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高速鋼軋輥加工及應用

2020-3-5 來源：安陽鋼鐵股份有限公司作者：靳長青宋長林宋傑

摘要：針對高速鋼軋輥加工難度大，加工效率低等問題，從高速鋼（gāng）軋（zhá）輥特點、刀具材質、機床性能、加工工藝以及使用等方（fāng）麵（miàn）進行闡述，明確了（le）刀具選（xuǎn）型、加工工藝、機床要求和軋輥使用等要素對高速鋼軋輥應用的影響。

關鍵詞：高速鋼軋輥刀具加工（gōng）工藝機床冷卻（què）

0 前（qián）言

安陽鋼鐵股份（fèn）有限公司第一軋鋼廠 260 機（jī）組軋（zhá）鋼生產線，以生產 Ф12 mm ～Ф50 mm 螺紋鋼和礦用錨杆（gǎn）鋼筋為主，同時兼顧核電用鋼筋、高鐵用精（jīng）軋螺紋等功能性鋼筋，軋機布置采用 6－4－7 工藝形式，1－10架平立交替，全連續無張力軋製（zhì）。軋輥材質主要采用球墨（mò）無限冷硬鑄鐵、高鎳鉻（gè）無限冷硬複合鑄（zhù）鐵。隨著高速鋼軋輥在線棒材（cái）軋機上的推廣應用，260 機組（zǔ）在精軋（zhá）機（jī）列全部采（cǎi）用高速鋼（gāng）材質軋輥，極大提高了軋機作業（yè）率、負差控製率和（hé）鋼（gāng）材表麵質量。但由（yóu）於其本身高硬度、難以切削加工的（de）特點，製約高速鋼軋輥的（de）進一步拓展應用。筆者從高速鋼軋輥優勢、刀具材質選擇、加工工（gōng）藝、機床性能和軋輥使用等方麵進行簡要闡述，與大家探（tàn）討。

1、高速鋼軋輥

高碳（tàn）高速鋼複合軋輥( 簡稱高速鋼軋輥) 是（shì）近（jìn）年來發（fā）展（zhǎn）最（zuì）快且應用前景最（zuì）廣的（de）熱軋（zhá）輥材料，它的成分是較為複雜的合金鋼，在熱處理工（gōng）藝淬火後，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（cái）料采用球墨鑄鐵、石墨鋼或鍛鋼等，兩種不同（tóng）的材料通（tōng）過離心鑄造或者采用 CPC 工藝複合而成（chéng），基體組織一般為回火馬氏體+貝氏體+碳（tàn）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、強韌性，導致車削加工難度大。高速鋼軋輥與其他不同材（cái）質軋輥的力學性能對比見表 1。

表 1 高速鋼軋輥與（yǔ）其它軋輥材質力學性能比較

高速鋼軋輥特（tè）點是熱穩定性好、淬透性（xìng）好，碳化物硬度（dù）高，容易形成氧（yǎng）化膜，具有良好的（de）抗熱裂性（xìng）和耐磨性能，對冷卻（què）水的要求遠遠低於硬質合金的要求，它的單槽軋製量能（néng）達到鑄鐵軋輥的 4～5 倍。有利於軋材負公差控製，提高（gāo）軋材表麵質量。主要是應用在線棒材成品（pǐn）和（hé）成品前機架以及切分（fèn）軋製預切、切分孔型為主而研發的（de）新型材質軋輥，硬度可達HSD78 ～ 90，具有很（hěn）高的耐磨（mó）性，同時具有良好的抗衝擊性能，抗熱疲勞性好。隨著高（gāo）速鋼軋（zhá）輥在線棒材軋鋼廠的普及，研發製造廠（chǎng）家隨之迅速蔓延，但是各廠（chǎng）家在高速鋼軋（zhá）輥鑄造過程中添加的（de）合金元素有所差異，為（wéi）此在加工、使用（yòng）方麵（miàn），切削難易程度和在線使用效果並非完全一致（zhì），整體上主要包含有鎢、鉬、鉻、釩（fán）、铌等碳化物形成元素。

