淺析數控車床加工修復軋輥

李歡良

摘 要：分析軋輥材料特性、缺陷種類、生產加工要求以及加工技術上與操作上的難點，經過較長時間的反復探索與驗證，根據生產批量確定修復加工所用的數控車床。在修復加工過程中，有效解決了刀具選擇、切削參數的確定、夾具的設計以及數控編程等技術難題，實現了對軋輥高品質、低生產成本加工。

關鍵詞：軋輥修復 數控車床 刀具 切削參數 數控編程

中圖分類號：TG519 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）05（c）-0001-02

隨著金屬加工業的不斷發展，機械加工行業每年需生產大量各類軋輥。軋輥主要用于軋鋼廠的軋鋼設備上，利用成對軋輥滾動時所產生的壓力來軋碾鋼材，從而得到所需的各種型材。它作為各種型材材料的成型模具，具有舉足重輕的地位。在冶金方面可軋制板材、線材、棒材和管材等；在非冶金方面可用在造紙、橡膠、榨油、制粉、制糖、棉紡、毛線等行業[1]。軋輥的種類很多，常見的三大類軋輥分別是鑄鐵軋輥、鑄鋼軋輥和鍛造軋輥，在型材軋機上還有少量硬質合金軋輥，也稱鎢鋼軋輥，是用碳化鎢和鈷等作為材料用粉末冶金方法加工而成的軋輥。

1 缺陷產生的因素

現代軋制技術的發展方向是軋制過程的自動化、連續化和重型化。軋輥在軋制時主要承受動靜載荷、磨損以及溫度變化3個方面的影響。近年來，由于對軋制鋼材的特殊需求，對軋材的尺寸要求、表面加工精度以及軋材的各種性能均提出了更高的要求。此外，隨著現代軋制技術的不斷發展，對軋輥的工作環境要求也越來越苛刻，以熱連軋為例，軋輥長期處于高溫、高負荷和高速度的惡劣條件下，對軋輥的性能要求更高[2]。

軋輥在制造和使用前的準備工序中會產生殘余應力和熱應力，投入使用后要經受各種周期性應力的作用，包括彎曲應力、扭轉應力、接觸應力、剪力和熱應力等。這些應力沿軋輥輥身不均勻的分布，并且不斷變化著，其原因不僅有設計方面的因素，還有軋輥在使用中磨損、溫度和輥形的不斷變化。此外，軋制條件也經常會出現各種異常情況。軋輥在使用后冷卻不當，同樣會受到熱應力的損害。所以軋輥在使用中除有正常的磨損外，還經常會出現剝落、壓痕、裂紋、斷裂等各種局部損傷和表面損傷缺陷。

該公司銅材廠的軋輥作為軋銅工藝中軋機軋制銅桿的重要工具和主要消耗部件，關系到銅材廠高效化持續生產和軋材的產品質量，用于對銅線的熱軋，通過多對軋輥的軋制，最后生產出8 mm成品銅桿。在軋制一段時間后，由于高溫、金屬擠壓等的作用，在軋輥表面會出現氧化皮、裂紋、凹坑等缺陷，影響成品銅桿的質量，因此必須對軋輥的表面進行修復，達到原設計圖紙要求后，再用于軋制生產。

2 加工修復的難點

現在我國的軋輥生產選材、制造工藝和質量控制等方面已經達到國外先進國家90年代水平[3]。軋輥磨損后，修復軋輥的費用比加工新軋輥要低得多，可為用戶節約大量生產成本。但是軋輥在修復加工時，由于軋輥本身的一些特性，修復加工過程中存在以下幾個難點。

（1）熱軋輥常用的材料為55Mn2、55Cr、60CrMnMo、60SiMnMo、4Cr5MoSiV1等，該公司銅材廠軋輥采用的材料為4Cr5MoSiV1熱作模具鋼H13，該鋼具有較高的淬透性和抗熱裂能力，含有較高含量的碳和釩（碳C：0.32%～0.45%，釩V：0.80%～1.20%）。鋼中馬氏體的硬度和強度主要取決于馬氏體的含碳量，鋼的硬度隨含碳量的提高而增大[4]。根據鋼中含碳量與淬火鋼硬度的關系曲線，見圖1，由圖1可以知道H13模具鋼淬火硬度在55HRC左右，而普通45#鋼調質硬度在HRC20～HRC30之間。對工具鋼而言，鋼中的碳一部分進入鋼的基體中引起固溶強化；另外一部分碳將和合金元素中的碳化物形成元素結合成合金碳化物。對熱作模具鋼，這種合金碳化物除少量殘留的以外，還要求它在回火過程中在淬火馬氏體基體上彌散析出產生兩次硬化現象。從而由均勻分布的殘留合金碳化合物和回火馬氏體的組織來決定熱作模具鋼的性能。它耐磨性好，韌性相對有所減弱，具有良好的耐熱性，在較高溫度時具有較好的強度和硬度，較高的耐磨性和韌性，優良的綜合力學性能和較高的抗回火穩定性。材料本身的優點給修復、加工和制造帶來較大的難度，因為工件材料的強度、硬度越高，韌性和塑性越好，越難切削，總切削抗力越大[5]，使得普通硬質合金刀具根本啃不動。

（2）表面形狀復雜，表面質量要求高，加工精度以及表面光潔度等要求較嚴，加工的技術難度大。我公司所加工的軋輥，表面分別為直線與圓弧、圓弧與圓弧相切形成的回轉體表面，每對軋輥尺寸精度誤差不能超過±0.05 mm，表面粗糙度要求達到Ra0.8 μm，采用普通車床根本達不到形狀加工要求。

