PCBN刀具在高硬度軋輥車削中的合理應用

吳德寶

（石橫特鋼集團有限公司，山東 肥城271612）

PCBN刀具在高硬度軋輥車削中的合理應用

吳德寶

（石橫特鋼集團有限公司，山東 肥城271612）

針對高硬度軋輥加工困難的現狀，闡述了刀具、工藝、機床等因素對軋輥加工的影響，提出了如何合理應用PCBN刀具、選用機床。

高硬度軋輥；刀具；工藝；機床

1 前言

2008年起在鋼鐵企業逐步得到應用，其日產量相比傳統軋輥提高1倍左右（如Φ12螺紋四切分由1800 t/d提高到3600 t/d左右）。這種高硬度軋輥只有硬度值在83～88 HSD時，才能發揮其過鋼量高、磨損量低的優點。但是，也帶來了一系列加工難題，制約著在軋鋼企業的推廣應用。以PCBN刀具在棒線高速鋼、高硼鋼軋輥加工中的合理應用為例，從刀具選擇、工藝路線及機床剛性等方面對軋輥加工的影響加以闡述。

高硬度軋輥（指高速鋼、高硼鋼、碳化鎢軋輥等）的過鋼量為傳統軋輥的3～5倍，具有較好的熱穩定性、紅硬性，在常規的軋制溫度下具有較高的硬度和良好的耐磨性。隨著棒線切分軋制技術的發展，自

2 PCBN刀具的應用原則

目前，超硬刀具包括人造金剛石（PCD）、立方氮化硼（CBN）、陶瓷刀片（Si3N4基、Al2O3-TiC 基）等，其加工適用范圍不同，見表1。由此可見，PCBN刀具在高硬度軋輥車削加工中應用最為廣泛[1]。

PCBN（Polycrystalline Cubic Boron Nitride）即聚晶立方氮化硼，作為利用人工方法合成的新型刀具材料，硬度僅次于天然金剛石，是目前高速切削鐵系金屬最合適的刀具材料。它先合成高密度立方氮化硼，然后再以其為原料加入一定的粘結劑經高溫高壓燒結成聚晶立方氮化硼，通過激光切削、磨削等工序制作成各種規格的刀具。

表1 高硬度軋輥加工適用刀具性能

2.1 合理選用，及時更換

高硬度軋輥輥身硬度一般在85 HSD左右，具有較高的硬度和良好的耐磨性。車削高硬度軋輥時，金屬屑處于剪切狀態，滑移過程不明確；同時，金屬屑與刀具劇烈磨擦，產生大量切削熱，發出橘紅色火焰，鐵屑與空氣接觸后迅速氧化變為靚藍色。

在選用刀具時，首先根據軋輥材質硬度及使用現狀，選用不同牌號的PCBN刀片；其次，刀片必須帶有負倒棱或倒角，同時對刃口采用鈍化技術處理，保證刀片具有較高的耐用度，減少崩刃現象的發生。同時，在刀具磨鈍后，應及時更換刀片加工面或刀片，避免刀具磨鈍后在工件表面形成“擠壓”加工，造成刀頭碎裂、孔型表面劃傷的嚴重后果。最后，配備合適的刀桿，具有足夠剛性、合理的刀片裝夾方式等[2]。

2.2 機床具有足夠的剛性

加工軋輥時，應選用剛性較好的專用軋輥機床，如 C8450（63）、CK8450（63）等機床，并配備四爪重型卡盤及內置回轉套筒式尾座。若尾座套筒為非回轉式，使用普通回轉頂尖裝夾時，因承重量低，導致頂尖軸承損壞，軸徑跳動量超差；采用普通固定頂尖時，因磨擦熱量大，易燒損。推薦采用鑲嵌硬質合金頂尖，利用輸液器制作滴油潤滑裝置，用于冷卻頂尖與軋輥錐孔支撐錐面。同時，在空間允許的情況下，盡量采用中心支架。如卡爪較短時，可采用扁頭套筒裝夾，同時四周要安裝緊定螺釘，減小扁頭與套筒間隙；裝夾大軋輥時，則采用專用圓弧卡爪支撐塊，保證卡爪與軋輥為面接觸，降低振動。車床刀桿應具有足夠強度，并直接壓緊在刀架上，伸出長度盡量短，必要時要加裝支撐桿（圖1），以提高其剛性[3]。

圖1 成型車刀支撐桿

3 工藝路線及加工參數的選擇

3.1 新輥的車削加工

車削輥身時可采用較高的切削用量（推薦值切削速度 V=25～35m/min、走刀量 f=0.36～0.7m/r、切削深度ap=1～1.5mm），精車時應選用高速、低進給量，以保證表面粗糙度要求。推薦選用牌號為FBN6000的PCBN方刀片（如SNUN12T612）車削輥身，并配備機夾式刀桿（CSXNR3535R12-25），其主偏角為25°，易于斷屑及散熱性好。

車削之前，先將輥身兩端倒工藝角（推薦≥5×45°），避免了車削至另一端時輥身產生崩邊現象。

在普通軋輥車床C8450上精車輥身時最好反向走刀，這樣能消除尾座頂尖帶來的間隙。車削孔型時，可選用PCBN機夾孔型刀（牌號FBN6000）。為提高加工效率，在機床剛性允許的情況下，粗車時盡量采用自動進刀（V=8～12m/min、f=0.2～0.4mm/r）。一般粗、精車Φ 12 K1螺紋鋼孔型單槽用時約8min左右，使用普通硬質合金刀具約60min。

