改進(jìn)型高鎳鉻軋輥的切削性能分析

冉學(xué)農(nóng)

RAN Xue-nong

（重慶電子工程職業(yè)學(xué)院，重慶 401331）

0 引言

所謂的改進(jìn)型軋輥，是采用離心式全沖洗方法制造的高性能軋輥，通過(guò)在高鎳鉻軋輥中添加一些釩、鎢等碳化物形成元素而不損失其原來(lái)的機(jī)械性能及物理性能，即不破壞原來(lái)基體合金中碳化物／石墨的平衡或不改變基體成分，通過(guò)耐磨粒子在軋輥基體中均勻分布，從而提高軋輥耐磨性。因此沿軸身截面工作層硬度很高，最高可達(dá)HS82以上。改進(jìn)型高鎳鉻軋輥之所以耐磨性增強(qiáng)，是因?yàn)槟湍ヌ蓟锏挠捕雀摺Ｃ鬟€經(jīng)常有鑄造缺陷。如：包砂、夾渣、硬點(diǎn)和氣孔等。如此狀態(tài)的毛坯和如此高的硬度，給切削加工增加了難度。研究切削刀具的適應(yīng)性，對(duì)提高改進(jìn)型高鎳鉻軋輥的切削性能，提高切削效率，降低加工成本有著重要意義[1,2]。

1 影響軋輥切削性能的因素

1）軋輥的物理性能：軋輥加工部位的硬度越高，強(qiáng)度越高，導(dǎo)熱性越差，切削時(shí)所用的功就越多，切削力和切削熱聚集在刀刃中，促使切削溫度升高，刀具磨損加劇，切削性能變差。

2）軋輥的化學(xué)成份：一般認(rèn)為，含強(qiáng)烈形成碳化物的主要元素：如鎳、鉻、釩、鉬、鎢和鈮等，合金成份含量越高，其形成的材料組織硬質(zhì)點(diǎn)就越硬，加工性就越差。

3）軋輥金相組織：其形成的碳化物和合金元素的成分、熱處理的工藝有關(guān)，如：、馬氏體、貝氏體、針狀體和珠光體，都有很高的硬度，高鎳鉻、高鉻鐵等軋輥不僅其貝氏體組織硬度高，而且在堅(jiān)硬的基體上，彌散了大量的和分布均勻的微小碳化物，使切削性能變差。

2 改進(jìn)型高鎳鉻軋輥的切削性能

長(zhǎng)期的生產(chǎn)實(shí)踐證明，軋輥的切削性能主要取決于軋輥的機(jī)械性能、化學(xué)成分和微觀組織。由于改進(jìn)型高鎳鉻軋輥增加了釩和鎢等元素的含量，從而提高了軋輥本身所具有的耐磨性、熱硬性、強(qiáng)度和硬度，因此導(dǎo)致切削困難[3]。

1）硬度對(duì)切削性能的影響

在同類材料中硬度高的材料加工性能低。因材料硬度高時(shí)，切屑與前刀面的接觸長(zhǎng)度減少，因此，前刀面法向應(yīng)力增大，切削時(shí)磨擦熱集中在較小的刀一屑接觸面上，致使刀尖散熱性能差，促使切削溫度加劇，刀具磨損加劇，本次試驗(yàn)的改進(jìn)型高鎳鉻輥的輥身硬度為HSD77-83，為高硬度軋輥，由改進(jìn)型高鎳鉻軋輥的工作層硬度變化曲線可知，在軋輥輥身的切削余量范圍內(nèi)，硬度降落很小。

2）改進(jìn)型高鎳鉻軋輥輥身表面彌散的碳化物硬質(zhì)點(diǎn)對(duì)切削性能的影響在車削改進(jìn)型高鎳鉻離心軋輥輥身時(shí)，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)一把刀刀尖完好，切削刃也未磨損，而刃口出現(xiàn)一豁口的現(xiàn)象。分析其原因是硬質(zhì)點(diǎn)的緣故。