3 加工修復中采取的措施

由于修復后的軋輥的尺寸、精度、表面質量以及硬度等直接影響著軋輥的好壞，因此軋輥修復加工時應采取相應地措施來解決生產加工中遇到的難題。

3.1 機床的選擇

修復軋輥要求機床能夠加工圓弧形曲面，并滿足回轉直徑要求，具有數控編程功能，能進行半自動加工。現有的加工方法可以采用軋輥磨床加工或數控車床加工，軋輥磨床屬于專用設備，通用性差，加工范圍窄，機床昂貴，適用于大批量加工；而數控車床加工范圍廣，生產率較高，適合小批、單件生產，機床相對較便宜，既可加工多種產品，還可用于其它產品的生產加工。

3.2 刀具的選擇

刀具是直接對軋輥進行切削的，要高質量、高效率地進行切削加工，就要求有高質量、高性能的生產工具。刀具性能和質量的優劣，選擇是否恰當，都直接影響切削加工的效率、加工精度和加工表面質量。由于軋輥表層性質硬而脆，當刀具切入或切出時容易出現崩邊現象，往往造成廢品或使刀具崩損。刀具的選擇，就顯得非常重要。軋輥的工作表面是圓弧接圓弧或圓弧接直線。為了換刀方便，一般選用機加刀，刀片成圓形。由于軋輥的硬度在55HRC左右，刀具材料應選擇有高硬度、高耐磨性、高紅熱性，刀片材料可以選擇金剛石、立方碳化硼或熱壓氧化碳陶瓷等高性能的材料。該公司軋輥修復用的刀具選用瑞典山特維克可樂滿刀具公司的高硬度立方氮化硼圓弧形車刀。

軋輥材料具有較高的熱強度、高硬度的特點，有一些軋輥材料加入了適量的鎳和鉻等合金元素，以提高強度和耐磨性。同時，使軋輥高溫強度提高，導熱系數下降，使切削抗力增大，切削溫度提高，由于要修復的軋輥使用后出現凹坑、裂紋等缺陷，使加工變得困難，特別是增大刀具在切削過程中的刀具崩刃現象和磨損嚴重現象。因此，在刀具幾何參數的選擇方面，一般我們要選擇刀具的刃傾角、前角為0°，主偏角、副偏角和后角較小為宜。

3.3 切削用量的選擇

解決好軋輥切削加工的技術問題，就可以提高切削加工的效率、確保軋輥加工精度。軋輥修復屬于精車環節，選擇切削用量，主要是根據軋輥的硬度，考慮對軋輥表面光潔度的要求，合理地選擇背吃刀量、進給量和切削速度，對于保證加工質量，提高生產效率起著很重要的作用。轉速過快，刀具壽命短，機床震動。轉速過低，加工成本高，加工效率低。進給快，達不到質量要求；進給過慢，效率低。經過反復試驗，從理論分析到實際操作，我們總結了軋輥切削技術參數，確定了合理的工藝路線和切削要素，合理的切削速度150 m/min，背吃刀量0.15 mm，進給量0.1 mm/r。

3.4 數控編程

編程的尺寸直接影響軋輥的精度、形狀等。由于軋輥屬于精密磨具，工作表面是圓弧接圓弧或圓弧接直線，手工計算點存在著誤差，為了提高編程的準確度，選用自動編程。為了保證表面各段之間連隊接光滑過渡，各坐標點要精確。采用工件輪廓編程方式，圓弧半徑補償設置在刀具參與切削前運行，切削結束后用取消。在刀補參數里設置刀補位置參數，參考點設置在離工件端面較近但換刀時不會干涉的位置。對刀后，手動將x、z方向移到與實際參考點坐標負方向偏差一個半徑值的位置。

3.5 裝夾

軋輥的內孔與外圓的同軸度較高，一般用心軸和軋輥內孔零間隙配合，采用一夾一頂方式加工，減小內孔與外圓的同軸度誤差。通過認真分析探討軋輥的加工要求，自主設計制造了軋輥車削專用夾具，不僅能夠完成軋輥在機床上的定位和夾緊，也能滿足軋輥在機床上的定位精度。

4 結語

當然，對于軋輥的修復，在解決了上述生產加工中所碰到的難題之后，還要解決好生產人員的數控編程技術水平、操作技能水平、質量檢測水平，以及生產管理能力。生產人員要能用專業數控軟件對軋輥圖紙進行重新繪制，計算出加工表面直線與直線、直線與圓弧、圓弧與圓弧之間的交點坐標，要能根據坐標點編寫出適合數控車床的程序，并熟練操作數控機床完成生產加工要求。

參考文獻

[1] 王文洋，王曉飛，黃開元，等.軋輥電渣錠表面質量改善[J].特鋼技術，2015（3）：39-41.

[2] 虞明香，王宥宏，趙晶.鉻鉬銅合金鑄鐵軋輥的研制[J].鑄造設備與工藝，2015（2）：25-27.

[3] 沈一鳴.淺談軋輥使用技術[J].大型鑄鍛件，2004（1）：30-32.

[4] 姚玉環，張立斌，王海泉，等.碳鋼淬火馬氏體硬度與含碳量的關系[J].金屬熱處理，2014，39（8）：136-138.

[5] 陳海魁.機械制造工藝基礎[M].4版.北京：中國勞動社會保障出版社，2000.