趙 崠 吳慶君

(1.太原重工股份有限公司矯直機(jī)研究所，山西 030024;2.淮南市石油化工機(jī)械設(shè)備有限公司技術(shù)部，安徽 232033)

現(xiàn)代寬厚板熱矯直機(jī)所需矯直鋼板溫度高達(dá)450～900℃，且矯直速度高，承受矯直力大。在高溫、高速、重載的環(huán)境中工作的熱矯直輥，要求具有優(yōu)良的綜合力學(xué)性能，特別是其輥面要具有足夠的表面硬度、耐磨性、耐熱性和可修復(fù)性。

表面復(fù)合堆焊熱矯直輥，是在具有優(yōu)良綜合力學(xué)性能的輥芯表面，采用焊接方式堆焊輥身工作層。其輥面硬度高、耐熱、耐磨損，不易發(fā)生掉皮、脫層現(xiàn)象。具有輥耗低、輥身強(qiáng)度高、抗疲勞、抗腐蝕、抗沖擊性能強(qiáng)，制造成本低，可實(shí)現(xiàn)多次修復(fù)再生的特點(diǎn)。

在表面復(fù)合堆焊熱矯直輥的加工制造與修復(fù)再生過(guò)程中，合理的制定輥芯與表面復(fù)合堆焊層的車(chē)削工序和工藝參數(shù)，是提高生產(chǎn)效率和保證產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵。

1 矯直輥的尺寸結(jié)構(gòu)與性能要求

以一臺(tái)4 300 mm 寬厚板軋機(jī)熱矯直輥進(jìn)行說(shuō)明。

1.1 矯直輥結(jié)構(gòu)

表面復(fù)合堆焊矯直輥結(jié)構(gòu)尺寸見(jiàn)圖1，其輥體由輥芯和表面堆焊層組成。

1.2 矯直輥能力參數(shù)

單輥?zhàn)畲蟪C直力:8 270 kN

單輥?zhàn)畲笈ぞ?20 000 N·m

矯直速度:0～30～60 m/min

圖1 表面復(fù)合堆焊矯直輥Figure 1 Straightener roll with surface complex bead welding

因設(shè)備矯直速度快、矯直力大、傳遞扭矩大，故要求矯直輥芯材料綜合力學(xué)性能好，輥面堆焊層硬度高、耐磨損，不易發(fā)生脫層、掉皮現(xiàn)象，制造成本低，可實(shí)現(xiàn)多次修復(fù)再生，加工制造尺寸精密。

1.3 矯直輥芯力學(xué)性能

規(guī)格:?269 mm×4 300 mm，Ra6.3 μm

材料:冷軋工作輥用鋼60CrMoV

調(diào)質(zhì)熱處理力學(xué)性能:

屈服強(qiáng)度Re:≥627 MPa

抗拉強(qiáng)度Rm:≥765 MPa

延伸率A:≥14%

沖擊功Ak:≥38 J

1.4 輥身堆焊層力學(xué)性能

規(guī)格:(?285+0.05×4 300)mm，Ra0.4μm

材料:堆焊層厚度8 mm，堆焊層熔敷材料化學(xué)成分為:C:0.36%～0.45%、Cr:12.00%～14.00%、Ni:2.00%～2.50%、Mo:2.00%～3.00%、W:2.00%～3.00%、Ti:0.85%～1.25%、Si≤1.50%、Mn≤2.00%、P≤0.035%、S≤0.03%。制造工藝上用自動(dòng)埋弧堆焊設(shè)備，采用擺動(dòng)堆焊方式堆焊輥身工作層。配260 焊劑。

堆焊層力學(xué)性能:

硬度75～77HRA

抗拉強(qiáng)度Rm:1.622 GPa～1.825 GPa

2 矯直輥的車(chē)削工序與切削加工性

矯直輥的車(chē)削工序大體可分為經(jīng)調(diào)質(zhì)熱處理后輥芯的粗車(chē)，以及表面堆焊后輥身堆焊層的精車(chē)。

2.1 車(chē)削工序

(1)粗車(chē)經(jīng)調(diào)質(zhì)熱處理后的輥芯:兩端面中心孔定位，車(chē)輥身外圓直徑到?269 mm，光潔度Ra6.3 μm。

(2)堆焊輥身工作層，留出加工余量。

(3)精車(chē)堆焊層:兩端面中心孔定位，車(chē)輥身堆焊層的余量，直徑?285 mm 留磨量1.8 mm，光潔度Ra6.3 μm。

2.2 輥芯材料與表面復(fù)合堆焊層的切削加工性分析

輥芯材料60CrMoV 中所包含的主加合金元素有鉻、鉬、釩等。它們的主要作用是增加鋼的淬透性，并使調(diào)質(zhì)后的索氏體組織強(qiáng)化。這些合金的含量保證鐵素體得到強(qiáng)化而又不明顯降低其韌性，甚至還能提高其韌性。其余的鉬、釩等合金元素的主要作用是防止第二次回火脆性，細(xì)化奧氏體晶粒，提高回火穩(wěn)定性。經(jīng)過(guò)調(diào)質(zhì)熱處理后，鋼的組織為回火索氏體，有較高的強(qiáng)度、良好的塑性與韌性。由于其強(qiáng)度高，所以切削加工性略差;由于它韌性大，斷屑較困難;而且高溫強(qiáng)度大，切削時(shí)刀具易磨損，刀具使用壽命較低。

表面復(fù)合堆焊層的車(chē)削加工兼有淬火鋼和高溫合金的難度。堆焊層硬度可達(dá)75～77HRA、切削力大，固溶體組織具有晶格滑移系多、塑性變形大的特點(diǎn)。切削加工中塑性變形區(qū)的晶格滑移扭曲加工硬化嚴(yán)重，使切削力顯著增大。堆焊層具有高的熱強(qiáng)性，且形成大量的高硬度碳化物、氧化物和金屬間化合物等硬質(zhì)點(diǎn)，在提高了堆焊層耐磨性的同時(shí)也增加了切削刀具的磨損。硬質(zhì)點(diǎn)的分布不均勻，也使切削過(guò)程中的刀具受到高頻沖擊，切削刃容易產(chǎn)生裂紋和崩刃。堆焊層的合金元素導(dǎo)熱率低，會(huì)使切削區(qū)的溫度升高，且集中在切削刃區(qū)，加速了刀具磨損擴(kuò)散和氧化磨損的程度。

3 切削刀具的選擇

3.1 刀具材料的選擇

通過(guò)以上對(duì)表面復(fù)合堆焊熱矯直輥輥芯與堆焊層材料的不同切削加工性能分析，并結(jié)合生產(chǎn)實(shí)踐，車(chē)削刀具的材料選用鎢鈦鈷類(lèi)硬質(zhì)合金;該類(lèi)硬質(zhì)合金代號(hào)為YT，含有5%～30%的TiC。因TiC 的含量增多時(shí)，硬度、耐磨性和耐熱性增高，抗彎強(qiáng)度和沖擊韌度降低。粗加工時(shí)，宜選TiC 含量較少的牌號(hào);精加工時(shí)，宜選TiC 含量較多的牌號(hào)。但隨著TiC 含量的增多，其導(dǎo)熱性變差，焊接和刃磨時(shí)容易產(chǎn)生裂紋，使用時(shí)要特別注意。

粗加工時(shí)刀具材料可選用YT5，精加工時(shí)刀具材料可選用YT758 硬質(zhì)合金刀具。

兩種刀具材料的性能和適用范圍見(jiàn)表1。

3.2 刀具幾何參數(shù)的選擇

由于矯直輥芯的強(qiáng)度較高，為了提高車(chē)刀的刀尖強(qiáng)度和增大刀頭散熱體積，應(yīng)取較小的前角，但同時(shí)由于韌性高，也可在以上基礎(chǔ)上適當(dāng)調(diào)整加大前角，減小切屑變形，并磨出段屑槽。需采用較小數(shù)值的正的或負(fù)的刃傾角和較小的主偏角;為了減小后面的摩擦，后角可適當(dāng)?shù)募哟蟆?/p>

堆焊層材料車(chē)削最突出的矛盾是刀具易崩刃。刀具幾何角度一方面取較小的主偏角和副偏角，加大刀尖角;增加刀尖強(qiáng)度和改善散熱條件。當(dāng)主偏角的減小受到限制時(shí)，應(yīng)取較大的刀尖圓弧半徑，另一方面宜取較小的前角或負(fù)前角、較小的后角，以加大楔角，并磨出負(fù)倒棱，增加切削刃強(qiáng)度。

表1 兩種刀具材料的性能和適用范圍Table 1 Various properties and applicable scopes of two kinds cutters

