淺析數(shù)控車床加工修復(fù)軋輥

李歡良

摘 要：分析軋輥材料特性、缺陷種類、生產(chǎn)加工要求以及加工技術(shù)上與操作上的難點，經(jīng)過較長時間的反復(fù)探索與驗證，根據(jù)生產(chǎn)批量確定修復(fù)加工所用的數(shù)控車床。在修復(fù)加工過程中，有效解決了刀具選擇、切削參數(shù)的確定、夾具的設(shè)計以及數(shù)控編程等技術(shù)難題，實現(xiàn)了對軋輥高品質(zhì)、低生產(chǎn)成本加工。

關(guān)鍵詞：軋輥修復(fù) 數(shù)控車床 刀具 切削參數(shù) 數(shù)控編程

中圖分類號：TG519 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）05（c）-0001-02

隨著金屬加工業(yè)的不斷發(fā)展，機械加工行業(yè)每年需生產(chǎn)大量各類軋輥。軋輥主要用于軋鋼廠的軋鋼設(shè)備上，利用成對軋輥滾動時所產(chǎn)生的壓力來軋碾鋼材，從而得到所需的各種型材。它作為各種型材材料的成型模具，具有舉足重輕的地位。在冶金方面可軋制板材、線材、棒材和管材等；在非冶金方面可用在造紙、橡膠、榨油、制粉、制糖、棉紡、毛線等行業(yè)[1]。軋輥的種類很多，常見的三大類軋輥分別是鑄鐵軋輥、鑄鋼軋輥和鍛造軋輥，在型材軋機上還有少量硬質(zhì)合金軋輥，也稱鎢鋼軋輥，是用碳化鎢和鈷等作為材料用粉末冶金方法加工而成的軋輥。

1 缺陷產(chǎn)生的因素

現(xiàn)代軋制技術(shù)的發(fā)展方向是軋制過程的自動化、連續(xù)化和重型化。軋輥在軋制時主要承受動靜載荷、磨損以及溫度變化3個方面的影響。近年來，由于對軋制鋼材的特殊需求，對軋材的尺寸要求、表面加工精度以及軋材的各種性能均提出了更高的要求。此外，隨著現(xiàn)代軋制技術(shù)的不斷發(fā)展，對軋輥的工作環(huán)境要求也越來越苛刻，以熱連軋為例，軋輥長期處于高溫、高負(fù)荷和高速度的惡劣條件下，對軋輥的性能要求更高[2]。

軋輥在制造和使用前的準(zhǔn)備工序中會產(chǎn)生殘余應(yīng)力和熱應(yīng)力，投入使用后要經(jīng)受各種周期性應(yīng)力的作用，包括彎曲應(yīng)力、扭轉(zhuǎn)應(yīng)力、接觸應(yīng)力、剪力和熱應(yīng)力等。這些應(yīng)力沿軋輥輥身不均勻的分布，并且不斷變化著，其原因不僅有設(shè)計方面的因素，還有軋輥在使用中磨損、溫度和輥形的不斷變化。此外，軋制條件也經(jīng)常會出現(xiàn)各種異常情況。軋輥在使用后冷卻不當(dāng)，同樣會受到熱應(yīng)力的損害。所以軋輥在使用中除有正常的磨損外，還經(jīng)常會出現(xiàn)剝落、壓痕、裂紋、斷裂等各種局部損傷和表面損傷缺陷。

該公司銅材廠的軋輥作為軋銅工藝中軋機軋制銅桿的重要工具和主要消耗部件，關(guān)系到銅材廠高效化持續(xù)生產(chǎn)和軋材的產(chǎn)品質(zhì)量，用于對銅線的熱軋，通過多對軋輥的軋制，最后生產(chǎn)出8 mm成品銅桿。在軋制一段時間后，由于高溫、金屬擠壓等的作用，在軋輥表面會出現(xiàn)氧化皮、裂紋、凹坑等缺陷，影響成品銅桿的質(zhì)量，因此必須對軋輥的表面進(jìn)行修復(fù)，達(dá)到原設(shè)計圖紙要求后，再用于軋制生產(chǎn)。

2 加工修復(fù)的難點

現(xiàn)在我國的軋輥生產(chǎn)選材、制造工藝和質(zhì)量控制等方面已經(jīng)達(dá)到國外先進(jìn)國家90年代水平[3]。軋輥磨損后，修復(fù)軋輥的費用比加工新軋輥要低得多，可為用戶節(jié)約大量生產(chǎn)成本。但是軋輥在修復(fù)加工時，由于軋輥本身的一些特性，修復(fù)加工過程中存在以下幾個難點。

