋转时偏移量大, 刀具受力状态发生周期性变化, 易发生逐渐挖刀。逐渐挖刀一般发生在某一阶段, 逐渐挖刀的条件一般为: 工件旋转偏移量大。工件转速较高。吃刀深度较大。走刀量较大。工件硬度不均。工件硬度较低。机床系统发生振动。刀具主偏角大, 刃倾角为负或零,刀具中心低。刀具楔角小。
2.2.5 刀具磨损
未能及时更换刀具而造成瞬间打刀尖挖刀。
3 结论
( 1) 采用BN-S20牌号陶瓷刀具, 选择合理的刀具角度可以缩短锻钢冷轧辊的机加工时间, 提高生产率。BN-S20牌号在超硬刀具牌号对比中，韧性最好，可以采用0.2*20度的倒棱下进行轻快切削，并可以修复锻钢冷轧辊的不规整表面。
( 2) 选择合理的刀具角度和切削参数（以车代磨或以车代粗磨淬火钢冷轧辊），正确的操作可以解决锻钢冷轧辊机加工时的挖刀问题。
参考文献
1 陆剑中, 孙家宁. 金属切削原理. 北京: 机械工业出版社, 2006
2 文铁铮, 郭玉珍. 冶金轧辊技术特性概论. 石家庄: 河北科学技术出版社,1995