而硬質(zhì)點(diǎn)對(duì)刀具的損傷磨損作用主要有：（1）硬質(zhì)點(diǎn)硬度很高，對(duì)刀具刃口擦傷作用。（2）工件材料晶界處微細(xì)硬質(zhì)點(diǎn)，能使材料強(qiáng)度和硬度提高，使切削時(shí)剪切變形的抗力增大，使切削加工性能變低。

3）改進(jìn)型高鎳鉻離心輥的化學(xué)成分，對(duì)切削性能的影響

改進(jìn)型高鎳鉻離心軋輥的化學(xué)成分，對(duì)切削性能的影響，主要取決于化學(xué)元素對(duì)碳的石墨作用。當(dāng)碳以石墨形式存在時(shí)，其加工性能就好，反之阻礙石墨的元素如鉻、鎳和鉬都會(huì)使切削加工性能變差。據(jù)有關(guān)資料介紹，當(dāng)合金元素小于等于0.3%時(shí)，對(duì)切削加工性能影響不大，而改進(jìn)型高鎳鉻離心軋輥的鉻和鎳含量大大超過(guò)此界線，切削難度加大。

4）金屬組織對(duì)切削加工性能的影響

金屬的成分不同，組織也不同時(shí)，其機(jī)械物理性能也不同，自然也使切削加工性能不同，改進(jìn)型高鎳鉻離心軋輥的金相組織為：貝氏體+少量馬氏體+石墨+碳化物，貝氏體、馬氏體組織具有很高的硬度和抗拉強(qiáng)度，改進(jìn)型高鎳鉻離心輥的組織大部分為貝氏體．切削加工困難，最后加工必須采用磨削加工。

3 進(jìn)型高鎳鉻軋輥的切削變形

觀察研究切屑變化的過(guò)程是研究改進(jìn)型高鎳鉻離心軋輥可切削性能機(jī)理的基礎(chǔ)。在現(xiàn)場(chǎng)車削過(guò)程中，我們可觀察到改進(jìn)型高鎳鉻軋輥切屑狀態(tài)，通常是崩碎狀和針狀。但有時(shí)可觀察到帶狀切屑沿刀具前傾面平衡流出。這是一種較理想的切屑形態(tài)。帶狀參數(shù)起著重要作用。經(jīng)切削實(shí)踐初步探索改進(jìn)型高鎳鉻離心軋輥車削帶狀切屑形成規(guī)律，主要有以下五點(diǎn)。

1）脆性金屬的切削過(guò)程，本質(zhì)上也是被切削金屬在刀具切削刃和前刀面的擠壓作用下經(jīng)彈性變形，在一定條件下塑性扶持滑移。

2）改進(jìn)型高鎳鉻鑄鐵在切削溫度升高時(shí)，材料的物理性能和化學(xué)性能在變化。

3）刀具前角越大，切屑變形就越小，是切屑變形的第一規(guī)律。因前角越太，切屑流動(dòng)方向和切削速度方向之間判別就越小。

4）切削脆性材料或斷續(xù)表面，前角應(yīng)小些，切削塑性材料，前角宜大些這是切屑變形的第二規(guī)律。

5）刀具的刃傾角在切削改進(jìn)型高鎳鉻鑄鐵時(shí)起著十分重要的作用。其中主偏角刃傾角、前角和切削用量的優(yōu)化組合，可改變切屑狀態(tài)。

由于針狀切屑或崩碎狀切屑產(chǎn)生切削振動(dòng)對(duì)刀具的切削刃十分有害，它能降低刀具壽命，降低刀具的抗崩刃性能。如果通過(guò)改變刀具的集合角度和形狀，就可能將針狀和崩碎狀切屑轉(zhuǎn)化為帶狀和碳型狀切屑。

