高速鋼軋輥的加工及運用

王少良，黃佳磊

（中鋼集團邢臺機械軋輥有限公司，河北邢臺 054000）

0 引言

某鋼鐵廠主要生產礦用錨桿鋼筋以及Φ12～50 mm 螺紋鋼，同時兼顧高鐵用精軋螺紋以及核電用鋼筋等功能性鋼筋，軋機布置采用的工藝形式為6-4-7、1-10 架平立交替，進行全連續無張力軋制[1]。軋輥的材料，主要為高鎳鉻無限冷硬復合鑄鐵以及球墨無限冷硬鑄鐵。該鋼鐵廠生產機組全部采用高速鋼材料軋輥，大大提高了軋機作業率、鋼材表面質量以及負差控制率。不過由于其本身具有較高的硬度，難以對其進行切削加工，從而導致高速鋼軋輥的應用發展受到了一定的限制[2]。因此需要對高速鋼軋輥的生產運用進行探討，從而提高生產效率。

1 高速鋼軋輥

高速鋼軋輥是高碳高速鋼復合軋輥的簡稱。作為一種熱軋輥材料，近年來高速鋼軋輥發展異常迅速。合金鋼是高速鋼軋輥的制作成分，其經過熱處理工藝的淬火之后，即便是在空氣中冷卻，也能夠進行硬化[3]。高碳鋼為高速鋼軋輥的工作層材料，以球墨鑄鐵、鍛鋼或石墨等作為軋輥的芯部材料，通過采用CPC（Continuous Pouring Process for Cladding，連續復合）工藝或離心鑄造將兩種不同的材料進行復合，一般以貝氏體、碳化物、回火馬氏體作為其基體組織，其中碳化物在機體中以高度彌散形式分布，這使其強韌性、耐磨性極高，因此大大增加了車削加工的難度[4]。

高速鋼軋輥具有淬透性好、熱穩定性好等特點，且其碳化物硬度高，能夠較為容易地形成氧化膜，這就使其抗熱裂性能以及耐磨性較高。另外，高速鋼軋輥對于冷卻水的要求遠比硬質合金的要求低，而它的單槽軋制量是鑄鐵軋輥的4～5 倍，這使得其對于軋材的負公差控制更為有利，能夠提高軋材表面質量。高速鋼軋輥主要應用于線棒材成品和切分軋制預切等為主的新型材料軋輥的研發，可以達到78～90 HSD，其耐磨性極高，而且抗熱疲勞性能以及抗沖擊性能均十分良好[5]。高速鋼軋輥逐漸在線棒材軋鋼廠得到普及，相關研發制造廠商大幅增多，但是各個廠家對于高速鋼軋輥的鑄造過程中所添加的合金元素不盡相同，這就使得高速鋼軋輥在加工、使用以及切削難度等方面存在一定的差異[6]。

2 刀具材料的選擇

作為與軋輥進行直接的接觸切削，刀具的切削部分會承受著巨大的沖擊力和切削壓力，而且會在高壓、高溫下與軋輥之間發生劇烈摩擦，工況十分惡劣。因此，高速鋼軋輥的加工工具常選用立方氮化硼（Cubic Boron Nitride，CBN）、金剛石等超硬材料，這樣其切削速度將比普通的硬質合金刀具快十幾倍，并且切削后其表面粗糙度較低。與金剛石相比，立方氮化硼的熱穩定性和化學惰性更優良，其禁帶寬度、透紅外形等性能也更為優異。

（1）硬度高。立方氮化硼的耐磨性和硬度僅次于金剛石，是目前企業加工高速鋼軋輥的首選刀具材料。目前，立方氮化硼刀具的合成類型主要有復合片以及聚晶片兩種。其中，復合片為立方氮化硼與結合劑復合于硬質合金片之上，而聚晶片則為立方氮化硼與結合劑進行合成。目前高速鋼軋輥的加工，通常刀具材料為超細晶粒立方氮化硼和金屬陶瓷結合劑。

（2）良好的韌性和強度。刀具的切削部分，由于在切削過程中會受到巨大的沖擊力和切削力，因此需要具有良好的韌性和強度。聚晶金剛石分為天然和人造兩大類，工業生產中刀具材料一般選擇人造金剛石。不過人造金剛石的抗沖擊力較差，且脆性也較大，這就對機床的平穩性和精度提出了較高的要求。另外，金剛石刀具的耐熱性較差，與鐵元素的親和力較強，所以一般可用于有色金屬及其合金材料的加工，但并不太適合鐵系金屬的加工。立方氮化硼刀具具有較高的熱穩定性與化學穩定性，斷裂韌性、抗彎強度也較高，介于硬質合金和陶瓷刀具之間，較適合鋼鐵材料的加工。