2 、刀具（jù）材質選擇

刀（dāo）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衝擊，並在高溫、高壓下，與軋輥發生劇烈摩擦，工況條件十（shí）分惡劣。高速鋼軋（zhá）輥的加工刀具通常選用金剛（gāng）石和立方氮（dàn）化硼( cubic boron nitride 簡稱 CBN) 這樣的超硬材（cái）料，其切削速度比普（pǔ）通硬質合金刀具提高 10～20 倍，且加（jiā）工表麵粗糙度的值（zhí）很小。而 CBN 材質刀具較金剛石又具有更高的硬度、熱（rè）穩定性和（hé）化學惰性，以及良好的透紅外形和較寬的禁（jìn）帶寬度等優異性能（néng）。

( 1) 高硬度。立方氮（dàn）化硼( CBN) 僅次於金剛石，具有很高（gāo）的硬度（dù）及耐磨性，是當（dāng）前軋鋼企業高速鋼軋輥加工刀具材質首選。目前 CBN 刀具合成類型有聚晶片( 由 CBN 與結合劑合成) 和複合片( 由（yóu）CBN 與結合劑合成複合在硬質合金片上) 兩種。在高速鋼軋輥加工上常采用金屬陶瓷結合劑和（hé）超細晶粒 CBN 材質刀具，常用牌號有 MBN3 500 和（hé）MBN5 000。實（shí）踐（jiàn）也證明，這兩種牌號的 CBN 材質刀具是加工高速鋼軋輥的最佳選擇。

( 2) 足（zú）夠的強度和（hé）韌（rèn）性。刀具切（qiē）削部（bù）分材（cái）質在切削過（guò）程中承受（shòu）很大切削力和衝擊力。所（suǒ）以其（qí）必須具備足夠的強度和韌性。聚晶金剛（gāng）石( PCD) 有天然和人造兩種類型，工業上多使用人造（zào）金剛石作（zuò）為刀具材料。但是人造金剛石脆性（xìng）大，抗衝擊能力差，對機床的精度、平穩性要求高，同時金剛石刀具耐（nài）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於有色金屬及其合金材料加工，不適（shì）用加工鐵係金屬，故一般不用於軋輥加工。而 CBN 刀具熱穩定性較金剛石高一倍，具有優良的（de）化學穩定性，抗彎強度和斷裂韌性（xìng）介於硬（yìng）質合金（jīn）和陶瓷（cí）刀具（jù）之間，適合加工鋼鐵（tiě）材料。

( 3) 高耐磨性和耐（nài）熱性。一般來說，刀具材質硬度越高，耐磨性越好。耐磨性與耐熱性密切（qiē）相關（guān），高溫（wēn）下硬度越高，表示耐熱性越（yuè）好。CBN 材質刀具能（néng）夠在高溫下保持（chí）較高的硬度（dù），即紅硬性好。同時在高溫下抗塑性變形能力強，故（gù）此耐磨性也高。

( 4) 良好（hǎo）的導熱性。導熱性好的刀具材質其耐熱衝擊和（hé）抗熱龜裂的性能也好（hǎo）。CBN 複合刀片熱穩定性能在 1 000 ℃ 左右保持較好的紅硬性，所以其（qí）受切削熱量影響不（bú）大。

( 5) 良好的工藝性（xìng）和經濟性（xìng）。CBN 刀具是利（lì）用人工方（fāng）法在高溫高壓條（tiáo）件下用 CBN 微粉和少量的結合劑（jì）合成（chéng）的 CBN 材（cái）質刀具，適合製造成（chéng）各種形（xíng）狀，不同角度（dù）的刀片，是數控機床加工的（de）理想刀具。硬質合金、人造金剛石與 CBN 材質力學性能對比見表 2。

表 2 普通硬質合金、人造金剛石與 CBN 材質（zhì）力學性能

3 、高速鋼軋輥（gǔn）加工

高速鋼軋輥輥身工（gōng）作層是在馬氏體基體中彌散分布高硬度的細微碳化物，在（zài）切削加工過程（chéng）中，對刀具刃口產生劇烈高（gāo）頻衝擊，同時輥身加工中溫度對硬度影響很小，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（yīn）此，高速鋼軋輥的加工應采用高轉速、低切削用量（liàng），勤（qín）換刀的方（fāng）法，來克服加工過（guò）程的困難（nán）。

