孫韶鋒，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

高鉻鑄鋼是在綜合分析高鉻復合鑄鐵軋輥技術特性和使用性能的基礎上研究開發(fā)的，含鉻量為8～15%，含碳量為0.8～1.8%，以及含有鉬、鎳和適量釩等合金元素的鑄鋼軋輥新材質，這種軋輥材料具有優(yōu)良的抗熱裂紋性能和較高的耐磨損性能。但高鉻鑄鋼材質硬度高、強度高，導熱系性差，導致軋輥的切削加工比較困難。一般軋輥切削加工刀具選擇較多的是過氮化硅、氧化鋁陶瓷和超硬硬質合金刀具，但這些刀具在切削高鉻鑄鋼軋輥時磨損、破損、崩刃十分嚴重，加工效率較低，因此需要選取新材料刀具提高高鉻鑄鋼軋輥的加工效率，降低加工成本。

PCBN刀具材質因其化學穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性、導熱性良好，摩擦系數(shù)低，比陶瓷刀片和硬質合金刀片具有更高硬度、耐磨性，比陶瓷刀片有更好的抗沖擊強度和抗破碎能力，配合合理的刀具形狀、刀刃幾何尺寸和切削參數(shù)，很好的解決了高鉻鋼軋輥的加工難題[1]。

1 高鉻鋼切削性能

高鉻鑄鋼軋輥的化學成分中，C含量控制范圍為0.5～1.5%、Cr含量為8～15%，軋輥的工作層具有比高鉻鑄鐵材質更加致密的機體組織，耐磨性更好。

高鉻鋼軋輥輥身硬度通?？刂圃贖SD73左右，盡管硬度比高鎳鉻、高鉻鐵等軋輥低，但其強度δb可達到700～1 000 MPa，在軋輥切削時，會產生更大的切削力，外加較低的導熱系數(shù)，使產生的切削熱量大部分集中在刀刃附近，導致刀具磨損加劇。隨著Cr含量的提高，高鉻鋼材質抗塑性變形的能力變差，單位的切削力變大，達到一般中碳鋼的2～3倍。熱處理后高鉻鋼軋輥因其晶粒更細化致密，材料的韌性更好，切削時刀具刃口承載的切削力更大，因此高鉻鋼軋輥加工其難點在于輥身的切削。下面就高鉻鋼軋輥加工其難點進行討論分析。

（1）高鉻鋼軋輥加工時，切削區(qū)域溫度高，刀具耐磨性變差，是導致軋輥加工困難和效率低下的因素。

（2）因軋輥工件的特性，決定了其加工路程長，對刀具需要長的使用壽命。

（3）軋輥產品的價值較高，因此軋輥切削的安全性、穩(wěn)定性是確定切削參數(shù)時要考慮的重要因素。

（4）鑄造的高鉻鋼軋輥外皮余量不均、毛坯余量大，一般在15毫米左右，需要切除大量的材料。

2 刀具選擇與高鉻鋼軋輥的切削

鑄造高鉻鋼軋輥的加工一直是切削工作者非常關注的問題，人們曾采用過氮化硅、氧化鋁陶瓷刀具和超硬硬質合金刀具加工高鉻鋼軋輥，雖然也能加工，但刀具的磨損、破損、蹦刃十分嚴重，切削效率極低。

隨著刀具材料的發(fā)展，選擇PCBN刀具加工鑄造高鉻鋼軋輥已成為現(xiàn)實。PCBN刀片比陶瓷和硬質合金刀片具有更高硬度、耐磨性，比陶瓷刀片具有更好抗沖擊強度和抗破碎能力。

2.1 PCBN刀具的切削性能

PCBN刀具材料具有如下切削特性：

（1）具有硬度高和優(yōu)異的耐磨性。

（2）具有良好的熱穩(wěn)定性，可以滿足高速、高溫下的切削條件。

（3）化學穩(wěn)定性好，具有很強的抗氧化能力，1 000℃不會產生氧化現(xiàn)象，1 100℃也不和鐵系金屬發(fā)生化學反應，可以通過高溫切削，提高加工效率。

（4）具有良好的導熱性，可使刀尖處熱量很快傳出，有利于工件加工精度的提高。

（5）具有較低的摩擦系數(shù)，使刀刃具有優(yōu)良的抗粘結能力，有利于加工表面質量的提高。

2.2 刀片材料與結構的選擇

當前，PCBN刀具材料主要結構類型有：整體燒結PCBN聚晶片、復合片PCBN結構。

選擇PCBN刀片加工鑄造高鉻鋼軋輥，刀片應選擇大顆粒CBN微粉，采用金屬結合劑。實踐證明立方氮化硼燒結體FBN3500是加工鑄造高鉻鋼軋輥的最佳刀片材料。

2.3 刀具形狀的選擇

刀具形狀對切削加工的影響大，合理的刀具形狀有利于提高切削加工的速度和質量。刀具形狀主要包含刀具的幾何形狀、夾緊形式、刀片厚度、刃口等。

2.3.1 PCBN刀片形狀的選擇

（1）根據(jù)鑄造高鉻鋼軋輥的加工特性，為了提高刀片的自身的強度，一般選用PCBN無孔刀片，夾緊形式采用上壓式。PCBN刀片形狀和夾緊形式如圖1所示。

圖1 PCBN刀片形狀和夾緊形式

（2）PCBN刀片的厚度與切削深度有關，根據(jù)切削實踐，PCBN刀片的切削深度小于CB層厚，這與刀片的抗沖擊和抗振動的能力有關，一般選擇刀片盡可能厚一些。

（3）刀片形狀一般選擇圓形或方形。當工件和機床夾持剛性較高時，可采用圓刀片，也可采用方刀片配合較小的主偏角，可提高切削效率；當工件和機床夾持剛性較差時，可選用方刀片，采用較小的主偏角。