表2 刀具幾何角度Table 2 Geometric angle of cutter

采用硬質(zhì)合金焊接車(chē)刀加工堆焊矯直輥，推薦的刀具幾何角度見(jiàn)表2。

4 切削用量的選擇

矯直輥粗、精車(chē)工序的切削用量選擇具有不同的原則。

粗加工的切削用量，一般以提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本為主。其選擇原則是:首先根據(jù)機(jī)床和刀具剛度或工序余量選取一個(gè)盡量大的背吃刀量αp，其次選一個(gè)較大的進(jìn)給量f，最后在刀具合理壽命和機(jī)床功率允許的條件下選擇一個(gè)合理的切削速度VC。

精加工的切削用量，應(yīng)以保證加工質(zhì)量為主，兼顧生產(chǎn)率與生產(chǎn)成本。其合理選擇原則是:按工序余量選擇合適的背吃刀量αp，按表面質(zhì)量要求選擇合理的進(jìn)給量f，然后在保證刀具合理壽命和已加工表面質(zhì)量的前提下選擇盡量大的切削速度VC。

4.1 經(jīng)調(diào)質(zhì)熱處理后輥芯的粗車(chē)切削用量計(jì)算

加工材料:冷軋工作輥用鋼Rm≥0.765 GPa;

外徑d:269 mm;

背吃刀量αp:7 mm;

進(jìn)給量f:考慮刀桿尺寸、工件直徑及已選αp值，查表得f=(0.5～0.7)mm/r，取0.6 mm/r。

切削速度VC:

式中 T——刀具的合理壽命;

計(jì)算粗車(chē)切削速度時(shí)，公式(1)中的系數(shù)及指數(shù)見(jiàn)表3。粗車(chē)時(shí)，硬質(zhì)合金焊接車(chē)刀T=(30～60)min，取50 min;=0.637/Rm=0.833;

表3 粗車(chē)削速度計(jì)算公式中的系數(shù)及指數(shù)表Table 3 Coefficient and index of rough turning speed calculation formula

由公式(1)可算得粗車(chē)切削速度Vc=0.92 m/s，即55.2 m/min。

可得n=1.09 r/s，即65.4 r/min。選定n=65 r/min。實(shí)際切削速度VCS:

則粗車(chē)時(shí)Vcs=0.92 m/s，即55.2 m/min。

式中，Kc是切削層單位面積切削力;KFC是修正系數(shù)。查表取KC=2 305 N/mm2，KFC=1.37。

則FC=13 262.97 N

式中，PC是切削功率(kW)，PC=FCVCS×10-3=12.2 kW;η 是機(jī)床的傳動(dòng)效率，取0.8。

4.2 表面堆焊后輥身堆焊層的精車(chē)切削用量計(jì)算

加工材料:表面堆焊層Rm=(1.622～1.825)GPa;

外徑d:285 mm;

背吃刀量αp:1 mm;

進(jìn)給量f:為避免刀具在硬化層中切削，進(jìn)給量不宜太小，一般可取f=(0.2～0.6)mm/r，取0.2 mm/r。

用公式(1)計(jì)算精車(chē)切削速度VC。計(jì)算精車(chē)切削速度時(shí)，公式(1)中的系數(shù)及指數(shù)見(jiàn)表4。

表4 精車(chē)削速度計(jì)算公式中的系數(shù)及指數(shù)表Table 4 Coefficient and index of finish turning speed calculation formula

硬質(zhì)合金焊接車(chē)刀T=(30～60)min，取30 min;

則由公式(1)可算得精車(chē)切削速度VC=0.404 m/s，即24.24 m/min。

由公式(2)可確定機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速n=0.45 r/s，即27 r/min，選定n=25 r/min。

此時(shí)，VCS=0.37 m/s，即22.2 m/min。

查表取KC=3 805 N/mm2，KFC=1.63。

由公式(4)可得FC=1 240.43 N。

切削功率PC=FCVCS×10-3=0.46 kW，

取η=0.8。

則由公式(5)可確定精車(chē)時(shí)機(jī)床電機(jī)功率PE

4.3 機(jī)床的選擇

選擇CW61100E 臥式車(chē)床的電機(jī)功率為22 kW，滿足需要。

5 結(jié)論

通過(guò)以上分析并采取相應(yīng)的工藝參數(shù)對(duì)表面復(fù)合堆焊熱矯直輥進(jìn)行加工，滿足了輥?zhàn)拥闹圃炀扰c工藝要求。但在生產(chǎn)實(shí)際應(yīng)用中，還應(yīng)根據(jù)各生產(chǎn)單位自身的工藝水準(zhǔn)、工序編排、設(shè)備的性能特點(diǎn)和工人加工習(xí)慣的不同，不斷的調(diào)整相應(yīng)的技術(shù)參數(shù)，才能達(dá)到經(jīng)濟(jì)實(shí)用的目的。