3．1 軋輥孔型的加工

高速鋼軋輥孔型新輥加工由（yóu）於粗加（jiā）工量大，刀具磨損快、壽命短，所以（yǐ）一般先使用略（luè）小於孔型基圓直徑（jìng）的刀片（piàn）在輥身上切出軋槽形狀。然後采用CBN 刀具按照數控加工程序循環加工。切削用量根據加工孔型（xíng）的不（bú）同部位，采用不同的參（cān）數（shù）。一般切削深度選（xuǎn）擇為 0． 3 mm ～ 0． 4 mm，切削速度60 m / min ～ 80 m / min，進給量在加工程序（xù）編製中根據需要設置，輥環部位為 0．8 mm/r 左右（yòu），孔型（xíng）槽口（kǒu）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，進行精加工。軋（zhá）輥軋槽不同部位示意圖如圖 1 所示。

圖 1 軋輥軋（zhá）槽的不同（tóng）部位

3．2 孔型加工常見問（wèn）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給量，或在數控加工程序中減小刀（dāo）具補償。

( 2) 槽型不對稱，一（yī）側（cè）縫隙大。需更換新刀片，若（ruò）問題（tí）仍然存在，就考慮在程序中增加絲杠（gàng）補償值。

( 3) 軋槽深度不夠。若排除（chú）刀具磨損，就降低槽底圓弧加工的進給量或適當增加（jiā）刀（dāo）具補（bǔ）償值。

3．2．2 刀具損壞（huài）形式

( 1) 崩刃。在切（qiē）削刃上產生的幾個小缺口（kǒu）或崩掉（diào）一小（xiǎo）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還能繼續切削（xuē），超差則需要更換，並適當降低切削（xuē）用量。

( 2) 碎斷（duàn）。一般為刀具磨損後材料（liào）疲勞未及時更換或衝擊載荷過大造成的，需（xū）要減小進給量。

( 3) 剝落。刀片在前刀麵上產生貝殼狀的（de）剝落。是由於切（qiē）削速度與進給量選擇不匹配導致的，適當提高切削速度、減小進給量。

3．3 橫肋銑削加工( 以 XK500C 多（duō）功能數控（kòng）螺紋銑床為例（lì）)

在高（gāo）速鋼（gāng）軋輥的加工橫肋時，建議選用飛刀銑床( 如 XK9350 或 XK500 係列) ，在飛刀（dāo）工位銑橫肋（lèi），在擺頭工位加工商標字符。裝夾刀杆後調整刀頭位置，采用專用孔型對中樣板進行對正調整( 如圖 2 所示) ，將刀杆上的刀（dāo）頭、樣板與孔型調整到一條直線上，確認刀頭對準基圓孔型正中後（hòu），取下對中樣板，將刀退（tuì）出。啟（qǐ）動（dòng）加工程序，采用手動( 手搖脈衝器) 緩慢進刀（dāo），直到刀（dāo）頭接觸到槽（cáo）底（dǐ）並產生銑削劃痕，通過劃（huá）痕檢（jiǎn）查確認對刀的準（zhǔn）確性，如果刀頭仍然不（bú）對中，同樣采用手輪（lún）進行微調。

圖2 孔型加工刀頭（tóu）對（duì）中示意圖

銑（xǐ）刀頭材質采用 H06 或 6EF 牌號，根據高速鋼軋輥材質軟硬程度，一（yī）般銑削加工進給量選擇0．03 mm / r ～ 0．05 mm / r，勤檢（jiǎn）查刀頭磨損情況，及時提前更換，避免刀具磨損加工（gōng）阻力增大，損壞刀具，增加加工成本。

商標字符加工時，先將機床加工方式調整到擺頭方式，對刀方式同銑（xǐ）橫（héng）肋相同，采用 Ф8 mm ～Ф10 mm棒刀，一次（cì）加工夠標準深度，字體大小及間距在加工程序中設定或修改。