（3）良好的耐熱性與耐磨性。通常情況下刀具材料的硬度越高，其耐磨性越好。耐磨性和耐熱性之間有著緊密的關系，在高溫條件下，材料的硬度越高、耐熱性越好。立方氮化硼刀具在高溫條件下具有較高的硬度、較好的紅硬性、較高的抗塑性變形能力，所以其耐磨性也較高。

（4）導熱性能良好。刀具材料的抗龜裂、耐熱沖擊性與其導熱性有著密切的聯系。立方氮化硼復合刀具的熱穩定性較高，即便處于1000 ℃的環境也具有較高的紅硬性，因此切削熱量不會對其造成太大影響。

3 高速鋼軋輥加工

高速鋼軋輥在切削的過程中會對刀具產生強烈的高頻沖擊，而且溫度對于高速鋼軋輥的影響較小，這就使得刀具的磨損加快，從而增加了高速鋼軋輥的加工難度，降低了切削效率。所以，高速鋼軋輥的加工應當勤換刀具，并采用低切削、高轉速的方法來降低加工難度。

3.1 加工軋輥孔型

孔型加工會存在著較大的粗加工工作量，這就會加快刀具的磨損、縮短刀具的使用壽命，所以孔型加工一般是先在輥身上利用略小于孔型基圓直徑的刀片進行軋槽形狀的切出，然后按照數控加工程度使用立方氮化硼刀具進行循環加工。根據加工孔型的部位，切削用量選用的參數也不相同。

3.2 孔型加工中容易出現的問題及解決方法

3.2.1 孔型對于樣板或尺寸精度不符合

（1）槽型不對稱：如果出現一側的縫隙較大的問題，則需要對刀片進行更換，如果問題仍沒有得到良好的解決，還需要在程序中增加絲杠的補償值。

（2）槽底有縫隙：需要在數控加工程序中減小刀具的補償值，也可以適當的降低孔型精加工的進給量。

（3）軋槽深度不足：首先需要檢查刀具，查看其是否受到了磨損，如果可以排除刀具磨損的因素，則可以降低槽底圓弧加工的進給量或適當增加刀具的補償值。

3.2.2 刀具的損壞

（1）刀具碎斷。刀具碎斷的主要原因是刀具磨損材料疲勞之后沒有對其進行及時更換，或其承受了過大的沖擊載荷，因此需要對刀具進行及時更換，或者適當減少進給量。

（2）刀具崩刃。主要表現為切削刃上產生的小缺口，如果損壞較小、還在允許的磨損限度之內，則可繼續使用，如果效果超差，就需要對刀具進行更換且應適當降低切削用量。

（3）刀具剝落。主要表現為在刀片的前刀面上產生貝殼形狀的剝落。剝落的原因主要是刀具的切削速度和進給量選擇不相符，所以應適當提高切削速度、適當減少進給量。

3.2.3 橫肋銑削加工

對于高速鋼軋輥的加工橫肋，可以對飛刀銑床進行選擇，在飛刀工位銑橫肋，在擺頭工位對商標字符進行加工。裝夾刀桿之后對刀頭位置進行調整，對于中樣板的對正調整應使用專用孔型，使刀頭、孔型、樣板處于同一條直線，確認刀頭對準基園孔型正中，再取下對中樣板、使刀退出。啟動加工程序，通過手動的方式緩慢進刀，直到刀頭與槽底產生接觸并出現銑削痕跡。通過劃痕確認對刀的準確性，如果沒對中則對其進行微調。

4 高速鋼軋輥的加工要求及使用

（1）軋輥的裝夾方式。高速鋼軋輥的裝夾，應用四爪重型卡盤或過渡套筒再加上尾座回轉套筒式大頂尖，采用“兩頂一夾”的裝夾方式。目前，大多數情況下是用大螺栓固定軋輥圓頭端，因此軋輥圓頭的中心孔通常有一個大于M48 mm 的螺絲孔，所以需要定制尾座頂尖傘狀回轉結構來增加夾裝的剛性。為便于裝卸萬向節套筒，傳送端具有較大的加工倒角，使得標準卡爪無法卡到傳動端平面，因此需要使用過渡套筒。需要注意的是，套筒的內孔尺寸要大于輥頭，并且在圓周上要安裝4～6 條螺栓，以便于橢圓度的微調。

（2）對機床的要求。數控軋輥加工對機床有著較高的剛性要求，所以應盡量減小周圍設備對機床的振動影響。

（3）高速高壓輥的使用。需要用干凈、低溫水對其進行冷卻，并確保合適的水壓以及水量，以有效避免因為過熱而產生裂紋、輥身由于熱裂紋的擴展而脫落等情況。

5 結束語

與其他軋輥相比，高速鋼軋輥有較高的硬度、耐磨等性能，且能夠有效控制負差尺寸的精度等，其優越性日益顯著，但是加工刀具的材料影響了高速鋼軋輥的發展。不過隨著立方氮化硼刀具的快速發展，高速鋼軋輥工藝的加工難題得到了一一解決，使得加工效率大幅提升，也促進了軋鋼生產設備的發展。