表面復合堆焊熱矯直輥車削工藝分析與實踐

趙 崠 吳慶君

(1.太原重工股份有限公司矯直機研究所，山西 030024;2.淮南市石油化工機械設(shè)備有限公司技術(shù)部，安徽 232033)

現(xiàn)代寬厚板熱矯直機所需矯直鋼板溫度高達450～900℃，且矯直速度高，承受矯直力大。在高溫、高速、重載的環(huán)境中工作的熱矯直輥，要求具有優(yōu)良的綜合力學性能，特別是其輥面要具有足夠的表面硬度、耐磨性、耐熱性和可修復性。

表面復合堆焊熱矯直輥，是在具有優(yōu)良綜合力學性能的輥芯表面，采用焊接方式堆焊輥身工作層。其輥面硬度高、耐熱、耐磨損，不易發(fā)生掉皮、脫層現(xiàn)象。具有輥耗低、輥身強度高、抗疲勞、抗腐蝕、抗沖擊性能強，制造成本低，可實現(xiàn)多次修復再生的特點。

在表面復合堆焊熱矯直輥的加工制造與修復再生過程中，合理的制定輥芯與表面復合堆焊層的車削工序和工藝參數(shù)，是提高生產(chǎn)效率和保證產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵。

1 矯直輥的尺寸結(jié)構(gòu)與性能要求

以一臺4 300 mm 寬厚板軋機熱矯直輥進行說明。

1.1 矯直輥結(jié)構(gòu)

表面復合堆焊矯直輥結(jié)構(gòu)尺寸見圖1，其輥體由輥芯和表面堆焊層組成。

1.2 矯直輥能力參數(shù)

單輥最大矯直力:8 270 kN

單輥最大扭矩:20 000 N·m

矯直速度:0～30～60 m/min

圖1 表面復合堆焊矯直輥Figure 1 Straightener roll with surface complex bead welding

因設(shè)備矯直速度快、矯直力大、傳遞扭矩大，故要求矯直輥芯材料綜合力學性能好，輥面堆焊層硬度高、耐磨損，不易發(fā)生脫層、掉皮現(xiàn)象，制造成本低，可實現(xiàn)多次修復再生，加工制造尺寸精密。

1.3 矯直輥芯力學性能

規(guī)格:?269 mm×4 300 mm，Ra6.3 μm

材料:冷軋工作輥用鋼60CrMoV

調(diào)質(zhì)熱處理力學性能:

屈服強度Re:≥627 MPa

抗拉強度Rm:≥765 MPa

延伸率A:≥14%

沖擊功Ak:≥38 J

1.4 輥身堆焊層力學性能

規(guī)格:(?285+0.05×4 300)mm，Ra0.4μm

材料:堆焊層厚度8 mm，堆焊層熔敷材料化學成分為:C:0.36%～0.45%、Cr:12.00%～14.00%、Ni:2.00%～2.50%、Mo:2.00%～3.00%、W:2.00%～3.00%、Ti:0.85%～1.25%、Si≤1.50%、Mn≤2.00%、P≤0.035%、S≤0.03%。制造工藝上用自動埋弧堆焊設(shè)備，采用擺動堆焊方式堆焊輥身工作層。配260 焊劑。

堆焊層力學性能:

