高鉻鋼軋輥切削與PCBN刀具

孫韶鋒，孫熙釗

（1.中鋼集團邢臺機械軋輥有限公司，河北 054025；2.軋輥復(fù)合材料國家重點實驗室，河北 054025）

0 引言

高鉻鑄鋼是在綜合分析高鉻復(fù)合鑄鐵軋輥技術(shù)特性和使用性能的基礎(chǔ)上研究開發(fā)的，含鉻量為8～15%，含碳量為0.8～1.8%，以及含有鉬、鎳和適量釩等合金元素的鑄鋼軋輥新材質(zhì)，這種軋輥材料具有優(yōu)良的抗熱裂紋性能和較高的耐磨損性能。但高鉻鑄鋼材質(zhì)硬度高、強度高，導(dǎo)熱系性差，導(dǎo)致軋輥的切削加工比較困難。一般軋輥切削加工刀具選擇較多的是過氮化硅、氧化鋁陶瓷和超硬硬質(zhì)合金刀具，但這些刀具在切削高鉻鑄鋼軋輥時磨損、破損、崩刃十分嚴(yán)重，加工效率較低，因此需要選取新材料刀具提高高鉻鑄鋼軋輥的加工效率，降低加工成本。

PCBN刀具材質(zhì)因其化學(xué)穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性、導(dǎo)熱性良好，摩擦系數(shù)低，比陶瓷刀片和硬質(zhì)合金刀片具有更高硬度、耐磨性，比陶瓷刀片有更好的抗沖擊強度和抗破碎能力，配合合理的刀具形狀、刀刃幾何尺寸和切削參數(shù)，很好的解決了高鉻鋼軋輥的加工難題[1]。

1 高鉻鋼切削性能

高鉻鑄鋼軋輥的化學(xué)成分中，C含量控制范圍為0.5～1.5%、Cr含量為8～15%，軋輥的工作層具有比高鉻鑄鐵材質(zhì)更加致密的機體組織，耐磨性更好。

高鉻鋼軋輥輥身硬度通?？刂圃贖SD73左右，盡管硬度比高鎳鉻、高鉻鐵等軋輥低，但其強度δb可達(dá)到700～1 000 MPa，在軋輥切削時，會產(chǎn)生更大的切削力，外加較低的導(dǎo)熱系數(shù)，使產(chǎn)生的切削熱量大部分集中在刀刃附近，導(dǎo)致刀具磨損加劇。隨著Cr含量的提高，高鉻鋼材質(zhì)抗塑性變形的能力變差，單位的切削力變大，達(dá)到一般中碳鋼的2～3倍。熱處理后高鉻鋼軋輥因其晶粒更細(xì)化致密，材料的韌性更好，切削時刀具刃口承載的切削力更大，因此高鉻鋼軋輥加工其難點在于輥身的切削。下面就高鉻鋼軋輥加工其難點進(jìn)行討論分析。

（1）高鉻鋼軋輥加工時，切削區(qū)域溫度高，刀具耐磨性變差，是導(dǎo)致軋輥加工困難和效率低下的因素。

（2）因軋輥工件的特性，決定了其加工路程長，對刀具需要長的使用壽命。

（3）軋輥產(chǎn)品的價值較高，因此軋輥切削的安全性、穩(wěn)定性是確定切削參數(shù)時要考慮的重要因素。

（4）鑄造的高鉻鋼軋輥外皮余量不均、毛坯余量大，一般在15毫米左右，需要切除大量的材料。

2 刀具選擇與高鉻鋼軋輥的切削

鑄造高鉻鋼軋輥的加工一直是切削工作者非常關(guān)注的問題，人們曾采用過氮化硅、氧化鋁陶瓷刀具和超硬硬質(zhì)合金刀具加工高鉻鋼軋輥，雖然也能加工，但刀具的磨損、破損、蹦刃十分嚴(yán)重，切削效率極低。

隨著刀具材料的發(fā)展，選擇PCBN刀具加工鑄造高鉻鋼軋輥已成為現(xiàn)實。PCBN刀片比陶瓷和硬質(zhì)合金刀片具有更高硬度、耐磨性，比陶瓷刀片具有更好抗沖擊強度和抗破碎能力。

