周勇良，孫熙釗

（1.中鋼集團(tuán)邢臺(tái)機(jī)械軋輥有限公司，河北054025；2.軋輥復(fù)合材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北054025）

0 引言

中鋼集團(tuán)邢臺(tái)機(jī)械軋輥有限公司（以下簡稱中鋼邢機(jī)）始建于1958年，是國內(nèi)第一家專業(yè)生產(chǎn)冶金軋輥和冶金成臺(tái)（套）設(shè)備的冶金機(jī)械及備件制造企業(yè)，是目前世界上引領(lǐng)行業(yè)發(fā)展、產(chǎn)銷規(guī)模最大、市場占有率最高、研發(fā)實(shí)力最強(qiáng)的冶金軋輥專業(yè)研發(fā)制造企業(yè)。如何提高軋輥加工效率，充分發(fā)揮重型機(jī)床電機(jī)功率利用率，實(shí)現(xiàn)輥加工行業(yè)最大金屬去除率，是中鋼邢機(jī)多年來一直努力的方向。

軋輥屬于典型的軸類零件加工，加工余量較大，主要加工方式為車削加工，軋輥的粗車加工尤為明顯。車削是軋輥加工中重要的工序，所用車床多為重型機(jī)床，電機(jī)功率利用率普遍偏低。為提高加工效率，部分機(jī)床采用雙刀架的加工方式，兩個(gè)刀架同時(shí)加工，加工效率明顯高于單刀架機(jī)床，加工效率可提高80%。但雙刀架的加工方式也存在著局限性，雙刀架間隔較遠(yuǎn)，人員來回操作不便，同時(shí)部分機(jī)床結(jié)構(gòu)受限，無法同時(shí)布置兩個(gè)刀架。受兩個(gè)刀架工作原理啟發(fā)，借鑒雙刀架高效的加工方式，考慮在單刀架機(jī)床上實(shí)現(xiàn)雙刀架的加工效果，通過改進(jìn)刀具和單刀架機(jī)床的刀架結(jié)構(gòu)，在單刀架機(jī)床上進(jìn)行了雙刀片刀具的試驗(yàn)，以期能夠達(dá)到雙刀架機(jī)床的加工效率，提高機(jī)床電機(jī)功率利用率。

2 雙刀片切削的技術(shù)方案

雙刀片或多刃刀具的設(shè)計(jì)思路：（1）相同余量，分擔(dān)切削力和切削熱。（2）一個(gè)刀刃用于主切削，一個(gè)刀刃用于修光。（3）圓刀片多刀刃設(shè)計(jì)可減小主偏角，增加進(jìn)給。（4）根據(jù)余量設(shè)計(jì)刀片的組合。圖1，刀具切削示意圖。

圖1 刀具切削示意圖

2.1 雙刀片刀具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于常用的刀桿結(jié)構(gòu)，雙刀片刀具采用錯(cuò)齒設(shè)計(jì)形式[1]，刀片采用分層切削的方式，第二個(gè)刀片的切削深度由刀具決定，第一個(gè)刀片的切削深度由操作者靈活把握，刀片緊固采用上壓桿壓緊的方式，安全可靠。雙刀片刀具結(jié)構(gòu)如圖2所示，刀片緊固結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖2 雙刀片刀具結(jié)構(gòu)

圖3 刀片緊固示意圖

2.2 雙刀片刀具幾何參數(shù)的確定

根據(jù)軋輥生產(chǎn)加工工況，著重對(duì)雙刀片刀具的幾何參數(shù)進(jìn)行了研究，并借鑒了刀具廠商的經(jīng)驗(yàn)，首先考慮了刀片主偏角的影響，然后考慮為了保證刀片強(qiáng)度和可靠性，采用盡可能大的刀尖的角度，同時(shí)也必須注意刀尖的角度與所采用的切削變化率要保持均衡。小刀尖角度的特點(diǎn)是剛性比較差，切削刃切削深度較小，這種情況會(huì)使切削刃溫度升高過快；大刀尖角強(qiáng)度高，但需要較高的機(jī)床功率并易于產(chǎn)生振動(dòng)，當(dāng)軋輥車床功率足夠，在加工70～80肖氏硬度（HSD）的工件時(shí)，刀尖非常容易磨損，因此通常采用圓形刀片，以獲得最大的強(qiáng)度和耐沖擊性。

2.3 雙刀片刀具材質(zhì)的選擇

2.3.1 軋輥發(fā)展對(duì)切削刀具的要求

軋輥?zhàn)鳛檐垯C(jī)上主要工作部件和工具，直接參與鋼材的軋制。隨著軋鋼技術(shù)的進(jìn)步，為了滿足現(xiàn)代軋制的需要，軋輥的材質(zhì)朝著刀具材料快速發(fā)展，如新型的高鉻鐵、高鎳鉻合金、模具鋼、高速鋼、碳化鎢等，硬度達(dá)到75-90HSD，其耐磨性、疲勞強(qiáng)度、抗熱裂性等不斷提高，給加工帶來難度。由于軋輥硬度高，傳統(tǒng)的硬質(zhì)合金刀具不能勝任，陶瓷刀具有很好的硬度和耐磨性，但對(duì)沖擊和震動(dòng)載荷比較敏感，軋輥毛坯一般伴隨著氣孔、包砂等鑄造缺陷，使用陶瓷刀具時(shí)容易崩刀，切削困難。雙刀片切削更是對(duì)刀具壽命及切削性能提出了更高的要求。

