高速钢轧辊的加工及运用

2020-02-16王少良黄佳磊

设备管理与维修 2020年22期

王少良，黄佳磊

（中钢集团邢台机械轧辊有限公司，河北邢台 054000）

0 引言

某钢铁厂主要生产矿用锚杆钢筋以及Φ12～50 mm 螺纹钢，同时兼顾高铁用精轧螺纹以及核电用钢筋等功能性钢筋，轧机布置采用的工艺形式为6-4-7、1-10 架平立交替，进行全连续无张力轧制[1]。轧辊的材料，主要为高镍铬无限冷硬复合铸铁以及球墨无限冷硬铸铁。该钢铁厂生产机组全部采用高速钢材料轧辊，大大提高了轧机作业率、钢材表面质量以及负差控制率。不过由于其本身具有较高的硬度，难以对其进行切削加工，从而导致高速钢轧辊的应用发展受到了一定的限制[2]。因此需要对高速钢轧辊的生产运用进行探讨，从而提高生产效率。

1 高速钢轧辊

高速钢轧辊是高碳高速钢复合轧辊的简称。作为一种热轧辊材料，近年来高速钢轧辊发展异常迅速。合金钢是高速钢轧辊的制作成分，其经过热处理工艺的淬火之后，即便是在空气中冷却，也能够进行硬化[3]。高碳钢为高速钢轧辊的工作层材料，以球墨铸铁、锻钢或石墨等作为轧辊的芯部材料，通过采用CPC（Continuous Pouring Process for Cladding，连续复合）工艺或离心铸造将两种不同的材料进行复合，一般以贝氏体、碳化物、回火马氏体作为其基体组织，其中碳化物在机体中以高度弥散形式分布，这使其强韧性、耐磨性极高，因此大大增加了车削加工的难度[4]。

高速钢轧辊具有淬透性好、热稳定性好等特点，且其碳化物硬度高，能够较为容易地形成氧化膜，这就使其抗热裂性能以及耐磨性较高。另外，高速钢轧辊对于冷却水的要求远比硬质合金的要求低，而它的单槽轧制量是铸铁轧辊的4～5 倍，这使得其对于轧材的负公差控制更为有利，能够提高轧材表面质量。高速钢轧辊主要应用于线棒材成品和切分轧制预切等为主的新型材料轧辊的研发，可以达到78～90 HSD，其耐磨性极高，而且抗热疲劳性能以及抗冲击性能均十分良好[5]。高速钢轧辊逐渐在线棒材轧钢厂得到普及，相关研发制造厂商大幅增多，但是各个厂家对于高速钢轧辊的铸造过程中所添加的合金元素不尽相同，这就使得高速钢轧辊在加工、使用以及切削难度等方面存在一定的差异[6]。

2 刀具材料的选择

作为与轧辊进行直接的接触切削，刀具的切削部分会承受着巨大的冲击力和切削压力，而且会在高压、高温下与轧辊之间发生剧烈摩擦，工况十分恶劣。因此，高速钢轧辊的加工工具常选用立方氮化硼（Cubic Boron Nitride，CBN）、金刚石等超硬材料，这样其切削速度将比普通的硬质合金刀具快十几倍，并且切削后其表面粗糙度较低。与金刚石相比，立方氮化硼的热稳定性和化学惰性更优良，其禁带宽度、透红外形等性能也更为优异。

（1）硬度高。立方氮化硼的耐磨性和硬度仅次于金刚石，是目前企业加工高速钢轧辊的首选刀具材料。目前，立方氮化硼刀具的合成类型主要有复合片以及聚晶片两种。其中，复合片为立方氮化硼与结合剂复合于硬质合金片之上，而聚晶片则为立方氮化硼与结合剂进行合成。目前高速钢轧辊的加工，通常刀具材料为超细晶粒立方氮化硼和金属陶瓷结合剂。

（2）良好的韧性和强度。刀具的切削部分，由于在切削过程中会受到巨大的冲击力和切削力，因此需要具有良好的韧性和强度。聚晶金刚石分为天然和人造两大类，工业生产中刀具材料一般选择人造金刚石。不过人造金刚石的抗冲击力较差，且脆性也较大，这就对机床的平稳性和精度提出了较高的要求。另外，金刚石刀具的耐热性较差，与铁元素的亲和力较强，所以一般可用于有色金属及其合金材料的加工，但并不太适合铁系金属的加工。立方氮化硼刀具具有较高的热稳定性与化学稳定性，断裂韧性、抗弯强度也较高，介于硬质合金和陶瓷刀具之间，较适合钢铁材料的加工。