2.1 PCBN刀具的切削性能

PCBN刀具材料具有如下切削特性：

（1）具有硬度高和優(yōu)異的耐磨性。

（2）具有良好的熱穩(wěn)定性，可以滿足高速、高溫下的切削條件。

（3）化學(xué)穩(wěn)定性好，具有很強的抗氧化能力，1 000℃不會產(chǎn)生氧化現(xiàn)象，1 100℃也不和鐵系金屬發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，可以通過高溫切削，提高加工效率。

（4）具有良好的導(dǎo)熱性，可使刀尖處熱量很快傳出，有利于工件加工精度的提高。

（5）具有較低的摩擦系數(shù)，使刀刃具有優(yōu)良的抗粘結(jié)能力，有利于加工表面質(zhì)量的提高。

2.2 刀片材料與結(jié)構(gòu)的選擇

當(dāng)前，PCBN刀具材料主要結(jié)構(gòu)類型有：整體燒結(jié)PCBN聚晶片、復(fù)合片PCBN結(jié)構(gòu)。

選擇PCBN刀片加工鑄造高鉻鋼軋輥，刀片應(yīng)選擇大顆粒CBN微粉，采用金屬結(jié)合劑。實踐證明立方氮化硼燒結(jié)體FBN3500是加工鑄造高鉻鋼軋輥的最佳刀片材料。

2.3 刀具形狀的選擇

刀具形狀對切削加工的影響大，合理的刀具形狀有利于提高切削加工的速度和質(zhì)量。刀具形狀主要包含刀具的幾何形狀、夾緊形式、刀片厚度、刃口等。

2.3.1 PCBN刀片形狀的選擇

（1）根據(jù)鑄造高鉻鋼軋輥的加工特性，為了提高刀片的自身的強度，一般選用PCBN無孔刀片，夾緊形式采用上壓式。PCBN刀片形狀和夾緊形式如圖1所示。

圖1 PCBN刀片形狀和夾緊形式

（2）PCBN刀片的厚度與切削深度有關(guān)，根據(jù)切削實踐，PCBN刀片的切削深度小于CB層厚，這與刀片的抗沖擊和抗振動的能力有關(guān)，一般選擇刀片盡可能厚一些。

（3）刀片形狀一般選擇圓形或方形。當(dāng)工件和機床夾持剛性較高時，可采用圓刀片，也可采用方刀片配合較小的主偏角，可提高切削效率；當(dāng)工件和機床夾持剛性較差時，可選用方刀片，采用較小的主偏角。

2.3.2 圓刀片與直刃刀片主偏角的比較

圓刀片隨切削深度增減在變化，直刃刀片則不會變化。圓刀片無刀尖，直刃刀片刀尖是薄弱點，在加工高鉻鋼軋輥時，主偏角效應(yīng)非常明顯。由圖2可以看出，圓刀片隨切深減小、切屑變薄，刀刃切削抗力減小，粗糙度減小。

圖2

根據(jù)園刀片切深與主偏角的關(guān)系，為了減小切削刃承載的切削力，可以將刀具設(shè)計為多刀片組合形式（如圖3所示）。這種多刀刃刀具可以在同樣切削深度的條件下，把切削力分散到多個刀刃，達(dá)到提高加工效率、減少刀刃崩刃的效果。

圖3

2.4 切削參數(shù)的選擇

PCBN刀片加工高鉻鋼軋輥時，不能按照合金刀具的思維方式，低轉(zhuǎn)速大進(jìn)給。整體PCBN刀具的應(yīng)用，可采取通過控制切削速度和進(jìn)給速度，控制刀具的切削溫度，這是PCBN刀具應(yīng)用的一個重要方式[2]。如控制溫度在900～1 100℃左右，可有效提高PCBN刀具的抗沖擊性能。刀片切削參數(shù)的選擇如表1所示。切削參數(shù)的選取原則如下所述：

