高速鋼軋輥加工及應(yīng)用
2020-3-5 來源： 安陽鋼鐵股份有限公司 作者： 靳長青 宋長林 宋杰
摘要： 針對(duì)高速鋼軋輥加工難度大，加工效率低等問題，從高速鋼軋輥特點(diǎn)、刀具材質(zhì)、機(jī)床性能、加工工藝以及使用等方面進(jìn)行闡述，明確了刀具選型、加工工藝、機(jī)床要求和軋輥使用等要素對(duì)高速鋼軋輥應(yīng)用的影響。
關(guān)鍵詞： 高速鋼軋輥 刀具 加工工藝 機(jī)床 冷卻
0 前言
安陽鋼鐵股份有限公司第一軋鋼廠 260 機(jī)組軋鋼生產(chǎn)線，以生產(chǎn) Ф12 mm ～Ф50 mm 螺紋鋼和礦用錨桿鋼筋為主，同時(shí)兼顧核電用鋼筋、高鐵用精軋螺紋等功能性鋼筋，軋機(jī)布置采用 6－4－7 工藝形式，1－10架平立交替，全連續(xù)無張力軋制。軋輥材質(zhì)主要采用球墨無限冷硬鑄鐵、高鎳鉻無限冷硬復(fù)合鑄鐵。隨著高速鋼軋輥在線棒材軋機(jī)上的推廣應(yīng)用，260 機(jī)組在精軋機(jī)列全部采用高速鋼材質(zhì)軋輥，極大提高了軋機(jī)作業(yè)率、負(fù)差控制率和鋼材表面質(zhì)量。但由于其本身高硬度、難以切削加工的特點(diǎn)，制約高速鋼軋輥的進(jìn)一步拓展應(yīng)用。筆者從高速鋼軋輥優(yōu)勢(shì)、刀具材質(zhì)選擇、加工工藝、機(jī)床性能和軋輥使用等方面進(jìn)行簡要闡述，與大家探討。
1、 高速鋼軋輥
高碳高速鋼復(fù)合軋輥( 簡稱高速鋼軋輥) 是近年來發(fā)展最快且應(yīng)用前景最廣的熱軋輥材料，它的成分是較為復(fù)雜的合金鋼，在熱處理工藝淬火后，即使在空氣中冷卻也能硬化。其工作層材料采用高碳鋼，軋輥的芯部材料采用球墨鑄鐵、石墨鋼或鍛鋼等，兩種不同的材料通過離心鑄造或者采用 CPC 工藝復(fù)合而成，基體組織一般為回火馬氏體+貝氏體+碳化物，碳化物以高度彌散形式分布在基體中，所以具有很高的耐磨性、強(qiáng)韌性，導(dǎo)致車削加工難度大。高速鋼軋輥與其他不同材質(zhì)軋輥的力學(xué)性能對(duì)比見表 1。
表 1 高速鋼軋輥與其它軋輥材質(zhì)力學(xué)性能比較
高速鋼軋輥特點(diǎn)是熱穩(wěn)定性好、淬透性好，碳化物硬度高，容易形成氧化膜，具有良好的抗熱裂性和耐磨性能，對(duì)冷卻水的要求遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于硬質(zhì)合金的要求，它的單槽軋制量能達(dá)到鑄鐵軋輥的 4～5 倍。有利于軋材負(fù)公差控制，提高軋材表面質(zhì)量。主要是應(yīng)用在線棒材成品和成品前機(jī)架以及切分軋制預(yù)切、切分孔型為主而研發(fā)的新型材質(zhì)軋輥，硬度可達(dá)HSD78 ～ 90，具有很高的耐磨性，同時(shí)具有良好的抗沖擊性能，抗熱疲勞性好。隨著高速鋼軋輥在線棒材軋鋼廠的普及，研發(fā)制造廠家隨之迅速蔓延，但是各廠家在高速鋼軋輥鑄造過程中添加的合金元素有所差異，為此在加工、使用方面，切削難易程度和在線使用效果并非完全一致，整體上主要包含有鎢、鉬、鉻、釩、鈮等碳化物形成元素。
2 、刀具材質(zhì)選擇
