车削钢管轧辊刀具的改进方法研究

陈李中

（华南理工大学广州学院 机械工程学院，广州510800）

0 引 言

广州钢管厂主要用轧辊压制钢管，而轧辊的加工和翻修加工是使用普通车床，在过去较长的时间内，都是使用一些比较传统的车刀材料及常用车刀几何角度。针对该厂设备情况，结合轧辊材料的特性，对刀具材料进行分析，改变刀具的角度，经过一段时间的实际加工，取得了较理想的效果。

1 零件工艺分析与工艺改进

1.1 零件加工技术指标

1）钢管轧辊的材料为GCr15和Cr12MoV的淬火钢；2）硬度(热处理以后)为58～62 HRC；3）轧辊精加工：两端面采用平面磨、内孔采用内圆磨，外圆直径表面采用车削，圆弧表面采用圆弧车刀车削后打磨光洁，成品后各表面粗糙度要求Ra l.6 μm，如图1。

图1 钢管轧辊

1.2 车削钢管轧辊的刀具耗损问题

这类钢管轧辊淬火钢具有硬度高、脆性高、强度大、导热系数低等特点。如在翻修加工这类轧辊时更加困难，因轧辊在生产压制钢管后，经过高温、挤压、磨损之后的轧辊材料金相组织更加复杂和不稳定。该厂的加工方法主要采用车削和磨削加工，加工平面时采用平面磨，当加工外圆、圆弧或形状复杂的曲面轧辊时就采用车削加工方式。

经过试车分析，发现由于材料硬度高、脆性高、导热系数低等，用合金刀具车削时刀具的切削刃容易磨损。特别是在加工翻修的圆弧轧辊时，圆弧（成型）刀具接触加工圆弧表面时，由于接触面大的缘故，造成加工区域产生高温。而且被加工的二次翻修轧辊表面凹凸不平，刀具会受到间歇性撞击，容易造成崩刃。在翻修钢管圆弧面时要准确及迅速，该厂原来采用较大的横截面（圆弧）尺寸的刀粒，虽然容易车削出过渡较好的圆弧面，但加大刀粒截面面积，会造成刀粒散热困难及受热不均，使刀粒造成损坏性裂纹，无法修复，这样就使刀具使用的寿命短，增大企业成本。

1.3 未改进的车刀分析及加工效果

由于该厂长期以来都没有制定系统的刀具，工人们都是靠经验或前人的经验来制做刀具。原来未改造的车刀有以下几个特点：1） 刀具材料为YW1；2）车刀的几何角度，前角为0°，后角为8°，主偏角为90°，副偏角为8°，刃倾角为-3°，刀尖圆弧R2，如图2所示。

图2 未改进的车刀

加工效果：如车削规格φ230 mm×90 mm、余量为2 mm的钢管轧辊时，釆用以上传统的刀具，转速只能在V=60 r/min以下、进给量f=0.2 mm/r、切削深度ap=0.25 mm，在加工过程中刀具容易磨损，刀尖容易崩刃，特别在加工完工件出刀时，刀尖特别容易崩刃。加工效率也较低，机动时间T机=L·h·π·D/1000·v·f·ap代入数据,计算出的机动时间约为43 min。

2 钢管轧辊切削工艺方案的选用

2.1 刀具材料选择

经过试车发现车削钢管轧辊淬火钢时，刀具材料不仅需要高硬度及良好的耐热性能，还需要具有较高的抗弯强度，这几点性能是加工钢管轧辊淬火钢的最重要指标。目前切削效果较好的硬质合金牌号有YW1、YT15、YS8、金刚石、纯人工合成的立方氮化硼(CBN)等，综合分析如下：1）YW类合金硬度较高，耐磨性出色，但抗弯强度有限，适于较高转速小进给加工，加工钢管轧辊效率较低、损耗快。2）YT15和YT5适用于45钢、普通碳钢的加工，硬度较高，抗弯强度较差，耐磨性较好，主要进行粗加工和半精加工。对于加工淬火钢管轧辊欠佳、容易崩刀。3）YG8主要用于铸铁、有色金属和非金属材料的粗加工、扒皮作业。优点是抗弯强度较高，只能用于低速加工，缺点是耐磨性较差，也不适合钢管轧辊的加工。4）立方氮化硼(CBN)材料的硬度很高，达3200～4000 HV，仅次于金刚石，热传导率好，达1300 W/(m·K)，具有良好的高温化学稳定性，在1200℃下热稳定性很好，优良的化学稳定性和导热性，低的摩擦系数，是切削钢管轧辊淬火钢较好的材料，但价格高。5）硬质合金YS8硬度为92.5 HRA，密度为l3.9 g/cm3，抗弯强度好1.57 GPa，韧性及耐磨性较好，耐冲击振动及抗月牙洼磨损性能良好。YS8属超细晶粒合金，抗热裂纹及抗塑性变形的性能良好，是加工淬硬钢管轧辊及加工较不规则及冲击力较大的翻修钢管轧辊，较理想的刀具材料。

