雙刀片切削技術在軋輥加工中的應用研究

周勇良，孫熙釗

（1.中鋼集團邢臺機械軋輥有限公司，河北054025；2.軋輥復合材料國家重點實驗室，河北054025）

0 引言

中鋼集團邢臺機械軋輥有限公司（以下簡稱中鋼邢機）始建于1958年，是國內第一家專業生產冶金軋輥和冶金成臺（套）設備的冶金機械及備件制造企業，是目前世界上引領行業發展、產銷規模最大、市場占有率最高、研發實力最強的冶金軋輥專業研發制造企業。如何提高軋輥加工效率，充分發揮重型機床電機功率利用率，實現輥加工行業最大金屬去除率，是中鋼邢機多年來一直努力的方向。

軋輥屬于典型的軸類零件加工，加工余量較大，主要加工方式為車削加工，軋輥的粗車加工尤為明顯。車削是軋輥加工中重要的工序，所用車床多為重型機床，電機功率利用率普遍偏低。為提高加工效率，部分機床采用雙刀架的加工方式，兩個刀架同時加工，加工效率明顯高于單刀架機床，加工效率可提高80%。但雙刀架的加工方式也存在著局限性，雙刀架間隔較遠，人員來回操作不便，同時部分機床結構受限，無法同時布置兩個刀架。受兩個刀架工作原理啟發，借鑒雙刀架高效的加工方式，考慮在單刀架機床上實現雙刀架的加工效果，通過改進刀具和單刀架機床的刀架結構，在單刀架機床上進行了雙刀片刀具的試驗，以期能夠達到雙刀架機床的加工效率，提高機床電機功率利用率。

2 雙刀片切削的技術方案

雙刀片或多刃刀具的設計思路：（1）相同余量，分擔切削力和切削熱。（2）一個刀刃用于主切削，一個刀刃用于修光。（3）圓刀片多刀刃設計可減小主偏角，增加進給。（4）根據余量設計刀片的組合。圖1，刀具切削示意圖。

圖1 刀具切削示意圖

2.1 雙刀片刀具的結構設計

基于常用的刀桿結構，雙刀片刀具采用錯齒設計形式[1]，刀片采用分層切削的方式，第二個刀片的切削深度由刀具決定，第一個刀片的切削深度由操作者靈活把握，刀片緊固采用上壓桿壓緊的方式，安全可靠。雙刀片刀具結構如圖2所示，刀片緊固結構如圖3所示。

圖2 雙刀片刀具結構

圖3 刀片緊固示意圖

2.2 雙刀片刀具幾何參數的確定

根據軋輥生產加工工況，著重對雙刀片刀具的幾何參數進行了研究，并借鑒了刀具廠商的經驗，首先考慮了刀片主偏角的影響，然后考慮為了保證刀片強度和可靠性，采用盡可能大的刀尖的角度，同時也必須注意刀尖的角度與所采用的切削變化率要保持均衡。小刀尖角度的特點是剛性比較差，切削刃切削深度較小，這種情況會使切削刃溫度升高過快；大刀尖角強度高，但需要較高的機床功率并易于產生振動，當軋輥車床功率足夠，在加工70～80肖氏硬度（HSD）的工件時，刀尖非常容易磨損，因此通常采用圓形刀片，以獲得最大的強度和耐沖擊性。

2.3 雙刀片刀具材質的選擇

2.3.1 軋輥發展對切削刀具的要求

軋輥作為軋機上主要工作部件和工具，直接參與鋼材的軋制。隨著軋鋼技術的進步，為了滿足現代軋制的需要，軋輥的材質朝著刀具材料快速發展，如新型的高鉻鐵、高鎳鉻合金、模具鋼、高速鋼、碳化鎢等，硬度達到75-90HSD，其耐磨性、疲勞強度、抗熱裂性等不斷提高，給加工帶來難度。由于軋輥硬度高，傳統的硬質合金刀具不能勝任，陶瓷刀具有很好的硬度和耐磨性，但對沖擊和震動載荷比較敏感，軋輥毛坯一般伴隨著氣孔、包砂等鑄造缺陷，使用陶瓷刀具時容易崩刀，切削困難。雙刀片切削更是對刀具壽命及切削性能提出了更高的要求。