刀具切削部分直接與軋輥接觸切削，承受著很大的切削壓力和沖擊，并在高溫、高壓下，與軋輥發(fā)生劇烈摩擦，工況條件十分惡劣。高速鋼軋輥的加工刀具通常選用金剛石和立方氮化硼( cubic boron nitride 簡稱 CBN) 這樣的超硬材料，其切削速度比普通硬質(zhì)合金刀具提高 10～20 倍，且加工表面粗糙度的值很小。而 CBN 材質(zhì)刀具較金剛石又具有更高的硬度、熱穩(wěn)定性和化學(xué)惰性，以及良好的透紅外形和較寬的禁帶寬度等優(yōu)異性能。
( 1) 高硬度。立方氮化硼( CBN) 僅次于金剛石，具有很高的硬度及耐磨性，是當(dāng)前軋鋼企業(yè)高速鋼軋輥加工刀具材質(zhì)首選。目前 CBN 刀具合成類型有聚晶片( 由 CBN 與結(jié)合劑合成) 和復(fù)合片( 由CBN 與結(jié)合劑合成復(fù)合在硬質(zhì)合金片上) 兩種。在高速鋼軋輥加工上常采用金屬陶瓷結(jié)合劑和超細(xì)晶粒 CBN 材 質(zhì) 刀 具，常 用 牌 號(hào) 有 MBN3 500 和MBN5 000。實(shí)踐也證明，這兩種牌號(hào)的 CBN 材質(zhì)刀具是加工高速鋼軋輥的最佳選擇。
( 2) 足夠的強(qiáng)度和韌性。刀具切削部分材質(zhì)在切削過程中承受很大切削力和沖擊力。所以其必須具備足夠的強(qiáng)度和韌性。聚晶金剛石( PCD) 有天然和人造兩種類型，工業(yè)上多使用人造金剛石作為刀具材料。但是人造金剛石脆性大，抗沖擊能力差，對(duì)機(jī)床的精度、平穩(wěn)性要求高，同時(shí)金剛石刀具耐熱性差，與鐵元素有較強(qiáng)的親和力，因此金剛石刀具主要用于有色金屬及其合金材料加工，不適用加工鐵系金屬，故一般不用于軋輥加工。而 CBN 刀具熱穩(wěn)定性較金剛石高一倍，具有優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性，抗彎強(qiáng)度和斷裂韌性介于硬質(zhì)合金和陶瓷刀具之間，適合加工鋼鐵材料。
( 3) 高耐磨性和耐熱性。一般來說，刀具材質(zhì)硬度越高，耐磨性越好。耐磨性與耐熱性密切相關(guān)，高溫下硬度越高，表示耐熱性越好。CBN 材質(zhì)刀具能夠在高溫下保持較高的硬度，即紅硬性好。同時(shí)在高溫下抗塑性變形能力強(qiáng)，故此耐磨性也高。
( 4) 良好的導(dǎo)熱性。導(dǎo)熱性好的刀具材質(zhì)其耐熱沖擊和抗熱龜裂的性能也好。CBN 復(fù)合刀片熱穩(wěn)定性能在 1 000 ℃ 左右保持較好的紅硬性，所以其受切削熱量影響不大。
( 5) 良好的工藝性和經(jīng)濟(jì)性。CBN 刀具是利用人工方法在高溫高壓條件下用 CBN 微粉和少量的結(jié)合劑合成的 CBN 材質(zhì)刀具，適合制造成各種形狀，不同角度的刀片，是數(shù)控機(jī)床加工的理想刀具。硬質(zhì)合金、人造金剛石與 CBN 材質(zhì)力學(xué)性能對(duì)比見表 2。
表 2 普通硬質(zhì)合金、人造金剛石與 CBN 材質(zhì)力學(xué)性能
3 、高速鋼軋輥加工
高速鋼軋輥輥身工作層是在馬氏體基體中彌散分布高硬度的細(xì)微碳化物，在切削加工過程中，對(duì)刀具刃口產(chǎn)生劇烈高頻沖擊，同時(shí)輥身加工中溫度對(duì)硬度影響很小，加速刀具磨損，從而使得高速鋼軋輥加工難度大，切削效率低。因此，高速鋼軋輥的加工應(yīng)采用高轉(zhuǎn)速、低切削用量，勤換刀的方法，來克服加工過程的困難。
3．1 軋輥孔型的加工
