不銹鋼筒體車削刀具磨損問題解決方案

孫利強，張 雁，賈向前，徐俠劍

1洛陽礦山機械工程設計研究院有限責任公司 河南洛陽 471039

2礦山重型裝備國家重點實驗室 河南洛陽 471039

筒體作為礦物磨機的關鍵零部件，承載磨機產品所有物料和研磨介質 (鋼球、鋼棒等) 的回轉，并將物料磨碎至成品。當筒體旋轉時，裝在筒體內的研磨介質在摩擦力和離心力的作用下被提升到一定高度，然后按照一定的線速度拋落，對筒體內的物料產生沖擊、研磨和擠壓，使物料粉碎[1]。針對磨機筒體內部物料的強酸堿特性要求，中信重工機械股份有限公司開發了筒體滑環材質為雙相不銹鋼 (S32205)的滑履球磨機。S32205 除了具有普通鋼材所普遍具有的良好力學性能外，更具有耐酸、耐堿、耐腐蝕等優良特性。由于磨機采用雙滑履支承結構，磨機筒體滑環直接支承在滑履軸承上，提高了磨機結構的可靠性和承載能力[2]。磨機筒體滑環的加工質量直接關系到滑環與滑履軸承之間的油膜厚度和磨機浮起量，對磨機的承載能力和壽命產生重要影響[3]。

1 加工存在的問題

該不銹鋼滑履球磨機筒體長 8 495 mm，滑環外圓直徑為 4 370 mm，兩端滑環外圓粗糙度為Ra0.8，直線度為 0.02 mm，圓柱度為 0.2 mm，同軸度為 0.4 mm，結構如圖1 所示。球磨機筒體尺寸精度、粗糙度和形位公差均要求嚴格，必須在一次裝夾、不換刀的情況下加工完成筒體外圓，才能保證筒體的尺寸及形位公差要求。

圖1 磨機筒體滑環結構Fig.1 Structure of slip ring of ball mill shell

由于磨機不銹鋼筒體滑環材質為雙相不銹鋼，其存在導熱性差、線膨脹系數大[4-5]等特點，切削性能差，難以加工。針對該磨機不銹鋼筒體滑環，在數控臥車上采用不同硬質合金刀片進行了切削試驗，試驗參數如表1 所列。

表1 筒體滑環切削試驗參數Tab.1 Cutting test parameters of shell slip ring

切削試驗過程中發現以下問題。

(1) 切削區域產生的切削熱量特別多，粘刀現象嚴重，刀具耐用度明顯降低。

(2) 切削刀片出現蹦刃、異常磨損等現象，如圖2 所示。滑環外圓無法在一次裝夾不換刀的情況下完成精加工；中途更換刀片時，存在對刀誤差，不能保證筒體滑環外圓尺寸和形位公差要求。

