不锈钢筒体车削刀具磨损问题解决方案

孙利强，张 雁，贾向前，徐侠剑

1洛阳矿山机械工程设计研究院有限责任公司 河南洛阳 471039

2矿山重型装备国家重点实验室 河南洛阳 471039

筒体作为矿物磨机的关键零部件，承载磨机产品所有物料和研磨介质 (钢球、钢棒等) 的回转，并将物料磨碎至成品。当筒体旋转时，装在筒体内的研磨介质在摩擦力和离心力的作用下被提升到一定高度，然后按照一定的线速度抛落，对筒体内的物料产生冲击、研磨和挤压，使物料粉碎[1]。针对磨机筒体内部物料的强酸碱特性要求，中信重工机械股份有限公司开发了筒体滑环材质为双相不锈钢 (S32205)的滑履球磨机。S32205 除了具有普通钢材所普遍具有的良好力学性能外，更具有耐酸、耐碱、耐腐蚀等优良特性。由于磨机采用双滑履支承结构，磨机筒体滑环直接支承在滑履轴承上，提高了磨机结构的可靠性和承载能力[2]。磨机筒体滑环的加工质量直接关系到滑环与滑履轴承之间的油膜厚度和磨机浮起量，对磨机的承载能力和寿命产生重要影响[3]。

1 加工存在的问题

该不锈钢滑履球磨机筒体长 8 495 mm，滑环外圆直径为 4 370 mm，两端滑环外圆粗糙度为Ra0.8，直线度为 0.02 mm，圆柱度为 0.2 mm，同轴度为 0.4 mm，结构如图1 所示。球磨机筒体尺寸精度、粗糙度和形位公差均要求严格，必须在一次装夹、不换刀的情况下加工完成筒体外圆，才能保证筒体的尺寸及形位公差要求。

图1 磨机筒体滑环结构Fig.1 Structure of slip ring of ball mill shell

由于磨机不锈钢筒体滑环材质为双相不锈钢，其存在导热性差、线膨胀系数大[4-5]等特点，切削性能差，难以加工。针对该磨机不锈钢筒体滑环，在数控卧车上采用不同硬质合金刀片进行了切削试验，试验参数如表1 所列。

表1 筒体滑环切削试验参数Tab.1 Cutting test parameters of shell slip ring

切削试验过程中发现以下问题。

(1) 切削区域产生的切削热量特别多，粘刀现象严重，刀具耐用度明显降低。

(2) 切削刀片出现蹦刃、异常磨损等现象，如图2 所示。滑环外圆无法在一次装夹不换刀的情况下完成精加工；中途更换刀片时，存在对刀误差，不能保证筒体滑环外圆尺寸和形位公差要求。