4 改進(jìn)型高鎳鉻離心軋輥的切削力

1）工件材料的影響

金屬工件材料的強(qiáng)度、硬度越高，材料的剪切強(qiáng)度τS越大，雖然變形系數(shù)τ有所下降，但總起來(lái)切削力還是增大。改進(jìn)型高鎳鉻軋輥的輥身硬度為HSD77-HSD83，因此切削時(shí)切削力更大。

2）吃刀深度的影響

吃刀深度增加時(shí)，切削面積將正比增加，切削力也正比增大。改進(jìn)型高鎳鉻軋輥的粗車時(shí)，需要盡可能的提高切削效率，會(huì)選擇較大的吃刀深度。因此，改進(jìn)型高鎳鉻軋輥的粗車時(shí)所受切削力很大。

3）切削速度的影響

切削速度對(duì)切削力的影響主要是通過(guò)對(duì)切削變形的影響產(chǎn)生的。切削速度對(duì)切削變形系數(shù)的影響趨勢(shì)為：在形成積屑瘤的低速階段，因刀具實(shí)際前角增大，切削變形系數(shù)ζ毛減小。隨著切削速度的提高，積屑瘤逐漸消失，實(shí)際前角減小，切削變形系數(shù)毛增大。速度再提高時(shí)，切屑底層溫度增加，使工件材料剪切強(qiáng)度下降，切屑與前刀面的摩擦也減小，所以切削變形系數(shù)ζ又減小。切削速度對(duì)切削力的影響趨勢(shì)與對(duì)變形系數(shù)的影響趨勢(shì)一致。

切削鑄鐵材料時(shí)，因金屬的塑性變形很小，切削與前刀面的摩擦也很小，所以切削速度對(duì)改進(jìn)型高鎳鉻軋輥的切削力沒(méi)有顯著的影響。

4）進(jìn)給量的影響

屑底層與前刀面由劇烈摩擦，變形大。切屑外層變形相對(duì)較小。吃刀深度增加時(shí)，切屑底層在整個(gè)切削厚度中的比例減小。因此進(jìn)給量增加時(shí)，切削面積將正比增加但變形系數(shù) 將減小。綜合吃刀深度對(duì)切削面積和對(duì)切削變形兩方面的影響，當(dāng)吃刀深度增加時(shí)，切削力增大，但非成正比增大。

5）刀具磨損的影響

后刀面磨損量增大，后刀面上的法向力和摩擦力都將增大，故切削力加大。

6）刀具材料的影響

因?yàn)榈毒卟牧吓c工件材料之間的親和性影響其間的摩擦，所以直接影響到切削力的大小。一般按立方碳化硼(CBN)刀具、陶瓷刀具、涂層刀具、硬質(zhì)合金刀具和高速鋼刀具的順序，切削力依次增大。

5 切削參數(shù)的選擇

切削參數(shù)的選擇與機(jī)床剛性、工件形狀、工件材料、刀具結(jié)構(gòu)、刀具材料、刀具幾何角度和刀具耐用度等眾多因素有關(guān)，選擇適宜的切削參數(shù)，可充分發(fā)揮機(jī)床和刀具的效能。

切削加工生產(chǎn)率：在切削加工中，金屬切除率與切削用量三要素ap、f、v均保持線性關(guān)系，即其中任一參數(shù)增大一倍，都可使生產(chǎn)率提高一倍。然而由于刀具壽命的制約，當(dāng)任一參數(shù)增大時(shí)，其它二參數(shù)必須減小。因此，在制訂切削用量時(shí)，三要素獲得最佳組合，此時(shí)的高生產(chǎn)率才是合理的。切削用量三要素對(duì)刀具耐用度影響的大小，按順序?yàn)閂、f、ap。

因此，從保證合理的刀具壽命出發(fā)，在確定切削用量時(shí)，首先應(yīng)采用盡可能大的背吃刀量；然后再選用大的進(jìn)給量；最后求出切削速度。選擇軋輥的切削用量，粗車時(shí)主要根據(jù)刀具耐用度的限制類來(lái)確定。精車時(shí)主要按表面粗糙度和加工的精度要求確定切削用量。

