干式切削刀具及其在加工轧辊中的应用

HEATS

淬硬轧辊的最终加工过去常由磨削加工来完成，而磨削加工不仅效率低，而且所使用的切削液会给环境带来污染，并影响操作者的身体健康，因此，采用干式切削刀具对淬硬轧辊的硬态干式切削加工已成为目前研究与应用的热点。淬硬轧辊的干式切削加工实现了以车代磨，加工效率提高了5～10倍，并可避免环境污染，是一种高效、洁净的工艺方法，符合绿色制造、清洁生产模式，具有广泛的应用前景。
1 干式切削淬硬轧辊刀具
刀具材料及其选用
陶瓷材料
陶瓷刀具具有高硬度(HRA91～95)、高强度(抗弯强度为750～1 000 MPa)、耐磨性好、化学稳定性好、良好的抗粘结性能、摩擦系数低且价格低廉等优点。陶瓷刀具还具有很高的高温硬度，1,200℃时硬度达到HRA80。正常使用时，陶瓷刀具耐用度极高，车速可比硬质合金提高2～5倍，特别适合高硬度材料加工、精加工以及高速加工，加工硬度可达HRC65的各类淬硬钢和硬化铸铁等。常用的有氧化铝基陶瓷、氮化硅基陶瓷、金属陶瓷和晶须增韧陶瓷。氧化铝基陶瓷刀具比硬质合金有更高的红硬性，高速切削状态下切削刃一般不会产生塑性变形，但它的强度和韧性很低，为改善其韧性，提高耐冲击性能，通常一方面可加入氧化锆或TiC和TiN的混合物，另一种方法是加入碳化硅晶须。氮化硅基陶瓷除红硬性高以外，还具有良好的韧性，与氧化铝基陶瓷相比，它的缺点是在加工钢时易产生高温扩散，加剧刀具磨损，氮化硅基陶瓷主要应用于断续车削灰铸铁及铣削灰铸铁。金属陶瓷是一种以碳化物为基体材料，其中TiC为主要的硬质相(0.5～2µm)，它们通过Co或Ti粘结剂结合起来，是一种与硬质合金相似的刀具，但它具有较低的亲和性、良好的摩擦性及较好的耐磨性。它比常规硬质合金能承受更高的切削温度，但缺乏硬质合金的耐冲击性、重型加工时的韧性以及低速大进给时的强度。近年来通过大量的研究、改进和采用新的制作工艺，陶瓷材料的抗弯强度和韧性均有了很大的提高，如日本三菱金属公司开发的新型金属陶瓷NX2525及瑞典山德维克公司开发的金属陶瓷刀片新品CT系列和涂层金属陶瓷刀片系列，其晶粒组织的直径细小至1µm以下，抗弯强度和耐磨性均远高于普通的金属陶瓷，大大拓宽了陶瓷材料的应用范围。
CBN
CBN的硬度和耐磨性仅次于金刚石，有极好的高温硬度，与陶瓷刀具相比，其耐热性和化学稳定性稍差，但冲击强度和抗破碎性能较好。它广泛适用于淬硬钢(HRC50以上)、珠光体灰铸铁、冷硬铸铁和高温合金等的切削加工，与硬质合金刀具相比，其切削速度可提高一个数量级。
CBN含量高的PCBN刀具硬度高、耐磨性好、抗压强度高及耐冲击韧性好，其缺点是热稳定性差和化学惰性低，适用于耐热合金、铸铁和铁系烧结金属的切削加工。复合PCBN刀具中CBN颗粒含量较低，采用陶瓷作粘结剂，其硬度较低，但弥补了前一种材料热稳定性差、化学惰性低的特点，适用淬硬钢的切削加工。
使用PCBN刀具干式切削淬硬轧辊还应遵循以下原则：在机床刚性允许条件下尽可能选择大切深，这样切削区生成的热量使得刃前区金属局部软化，能有效降低PCBN刀具的磨损，此外在小切深时还应考虑采用PCBN刀具导热性差而使得切削区热量来不及扩散，剪切区也能产生明显的金属软化效应，减小切削刃的磨损。
刀片结构及几何参数确定
刀片形状及几何参数的合理确定对充分发挥刀具切削性能是至关重要的。按刀具强度来说，各种刀片形状的刀尖强度从高到低依次为：圆形、100°菱形、正方形、80°菱形、三角形、55°菱形、35°菱形。刀片材料选定后，应选用强度尽可能高的刀片形状。
硬态车削刀片也应选择尽可能大的刀尖圆弧半径，用圆形及大半径刀片粗加工，精加工时的刀尖半径约为0.8µm。

