車削鋼管軋輥刀具的改進方法研究

陳李中

（華南理工大學廣州學院 機械工程學院，廣州510800）

0 引 言

廣州鋼管廠主要用軋輥壓制鋼管，而軋輥的加工和翻修加工是使用普通車床，在過去較長的時間內，都是使用一些比較傳統的車刀材料及常用車刀幾何角度。針對該廠設備情況，結合軋輥材料的特性，對刀具材料進行分析，改變刀具的角度，經過一段時間的實際加工，取得了較理想的效果。

1 零件工藝分析與工藝改進

1.1 零件加工技術指標

1）鋼管軋輥的材料為GCr15和Cr12MoV的淬火鋼；2）硬度(熱處理以后)為58～62 HRC；3）軋輥精加工：兩端面采用平面磨、內孔采用內圓磨，外圓直徑表面采用車削，圓弧表面采用圓弧車刀車削后打磨光潔，成品后各表面粗糙度要求Ra l.6 μm，如圖1。

圖1 鋼管軋輥

1.2 車削鋼管軋輥的刀具耗損問題

這類鋼管軋輥淬火鋼具有硬度高、脆性高、強度大、導熱系數低等特點。如在翻修加工這類軋輥時更加困難，因軋輥在生產壓制鋼管后，經過高溫、擠壓、磨損之后的軋輥材料金相組織更加復雜和不穩定。該廠的加工方法主要采用車削和磨削加工，加工平面時采用平面磨，當加工外圓、圓弧或形狀復雜的曲面軋輥時就采用車削加工方式。

經過試車分析，發現由于材料硬度高、脆性高、導熱系數低等，用合金刀具車削時刀具的切削刃容易磨損。特別是在加工翻修的圓弧軋輥時，圓弧（成型）刀具接觸加工圓弧表面時，由于接觸面大的緣故，造成加工區域產生高溫。而且被加工的二次翻修軋輥表面凹凸不平，刀具會受到間歇性撞擊，容易造成崩刃。在翻修鋼管圓弧面時要準確及迅速，該廠原來采用較大的橫截面（圓弧）尺寸的刀粒，雖然容易車削出過渡較好的圓弧面，但加大刀粒截面面積，會造成刀粒散熱困難及受熱不均，使刀粒造成損壞性裂紋，無法修復，這樣就使刀具使用的壽命短，增大企業成本。

1.3 未改進的車刀分析及加工效果

由于該廠長期以來都沒有制定系統的刀具，工人們都是靠經驗或前人的經驗來制做刀具。原來未改造的車刀有以下幾個特點：1） 刀具材料為YW1；2）車刀的幾何角度，前角為0°，后角為8°，主偏角為90°，副偏角為8°，刃傾角為-3°，刀尖圓弧R2，如圖2所示。

圖2 未改進的車刀

加工效果：如車削規格φ230 mm×90 mm、余量為2 mm的鋼管軋輥時，釆用以上傳統的刀具，轉速只能在V=60 r/min以下、進給量f=0.2 mm/r、切削深度ap=0.25 mm，在加工過程中刀具容易磨損，刀尖容易崩刃，特別在加工完工件出刀時，刀尖特別容易崩刃。加工效率也較低，機動時間T機=L·h·π·D/1000·v·f·ap代入數據,計算出的機動時間約為43 min。

2 鋼管軋輥切削工藝方案的選用

2.1 刀具材料選擇

經過試車發現車削鋼管軋輥淬火鋼時，刀具材料不僅需要高硬度及良好的耐熱性能，還需要具有較高的抗彎強度，這幾點性能是加工鋼管軋輥淬火鋼的最重要指標。目前切削效果較好的硬質合金牌號有YW1、YT15、YS8、金剛石、純人工合成的立方氮化硼(CBN)等，綜合分析如下：1）YW類合金硬度較高，耐磨性出色，但抗彎強度有限，適于較高轉速小進給加工，加工鋼管軋輥效率較低、損耗快。2）YT15和YT5適用于45鋼、普通碳鋼的加工，硬度較高，抗彎強度較差，耐磨性較好，主要進行粗加工和半精加工。對于加工淬火鋼管軋輥欠佳、容易崩刀。3）YG8主要用于鑄鐵、有色金屬和非金屬材料的粗加工、扒皮作業。優點是抗彎強度較高，只能用于低速加工，缺點是耐磨性較差，也不適合鋼管軋輥的加工。4）立方氮化硼(CBN)材料的硬度很高，達3200～4000 HV，僅次于金剛石，熱傳導率好，達1300 W/(m·K)，具有良好的高溫化學穩定性，在1200℃下熱穩定性很好，優良的化學穩定性和導熱性，低的摩擦系數，是切削鋼管軋輥淬火鋼較好的材料，但價格高。5）硬質合金YS8硬度為92.5 HRA，密度為l3.9 g/cm3，抗彎強度好1.57 GPa，韌性及耐磨性較好，耐沖擊振動及抗月牙洼磨損性能良好。YS8屬超細晶粒合金，抗熱裂紋及抗塑性變形的性能良好，是加工淬硬鋼管軋輥及加工較不規則及沖擊力較大的翻修鋼管軋輥，較理想的刀具材料。