表1 RNMN20100刀片切削參數(shù)的選擇

（1）切削溫度低時每轉(zhuǎn)進(jìn)給要適當(dāng)減小，低溫下PCBN刀具的強韌性與高溫下的強韌性比會有所降低。

（2）連續(xù)切削時，每轉(zhuǎn)進(jìn)給量要適當(dāng)減小，以保持刀具可承受的切削力。

（3）在條件允許的情況下，可充分發(fā)揮PCBN刀片的性能。提高切削速度，可發(fā)揮刀片的耐熱性能，加快生產(chǎn)節(jié)；提高切削溫度，可提高刃口抗崩刃效果，尤其是在粗加工時。

2.5 倒棱寬度和角度的選擇

高鉻鋼軋輥加工時，常見刀片失效的形式為崩刃，因此，刃口倒棱的寬度和角度就尤為重要。倒棱角度越大，切削刃抗沖擊性能越好，但切削抗力會隨之增大，對系統(tǒng)剛性和機床功率要求更高。

高鉻鋼軋輥切削實踐證明，選擇倒棱寬度0.5 mm、倒棱角度20°刃口鈍化為宜。如果軋輥毛坯狀態(tài)不好，也可選擇倒棱寬度1 mm、倒棱角度25°加強刃口鈍化（如圖4所示），以獲得更好的抗沖擊性能和更長的壽命。

圖4

3 PCBN刀具的失效的討論

在加工高鉻鋼軋輥的生產(chǎn)實踐中，也常常會發(fā)生刀具的提前失效，主要表現(xiàn)為刀片的磨損、崩刃。

3.1 前刀面磨損

前刀面磨損（如圖5所示），其主要原因是切屑比脆性材料要長一些（如圖6所示）。高鉻鋼軋輥加工中，在切削力、切削高溫、切屑變形作用下，F(xiàn)BN3500刀面磨損的主要特征是緩慢磨損，一般刀片壽命可達(dá)120 min。如果切削速度選擇過高，刀片也可能發(fā)生急劇磨損，急劇磨損多在高速切削過程發(fā)生。當(dāng)切削溫度過高，切削區(qū)域的切削溫度超過1 300℃時，PCBN刀片也會發(fā)生“可逆轉(zhuǎn)化”，刀片急劇磨損。

圖5

圖6

3.2 刀片崩刃

一般講，刀具的崩刃，是刀刃不能承受現(xiàn)有的切削力、切削振動、切削沖擊等加工條件產(chǎn)生的，可以從切削平面觀察到，并能聽出到不正常的切削和振動聲音。刀具的崩刃形貌如圖7所示。

圖7

刀具崩刃的主要原因是：軋輥輥身表面余量不均勻、進(jìn)給量大；園刀片處在切削極限深度，切削力最大；切削振動；機床、工件剛性弱引起的震動。

減少崩刃的主要措施是：改善刀刃承受的切削力和切削振動；加強刃口強度；增大切削刃的寬度和角度。

在現(xiàn)實加工高鉻鋼軋輥過程中，由于毛坯、機床與工件的不確定性因素，PCBN刀片的崩刃屬正常范疇。

4 結(jié)語

將PCBN-FBN3500刀具用于鑄造高鉻鋼軋輥的切削加工，通過合理選擇PCBN刀具的形狀、刀刃倒棱寬度和角度以及切削參數(shù)，提高了高鉻鋼軋輥的加工效率，取得了許多有益的經(jīng)驗。

（1）圓刀片進(jìn)給量的選擇與切削深度有關(guān)。

（2）切削速度選擇與切削溫度有關(guān)，高溫下PCBN刀片強韌性更好。

（3）切削振動對刀片崩刃至關(guān)重要。粗加工的高轉(zhuǎn)速，工件會因為結(jié)構(gòu)不均勻、熱處理后的變形等原因產(chǎn)生振動，造成加工誤差和縮短刀具壽命。

（4）最大限度發(fā)揮PCBN刀具在加工中的作用，須用系統(tǒng)工程的觀念和系統(tǒng)切削的方法選擇刀具的切削參數(shù)。