5.1 吃刀深度的選擇

5.1.1 粗車吃刀深度的選擇

粗車時(shí)軋輥毛坯的輥身直徑為巾895mm，粗車的加工余量為43mm，即單邊21．5mm的加工余量。粗加工輥身選用的FBN3000圓形刀片的直徑為20mm，而軋輥專用車床剛性足夠，且選擇50mm×50mm、長(zhǎng)度為400mm的刀桿，由于刀片的紅硬性較好，適合切削高硬度鑄鐵，因此，可在車削時(shí)1/4圓弧(即滿刃)參與切削，至少需要2刀可完成加工。

按頭刀吃到深度大于二刀吃刀深度的原則，頭刀的吃刀深度可達(dá)到lOmm，二刀的吃刀深度根據(jù)剩余加工余量而定。

軸頸的毛坯余量最大處為單邊50mm，最小處為單邊30mm左右。由于YG刀片完全能夠滿足這一硬度范圍的鑄鐵材料的加工，加之機(jī)床和刀桿的剛性足夠，因此粗車加工軸頸時(shí)，40mm長(zhǎng)度刀刃可吃滿刃。

5.1.2 精車吃刀深度的選擇

精車工序時(shí)，由于輥身直徑加工余量直徑方向只有l(wèi)mm-2mm，半精車時(shí)只需留出光刀余量，可一刀加工完成。精車光輥身時(shí)，為保證軋輥的加工精度和表面粗糙度，需用平刃刀拉輥身，每刀的吃刀深度0.05mm-0.1mm。

軸頸的精車加工余量為直徑方向5mm，，同樣在半精車時(shí)留出光刀余量的前提下可一刀走完，精車光輥頸時(shí)同樣用平刃光刀，每刀吃刀深度0.05mm-0.1mm。

5.2 進(jìn)給量的選擇

工件的進(jìn)給量的選擇，應(yīng)考慮對(duì)工件表面光潔度的要求，同時(shí)應(yīng)根據(jù)加工余量確定切削深度。切削深度選擇后，粗車時(shí)根據(jù)機(jī)床走刀機(jī)構(gòu)強(qiáng)度、刀具耐用度和工件硬度等要求，選擇盡可能大的進(jìn)給量以提高加工效率。精車時(shí)的進(jìn)給量，應(yīng)主要根據(jù)加工表面的光潔度要求來(lái)選取。因?yàn)檫M(jìn)給量在一定程度上會(huì)影響工件表面的光潔度，合理地選擇背吃刀量、進(jìn)給量和切削速度，對(duì)于保證加工質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率起著很重要的作用。

為了提高軋輥的加工效率，我們優(yōu)先選擇進(jìn)給量，其次選擇切削深度，最后在滿足刀具耐用度的前提下選擇較高的主軸轉(zhuǎn)數(shù)。

5.3 切削線速度的選擇

根據(jù)刀片生產(chǎn)商提供的切削速度范圍，CBN刀片的切削線速度應(yīng)小于60m/min，由于改進(jìn)型高鎳鉻軋輥身硬度處于其所提供數(shù)據(jù)的上限，因此我們降低了線速度指標(biāo)，參照刀片的磨損情況，經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)的比對(duì)，我們選擇加工輥身時(shí)，線速度在22m/min-45m/min范圍內(nèi)。

硬質(zhì)合金刀具的切削速度最高可達(dá)80m/min，根據(jù)不同工序吃刀深度的不同，切削速度的選擇也相應(yīng)不同。粗車時(shí)，軸頸最大吃刀深度可達(dá)40mm，而精車時(shí)的吃刀深度只有2mm。為滿足刀具耐用度的要求，粗車時(shí)軸頸的切削速度為18m/min-25m/min，精車時(shí)軸頸的切削速度為40m/min-52m/min。