硬度75～77HRA

抗拉強度Rm:1.622 GPa～1.825 GPa

2 矯直輥的車削工序與切削加工性

矯直輥的車削工序大體可分為經(jīng)調(diào)質(zhì)熱處理后輥芯的粗車，以及表面堆焊后輥身堆焊層的精車。

2.1 車削工序

(1)粗車經(jīng)調(diào)質(zhì)熱處理后的輥芯:兩端面中心孔定位，車輥身外圓直徑到?269 mm，光潔度Ra6.3 μm。

(2)堆焊輥身工作層，留出加工余量。

(3)精車堆焊層:兩端面中心孔定位，車輥身堆焊層的余量，直徑?285 mm 留磨量1.8 mm，光潔度Ra6.3 μm。

2.2 輥芯材料與表面復合堆焊層的切削加工性分析

輥芯材料60CrMoV 中所包含的主加合金元素有鉻、鉬、釩等。它們的主要作用是增加鋼的淬透性，并使調(diào)質(zhì)后的索氏體組織強化。這些合金的含量保證鐵素體得到強化而又不明顯降低其韌性，甚至還能提高其韌性。其余的鉬、釩等合金元素的主要作用是防止第二次回火脆性，細化奧氏體晶粒，提高回火穩(wěn)定性。經(jīng)過調(diào)質(zhì)熱處理后，鋼的組織為回火索氏體，有較高的強度、良好的塑性與韌性。由于其強度高，所以切削加工性略差;由于它韌性大，斷屑較困難;而且高溫強度大，切削時刀具易磨損，刀具使用壽命較低。

表面復合堆焊層的車削加工兼有淬火鋼和高溫合金的難度。堆焊層硬度可達75～77HRA、切削力大，固溶體組織具有晶格滑移系多、塑性變形大的特點。切削加工中塑性變形區(qū)的晶格滑移扭曲加工硬化嚴重，使切削力顯著增大。堆焊層具有高的熱強性，且形成大量的高硬度碳化物、氧化物和金屬間化合物等硬質(zhì)點，在提高了堆焊層耐磨性的同時也增加了切削刀具的磨損。硬質(zhì)點的分布不均勻，也使切削過程中的刀具受到高頻沖擊，切削刃容易產(chǎn)生裂紋和崩刃。堆焊層的合金元素導熱率低，會使切削區(qū)的溫度升高，且集中在切削刃區(qū)，加速了刀具磨損擴散和氧化磨損的程度。

3 切削刀具的選擇

3.1 刀具材料的選擇

通過以上對表面復合堆焊熱矯直輥輥芯與堆焊層材料的不同切削加工性能分析，并結(jié)合生產(chǎn)實踐，車削刀具的材料選用鎢鈦鈷類硬質(zhì)合金;該類硬質(zhì)合金代號為YT，含有5%～30%的TiC。因TiC 的含量增多時，硬度、耐磨性和耐熱性增高，抗彎強度和沖擊韌度降低。粗加工時，宜選TiC 含量較少的牌號;精加工時，宜選TiC 含量較多的牌號。但隨著TiC 含量的增多，其導熱性變差，焊接和刃磨時容易產(chǎn)生裂紋，使用時要特別注意。

粗加工時刀具材料可選用YT5，精加工時刀具材料可選用YT758 硬質(zhì)合金刀具。

兩種刀具材料的性能和適用范圍見表1。

3.2 刀具幾何參數(shù)的選擇

由于矯直輥芯的強度較高，為了提高車刀的刀尖強度和增大刀頭散熱體積，應(yīng)取較小的前角，但同時由于韌性高，也可在以上基礎(chǔ)上適當調(diào)整加大前角，減小切屑變形，并磨出段屑槽。需采用較小數(shù)值的正的或負的刃傾角和較小的主偏角;為了減小后面的摩擦，后角可適當?shù)募哟蟆?/p>

堆焊層材料車削最突出的矛盾是刀具易崩刃。刀具幾何角度一方面取較小的主偏角和副偏角，加大刀尖角;增加刀尖強度和改善散熱條件。當主偏角的減小受到限制時，應(yīng)取較大的刀尖圓弧半徑，另一方面宜取較小的前角或負前角、較小的后角，以加大楔角，并磨出負倒棱，增加切削刃強度。

表1 兩種刀具材料的性能和適用范圍Table 1 Various properties and applicable scopes of two kinds cutters

