双刀片切削技术在轧辊加工中的应用研究

周勇良，孙熙钊

（1.中钢集团邢台机械轧辊有限公司，河北054025；2.轧辊复合材料国家重点实验室，河北054025）

0 引言

中钢集团邢台机械轧辊有限公司（以下简称中钢邢机）始建于1958年，是国内第一家专业生产冶金轧辊和冶金成台（套）设备的冶金机械及备件制造企业，是目前世界上引领行业发展、产销规模最大、市场占有率最高、研发实力最强的冶金轧辊专业研发制造企业。如何提高轧辊加工效率，充分发挥重型机床电机功率利用率，实现辊加工行业最大金属去除率，是中钢邢机多年来一直努力的方向。

轧辊属于典型的轴类零件加工，加工余量较大，主要加工方式为车削加工，轧辊的粗车加工尤为明显。车削是轧辊加工中重要的工序，所用车床多为重型机床，电机功率利用率普遍偏低。为提高加工效率，部分机床采用双刀架的加工方式，两个刀架同时加工，加工效率明显高于单刀架机床，加工效率可提高80%。但双刀架的加工方式也存在着局限性，双刀架间隔较远，人员来回操作不便，同时部分机床结构受限，无法同时布置两个刀架。受两个刀架工作原理启发，借鉴双刀架高效的加工方式，考虑在单刀架机床上实现双刀架的加工效果，通过改进刀具和单刀架机床的刀架结构，在单刀架机床上进行了双刀片刀具的试验，以期能够达到双刀架机床的加工效率，提高机床电机功率利用率。

2 双刀片切削的技术方案

双刀片或多刃刀具的设计思路：（1）相同余量，分担切削力和切削热。（2）一个刀刃用于主切削，一个刀刃用于修光。（3）圆刀片多刀刃设计可减小主偏角，增加进给。（4）根据余量设计刀片的组合。图1，刀具切削示意图。

图1 刀具切削示意图

2.1 双刀片刀具的结构设计

基于常用的刀杆结构，双刀片刀具采用错齿设计形式[1]，刀片采用分层切削的方式，第二个刀片的切削深度由刀具决定，第一个刀片的切削深度由操作者灵活把握，刀片紧固采用上压杆压紧的方式，安全可靠。双刀片刀具结构如图2所示，刀片紧固结构如图3所示。

图2 双刀片刀具结构

图3 刀片紧固示意图

2.2 双刀片刀具几何参数的确定

根据轧辊生产加工工况，着重对双刀片刀具的几何参数进行了研究，并借鉴了刀具厂商的经验，首先考虑了刀片主偏角的影响，然后考虑为了保证刀片强度和可靠性，采用尽可能大的刀尖的角度，同时也必须注意刀尖的角度与所采用的切削变化率要保持均衡。小刀尖角度的特点是刚性比较差，切削刃切削深度较小，这种情况会使切削刃温度升高过快；大刀尖角强度高，但需要较高的机床功率并易于产生振动，当轧辊车床功率足够，在加工70～80肖氏硬度（HSD）的工件时，刀尖非常容易磨损，因此通常采用圆形刀片，以获得最大的强度和耐冲击性。

2.3 双刀片刀具材质的选择

2.3.1 轧辊发展对切削刀具的要求

轧辊作为轧机上主要工作部件和工具，直接参与钢材的轧制。随着轧钢技术的进步，为了满足现代轧制的需要，轧辊的材质朝着刀具材料快速发展，如新型的高铬铁、高镍铬合金、模具钢、高速钢、碳化钨等，硬度达到75-90HSD，其耐磨性、疲劳强度、抗热裂性等不断提高，给加工带来难度。由于轧辊硬度高，传统的硬质合金刀具不能胜任，陶瓷刀具有很好的硬度和耐磨性，但对冲击和震动载荷比较敏感，轧辊毛坯一般伴随着气孔、包砂等铸造缺陷，使用陶瓷刀具时容易崩刀，切削困难。双刀片切削更是对刀具寿命及切削性能提出了更高的要求。