（3）良好的耐热性与耐磨性。通常情况下刀具材料的硬度越高，其耐磨性越好。耐磨性和耐热性之间有着紧密的关系，在高温条件下，材料的硬度越高、耐热性越好。立方氮化硼刀具在高温条件下具有较高的硬度、较好的红硬性、较高的抗塑性变形能力，所以其耐磨性也较高。

（4）导热性能良好。刀具材料的抗龟裂、耐热冲击性与其导热性有着密切的联系。立方氮化硼复合刀具的热稳定性较高，即便处于1000 ℃的环境也具有较高的红硬性，因此切削热量不会对其造成太大影响。

3 高速钢轧辊加工

高速钢轧辊在切削的过程中会对刀具产生强烈的高频冲击，而且温度对于高速钢轧辊的影响较小，这就使得刀具的磨损加快，从而增加了高速钢轧辊的加工难度，降低了切削效率。所以，高速钢轧辊的加工应当勤换刀具，并采用低切削、高转速的方法来降低加工难度。

3.1 加工轧辊孔型

孔型加工会存在着较大的粗加工工作量，这就会加快刀具的磨损、缩短刀具的使用寿命，所以孔型加工一般是先在辊身上利用略小于孔型基圆直径的刀片进行轧槽形状的切出，然后按照数控加工程度使用立方氮化硼刀具进行循环加工。根据加工孔型的部位，切削用量选用的参数也不相同。

3.2 孔型加工中容易出现的问题及解决方法

3.2.1 孔型对于样板或尺寸精度不符合

（1）槽型不对称：如果出现一侧的缝隙较大的问题，则需要对刀片进行更换，如果问题仍没有得到良好的解决，还需要在程序中增加丝杠的补偿值。

（2）槽底有缝隙：需要在数控加工程序中减小刀具的补偿值，也可以适当的降低孔型精加工的进给量。

（3）轧槽深度不足：首先需要检查刀具，查看其是否受到了磨损，如果可以排除刀具磨损的因素，则可以降低槽底圆弧加工的进给量或适当增加刀具的补偿值。

3.2.2 刀具的损坏

（1）刀具碎断。刀具碎断的主要原因是刀具磨损材料疲劳之后没有对其进行及时更换，或其承受了过大的冲击载荷，因此需要对刀具进行及时更换，或者适当减少进给量。

（2）刀具崩刃。主要表现为切削刃上产生的小缺口，如果损坏较小、还在允许的磨损限度之内，则可继续使用，如果效果超差，就需要对刀具进行更换且应适当降低切削用量。

（3）刀具剥落。主要表现为在刀片的前刀面上产生贝壳形状的剥落。剥落的原因主要是刀具的切削速度和进给量选择不相符，所以应适当提高切削速度、适当减少进给量。

3.2.3 横肋铣削加工

对于高速钢轧辊的加工横肋，可以对飞刀铣床进行选择，在飞刀工位铣横肋，在摆头工位对商标字符进行加工。装夹刀杆之后对刀头位置进行调整，对于中样板的对正调整应使用专用孔型，使刀头、孔型、样板处于同一条直线，确认刀头对准基园孔型正中，再取下对中样板、使刀退出。启动加工程序，通过手动的方式缓慢进刀，直到刀头与槽底产生接触并出现铣削痕迹。通过划痕确认对刀的准确性，如果没对中则对其进行微调。

4 高速钢轧辊的加工要求及使用

（1）轧辊的装夹方式。高速钢轧辊的装夹，应用四爪重型卡盘或过渡套筒再加上尾座回转套筒式大顶尖，采用“两顶一夹”的装夹方式。目前，大多数情况下是用大螺栓固定轧辊圆头端，因此轧辊圆头的中心孔通常有一个大于M48 mm 的螺丝孔，所以需要定制尾座顶尖伞状回转结构来增加夹装的刚性。为便于装卸万向节套筒，传送端具有较大的加工倒角，使得标准卡爪无法卡到传动端平面，因此需要使用过渡套筒。需要注意的是，套筒的内孔尺寸要大于辊头，并且在圆周上要安装4～6 条螺栓，以便于椭圆度的微调。

（2）对机床的要求。数控轧辊加工对机床有着较高的刚性要求，所以应尽量减小周围设备对机床的振动影响。

（3）高速高压辊的使用。需要用干净、低温水对其进行冷却，并确保合适的水压以及水量，以有效避免因为过热而产生裂纹、辊身由于热裂纹的扩展而脱落等情况。