高速鋼軋輥孔型新輥加工由于粗加工量大，刀具磨損快、壽命短，所以一般先使用略小于孔型基圓直徑的刀片在輥身上切出軋槽形狀。然后采用CBN 刀具按照數(shù)控加工程序循環(huán)加工。切削用量根據(jù)加工孔型的不同部位，采用不同的參數(shù)。一般切削 深 度 選 擇 為 0． 3 mm ～ 0． 4 mm，切 削 速 度60 m / min ～ 80 m / min，進(jìn)給量在加工程序編制中根據(jù)需要設(shè)置，輥環(huán)部位為 0．8 mm/r 左右，孔型槽口圓弧部位 0．3 mm/r ～0．5 mm/r，孔型槽底( 基圓大圓弧) 為 0．3 mm/r ～ 0．4 mm/r，進(jìn)行精加工。軋輥軋槽不同部位示意圖如圖 1 所示。
圖 1 軋輥軋槽的不同部位
3．2 孔型加工常見問題
3．2．1 孔型不符合樣板或尺寸精度
( 1) 槽底有縫隙。可適當(dāng)降低孔型精加工的進(jìn)給量，或在數(shù)控加工程序中減小刀具補(bǔ)償。
( 2) 槽型不對(duì)稱，一側(cè)縫隙大。需更換新刀片，若問題仍然存在，就考慮在程序中增加絲杠補(bǔ)償值。
( 3) 軋槽深度不夠。若排除刀具磨損，就降低槽底圓弧加工的進(jìn)給量或適當(dāng)增加刀具補(bǔ)償值。
3．2．2 刀具損壞形式
( 1) 崩刃。在切削刃上產(chǎn)生的幾個(gè)小缺口或崩掉一小塊是常見的一種損壞形式。如微崩刃的刀具在允許的磨損限度內(nèi)還能繼續(xù)切削，超差則需要更換，并適當(dāng)降低切削用量。
( 2) 碎斷。一般為刀具磨損后材料疲勞未及時(shí)更換或沖擊載荷過大造成的，需要減小進(jìn)給量。
( 3) 剝落。刀片在前刀面上產(chǎn)生貝殼狀的剝落。是由于切削速度與進(jìn)給量選擇不匹配導(dǎo)致的，適當(dāng)提高切削速度、減小進(jìn)給量。
3．3 橫肋銑削加工( 以 XK500C 多功能數(shù)控螺紋銑床為例)
在高速鋼軋輥的加工橫肋時(shí)，建議選用飛刀銑床( 如 XK9350 或 XK500 系列) ，在飛刀工位銑橫肋，在擺頭工位加工商標(biāo)字符。裝夾刀桿后調(diào)整刀頭位置，采用專用孔型對(duì)中樣板進(jìn)行對(duì)正調(diào)整( 如圖 2 所示) ，將刀桿上的刀頭、樣板與孔型調(diào)整到一條直線上，確認(rèn)刀頭對(duì)準(zhǔn)基圓孔型正中后，取下對(duì)中樣板，將刀退出。啟動(dòng)加工程序，采用手動(dòng)( 手搖脈沖器) 緩慢進(jìn)刀，直到刀頭接觸到槽底并產(chǎn)生銑削劃痕，通過劃痕檢查確認(rèn)對(duì)刀的準(zhǔn)確性，如果刀頭仍然不對(duì)中，同樣采用手輪進(jìn)行微調(diào)。
圖2 孔型加工刀頭對(duì)中示意圖
銑刀頭材質(zhì)采用 H06 或 6EF 牌號(hào)，根據(jù)高速鋼軋輥材質(zhì)軟硬程度，一般銑削加工進(jìn)給量選擇0．03 mm / r ～ 0．05 mm / r，勤檢查刀頭磨損情況，及時(shí)提前更換，避免刀具磨損加工阻力增大，損壞刀具，增加加工成本。
商標(biāo)字符加工時(shí)，先將機(jī)床加工方式調(diào)整到擺頭方式，對(duì)刀方式同銑橫肋相同，采用 Ф8 mm ～Ф10 mm棒刀，一次加工夠標(biāo)準(zhǔn)深度，字體大小及間距在加工程序中設(shè)定或修改。
4、 軋輥裝夾方式及機(jī)床要求