因PCBN孔型刀刃磨困難，推薦采用雙刀頭機夾式孔型刀片，兩端均可使用，有效降低加工成本。在刀片磨鈍后，可采用自制夾具及磨刀樣板自行磨削，作為粗車刀使用。

在數控軋輥車床車削軋輥時，推薦采用輥身與孔型分開車削方式進行：一是編程工藝簡單；二是單獨加工，易于保證整體加工精度。

在數控軋輥車床CK8450（63）上車削時，一般根據試車情況編寫刀具補償程序來保證輥身的圓柱度要求。車削孔型時，在保證不干涉的情況下盡量采用大直徑機夾刀片,對刀桿部位要充分冷卻，避免刀桿熱變形產生間隙，導致刀片松動，損壞刀片。為提高加工效率，在粗加工時盡量快速去除加工余量（通常用抗沖擊性較好的FBN7000刀片，切削推薦值V=18～35m/min、f=0.5～0.7mm/r、ap=1.5～2mm），預留0.4～0.6mm的精車余量；在精加工時，一般使用高硬度的FBN9000刀片，確保將孔型一次精車至尺寸。為減少加工換刀時重復定位誤差影響，上下輥孔型可對應采取分組法加工，即1次只加工同時使用的1組孔型，然后立即更換刀片，降低了因刀具磨損帶來的尺寸偏差。

由加工經驗可知，當切削深度增加1倍時，主切削力也增加1倍；進給量增加1倍時，主切削力增加0.75～0.9倍。因此，為了提高加工效率，粗加工時在機床剛性允許的范圍內采用較大的進給量。

3.2 修復輥的車削加工

車削修復輥時，在進給量過大時，孔型槽口處會產生崩邊現象，可用45°機夾刀或尖刀對孔型槽口處兩邊先倒角（見圖2），再整體車削輥身；最好采用專用15°主偏角刀桿（配方刀片）車削，可有效降低崩槽現象。

圖2 槽口倒角

因高硬度軋輥存在加工硬化現象，特別是螺紋K1成品孔型存在月牙肋，屬于斷續切削，加工更加困難。因此，通常在C8450（63）上采用帶有15°負倒棱PCBN刀片粗車（車削用量推薦值V=4～7.5m/min、f=0.1～0.2mm/r）孔型，一般先采用比加工孔型小一規格孔型刀粗加工，徹底去除月牙肋后再進行精加工（見圖3）。例如，加工Φ14螺紋鋼孔型時，先用Φ12螺紋鋼孔型刀粗加工，然后采用Φ14螺紋鋼孔型刀精加工至尺寸。

圖3 雙刀頭機夾式孔型刀片

在數控軋輥車床CK8450（63）上車削修復輥孔型時，可采用粗、精車程序單獨加工。在粗加工時，應選用較低的切削速度及較大的進給量，一般推薦切削用量為：V=8～15m/min、f=0.3～0.5mm/r、ap=0.5～1.5mm；在精加工時，選用較高的切削速度及最大的進給量，切削深度應較小。

為提高加工效率，降低刀片消耗，螺紋K1成品輥最好先在C8450（63）上粗加工孔型，去除月牙肋及硬點，然后在數控軋輥車床上精加工孔型。這種工藝路線比直接在數控軋輥車床上粗精車可節約30%以上加工時間。

4 機床的優化選配

普通軋輥車床C8450（63）只能用于加工硬度≤82 HSD以下的軋輥。在加工多線切分軋輥時其加工精度差，效率低下，嚴重影響了棒材的負差率（如螺紋Φ12四切分僅為4.5%），減少了企業收益。據統計，螺紋Φ12四切分，在采用數控軋輥車床加工后，其負差率達到6%左右，可為棒線帶來約525萬元的額外收入。而一臺數控軋輥車床CK8450（63）約65萬元，其產生經濟效益遠大于投入（100萬t棒線需數控車床2臺）。在軋輥硬度提高到85 HSD后，其日產量也能提高10%左右。

建議鋼鐵企業應盡量采用數控軋輥車床，以擴大高硬度軋輥的使用量，進而產生更大的經濟效益。根據實際生產情況，在鋼鐵企業數控軋輥車床與普通軋輥車床的數量配置為1∶3時，能發揮人員、設備的最大利益化。

5 結語

綜上所述，PCBN刀具在加工高硬度軋輥時對機床、刀具及操作人員的技能水平均有較高的要求。在不改變現有機床裝備和人員的情況下，選擇合適的刀具、工藝路線及足夠的加工時間，是保證高硬度軋輥正常加工的有效途徑。

[1] 吳天培.金屬切削原理與刀具[M].北京：機械工業出版社，1996.

[2] 苗利河.棒材用高速鋼軋輥的孔型加工工藝[J].軋鋼，2008（2）：70-72.

[3] 吳德寶.高速鋼軋輥孔型的加工[J].軋鋼，2010（3）：52-55.

TG333.17

B

1004-4620（2017）04-0070-02

2017-05-27

吳德寶，男，1977年生，2007年畢業于山東大學機械電子工程專業?，F為石橫特鋼集團機制公司工程師，從事軋輥加工及機制工藝技術工作。