根據(jù)以上切削參數(shù)選擇的結(jié)論，改進(jìn)型高鎳鉻鑄鐵軋輥切削參數(shù)選擇如表1所示。

6 工序間加工余量的設(shè)計(jì)

工序間加工余量的大小對(duì)加工質(zhì)量和生產(chǎn)效率有較大影響。加工余量過(guò)大，不僅增加了機(jī)械加工的勞動(dòng)量，降低了生產(chǎn)率，而且增加了材料、工具和電力消耗，提高了加工成本。若加工余量過(guò)小，則既不能消除上道工序的各種缺陷和誤差，又不能補(bǔ)償本工序加工時(shí)的裝夾誤差，造成廢品。其選取原則是在保證質(zhì)量的前提下，使余量盡可能小。一般說(shuō)來(lái)，越是精加工，工序余量越小。

6.1 粗車的加工余量設(shè)計(jì)

考慮輥身的硬度很高，從提高加工效率的角度出發(fā)，應(yīng)盡量減小精車時(shí)的輥身切削量。因精車時(shí)的定位基準(zhǔn)與粗車時(shí)不同，需要消除定位誤差。而軋輥輥身直徑大且剛性好，不會(huì)產(chǎn)生大的彎曲變形。粗車及精車時(shí)軋輥的安裝找正均是按照輥身找正，輥身的安裝誤差也很小，因此粗車時(shí)的輥身加工余量設(shè)計(jì)為直徑方向1.0mm-1.2mm，可消除兩次安裝的不同軸造成的誤差。

軸頸加工余量的設(shè)計(jì)也需要主要考慮兩次安裝的不同軸帶來(lái)的誤差，這種安裝誤差從輥身延長(zhǎng)到軸端部就會(huì)放大。同時(shí)考慮到軸頸部位與輥身部位相比為細(xì)長(zhǎng)軸，會(huì)產(chǎn)生一定得彎曲變形。因此，粗車時(shí)軸頸的加工余量設(shè)計(jì)為5mm-6mm。

6.2 精車的加工余量設(shè)計(jì)

考慮磨削時(shí)采用托磨方式，不會(huì)產(chǎn)生大的彎曲變形。同時(shí)為了提高加工效率，應(yīng)盡量減少磨削量。因此，精車的加工余量設(shè)計(jì)只需考慮在磨削時(shí)去除表面粗糙度造成的微觀不平及為提高加工精度和表面粗糙度所需余量即可。綜上原因，精車時(shí)輥身及軸頸的加工余量設(shè)計(jì)為0.4mm-0.5mm。

表1 改進(jìn)型高鎳鉻的切削參數(shù)的選擇

7 結(jié)論

隨著我國(guó)軋鋼裝備的改造和不斷從國(guó)外引進(jìn)先進(jìn)的軋機(jī)，軋機(jī)向自動(dòng)化、連續(xù)化和重型化方向發(fā)展，軋機(jī)速度和自動(dòng)化程度不斷提高。由于對(duì)軋制鋼材的特殊要求，對(duì)軋材的板型、尺寸、表面精度和軋材的性能均提出了很高的要求。另外，隨著軋制技術(shù)的發(fā)展，軋輥的工作環(huán)境也越來(lái)越苛刻，軋輥長(zhǎng)期處于高溫、高負(fù)荷、高速度的惡劣條件下。對(duì)軋輥的質(zhì)量特別是軋輥的幾何尺寸、表面精度、耐磨性、強(qiáng)度及韌性等性能提出了更高的要求。為了提高切削加工的效率、確保軋輥加工精度，如何選擇合理的工藝路線，選擇合適的刀具，選擇合理高效的切削參數(shù)，保證加工精度，解決好軋輥的切削加工的技術(shù)問(wèn)題，是軋輥生產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。本文的研究工作對(duì)于提高改進(jìn)型高鎳鉻軋輥的切削性能，提高切削效率，降低加工成本有著重要意義。

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