高铬钢轧辊切削与PCBN刀具

孙韶锋，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

高铬铸钢是在综合分析高铬复合铸铁轧辊技术特性和使用性能的基础上研究开发的，含铬量为8～15%，含碳量为0.8～1.8%，以及含有钼、镍和适量钒等合金元素的铸钢轧辊新材质，这种轧辊材料具有优良的抗热裂纹性能和较高的耐磨损性能。但高铬铸钢材质硬度高、强度高，导热系性差，导致轧辊的切削加工比较困难。一般轧辊切削加工刀具选择较多的是过氮化硅、氧化铝陶瓷和超硬硬质合金刀具，但这些刀具在切削高铬铸钢轧辊时磨损、破损、崩刃十分严重，加工效率较低，因此需要选取新材料刀具提高高铬铸钢轧辊的加工效率，降低加工成本。

PCBN刀具材质因其化学稳定性、热稳定性、导热性良好，摩擦系数低，比陶瓷刀片和硬质合金刀片具有更高硬度、耐磨性，比陶瓷刀片有更好的抗冲击强度和抗破碎能力，配合合理的刀具形状、刀刃几何尺寸和切削参数，很好的解决了高铬钢轧辊的加工难题[1]。

1 高铬钢切削性能

高铬铸钢轧辊的化学成分中，C含量控制范围为0.5～1.5%、Cr含量为8～15%，轧辊的工作层具有比高铬铸铁材质更加致密的机体组织，耐磨性更好。

高铬钢轧辊辊身硬度通常控制在HSD73左右，尽管硬度比高镍铬、高铬铁等轧辊低，但其强度δb可达到700～1 000 MPa，在轧辊切削时，会产生更大的切削力，外加较低的导热系数，使产生的切削热量大部分集中在刀刃附近，导致刀具磨损加剧。随着Cr含量的提高，高铬钢材质抗塑性变形的能力变差，单位的切削力变大，达到一般中碳钢的2～3倍。热处理后高铬钢轧辊因其晶粒更细化致密，材料的韧性更好，切削时刀具刃口承载的切削力更大，因此高铬钢轧辊加工其难点在于辊身的切削。下面就高铬钢轧辊加工其难点进行讨论分析。

（1）高铬钢轧辊加工时，切削区域温度高，刀具耐磨性变差，是导致轧辊加工困难和效率低下的因素。

（2）因轧辊工件的特性，决定了其加工路程长，对刀具需要长的使用寿命。

（3）轧辊产品的价值较高，因此轧辊切削的安全性、稳定性是确定切削参数时要考虑的重要因素。

（4）铸造的高铬钢轧辊外皮余量不均、毛坯余量大，一般在15毫米左右，需要切除大量的材料。

2 刀具选择与高铬钢轧辊的切削

铸造高铬钢轧辊的加工一直是切削工作者非常关注的问题，人们曾采用过氮化硅、氧化铝陶瓷刀具和超硬硬质合金刀具加工高铬钢轧辊，虽然也能加工，但刀具的磨损、破损、蹦刃十分严重，切削效率极低。

随着刀具材料的发展，选择PCBN刀具加工铸造高铬钢轧辊已成为现实。PCBN刀片比陶瓷和硬质合金刀片具有更高硬度、耐磨性，比陶瓷刀片具有更好抗冲击强度和抗破碎能力。

2.1 PCBN刀具的切削性能

PCBN刀具材料具有如下切削特性：

（1）具有硬度高和优异的耐磨性。

（2）具有良好的热稳定性，可以满足高速、高温下的切削条件。

（3）化学稳定性好，具有很强的抗氧化能力，1 000℃不会产生氧化现象，1 100℃也不和铁系金属发生化学反应，可以通过高温切削，提高加工效率。

（4）具有良好的导热性，可使刀尖处热量很快传出，有利于工件加工精度的提高。

（5）具有较低的摩擦系数，使刀刃具有优良的抗粘结能力，有利于加工表面质量的提高。

2.2 刀片材料与结构的选择

当前，PCBN刀具材料主要结构类型有：整体烧结PCBN聚晶片、复合片PCBN结构。

选择PCBN刀片加工铸造高铬钢轧辊，刀片应选择大颗粒CBN微粉，采用金属结合剂。实践证明立方氮化硼烧结体FBN3500是加工铸造高铬钢轧辊的最佳刀片材料。

2.3 刀具形状的选择

刀具形状对切削加工的影响大，合理的刀具形状有利于提高切削加工的速度和质量。刀具形状主要包含刀具的几何形状、夹紧形式、刀片厚度、刃口等。

2.3.1 PCBN刀片形状的选择

（1）根据铸造高铬钢轧辊的加工特性，为了提高刀片的自身的强度，一般选用PCBN无孔刀片，夹紧形式采用上压式。PCBN刀片形状和夹紧形式如图1所示。

图1 PCBN刀片形状和夹紧形式

（2）PCBN刀片的厚度与切削深度有关，根据切削实践，PCBN刀片的切削深度小于CB层厚，这与刀片的抗冲击和抗振动的能力有关，一般选择刀片尽可能厚一些。

（3）刀片形状一般选择圆形或方形。当工件和机床夹持刚性较高时，可采用圆刀片，也可采用方刀片配合较小的主偏角，可提高切削效率；当工件和机床夹持刚性较差时，可选用方刀片，采用较小的主偏角。