考虑到加工翻修钢管轧辊中会受到撞击和易磨损、崩刃、甚至刀粒产生裂纹无法使用等特点，立方氮化硼机械磨削性、刃口质量和断裂韧性和抗磨损性居中，可焊接性差，在修磨时也较困难，要用金刚石SDC.青铜结合砂轮来刃磨 ，刀片价格大概在250～450元/片之间，而金刚石刀具价格则更加昂贵，加工、焊接都非常困难，使用成本更大。从该工厂设备和成本的实际出发，故不采用立方氮化硼刀具和金刚石刀具。而采用价格便宜的硬质合金YS8作为刀具材料，其刀粒的焊接性及容易刃磨修复的特点，可以及时对刀具进行制作及修磨，一片刀具材料价格2～5元，可使用多次，节约成本。

2.2 切削用量选择

一般钢管轧辊淬火钢的耐热性为200～600℃，而硬质合金的耐热性为800～1000℃。在加工过程中淬火钢在温度400℃左右时硬度开始下降，而硬质合金刀具材料的硬度不变，仍能保持刀具锋利。由于上述原因，切削时切削速度不能太低，让钢管淬火钢轧辊加工区域保持温度600～800 ℃左右，故切削速度选用V=30～75 m/min，而在断续切削时切削速度应降低一些，一般为V=20～50 m/min左右。在实际车削时也可根据车削时的温度来适当调整切削速度，可以通过观察，加工时切出的铁屑呈暗红色，而且切削顺畅，说明切削速度选择合适。在调试切削车时，先选用较低的切削速度和进给量，视刀具耐用度的情况，再决定其合理的切削速度和进给量。由于车削钢管淬火钢的切削力大，故切削速度和进给量，小于车削钢材的用量，一般在f=0.1～0.35 mm。

2.3 车刀几何角度的选择

车削钢管轧辊刀具的几何参数，主要根据轧辊的材料材质、刀具材料的性能和实际切削加工的条件来选择。针对工件材料硬度高，有一定冲击，加工时切削力大和切削热高等特点，以及考虑到该厂机床设备比较陈旧、刚性不够好等情况，车刀几何角度的选择应着重以增强刀具刚性、增强耐冲击性及改善刀具的散热善状况为主要原则。

改进后车刀的几何角度如图3所示。前角为-5°，后角为6°～8°，倒棱后角为1°～2°，主偏角为45°，刀尖角为110°～l20°，刀尖圆弧为R3，刀粒宽度为10～15 mm，长度为20 mm，厚度为2~3 mm。

刀具改进角度说明：前角为-5°，目的是加大楔角，增强刀头的强度及提高耐冲击性能，但不宜过大，否则消耗动力大，即切削力增大并且引起振动。倒棱后角为1°~2°，可抑制切削时的振动。在翻修钢管轧辊车外圆时刀具应选用较小的主偏角45°，比原来的偏刀取小了，改善了散热性能，但也不会由于太小而产生振动。而且在刀具车至工件端面时不致使切削深度实际为0，而造成工件端面崩裂、刀具崩刀。刀尖角取110°~120°，主偏刀增大了，增强了刀尖、刀头强度，而且加大了副偏角，也改善散热性能。

车削凹凸不平的圆弧面和断续车削时，选用较小的刀尖圆弧R3和负的刃倾角，并选用较小的进给量；车削外圆时刀具在切入工件和刀具切出工件时，工件和刀尖容易崩裂，应增加刀具的抗弯强度，把刀具的主偏角修磨一定的角度，使刀具切削刃与被加工的工件形成接近15°～45°的夹角，使入刀和出刀平稳，可防止崩刀。

在车削钢管轧辊圆弧表面时，考虑到车刀的圆弧和工件圆弧面接触，接触面加大，容易产生高温及切削力增大，产生振动容易损坏刀具。通过实际加工比较后，使用硬质合金YS8的圆弧（成型）刀，如图4所示。刀粒的宽度为10~15 mm，长度为20 mm，厚度为2~3 mm为宜。刀具的几何角度选择如下：圆弧刀圆弧为180°，半径R7.5 mm，前角为0°，刃倾角为0°，后角为8°~10°，倒棱角为8°~10°，宽度为1～2 mm。

在实际加工中，加工后的铁屑不易断屑，容易造成被加工表面刮伤和损坏刀具。加工时要采用有节奏的断续车削加工方式，使铁屑易断裂，容易清理，加工区域干净顺畅，没有阻碍，保证刀具的使用寿命。对刀具的各表面要仔细研磨，以提高其耐磨度，另根据加工中刀具的磨损，工作人员要时刻保持刀具的锋利，经常对刀进行修刃，提高刀具的耐用度。

图3 改进后车刀

3 改进后车刀的加工效果

通过改进车刀，生产效率有较明显的提高，刀具磨损崩刃现象减小。以加工φ230 mm×90 mm轧辊、余量为2 mm的钢管轧辊为例：主轴的转速从原来的60 r/min提高至80 r/min，进给量从原来的0．2 mm/r提高至0.35 mm/r，切入深度从原来的0.25 mm提高至0.6 mm，根据T机=L·h·π·D/1000·v·f·ap的公式，计算出的机动时间约为7.7 min，

4 结语

工件的表面质量也有所提高，生产效率提高5~6倍。

通过对淬硬的钢管轧辊车削刀具的分析，并对刀具各方面进行了一定的改进和总结，提高刀具的耐用度，配合适当加工方法。改进后的车刀沿用至今，并在随后的工作中，加工的产品质量达到技术要求，刀具的使用寿命也明显提高。