4、軋輥（gǔn）裝夾方式及機床要求

高速（sù）鋼軋輥（gǔn）裝夾采用四爪重型卡盤或過渡套筒，加（jiā）上尾座回（huí）轉（zhuǎn）套（tào）筒式（shì）大（dà）頂尖，利用兩（liǎng）頂（dǐng）一夾（jiá）的裝夾方式。目前棒線在用軋機多采用軋輥圓頭端大螺栓固定，所以軋輥圓頭中心孔內部往往是（shì）一個M48 mm或更大的螺絲孔，這就需要尾座頂（dǐng）尖定製為傘狀回轉結構，增加裝夾剛性。傳動（dòng）端為了便於萬向節套筒裝卸方便，加工倒角大，標準卡爪卡不到傳動端平麵上，這（zhè）就需要使用過度套（tào）筒，套筒內孔要（yào）大（dà）於輥頭尺寸（cùn），圓周上安裝4 ～ 6條螺栓，用於橢圓度微調。數控軋輥加工要求機床剛性好，安裝牢固，減（jiǎn）少（shǎo）周圍設（shè）備對機床的震動（dòng）影響。軋輥裝夾牢固後，機床刀台對刀具的固定同樣需要足夠（gòu）的剛性，在滿足孔型最小圓弧（hú）的前提下（xià），盡量使用大尺寸刀杆。當刀杆伸出較長時，需要安裝輔助（zhù）刀頂，支撐刀具彈性變（biàn）形。

在飛刀銑床（chuáng）上（shàng）進行橫肋加工時，支承銅塊間隙不宜過大，以確（què）保飛刀刀杆剛（gāng）性。加工過程中（zhōng）及時調整支承銅塊磨損後與刀杆的間（jiān）隙，防止刀杆折斷。

5 、高速鋼軋輥使用（yòng）

高速鋼軋輥（gǔn）在使用過程中，輥身冷卻要求使用幹淨、低（dī）溫水，既要保證水壓，又（yòu）要確保水量。從而避免過熱（rè）導致輥身產生熱裂紋，以及熱裂紋的擴展造成輥身剝落，同時減少輥身溫（wēn）度過高，造成的輥身組織發生相變。理想的冷卻係統是對軋槽呈（chéng）環（huán）狀分布多個噴嘴，如圖 3 所（suǒ）示。保證向（xiàng）軋槽噴射（shè）出持續、充足的水流。一般水溫不超 40 ℃，水壓控製在 0．4 MPa ～0．6 MPa，單槽水（shuǐ）量不低於 300 L/min ～500 L/min，保（bǎo）證有（yǒu） 70%～ 80%的（de）水量在（zài）出口側，水流要對準（zhǔn）軋槽，避免（miǎn）散射。另外高速鋼軋輥的熱裂敏感度較高，在軋輥與紅鋼接（jiē）觸前，需提前打開冷卻水（shuǐ），對軋（zhá）槽進行冷卻。

圖 3 冷卻水管

當發生卡鋼或堆鋼（gāng）時，應繼續給水冷卻，使軋材（cái）及軋槽溫（wēn）度冷卻下來後再停水，並將堆積在軋槽內的軋（zhá）件移開。事故處理後再次生產時，如果軋槽（cáo）溫度高於 60 ℃，建議更換槽（cáo）孔，而且要隔（gé） 2 個（gè）槽。

6 、結束語

高速鋼（gāng）軋輥的高硬耐磨性能，同等軋製（zhì）條件下，與冷硬鑄鐵軋輥和高（gāo）鎳鉻複合（hé）鑄鐵軋輥相比，磨（mó）損量（liàng）更小，單槽軋製量成倍增（zēng）加，且能夠大大改善鋼材表麵質（zhì）量，有效控製負差尺寸精度，在線棒材機組的優越性日益凸顯。但是高速鋼軋輥的加工刀具材質（zhì）是製約（yuē）其發展的一大瓶頸，隨著 CBN 刀具材質的持續升級，通過合理的（de）加工工藝，在機床剛性滿足加工條件下，加工難度會逐漸降低，加工效率將得到進一步提升，同時（shí）高速鋼軋輥的冷卻方式也將隨之改（gǎi）進。為此，高速鋼軋（zhá）輥的推廣應用（yòng）前景廣闊，必將（jiāng）帶（dài）動高速鋼軋輥優勢發揮到極致（zhì），推動軋鋼生產（chǎn）裝備的再次飛（fēi）躍。

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