2.3.2 圓刀片與直刃刀片主偏角的比較

圓刀片隨切削深度增減在變化，直刃刀片則不會變化。圓刀片無刀尖，直刃刀片刀尖是薄弱點，在加工高鉻鋼軋輥時，主偏角效應非常明顯。由圖2可以看出，圓刀片隨切深減小、切屑變薄，刀刃切削抗力減小，粗糙度減小。

圖2

根據(jù)園刀片切深與主偏角的關系，為了減小切削刃承載的切削力，可以將刀具設計為多刀片組合形式（如圖3所示）。這種多刀刃刀具可以在同樣切削深度的條件下，把切削力分散到多個刀刃，達到提高加工效率、減少刀刃崩刃的效果。

圖3

2.4 切削參數(shù)的選擇

PCBN刀片加工高鉻鋼軋輥時，不能按照合金刀具的思維方式，低轉速大進給。整體PCBN刀具的應用，可采取通過控制切削速度和進給速度，控制刀具的切削溫度，這是PCBN刀具應用的一個重要方式[2]。如控制溫度在900～1 100℃左右，可有效提高PCBN刀具的抗沖擊性能。刀片切削參數(shù)的選擇如表1所示。切削參數(shù)的選取原則如下所述：

表1 RNMN20100刀片切削參數(shù)的選擇

（1）切削溫度低時每轉進給要適當減小，低溫下PCBN刀具的強韌性與高溫下的強韌性比會有所降低。

（2）連續(xù)切削時，每轉進給量要適當減小，以保持刀具可承受的切削力。

（3）在條件允許的情況下，可充分發(fā)揮PCBN刀片的性能。提高切削速度，可發(fā)揮刀片的耐熱性能，加快生產節(jié)；提高切削溫度，可提高刃口抗崩刃效果，尤其是在粗加工時。

2.5 倒棱寬度和角度的選擇

高鉻鋼軋輥加工時，常見刀片失效的形式為崩刃，因此，刃口倒棱的寬度和角度就尤為重要。倒棱角度越大，切削刃抗沖擊性能越好，但切削抗力會隨之增大，對系統(tǒng)剛性和機床功率要求更高。

高鉻鋼軋輥切削實踐證明，選擇倒棱寬度0.5 mm、倒棱角度20°刃口鈍化為宜。如果軋輥毛坯狀態(tài)不好，也可選擇倒棱寬度1 mm、倒棱角度25°加強刃口鈍化（如圖4所示），以獲得更好的抗沖擊性能和更長的壽命。

圖4

3 PCBN刀具的失效的討論

在加工高鉻鋼軋輥的生產實踐中，也常常會發(fā)生刀具的提前失效，主要表現(xiàn)為刀片的磨損、崩刃。

3.1 前刀面磨損

前刀面磨損（如圖5所示），其主要原因是切屑比脆性材料要長一些（如圖6所示）。高鉻鋼軋輥加工中，在切削力、切削高溫、切屑變形作用下，F(xiàn)BN3500刀面磨損的主要特征是緩慢磨損，一般刀片壽命可達120 min。如果切削速度選擇過高，刀片也可能發(fā)生急劇磨損，急劇磨損多在高速切削過程發(fā)生。當切削溫度過高，切削區(qū)域的切削溫度超過1 300℃時，PCBN刀片也會發(fā)生“可逆轉化”，刀片急劇磨損。

圖5

圖6

3.2 刀片崩刃

一般講，刀具的崩刃，是刀刃不能承受現(xiàn)有的切削力、切削振動、切削沖擊等加工條件產生的，可以從切削平面觀察到，并能聽出到不正常的切削和振動聲音。刀具的崩刃形貌如圖7所示。

圖7

刀具崩刃的主要原因是：軋輥輥身表面余量不均勻、進給量大；園刀片處在切削極限深度，切削力最大；切削振動；機床、工件剛性弱引起的震動。

減少崩刃的主要措施是：改善刀刃承受的切削力和切削振動；加強刃口強度；增大切削刃的寬度和角度。

在現(xiàn)實加工高鉻鋼軋輥過程中，由于毛坯、機床與工件的不確定性因素，PCBN刀片的崩刃屬正常范疇。

4 結語

將PCBN-FBN3500刀具用于鑄造高鉻鋼軋輥的切削加工，通過合理選擇PCBN刀具的形狀、刀刃倒棱寬度和角度以及切削參數(shù)，提高了高鉻鋼軋輥的加工效率，取得了許多有益的經(jīng)驗。

（1）圓刀片進給量的選擇與切削深度有關。

（2）切削速度選擇與切削溫度有關，高溫下PCBN刀片強韌性更好。

（3）切削振動對刀片崩刃至關重要。粗加工的高轉速，工件會因為結構不均勻、熱處理后的變形等原因產生振動，造成加工誤差和縮短刀具壽命。

（4）最大限度發(fā)揮PCBN刀具在加工中的作用，須用系統(tǒng)工程的觀念和系統(tǒng)切削的方法選擇刀具的切削參數(shù)。