2.3.2 圆刀片与直刃刀片主偏角的比较

圆刀片随切削深度增减在变化，直刃刀片则不会变化。圆刀片无刀尖，直刃刀片刀尖是薄弱点，在加工高铬钢轧辊时，主偏角效应非常明显。由图2可以看出，圆刀片随切深减小、切屑变薄，刀刃切削抗力减小，粗糙度减小。

图2

根据园刀片切深与主偏角的关系，为了减小切削刃承载的切削力，可以将刀具设计为多刀片组合形式（如图3所示）。这种多刀刃刀具可以在同样切削深度的条件下，把切削力分散到多个刀刃，达到提高加工效率、减少刀刃崩刃的效果。

图3

2.4 切削参数的选择

PCBN刀片加工高铬钢轧辊时，不能按照合金刀具的思维方式，低转速大进给。整体PCBN刀具的应用，可采取通过控制切削速度和进给速度，控制刀具的切削温度，这是PCBN刀具应用的一个重要方式[2]。如控制温度在900～1 100℃左右，可有效提高PCBN刀具的抗冲击性能。刀片切削参数的选择如表1所示。切削参数的选取原则如下所述：

表1 RNMN20100刀片切削参数的选择

（1）切削温度低时每转进给要适当减小，低温下PCBN刀具的强韧性与高温下的强韧性比会有所降低。

（2）连续切削时，每转进给量要适当减小，以保持刀具可承受的切削力。

（3）在条件允许的情况下，可充分发挥PCBN刀片的性能。提高切削速度，可发挥刀片的耐热性能，加快生产节；提高切削温度，可提高刃口抗崩刃效果，尤其是在粗加工时。

2.5 倒棱宽度和角度的选择

高铬钢轧辊加工时，常见刀片失效的形式为崩刃，因此，刃口倒棱的宽度和角度就尤为重要。倒棱角度越大，切削刃抗冲击性能越好，但切削抗力会随之增大，对系统刚性和机床功率要求更高。

高铬钢轧辊切削实践证明，选择倒棱宽度0.5 mm、倒棱角度20°刃口钝化为宜。如果轧辊毛坯状态不好，也可选择倒棱宽度1 mm、倒棱角度25°加强刃口钝化（如图4所示），以获得更好的抗冲击性能和更长的寿命。

图4

3 PCBN刀具的失效的讨论

在加工高铬钢轧辊的生产实践中，也常常会发生刀具的提前失效，主要表现为刀片的磨损、崩刃。

3.1 前刀面磨损

前刀面磨损（如图5所示），其主要原因是切屑比脆性材料要长一些（如图6所示）。高铬钢轧辊加工中，在切削力、切削高温、切屑变形作用下，FBN3500刀面磨损的主要特征是缓慢磨损，一般刀片寿命可达120 min。如果切削速度选择过高，刀片也可能发生急剧磨损，急剧磨损多在高速切削过程发生。当切削温度过高，切削区域的切削温度超过1 300℃时，PCBN刀片也会发生“可逆转化”，刀片急剧磨损。

图5

图6

3.2 刀片崩刃

一般讲，刀具的崩刃，是刀刃不能承受现有的切削力、切削振动、切削冲击等加工条件产生的，可以从切削平面观察到，并能听出到不正常的切削和振动声音。刀具的崩刃形貌如图7所示。

图7

刀具崩刃的主要原因是：轧辊辊身表面余量不均匀、进给量大；园刀片处在切削极限深度，切削力最大；切削振动；机床、工件刚性弱引起的震动。

减少崩刃的主要措施是：改善刀刃承受的切削力和切削振动；加强刃口强度；增大切削刃的宽度和角度。

在现实加工高铬钢轧辊过程中，由于毛坯、机床与工件的不确定性因素，PCBN刀片的崩刃属正常范畴。

4 结语

将PCBN-FBN3500刀具用于铸造高铬钢轧辊的切削加工，通过合理选择PCBN刀具的形状、刀刃倒棱宽度和角度以及切削参数，提高了高铬钢轧辊的加工效率，取得了许多有益的经验。

（1）圆刀片进给量的选择与切削深度有关。

（2）切削速度选择与切削温度有关，高温下PCBN刀片强韧性更好。

（3）切削振动对刀片崩刃至关重要。粗加工的高转速，工件会因为结构不均匀、热处理后的变形等原因产生振动，造成加工误差和缩短刀具寿命。

（4）最大限度发挥PCBN刀具在加工中的作用，须用系统工程的观念和系统切削的方法选择刀具的切削参数。