一種加工淬硬深冷後完全馬氏體合金鋼冷軋工作輥的方法與流程
2023-11-30 02:53:06 3
本發明屬於金屬機械切削加工領域，具體地說，涉及一種加工淬硬深冷後完全馬氏體合金鋼冷軋工作輥的強力切削方法。
背景技術：
合金鋼冷軋工作輥熱處理淬火後硬度一般在HRC61～64度，由於冷軋工作輥直徑一般在φ110mm～φ250mm，總長度在850mm～2300mm，二端軸承擋直徑在φ70mm---φ130mm，直徑與長度之比，完全屬於細長軸。在熱處理淬火時會存在比較大的彎曲變形，工藝上一般都要為成品尺寸精磨前留單邊2～2.5mm餘量，但是表面淬硬後留下的變形餘量是傳統機械加工方法都不能採用高效率切削掉的。由於合金鋼淬火後表面是馬氏體組織，金屬組織的機械性能、強度已經大幅度提高，再經過深冷工藝，將合金鋼冷軋工作輥的金屬基體組織內的部分殘餘奧氏體組織轉換成完全馬氏體組織，使工作輥獲得了更加高的抗拉強度、更加全面的高硬度，這反而給切削完全馬氏體淬硬層帶來了更加高的難度。這樣一種工作輥普通車床、普通數控車床都存在無法切削的問題，刀具方面只能用硬質合金車刀採用中低轉速慢慢車，一般每次進給在0.5mm左右，低進給量的慢慢一點一點地「刮」，硬質合金刀具很快磨損，表面粗糙度很差，根本無尺寸精度、無生產效率可說；對於合金鋼淬火後表面硬度在HRC61～64度，再經過深冷工藝，形成完全馬氏體組織後，去除預留部分餘量，從理論上分析，他已經不能是採用傳統的切削原理了，它的所謂切削，實際上是利用超高硬度刀具與工件高速旋轉接觸時，摩擦產生瞬間的高溫，軟化局部金屬表面，在工具機旋轉和強力進給推進作用下的一種金屬剝離，是一種帶有擠壓現象的硬剝離。故對工具機剛性要求非常高。根據現有的國內外切削刀具來看，現有的硬質合金車刀、塗層刀、PCD刀、PCBN刀、焊接複合CBN刀，尤其是面對因為淬火存在彎曲變形，對預留部分餘量，又存在切削餘量是不均勻的，或者是間斷性的。這些刀具由於自身硬度和基體強度原因是不能實現強力重切削或者間斷切削的。只有採用整體式陶瓷刀、整體式立方氮化硼CBN刀，而整體陶瓷刀、整體立方氮化硼CBN刀，從自身硬度上講是可以滿足的，但是從他們基體強度上講，比較脆弱，不耐衝擊，不耐強振動。
中國專利申請號200610029205.8，公開日2007年1月3日的專利文件，公開了一種鋼零件淬火熱處理後溼態硬車的切削方法，屬於機械加工技術領域。步驟為，第一：對刀,輸入切削參數，包括車刀零點及補償量，將工具機主軸轉速從原來的90-150M/MIN提升到300-700M/MIN，始終保持進給率0.02MM/R；第二：將零件裝上內漲車夾具，關上工具機門；第三：冷卻液自動開啟噴灑在刀頭處，內漲夾具自動夾緊零件，工具機主軸開始旋轉，帶動夾具及被夾緊的零件高速旋轉，車刀進刀並開始車削零件錐面；第四：當整個零件錐面切削完畢後，取下零件，當零件表面粗糙度RA在0.45-0.89mm範圍內變化時，車刀繼續保持加工；第五：拋光。該發明公開的技術方案雖然對一般硬度材料成倍提高切削速度，提高加工節拍，成倍延長強制換刀的加工零件個數；但是從它進給率0.02MM/R看是非常低的，從採用內漲車夾具看是加工小零件，內漲車夾由於夾持力量小，只能夠進行低切削力的加工，對工具機剛性要求非常低。對於淬硬馬氏體合金鋼冷軋工作輥，尤其是經過深冷處理後的完全馬氏體合金鋼冷軋工作輥，並且切削餘量是不均勻的，其是無法完成強力切削和高效切削的。