（1）熱軋輥常用的材料為55Mn2、55Cr、60CrMnMo、60SiMnMo、4Cr5MoSiV1等，該公司銅材廠軋輥采用的材料為4Cr5MoSiV1熱作模具鋼H13，該鋼具有較高的淬透性和抗熱裂能力，含有較高含量的碳和釩（碳C：0.32%～0.45%，釩V：0.80%～1.20%）。鋼中馬氏體的硬度和強度主要取決于馬氏體的含碳量，鋼的硬度隨含碳量的提高而增大[4]。根據(jù)鋼中含碳量與淬火鋼硬度的關(guān)系曲線，見圖1，由圖1可以知道H13模具鋼淬火硬度在55HRC左右，而普通45#鋼調(diào)質(zhì)硬度在HRC20～HRC30之間。對工具鋼而言，鋼中的碳一部分進(jìn)入鋼的基體中引起固溶強化；另外一部分碳將和合金元素中的碳化物形成元素結(jié)合成合金碳化物。對熱作模具鋼，這種合金碳化物除少量殘留的以外，還要求它在回火過程中在淬火馬氏體基體上彌散析出產(chǎn)生兩次硬化現(xiàn)象。從而由均勻分布的殘留合金碳化合物和回火馬氏體的組織來決定熱作模具鋼的性能。它耐磨性好，韌性相對有所減弱，具有良好的耐熱性，在較高溫度時具有較好的強度和硬度，較高的耐磨性和韌性，優(yōu)良的綜合力學(xué)性能和較高的抗回火穩(wěn)定性。材料本身的優(yōu)點給修復(fù)、加工和制造帶來較大的難度，因為工件材料的強度、硬度越高，韌性和塑性越好，越難切削，總切削抗力越大[5]，使得普通硬質(zhì)合金刀具根本啃不動。

（2）表面形狀復(fù)雜，表面質(zhì)量要求高，加工精度以及表面光潔度等要求較嚴(yán)，加工的技術(shù)難度大。我公司所加工的軋輥，表面分別為直線與圓弧、圓弧與圓弧相切形成的回轉(zhuǎn)體表面，每對軋輥尺寸精度誤差不能超過±0.05 mm，表面粗糙度要求達(dá)到Ra0.8 μm，采用普通車床根本達(dá)不到形狀加工要求。

3 加工修復(fù)中采取的措施

由于修復(fù)后的軋輥的尺寸、精度、表面質(zhì)量以及硬度等直接影響著軋輥的好壞，因此軋輥修復(fù)加工時應(yīng)采取相應(yīng)地措施來解決生產(chǎn)加工中遇到的難題。

3.1 機床的選擇

修復(fù)軋輥要求機床能夠加工圓弧形曲面，并滿足回轉(zhuǎn)直徑要求，具有數(shù)控編程功能，能進(jìn)行半自動加工?，F(xiàn)有的加工方法可以采用軋輥磨床加工或數(shù)控車床加工，軋輥磨床屬于專用設(shè)備，通用性差，加工范圍窄，機床昂貴，適用于大批量加工；而數(shù)控車床加工范圍廣，生產(chǎn)率較高，適合小批、單件生產(chǎn)，機床相對較便宜，既可加工多種產(chǎn)品，還可用于其它產(chǎn)品的生產(chǎn)加工。

3.2 刀具的選擇

刀具是直接對軋輥進(jìn)行切削的，要高質(zhì)量、高效率地進(jìn)行切削加工，就要求有高質(zhì)量、高性能的生產(chǎn)工具。刀具性能和質(zhì)量的優(yōu)劣，選擇是否恰當(dāng)，都直接影響切削加工的效率、加工精度和加工表面質(zhì)量。由于軋輥表層性質(zhì)硬而脆，當(dāng)?shù)毒咔腥牖蚯谐鰰r容易出現(xiàn)崩邊現(xiàn)象，往往造成廢品或使刀具崩損。刀具的選擇，就顯得非常重要。軋輥的工作表面是圓弧接圓弧或圓弧接直線。為了換刀方便，一般選用機加刀，刀片成圓形。由于軋輥的硬度在55HRC左右，刀具材料應(yīng)選擇有高硬度、高耐磨性、高紅熱性，刀片材料可以選擇金剛石、立方碳化硼或熱壓氧化碳陶瓷等高性能的材料。該公司軋輥修復(fù)用的刀具選用瑞典山特維克可樂滿刀具公司的高硬度立方氮化硼圓弧形車刀。