2.3.2 切削刀片材质CBN

立方氮化硼（CBN）整体聚晶刀片具良好的切削性能、抗断裂性和耐磨性，很好的解决了传统的硬质合金刀具不能胜任高硬度轧辊这一难题，也为双刀片切削提供了保障[2]。

立方氮化硼是由六方氮化硼（HBN）加触媒，经高温、高压合成为立方氮化硼微粉和单晶，简称CBN，是目前利用人工合成的硬度仅次于金刚石的刀具材料，也是目前高效率、高速度、高精度切削铁系金属新一代的刀具材料之一[3]。CBN刀片结构类型如下图4所示。

图4 CBN刀片结构类型

2.4 刀具切削参数的确定

确定科学合理的刀具切削参数，保证生产效率的提高，选择使用立方氮化硼的材质刀片之后，我们根据CBN刀片的性能及使用范围，按被加工材料的特性进行分类，明确了加工参数指导范围，见下表1。

表1 加工参数指导范围

3 双刀片切削的优点

（1）两个刀片同时切削，相比单刀片刀具，刀片的负荷没有增加，而切削深度提高一倍，加工效率大幅提升。同时刀片寿命不受影响，避免了单纯提高切削深度提效，刀片寿命缩短，成本增加，扎刀质量事故增加的问题。

（2）去除量分配到两个刀片上，两个刀片之间的落差可根据加工余量、加工要求进行调整，或设计成多种双刀片刀具。粗加工余量较大，加工第一刀受工件外观质量影响，容易出现扎刀问题，可以加大两刀片之间落差，确保第一个刀片损坏导致的扎刀缺陷在第二个刀片可以去除。精加工余量较小，需要较高的加工外观质量，可以降低两刀片之间落差，达到精车修光的效果。

（3）相比双刀架机床需要来回操作两个刀架，双刀片刀具只需对刀操作一次，便于同时观察两个刀片的切削情况。有效解决双刀架干涉，难以达到100%同时开动的问题。

（4）双刀片刀具所用刀垫、压刀螺栓等附件工具完全同于单刀片刀具，不增加工具种类数量，便于仓库管理和现场维护。刀具可以采用原有的单刀具刀片，也可根据粗加、精加要求，选用不同角度的刀片。

（5）加工效率明显提升，对单刀片和双刀片刀具加工参数和金属去除率进行了统计，单双刀片加工参数对比见表2。

表2 单双刀片加工参数对比表

由表2可以看出，机床电机功率利用率由40%提高至65%，明显提高，同时金属去除率由0.38 t/h提高至0.71 t/h，金属去除率提高了87%，加工效率明显提高。

4 应用双刀片切削技术的注意事项

双刀片刀具具备上述优点，但因两个刀片距离近，切削过程中的后面刀片的铁屑会飞溅至前面的刀片上，影响前面刀片的切削效果，导致前面刀片的压刀螺栓异常磨损和变形。需要根据使用工况、铁屑飞溅情况，合理设计切削角度、断屑槽结构及两个刀片的距离，改变铁屑排屑方向，避免两个刀片互相影响。压刀螺栓适宜采用下凹式结构，压刀螺栓凸出更容易导致铁屑烫伤。

双刀片刀具的两个刀片同时切削，切削阻力明显增加，刀杆的尺寸宽度和长度不易太短，一方面提高刀杆的强度，同时便于多个螺栓压紧刀杆。建议刀杆宽度≥60 mm，长度≥120 mm，不少于三个螺栓压紧，增加其紧固措施效果更佳,见图5。

图5 实际使用的双刀片刀具

5 结语

轧辊加工车床多为重型机床，工件转动为机床主运动，为满足各类产品加工要求，电机额定功率普遍偏大，正常运行过程中机床功率利用率仅为10～30%。双刀片刀杆通过双刀片同时切削，同等情况下，明显的提高了切削深度，有效提高了机床功率利用率，加工效率提高70～90%。在机床功率允许的情况下，还可以设计成三个刀片或应用于双刀架机床，实现四个刀片或六个刀片同时切削，将双刀架机床的加工效率再提升一个台阶，加工余量较大的粗加工，效果更明显。