2.3.2 切削刀片材質(zhì)CBN

立方氮化硼（CBN）整體聚晶刀片具良好的切削性能、抗斷裂性和耐磨性，很好的解決了傳統(tǒng)的硬質(zhì)合金刀具不能勝任高硬度軋輥這一難題，也為雙刀片切削提供了保障[2]。

立方氮化硼是由六方氮化硼（HBN）加觸媒，經(jīng)高溫、高壓合成為立方氮化硼微粉和單晶，簡稱CBN，是目前利用人工合成的硬度僅次于金剛石的刀具材料，也是目前高效率、高速度、高精度切削鐵系金屬新一代的刀具材料之一[3]。CBN刀片結(jié)構(gòu)類型如下圖4所示。

圖4 CBN刀片結(jié)構(gòu)類型

2.4 刀具切削參數(shù)的確定

確定科學(xué)合理的刀具切削參數(shù)，保證生產(chǎn)效率的提高，選擇使用立方氮化硼的材質(zhì)刀片之后，我們根據(jù)CBN刀片的性能及使用范圍，按被加工材料的特性進(jìn)行分類，明確了加工參數(shù)指導(dǎo)范圍，見下表1。

表1 加工參數(shù)指導(dǎo)范圍

3 雙刀片切削的優(yōu)點(diǎn)

（1）兩個(gè)刀片同時(shí)切削，相比單刀片刀具，刀片的負(fù)荷沒有增加，而切削深度提高一倍，加工效率大幅提升。同時(shí)刀片壽命不受影響，避免了單純提高切削深度提效，刀片壽命縮短，成本增加，扎刀質(zhì)量事故增加的問題。

（2）去除量分配到兩個(gè)刀片上，兩個(gè)刀片之間的落差可根據(jù)加工余量、加工要求進(jìn)行調(diào)整，或設(shè)計(jì)成多種雙刀片刀具。粗加工余量較大，加工第一刀受工件外觀質(zhì)量影響，容易出現(xiàn)扎刀問題，可以加大兩刀片之間落差，確保第一個(gè)刀片損壞導(dǎo)致的扎刀缺陷在第二個(gè)刀片可以去除。精加工余量較小，需要較高的加工外觀質(zhì)量，可以降低兩刀片之間落差，達(dá)到精車修光的效果。

（3）相比雙刀架機(jī)床需要來回操作兩個(gè)刀架，雙刀片刀具只需對(duì)刀操作一次，便于同時(shí)觀察兩個(gè)刀片的切削情況。有效解決雙刀架干涉，難以達(dá)到100%同時(shí)開動(dòng)的問題。

（4）雙刀片刀具所用刀墊、壓刀螺栓等附件工具完全同于單刀片刀具，不增加工具種類數(shù)量，便于倉庫管理和現(xiàn)場維護(hù)。刀具可以采用原有的單刀具刀片，也可根據(jù)粗加、精加要求，選用不同角度的刀片。

（5）加工效率明顯提升，對(duì)單刀片和雙刀片刀具加工參數(shù)和金屬去除率進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，單雙刀片加工參數(shù)對(duì)比見表2。

表2 單雙刀片加工參數(shù)對(duì)比表

由表2可以看出，機(jī)床電機(jī)功率利用率由40%提高至65%，明顯提高，同時(shí)金屬去除率由0.38 t/h提高至0.71 t/h，金屬去除率提高了87%，加工效率明顯提高。

4 應(yīng)用雙刀片切削技術(shù)的注意事項(xiàng)

雙刀片刀具具備上述優(yōu)點(diǎn)，但因兩個(gè)刀片距離近，切削過程中的后面刀片的鐵屑會(huì)飛濺至前面的刀片上，影響前面刀片的切削效果，導(dǎo)致前面刀片的壓刀螺栓異常磨損和變形。需要根據(jù)使用工況、鐵屑飛濺情況，合理設(shè)計(jì)切削角度、斷屑槽結(jié)構(gòu)及兩個(gè)刀片的距離，改變鐵屑排屑方向，避免兩個(gè)刀片互相影響。壓刀螺栓適宜采用下凹式結(jié)構(gòu)，壓刀螺栓凸出更容易導(dǎo)致鐵屑燙傷。

雙刀片刀具的兩個(gè)刀片同時(shí)切削，切削阻力明顯增加，刀桿的尺寸寬度和長度不易太短，一方面提高刀桿的強(qiáng)度，同時(shí)便于多個(gè)螺栓壓緊刀桿。建議刀桿寬度≥60 mm，長度≥120 mm，不少于三個(gè)螺栓壓緊，增加其緊固措施效果更佳,見圖5。

圖5 實(shí)際使用的雙刀片刀具

5 結(jié)語

軋輥加工車床多為重型機(jī)床，工件轉(zhuǎn)動(dòng)為機(jī)床主運(yùn)動(dòng)，為滿足各類產(chǎn)品加工要求，電機(jī)額定功率普遍偏大，正常運(yùn)行過程中機(jī)床功率利用率僅為10～30%。雙刀片刀桿通過雙刀片同時(shí)切削，同等情況下，明顯的提高了切削深度，有效提高了機(jī)床功率利用率，加工效率提高70～90%。在機(jī)床功率允許的情況下，還可以設(shè)計(jì)成三個(gè)刀片或應(yīng)用于雙刀架機(jī)床，實(shí)現(xiàn)四個(gè)刀片或六個(gè)刀片同時(shí)切削，將雙刀架機(jī)床的加工效率再提升一個(gè)臺(tái)階，加工余量較大的粗加工，效果更明顯。