軋輥材料具有較高的熱強度、高硬度的特點，有一些軋輥材料加入了適量的鎳和鉻等合金元素，以提高強度和耐磨性。同時，使軋輥高溫強度提高，導(dǎo)熱系數(shù)下降，使切削抗力增大，切削溫度提高，由于要修復(fù)的軋輥使用后出現(xiàn)凹坑、裂紋等缺陷，使加工變得困難，特別是增大刀具在切削過程中的刀具崩刃現(xiàn)象和磨損嚴(yán)重現(xiàn)象。因此，在刀具幾何參數(shù)的選擇方面，一般我們要選擇刀具的刃傾角、前角為0°，主偏角、副偏角和后角較小為宜。

3.3 切削用量的選擇

解決好軋輥切削加工的技術(shù)問題，就可以提高切削加工的效率、確保軋輥加工精度。軋輥修復(fù)屬于精車環(huán)節(jié)，選擇切削用量，主要是根據(jù)軋輥的硬度，考慮對軋輥表面光潔度的要求，合理地選擇背吃刀量、進(jìn)給量和切削速度，對于保證加工質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率起著很重要的作用。轉(zhuǎn)速過快，刀具壽命短，機床震動。轉(zhuǎn)速過低，加工成本高，加工效率低。進(jìn)給快，達(dá)不到質(zhì)量要求；進(jìn)給過慢，效率低。經(jīng)過反復(fù)試驗，從理論分析到實際操作，我們總結(jié)了軋輥切削技術(shù)參數(shù)，確定了合理的工藝路線和切削要素，合理的切削速度150 m/min，背吃刀量0.15 mm，進(jìn)給量0.1 mm/r。

3.4 數(shù)控編程

編程的尺寸直接影響軋輥的精度、形狀等。由于軋輥屬于精密磨具，工作表面是圓弧接圓弧或圓弧接直線，手工計算點存在著誤差，為了提高編程的準(zhǔn)確度，選用自動編程。為了保證表面各段之間連隊接光滑過渡，各坐標(biāo)點要精確。采用工件輪廓編程方式，圓弧半徑補償設(shè)置在刀具參與切削前運行，切削結(jié)束后用取消。在刀補參數(shù)里設(shè)置刀補位置參數(shù)，參考點設(shè)置在離工件端面較近但換刀時不會干涉的位置。對刀后，手動將x、z方向移到與實際參考點坐標(biāo)負(fù)方向偏差一個半徑值的位置。

3.5 裝夾

軋輥的內(nèi)孔與外圓的同軸度較高，一般用心軸和軋輥內(nèi)孔零間隙配合，采用一夾一頂方式加工，減小內(nèi)孔與外圓的同軸度誤差。通過認(rèn)真分析探討軋輥的加工要求，自主設(shè)計制造了軋輥車削專用夾具，不僅能夠完成軋輥在機床上的定位和夾緊，也能滿足軋輥在機床上的定位精度。

4 結(jié)語

當(dāng)然，對于軋輥的修復(fù)，在解決了上述生產(chǎn)加工中所碰到的難題之后，還要解決好生產(chǎn)人員的數(shù)控編程技術(shù)水平、操作技能水平、質(zhì)量檢測水平，以及生產(chǎn)管理能力。生產(chǎn)人員要能用專業(yè)數(shù)控軟件對軋輥圖紙進(jìn)行重新繪制，計算出加工表面直線與直線、直線與圓弧、圓弧與圓弧之間的交點坐標(biāo)，要能根據(jù)坐標(biāo)點編寫出適合數(shù)控車床的程序，并熟練操作數(shù)控機床完成生產(chǎn)加工要求。

參考文獻(xiàn)

[1] 王文洋，王曉飛，黃開元，等.軋輥電渣錠表面質(zhì)量改善[J].特鋼技術(shù)，2015（3）：39-41.

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[3] 沈一鳴.淺談軋輥使用技術(shù)[J].大型鑄鍛件，2004（1）：30-32.

[4] 姚玉環(huán)，張立斌，王海泉，等.碳鋼淬火馬氏體硬度與含碳量的關(guān)系[J].金屬熱處理，2014，39（8）：136-138.

[5] 陳?？?機械制造工藝基礎(chǔ)[M].4版.北京：中國勞動社會保障出版社，2000.