高速鋼軋輥裝夾采用四爪重型卡盤或過渡套筒，加上尾座回轉(zhuǎn)套筒式大頂尖，利用兩頂一夾的裝夾方式。目前棒線在用軋機(jī)多采用軋輥圓頭端大螺栓固定，所以軋輥圓頭中心孔內(nèi)部往往是一個(gè)M48 mm或更大的螺絲孔，這就需要尾座頂尖定制為傘狀回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，增加裝夾剛性。傳動(dòng)端為了便于萬向節(jié)套筒裝卸方便，加工倒角大，標(biāo)準(zhǔn)卡爪卡不到傳動(dòng)端平面上，這就需要使用過度套筒，套筒內(nèi)孔要大于輥頭尺寸，圓周上安裝4 ～ 6條螺栓，用于橢圓度微調(diào)。數(shù)控軋輥加工要求機(jī)床剛性好，安裝牢固，減少周圍設(shè)備對(duì)機(jī)床的震動(dòng)影響。軋輥裝夾牢固后，機(jī)床刀臺(tái)對(duì)刀具的固定同樣需要足夠的剛性，在滿足孔型最小圓弧的前提下，盡量使用大尺寸刀桿。當(dāng)?shù)稐U伸出較長時(shí)，需要安裝輔助刀頂，支撐刀具彈性變形。
在飛刀銑床上進(jìn)行橫肋加工時(shí)，支承銅塊間隙不宜過大，以確保飛刀刀桿剛性。加工過程中及時(shí)調(diào)整支承銅塊磨損后與刀桿的間隙，防止刀桿折斷。
5 、高速鋼軋輥使用
高速鋼軋輥在使用過程中，輥身冷卻要求使用干凈、低溫水，既要保證水壓，又要確保水量。從而避免過熱導(dǎo)致輥身產(chǎn)生熱裂紋，以及熱裂紋的擴(kuò)展造成輥身剝落，同時(shí)減少輥身溫度過高，造成的輥身組織發(fā)生相變。理想的冷卻系統(tǒng)是對(duì)軋槽呈環(huán)狀分布多個(gè)噴嘴，如圖 3 所示。保證向軋槽噴射出持續(xù)、充足的水流。一般水溫不超 40 ℃，水壓控制在 0．4 MPa ～0．6 MPa，單槽水量不低于 300 L/min ～500 L/min，保證有 70%～ 80%的水量在出口側(cè)，水流要對(duì)準(zhǔn)軋槽，避免散射。另外高速鋼軋輥的熱裂敏感度較高，在軋輥與紅鋼接觸前，需提前打開冷卻水，對(duì)軋槽進(jìn)行冷卻。
圖 3 冷卻水管
當(dāng)發(fā)生卡鋼或堆鋼時(shí)，應(yīng)繼續(xù)給水冷卻，使軋材及軋槽溫度冷卻下來后再停水，并將堆積在軋槽內(nèi)的軋件移開。事故處理后再次生產(chǎn)時(shí)，如果軋槽溫度高于 60 ℃，建議更換槽孔，而且要隔 2 個(gè)槽。
6 、結(jié)束語
高速鋼軋輥的高硬耐磨性能，同等軋制條件下，與冷硬鑄鐵軋輥和高鎳鉻復(fù)合鑄鐵軋輥相比，磨損量更小，單槽軋制量成倍增加，且能夠大大改善鋼材表面質(zhì)量，有效控制負(fù)差尺寸精度，在線棒材機(jī)組的優(yōu)越性日益凸顯。但是高速鋼軋輥的加工刀具材質(zhì)是制約其發(fā)展的一大瓶頸，隨著 CBN 刀具材質(zhì)的持續(xù)升級(jí)，通過合理的加工工藝，在機(jī)床剛性滿足加工條件下，加工難度會(huì)逐漸降低，加工效率將得到進(jìn)一步提升，同時(shí)高速鋼軋輥的冷卻方式也將隨之改進(jìn)。為此，高速鋼軋輥的推廣應(yīng)用前景廣闊，必將帶動(dòng)高速鋼軋輥優(yōu)勢(shì)發(fā)揮到極致，推動(dòng)軋鋼生產(chǎn)裝備的再次飛躍。
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