淬硬钢切屑为红而酥软的锻带状，脆性大，易折断，不粘结，一般在切削表面不产生积屑瘤，加工的表面质量高，但淬硬钢切削力比较大，特别是径向切削力比主切削力还要大，所以刀具宜采用负前角(g0≥-5°)和较大的后角(a0=10～15°)，主偏角取决于机床刚性，一般取45～60°，以减少工件和刀具颤振。
2 干式切削淬硬轧辊切削参数及其对工艺系统的要求
切削参数的选择
淬硬轧辊材料硬度越高，其切削速度应越小。使用干式切削刀具进行硬态车削精加工的适宜切削速度范围为80～200m/min，常用范围为100～150m/min。采用大切深，或强烈断续切削时，切削速度应保持在80～100m/min。一般情况下，背吃刀量为0.1～0.3mm之间。加工表面粗糙度要求高时可选小的切削深度，但不能太小，要适宜。进给量通常可以选择0.05～0.25mm/r之间，具体数值视表面粗糙度数值和生产率要求而定。当表面粗糙度为Ra0.6～0.8µm，采用干式切削刀具进行硬态车削比磨削经济得多。
对工艺系统的要求
除选择合理的刀具外，采用干式切削刀具进行硬车削轧辊对车床或车削中心并无特殊要求，若车床或车削中心刚度足够，且加工软的工件时能得到所要求的精度和表面粗糙度，即可用于硬态切削。由于加工淬硬轧辊时，径向力很大，这就要求机床功率要大，机床系统刚性要好，这既可保护干式切削刀具，又可获得满意的加工效果。为了保证车削操作的平稳和连续，常用的方法是采用刚性夹紧装置和中等前角刀具。若轧辊在切削力作用下其定位、支承和旋转可以保持相当平稳，现有的设备就可采用干式切削刀具进行硬车削。
3 干式切削淬硬轧辊中应注意的问题
干式切削淬硬轧辊不用切削液，因为在切削过程中大量的热量将由切屑带走，很少会在工件表面产生热损伤及热变形。相反，若使用冷却液会给刀具寿命和表面质量带来不利影响。
精车刀片最好选用强度高的方形、圆形刀片，虽然切削力加大，但粗糙度值更小，表面质量更佳。磨钝以后，转位换刃即可。也可以选用菱形刀片，刀尖半径在0.5～1mm之间。
干式切削刀具作低速切削时(如v<50m/min)，不但与硬质合金的切削性能相近，而且容易引起工艺系统的振动，使刀具发生崩刃，甚至无法切削。在一定速度范围内高速切削时，切削温度的升高，还会改变工件材料的性能，提高干式切削刀具的韧性，从而减少其破损。但是断续切削时，如果切削速度提高太大，温差会很大，产生的热应力也可导致刀具破损。
进给量对刀具破损的影响比切削速度大，选取较小的进给量，有利于防止或减少刀具的破损。因此，对干式切削刀具应选用较小的进给量和尽可能高的切削速度。
装夹干式切削刀具时，刀具的悬伸长度要尽量短，以防止刀杆颤振和变形，使干式切削刀具保持良好的加工状态。
对于硬度高和不规则的工件，由于干式切削刀具较脆、怕冲击。刀具从工件端面切入、切出时，尤其表面有凹凸不平，最易发生冲击，刃口破裂，使耐用度降低。所以在使用干式切削刀具前，最好在工件切入切出端先倒角，以减小刀具冲击力。毛坯切入处的倒角，可避免刀具刚接触工件时，承受过大的冲击载荷。毛坯切出处的倒角，主要是为避免刀具切离零件时被留下的一圈料边打坏。
为很好地使用干式切削刀具，稳定地控制工件质量，准确判断干式切削刀具的耐用度至关重要。如果一直使用磨损已很严重的刀具，那么切削力及切削温度增加、切削不畅，就难以控制工件尺寸及表面完整性，甚至使干式切削刀具无法继续修磨而报废。为保证刀具的正常使用，建议干式切削刀具后刀面磨损量达0.3～0.6mm(精车时取小值)时应进行重磨。但重磨需要一定的设备和技巧，多数工厂的机床不具备合适的条件，一般干式切削刀具的重磨都应由专业厂来完成。