圖2 切削刀片異常現象Fig.2 Abnormal phenomenon of cutting blade

(3) 車削后，筒體滑環外圓存在飛邊，外圓表面質量差，如圖3 所示。

圖3 滑環外圓飛邊Fig.3 Burrs on outer circle of slip ring

2 因果分析

針對上述不銹鋼筒體滑環切削試驗過程中出現的刀具異常磨損，無法滿足一次裝夾、不換刀加工要求的問題，運用因果分析法確定產生問題的關鍵原因，如圖4 所示。

圖4 刀具異常磨損因果分析Fig.4 Causal analysis of abnormal wear of cutting tool

通過因果分析，發現以下現象。

(1) 不銹鋼導熱性是筒體材質固有屬性，無法改變。

(2) 刀具耐熱性是刀具材質固有特性，可以選用高強度、高耐熱刀具，但會增加刀具成本，還可能找不到合適的刀具。

(3) 空冷系統是車削系統的固有屬性，可以提高風管壓力，以增強冷卻效果，但作用有限，同時還會增加環境噪音污染。

(4) 切削速度是提高筒體滑環外圓表面質量的必然要求。雖然可以適當降低切削速度，但會降低滑環外圓表面質量，同時還會降低加工效率。

綜上所述，不銹鋼筒體滑環切削試驗過程中出現刀具異常磨損的關鍵原因是刀具耐熱性差和空冷系統散熱不好。

3 解決方案

通過以上分析，要解決不銹鋼筒體滑環切削試驗過程出現的刀具異常磨損問題，可以采取以下方案。

(1) 方案一 選用耐熱性高的刀具。該方案在不銹鋼筒體滑環切削試驗過程中，已經嘗試多種不同的硬質合金刀具，效果一般。

(2) 方案二 將壓縮空氣冷卻更換為冷卻效果更好的水或切削液冷卻，對刀具快速降溫比較有利。但在切削加工過程中，溫度非常高的刀具遇到切削液的急速冷卻，會產生淬火效應[6]，使刀具變硬及易碎(特別是帶涂層刀具)，影響刀具壽命。另外，由于機床本身沒有切削液循環回收系統，需額外增加切削液回收系統，實施難度比較大。

(3) 方案三 引入霧化裝置 (微量潤滑)。不銹鋼筒體加工時，切削區域產生了大量的切削熱，壓縮空氣冷卻效果有限，不能實現刀具快速降溫的目的。在壓縮空氣與刀具之間接入霧化裝置，通過壓縮空氣將冷卻效果好的液體 (如水基切削液等) 霧化，附著于工件表面。刀具切削時，水基切削液揮發帶走大量的切削熱[7]，實現對刀具的充分冷卻。

綜合以上方案對比分析，最終選擇方案一和方案三組合，選擇耐熱性好的刀具，同時接入霧化裝置，改善加工過程中的刀具冷卻效果，減少刀具磨損，提高刀具耐用度。

4 實施過程

臥車用霧化加工設備主要由設備本體 (油箱、減壓閥、工作泵、油霧輸出管道、開關電磁閥、頻率發生器等)、油氣輸送管路及可分離冷熱空氣的霧化噴頭等組成。首先將霧化加工設備本體通過軟管與可分離冷熱空氣的噴頭進行連接，噴頭通過磁鐵吸附到臥車刀架上方。然后將專用切削液加入到設備儲液箱內，設備連接壓縮空氣作為動力來源。接通壓縮空氣，霧化設備將切削液霧化后輸送到噴頭內，在噴頭內將冷熱空氣進行分離。分離后的冷空氣與霧化切削液二者混合后噴到切削區域，對刀具進行充分冷卻和潤滑 (見圖5)，從而減少刀具磨損，提高刀具使用壽命。加工不銹鋼筒體滑環過程中使用的切削液非常少，且切削液隨加工過程自然揮發，不需要回收。

圖5 霧化裝置應用于加工不銹鋼筒體Fig.5 Application of atomization device in machining stainless steel shell

5 改進后效果分析

接入霧化裝置后切削加工參數如表2 所列。在外圓線速度、吃刀量、進給量不變的情況下，同一種刀片加工的筒體滑環外圓長度均有所增加。采用AC150P 和 TP3501 刀片，盡管不能在一次裝夾下完成筒體滑環外圓全長 540 mm 的加工，但相比沒有采用霧化裝置時，刀片加工筒體滑環外圓長度分別增加150.0%、187.5%。采用 2220 刀片，能夠在一次裝夾下完成筒體滑環外圓全長 540 mm 的加工，相比沒有采用霧化裝置時，加工筒體滑環外圓長度至少增加54.3%。在采用霧化裝置后，同種刀片在線速度和吃刀量不變的情況下，將進給量增加 40%，AC150P和 TP3501 刀片加工筒體滑環外圓長度分別增加了80.0%、56.5%。

表2 接入霧化裝置后切削加工參數Tab.2 Cutting parameters after connected with atomization device

精車完成后，拋光參數如表3 所列，利用百葉輪對精車后的筒體滑環外圓進行拋光，能夠滿足圖紙表面粗糙度要求，如圖6 所示。

表3 筒體滑環拋光參數Tab.3 Polishing parameters of shell slip ring

圖6 百葉輪拋磨筒體滑環Fig.6 Shell slip ring polished by impeller

6 結語

在現有條件下 (大型臥車只有空冷系統)，接入霧化裝置，采用風冷+微量切削液同時冷卻的方法，能夠極大地改善不銹鋼筒體滑環加工過程中刀具的冷卻效果，有效減少刀具磨損，能夠在一次裝夾下完成筒體滑環外圓的加工，最終保證筒體滑環加工質量。該方法簡單可靠，便于在其他機床設備中推廣應用。