图2 切削刀片异常现象Fig.2 Abnormal phenomenon of cutting blade

(3) 车削后，筒体滑环外圆存在飞边，外圆表面质量差，如图3 所示。

图3 滑环外圆飞边Fig.3 Burrs on outer circle of slip ring

2 因果分析

针对上述不锈钢筒体滑环切削试验过程中出现的刀具异常磨损，无法满足一次装夹、不换刀加工要求的问题，运用因果分析法确定产生问题的关键原因，如图4 所示。

图4 刀具异常磨损因果分析Fig.4 Causal analysis of abnormal wear of cutting tool

通过因果分析，发现以下现象。

(1) 不锈钢导热性是筒体材质固有属性，无法改变。

(2) 刀具耐热性是刀具材质固有特性，可以选用高强度、高耐热刀具，但会增加刀具成本，还可能找不到合适的刀具。

(3) 空冷系统是车削系统的固有属性，可以提高风管压力，以增强冷却效果，但作用有限，同时还会增加环境噪音污染。

(4) 切削速度是提高筒体滑环外圆表面质量的必然要求。虽然可以适当降低切削速度，但会降低滑环外圆表面质量，同时还会降低加工效率。

综上所述，不锈钢筒体滑环切削试验过程中出现刀具异常磨损的关键原因是刀具耐热性差和空冷系统散热不好。

3 解决方案

通过以上分析，要解决不锈钢筒体滑环切削试验过程出现的刀具异常磨损问题，可以采取以下方案。

(1) 方案一 选用耐热性高的刀具。该方案在不锈钢筒体滑环切削试验过程中，已经尝试多种不同的硬质合金刀具，效果一般。

(2) 方案二 将压缩空气冷却更换为冷却效果更好的水或切削液冷却，对刀具快速降温比较有利。但在切削加工过程中，温度非常高的刀具遇到切削液的急速冷却，会产生淬火效应[6]，使刀具变硬及易碎(特别是带涂层刀具)，影响刀具寿命。另外，由于机床本身没有切削液循环回收系统，需额外增加切削液回收系统，实施难度比较大。

(3) 方案三 引入雾化装置 (微量润滑)。不锈钢筒体加工时，切削区域产生了大量的切削热，压缩空气冷却效果有限，不能实现刀具快速降温的目的。在压缩空气与刀具之间接入雾化装置，通过压缩空气将冷却效果好的液体 (如水基切削液等) 雾化，附着于工件表面。刀具切削时，水基切削液挥发带走大量的切削热[7]，实现对刀具的充分冷却。

综合以上方案对比分析，最终选择方案一和方案三组合，选择耐热性好的刀具，同时接入雾化装置，改善加工过程中的刀具冷却效果，减少刀具磨损，提高刀具耐用度。

4 实施过程

卧车用雾化加工设备主要由设备本体 (油箱、减压阀、工作泵、油雾输出管道、开关电磁阀、频率发生器等)、油气输送管路及可分离冷热空气的雾化喷头等组成。首先将雾化加工设备本体通过软管与可分离冷热空气的喷头进行连接，喷头通过磁铁吸附到卧车刀架上方。然后将专用切削液加入到设备储液箱内，设备连接压缩空气作为动力来源。接通压缩空气，雾化设备将切削液雾化后输送到喷头内，在喷头内将冷热空气进行分离。分离后的冷空气与雾化切削液二者混合后喷到切削区域，对刀具进行充分冷却和润滑 (见图5)，从而减少刀具磨损，提高刀具使用寿命。加工不锈钢筒体滑环过程中使用的切削液非常少，且切削液随加工过程自然挥发，不需要回收。

图5 雾化装置应用于加工不锈钢筒体Fig.5 Application of atomization device in machining stainless steel shell

5 改进后效果分析

接入雾化装置后切削加工参数如表2 所列。在外圆线速度、吃刀量、进给量不变的情况下，同一种刀片加工的筒体滑环外圆长度均有所增加。采用AC150P 和 TP3501 刀片，尽管不能在一次装夹下完成筒体滑环外圆全长 540 mm 的加工，但相比没有采用雾化装置时，刀片加工筒体滑环外圆长度分别增加150.0%、187.5%。采用 2220 刀片，能够在一次装夹下完成筒体滑环外圆全长 540 mm 的加工，相比没有采用雾化装置时，加工筒体滑环外圆长度至少增加54.3%。在采用雾化装置后，同种刀片在线速度和吃刀量不变的情况下，将进给量增加 40%，AC150P和 TP3501 刀片加工筒体滑环外圆长度分别增加了80.0%、56.5%。

表2 接入雾化装置后切削加工参数Tab.2 Cutting parameters after connected with atomization device

精车完成后，抛光参数如表3 所列，利用百叶轮对精车后的筒体滑环外圆进行抛光，能够满足图纸表面粗糙度要求，如图6 所示。

表3 筒体滑环抛光参数Tab.3 Polishing parameters of shell slip ring

图6 百叶轮抛磨筒体滑环Fig.6 Shell slip ring polished by impeller

6 结语

在现有条件下 (大型卧车只有空冷系统)，接入雾化装置，采用风冷+微量切削液同时冷却的方法，能够极大地改善不锈钢筒体滑环加工过程中刀具的冷却效果，有效减少刀具磨损，能够在一次装夹下完成筒体滑环外圆的加工，最终保证筒体滑环加工质量。该方法简单可靠，便于在其他机床设备中推广应用。