2.3.2 切削刀片材質CBN

立方氮化硼（CBN）整體聚晶刀片具良好的切削性能、抗斷裂性和耐磨性，很好的解決了傳統的硬質合金刀具不能勝任高硬度軋輥這一難題，也為雙刀片切削提供了保障[2]。

立方氮化硼是由六方氮化硼（HBN）加觸媒，經高溫、高壓合成為立方氮化硼微粉和單晶，簡稱CBN，是目前利用人工合成的硬度僅次于金剛石的刀具材料，也是目前高效率、高速度、高精度切削鐵系金屬新一代的刀具材料之一[3]。CBN刀片結構類型如下圖4所示。

圖4 CBN刀片結構類型

2.4 刀具切削參數的確定

確定科學合理的刀具切削參數，保證生產效率的提高，選擇使用立方氮化硼的材質刀片之后，我們根據CBN刀片的性能及使用范圍，按被加工材料的特性進行分類，明確了加工參數指導范圍，見下表1。

表1 加工參數指導范圍

3 雙刀片切削的優點

（1）兩個刀片同時切削，相比單刀片刀具，刀片的負荷沒有增加，而切削深度提高一倍，加工效率大幅提升。同時刀片壽命不受影響，避免了單純提高切削深度提效，刀片壽命縮短，成本增加，扎刀質量事故增加的問題。

（2）去除量分配到兩個刀片上，兩個刀片之間的落差可根據加工余量、加工要求進行調整，或設計成多種雙刀片刀具。粗加工余量較大，加工第一刀受工件外觀質量影響，容易出現扎刀問題，可以加大兩刀片之間落差，確保第一個刀片損壞導致的扎刀缺陷在第二個刀片可以去除。精加工余量較小，需要較高的加工外觀質量，可以降低兩刀片之間落差，達到精車修光的效果。

（3）相比雙刀架機床需要來回操作兩個刀架，雙刀片刀具只需對刀操作一次，便于同時觀察兩個刀片的切削情況。有效解決雙刀架干涉，難以達到100%同時開動的問題。

（4）雙刀片刀具所用刀墊、壓刀螺栓等附件工具完全同于單刀片刀具，不增加工具種類數量，便于倉庫管理和現場維護。刀具可以采用原有的單刀具刀片，也可根據粗加、精加要求，選用不同角度的刀片。

（5）加工效率明顯提升，對單刀片和雙刀片刀具加工參數和金屬去除率進行了統計，單雙刀片加工參數對比見表2。

表2 單雙刀片加工參數對比表

由表2可以看出，機床電機功率利用率由40%提高至65%，明顯提高，同時金屬去除率由0.38 t/h提高至0.71 t/h，金屬去除率提高了87%，加工效率明顯提高。

4 應用雙刀片切削技術的注意事項

雙刀片刀具具備上述優點，但因兩個刀片距離近，切削過程中的后面刀片的鐵屑會飛濺至前面的刀片上，影響前面刀片的切削效果，導致前面刀片的壓刀螺栓異常磨損和變形。需要根據使用工況、鐵屑飛濺情況，合理設計切削角度、斷屑槽結構及兩個刀片的距離，改變鐵屑排屑方向，避免兩個刀片互相影響。壓刀螺栓適宜采用下凹式結構，壓刀螺栓凸出更容易導致鐵屑燙傷。

雙刀片刀具的兩個刀片同時切削，切削阻力明顯增加，刀桿的尺寸寬度和長度不易太短，一方面提高刀桿的強度，同時便于多個螺栓壓緊刀桿。建議刀桿寬度≥60 mm，長度≥120 mm，不少于三個螺栓壓緊，增加其緊固措施效果更佳,見圖5。

圖5 實際使用的雙刀片刀具

5 結語

軋輥加工車床多為重型機床，工件轉動為機床主運動，為滿足各類產品加工要求，電機額定功率普遍偏大，正常運行過程中機床功率利用率僅為10～30%。雙刀片刀桿通過雙刀片同時切削，同等情況下，明顯的提高了切削深度，有效提高了機床功率利用率，加工效率提高70～90%。在機床功率允許的情況下，還可以設計成三個刀片或應用于雙刀架機床，實現四個刀片或六個刀片同時切削，將雙刀架機床的加工效率再提升一個臺階，加工余量較大的粗加工，效果更明顯。