表2 刀具幾何角度Table 2 Geometric angle of cutter

采用硬質(zhì)合金焊接車刀加工堆焊矯直輥，推薦的刀具幾何角度見表2。

4 切削用量的選擇

矯直輥粗、精車工序的切削用量選擇具有不同的原則。

粗加工的切削用量，一般以提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本為主。其選擇原則是:首先根據(jù)機床和刀具剛度或工序余量選取一個盡量大的背吃刀量αp，其次選一個較大的進給量f，最后在刀具合理壽命和機床功率允許的條件下選擇一個合理的切削速度VC。

精加工的切削用量，應(yīng)以保證加工質(zhì)量為主，兼顧生產(chǎn)率與生產(chǎn)成本。其合理選擇原則是:按工序余量選擇合適的背吃刀量αp，按表面質(zhì)量要求選擇合理的進給量f，然后在保證刀具合理壽命和已加工表面質(zhì)量的前提下選擇盡量大的切削速度VC。

4.1 經(jīng)調(diào)質(zhì)熱處理后輥芯的粗車切削用量計算

加工材料:冷軋工作輥用鋼Rm≥0.765 GPa;

外徑d:269 mm;

背吃刀量αp:7 mm;

進給量f:考慮刀桿尺寸、工件直徑及已選αp值，查表得f=(0.5～0.7)mm/r，取0.6 mm/r。

切削速度VC:

式中 T——刀具的合理壽命;

計算粗車切削速度時，公式(1)中的系數(shù)及指數(shù)見表3。粗車時，硬質(zhì)合金焊接車刀T=(30～60)min，取50 min;=0.637/Rm=0.833;

表3 粗車削速度計算公式中的系數(shù)及指數(shù)表Table 3 Coefficient and index of rough turning speed calculation formula

由公式(1)可算得粗車切削速度Vc=0.92 m/s，即55.2 m/min。

可得n=1.09 r/s，即65.4 r/min。選定n=65 r/min。實際切削速度VCS:

則粗車時Vcs=0.92 m/s，即55.2 m/min。

式中，Kc是切削層單位面積切削力;KFC是修正系數(shù)。查表取KC=2 305 N/mm2，KFC=1.37。

則FC=13 262.97 N

式中，PC是切削功率(kW)，PC=FCVCS×10-3=12.2 kW;η 是機床的傳動效率，取0.8。

4.2 表面堆焊后輥身堆焊層的精車切削用量計算

加工材料:表面堆焊層Rm=(1.622～1.825)GPa;

外徑d:285 mm;

背吃刀量αp:1 mm;

進給量f:為避免刀具在硬化層中切削，進給量不宜太小，一般可取f=(0.2～0.6)mm/r，取0.2 mm/r。

用公式(1)計算精車切削速度VC。計算精車切削速度時，公式(1)中的系數(shù)及指數(shù)見表4。

表4 精車削速度計算公式中的系數(shù)及指數(shù)表Table 4 Coefficient and index of finish turning speed calculation formula

硬質(zhì)合金焊接車刀T=(30～60)min，取30 min;

則由公式(1)可算得精車切削速度VC=0.404 m/s，即24.24 m/min。

由公式(2)可確定機床主軸轉(zhuǎn)速n=0.45 r/s，即27 r/min，選定n=25 r/min。

此時，VCS=0.37 m/s，即22.2 m/min。

查表取KC=3 805 N/mm2，KFC=1.63。

由公式(4)可得FC=1 240.43 N。

切削功率PC=FCVCS×10-3=0.46 kW，

取η=0.8。

則由公式(5)可確定精車時機床電機功率PE

4.3 機床的選擇

選擇CW61100E 臥式車床的電機功率為22 kW，滿足需要。

5 結(jié)論

通過以上分析并采取相應(yīng)的工藝參數(shù)對表面復合堆焊熱矯直輥進行加工，滿足了輥子的制造精度與工藝要求。但在生產(chǎn)實際應(yīng)用中，還應(yīng)根據(jù)各生產(chǎn)單位自身的工藝水準、工序編排、設(shè)備的性能特點和工人加工習慣的不同，不斷的調(diào)整相應(yīng)的技術(shù)參數(shù)，才能達到經(jīng)濟實用的目的。