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        雙刀片切削技術(shù)在軋輥加工中的應(yīng)用研究

        2020-06-25 07:22:48周勇良孫熙釗
        天津冶金 2020年3期
        關(guān)鍵詞:雙刀單刀軋輥

        周勇良,孫熙釗

        (1.中鋼集團(tuán)邢臺(tái)機(jī)械軋輥有限公司,河北054025;2.軋輥復(fù)合材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河北054025)

        0 引言

        中鋼集團(tuán)邢臺(tái)機(jī)械軋輥有限公司(以下簡(jiǎn)稱中鋼邢機(jī))始建于1958年,是國(guó)內(nèi)第一家專業(yè)生產(chǎn)冶金軋輥和冶金成臺(tái)(套)設(shè)備的冶金機(jī)械及備件制造企業(yè),是目前世界上引領(lǐng)行業(yè)發(fā)展、產(chǎn)銷規(guī)模最大、市場(chǎng)占有率最高、研發(fā)實(shí)力最強(qiáng)的冶金軋輥專業(yè)研發(fā)制造企業(yè)。如何提高軋輥加工效率,充分發(fā)揮重型機(jī)床電機(jī)功率利用率,實(shí)現(xiàn)輥加工行業(yè)最大金屬去除率,是中鋼邢機(jī)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(jī)床,電機(jī)功率利用率普遍偏低。為提高加工效率,部分機(jī)床采用雙刀架的加工方式,兩個(gè)刀架同時(shí)加工,加工效率明顯高于單刀架機(jī)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(yuǎn),人員來回操作不便,同時(shí)部分機(jī)床結(jié)構(gòu)受限,無(wú)法同時(shí)布置兩個(gè)刀架。受兩個(gè)刀架工作原理啟發(fā),借鑒雙刀架高效的加工方式,考慮在單刀架機(jī)床上實(shí)現(xiàn)雙刀架的加工效果,通過改進(jìn)刀具和單刀架機(jī)床的刀架結(jié)構(gòu),在單刀架機(jī)床上進(jìn)行了雙刀片刀具的試驗(yàn),以期能夠達(dá)到雙刀架機(jī)床的加工效率,提高機(jī)床電機(jī)功率利用率。

        2 雙刀片切削的技術(shù)方案

        雙刀片或多刃刀具的設(shè)計(jì)思路:(1)相同余量,分擔(dān)切削力和切削熱。(2)一個(gè)刀刃用于主切削,一個(gè)刀刃用于修光。(3)圓刀片多刀刃設(shè)計(jì)可減小主偏角,增加進(jìn)給。(4)根據(jù)余量設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

        基于常用的刀桿結(jié)構(gòu),雙刀片刀具采用錯(cuò)齒設(shè)計(jì)形式[1],刀片采用分層切削的方式,第二個(gè)刀片的切削深度由刀具決定,第一個(gè)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(jié)構(gòu)如圖2所示,刀片緊固結(jié)構(gòu)如圖3所示。

        圖2 雙刀片刀具結(jié)構(gòu)

        圖3 刀片緊固示意圖

        2.2 雙刀片刀具幾何參數(shù)的確定

        根據(jù)軋輥生產(chǎn)加工工況,著重對(duì)雙刀片刀具的幾何參數(shù)進(jìn)行了研究,并借鑒了刀具廠商的經(jīng)驗(yàn),首先考慮了刀片主偏角的影響,然后考慮為了保證刀片強(qiáng)度和可靠性,采用盡可能大的刀尖的角度,同時(shí)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(diǎn)是剛性比較差,切削刃切削深度較小,這種情況會(huì)使切削刃溫度升高過快;大刀尖角強(qiáng)度高,但需要較高的機(jī)床功率并易于產(chǎn)生振動(dòng),當(dāng)軋輥車床功率足夠,在加工70~80肖氏硬度(HSD)的工件時(shí),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(qiáng)度和耐沖擊性。

        2.3 雙刀片刀具材質(zhì)的選擇

        2.3.1 軋輥發(fā)展對(duì)切削刀具的要求

        軋輥?zhàn)鳛檐垯C(jī)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(shù)的進(jìn)步,為了滿足現(xiàn)代軋制的需要,軋輥的材質(zhì)朝著刀具材料快速發(fā)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(dá)到75-90HSD,其耐磨性、疲勞強(qiáng)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(tǒng)的硬質(zhì)合金刀具不能勝任,陶瓷刀具有很好的硬度和耐磨性,但對(duì)沖擊和震動(dòng)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(shí)容易崩刀,切削困難。雙刀片切削更是對(duì)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(zhì)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(tǒng)的硬質(zhì)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(jīng)高溫、高壓合成為立方氮化硼微粉和單晶,簡(jiǎn)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(jié)構(gòu)類型如下圖4所示。

        圖4 CBN刀片結(jié)構(gòu)類型

        2.4 刀具切削參數(shù)的確定

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

        表1 加工參數(shù)指導(dǎo)范圍

        3 雙刀片切削的優(yōu)點(diǎn)

        (1)兩個(gè)刀片同時(shí)切削,相比單刀片刀具,刀片的負(fù)荷沒有增加,而切削深度提高一倍,加工效率大幅提升。同時(shí)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(zhì)量事故增加的問題。

        (2)去除量分配到兩個(gè)刀片上,兩個(gè)刀片之間的落差可根據(jù)加工余量、加工要求進(jìn)行調(diào)整,或設(shè)計(jì)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(zhì)量影響,容易出現(xiàn)扎刀問題,可以加大兩刀片之間落差,確保第一個(gè)刀片損壞導(dǎo)致的扎刀缺陷在第二個(gè)刀片可以去除。精加工余量較小,需要較高的加工外觀質(zhì)量,可以降低兩刀片之間落差,達(dá)到精車修光的效果。

        (3)相比雙刀架機(jī)床需要來回操作兩個(gè)刀架,雙刀片刀具只需對(duì)刀操作一次,便于同時(shí)觀察兩個(gè)刀片的切削情況。有效解決雙刀架干涉,難以達(dá)到100%同時(shí)開動(dòng)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(shù)量,便于倉(cāng)庫(kù)管理和現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)。刀具可以采用原有的單刀具刀片,也可根據(jù)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(duì)單刀片和雙刀片刀具加工參數(shù)和金屬去除率進(jìn)行了統(tǒng)計(jì),單雙刀片加工參數(shù)對(duì)比見表2。

        表2 單雙刀片加工參數(shù)對(duì)比表

        由表2可以看出,機(jī)床電機(jī)功率利用率由40%提高至65%,明顯提高,同時(shí)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(yīng)用雙刀片切削技術(shù)的注意事項(xiàng)

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

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

        圖5 實(shí)際使用的雙刀片刀具

        5 結(jié)語(yǔ)

        軋輥加工車床多為重型機(jī)床,工件轉(zhuǎn)動(dòng)為機(jī)床主運(yùn)動(dòng),為滿足各類產(chǎn)品加工要求,電機(jī)額定功率普遍偏大,正常運(yùn)行過程中機(jī)床功率利用率僅為10~30%。雙刀片刀桿通過雙刀片同時(shí)切削,同等情況下,明顯的提高了切削深度,有效提高了機(jī)床功率利用率,加工效率提高70~90%。在機(jī)床功率允許的情況下,還可以設(shè)計(jì)成三個(gè)刀片或應(yīng)用于雙刀架機(jī)床,實(shí)現(xiàn)四個(gè)刀片或六個(gè)刀片同時(shí)切削,將雙刀架機(jī)床的加工效率再提升一個(gè)臺(tái)階,加工余量較大的粗加工,效果更明顯。

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