考慮到加工翻修鋼管軋輥中會受到撞擊和易磨損、崩刃、甚至刀粒產生裂紋無法使用等特點，立方氮化硼機械磨削性、刃口質量和斷裂韌性和抗磨損性居中，可焊接性差，在修磨時也較困難，要用金剛石SDC.青銅結合砂輪來刃磨 ，刀片價格大概在250～450元/片之間，而金剛石刀具價格則更加昂貴，加工、焊接都非常困難，使用成本更大。從該工廠設備和成本的實際出發，故不采用立方氮化硼刀具和金剛石刀具。而采用價格便宜的硬質合金YS8作為刀具材料，其刀粒的焊接性及容易刃磨修復的特點，可以及時對刀具進行制作及修磨，一片刀具材料價格2～5元，可使用多次，節約成本。

2.2 切削用量選擇

一般鋼管軋輥淬火鋼的耐熱性為200～600℃，而硬質合金的耐熱性為800～1000℃。在加工過程中淬火鋼在溫度400℃左右時硬度開始下降，而硬質合金刀具材料的硬度不變，仍能保持刀具鋒利。由于上述原因，切削時切削速度不能太低，讓鋼管淬火鋼軋輥加工區域保持溫度600～800 ℃左右，故切削速度選用V=30～75 m/min，而在斷續切削時切削速度應降低一些，一般為V=20～50 m/min左右。在實際車削時也可根據車削時的溫度來適當調整切削速度，可以通過觀察，加工時切出的鐵屑呈暗紅色，而且切削順暢，說明切削速度選擇合適。在調試切削車時，先選用較低的切削速度和進給量，視刀具耐用度的情況，再決定其合理的切削速度和進給量。由于車削鋼管淬火鋼的切削力大，故切削速度和進給量，小于車削鋼材的用量，一般在f=0.1～0.35 mm。

2.3 車刀幾何角度的選擇

車削鋼管軋輥刀具的幾何參數，主要根據軋輥的材料材質、刀具材料的性能和實際切削加工的條件來選擇。針對工件材料硬度高，有一定沖擊，加工時切削力大和切削熱高等特點，以及考慮到該廠機床設備比較陳舊、剛性不夠好等情況，車刀幾何角度的選擇應著重以增強刀具剛性、增強耐沖擊性及改善刀具的散熱善狀況為主要原則。

改進后車刀的幾何角度如圖3所示。前角為-5°，后角為6°～8°，倒棱后角為1°～2°，主偏角為45°，刀尖角為110°～l20°，刀尖圓弧為R3，刀粒寬度為10～15 mm，長度為20 mm，厚度為2~3 mm。

刀具改進角度說明：前角為-5°，目的是加大楔角，增強刀頭的強度及提高耐沖擊性能，但不宜過大，否則消耗動力大，即切削力增大并且引起振動。倒棱后角為1°~2°，可抑制切削時的振動。在翻修鋼管軋輥車外圓時刀具應選用較小的主偏角45°，比原來的偏刀取小了，改善了散熱性能，但也不會由于太小而產生振動。而且在刀具車至工件端面時不致使切削深度實際為0，而造成工件端面崩裂、刀具崩刀。刀尖角取110°~120°，主偏刀增大了，增強了刀尖、刀頭強度，而且加大了副偏角，也改善散熱性能。

車削凹凸不平的圓弧面和斷續車削時，選用較小的刀尖圓弧R3和負的刃傾角，并選用較小的進給量；車削外圓時刀具在切入工件和刀具切出工件時，工件和刀尖容易崩裂，應增加刀具的抗彎強度，把刀具的主偏角修磨一定的角度，使刀具切削刃與被加工的工件形成接近15°～45°的夾角，使入刀和出刀平穩，可防止崩刀。

在車削鋼管軋輥圓弧表面時，考慮到車刀的圓弧和工件圓弧面接觸，接觸面加大，容易產生高溫及切削力增大，產生振動容易損壞刀具。通過實際加工比較后，使用硬質合金YS8的圓弧（成型）刀，如圖4所示。刀粒的寬度為10~15 mm，長度為20 mm，厚度為2~3 mm為宜。刀具的幾何角度選擇如下：圓弧刀圓弧為180°，半徑R7.5 mm，前角為0°，刃傾角為0°，后角為8°~10°，倒棱角為8°~10°，寬度為1～2 mm。

在實際加工中，加工后的鐵屑不易斷屑，容易造成被加工表面刮傷和損壞刀具。加工時要采用有節奏的斷續車削加工方式，使鐵屑易斷裂，容易清理，加工區域干凈順暢，沒有阻礙，保證刀具的使用壽命。對刀具的各表面要仔細研磨，以提高其耐磨度，另根據加工中刀具的磨損，工作人員要時刻保持刀具的鋒利，經常對刀進行修刃，提高刀具的耐用度。

圖3 改進后車刀

3 改進后車刀的加工效果

通過改進車刀，生產效率有較明顯的提高，刀具磨損崩刃現象減小。以加工φ230 mm×90 mm軋輥、余量為2 mm的鋼管軋輥為例：主軸的轉速從原來的60 r/min提高至80 r/min，進給量從原來的0．2 mm/r提高至0.35 mm/r，切入深度從原來的0.25 mm提高至0.6 mm，根據T機=L·h·π·D/1000·v·f·ap的公式，計算出的機動時間約為7.7 min，

4 結語

工件的表面質量也有所提高，生產效率提高5~6倍。

通過對淬硬的鋼管軋輥車削刀具的分析，并對刀具各方面進行了一定的改進和總結，提高刀具的耐用度，配合適當加工方法。改進后的車刀沿用至今，并在隨后的工作中，加工的產品質量達到技術要求，刀具的使用壽命也明顯提高。