技術實現要素：
1、要解決的問題
針對現有淬硬、尤其是又經過深冷工藝形成完全馬氏體組織後的合金鋼冷軋工作輥硬切削工藝複雜、效率低、成本高的問題，本發明提供一種加工淬硬深冷後完全馬氏體合金鋼冷軋工作輥的方法，突破了對輥軸類零件的馬氏體淬硬層切削禁區，實現了強力切削，達到了高精度、高效率的有益效果。
2、技術方案
為解決上述問題，本發明採用如下的技術方案。
一種加工淬硬深冷後完全馬氏體合金鋼冷軋工作輥的方法，包括如下步驟：
S1.控制待切削淬硬馬氏體合金鋼冷軋工作輥淬火後長度彎曲變形量在2.5/1000mm～3/1000mm；
S2.對步驟S1中獲得的淬硬馬氏體合金鋼冷軋工作輥採用「一種自動定心銑端面、打中心孔和套車外圓的工具機」重新修正二端中心孔；
S3.將步驟S2中重新修正二端中心孔後的工作輥裝在一種專用配置的工具機上；
S4.在步驟S3中專用配置的工具機的電動刀架上安裝整體式CBN刀具；整體式CBN為四方體結構，一共有八個刀刃可供切削使用，並調整優化了刀具角度、參數；
S5.設置步驟S3中專用配置的工具機的加工參數：主軸轉速為110m～120m/min，刀具進給速度F值＝45～60mm/min，切削單邊餘量為2～2.2mm，強力切削，一刀完成。
優選地，步驟S1中採用數控雙頻掃描式淬火，精確控制待切削淬硬馬氏體合金鋼冷軋工作輥長度彎曲變形量在2.5/1000mm～3/1000mm。
優選地，步驟S3中所述的專用配置的工具機包括主電機、減速機、主軸箱、中拖板、大拖板、電動刀架、導軌和迴轉尾座，所述的主電機、減速機均獨立固定設置在地面上，與床身分離；所述的主軸箱內設置有一根純主軸，所述的主軸與所述的減速機通過皮帶輪裝置連接；所述的導軌採用四導軌或三導軌結構；所述的大拖板和所述的迴轉尾座分別錯位設置在導軌上；所述的大拖板上設置有與導軌方向垂直的燕尾凸起；所述的中拖板底部設置有與所述的燕尾凸起對應的燕尾凹槽；所述的燕尾凹槽卡合在所述的燕尾凸起上；所述的中拖板寬度尺寸為480mm或者520mm；所述的電動刀架固定設置在所述的中拖板上；所述的電動刀架寬度設計配置300mm×300mm。
優選地，所述的迴轉尾座內置迴轉頂尖，迴轉軸直徑φ160mm，；所述的主電機為交流伺服主軸電機，其功率為22～30KW。
優選地，進行步驟S5的同時對整體式CBN刀具的刀片直接-10度冷空氣噴吹冷卻，實現強力切削。
優選地，所述的步驟S4中整體式CBN刀具的刀片為四方體結構，一共有八個刀刃可供切削使用，刀片前角γ0＝-6～-7度，后角α0＝6度，刀尖倒稜為a＝0.2mm×20°。
優選地，所述的整體式CBN刀具主偏角的選擇：當步驟S2中重新修正二端中心孔後的工作輥長徑比≥8時採用主偏角75°刀杆，當工件長徑比＜8時採用主偏角45度刀杆；當毛坯切削深度≥2mm時，採用主偏角75度刀杆，當毛坯切削深度＜2mm時採用主偏角45度刀杆。
優選地，所述的步驟S4中控制整體式CBN刀具刀尖低於工具機主軸迴轉中心0.1mm。
優選地，所述的步驟S4中安裝整體式CBN刀具之前對其進行刀刃中心高校驗。
優選地，所述的中心高校驗方法包括人工測量或工裝校驗。
3、有益效果
相比於現有技術，本發明的有益效果為：
(1)本發明淬火後彎曲變形量小，使切削加工的餘量控制在了本技術方案所要求的範圍，能有效降低淬火後去除多餘馬氏體淬硬層工序的加工難度和生產效率；
(2)本發明利用同時銑兩端面、打兩中心孔的數控斜床身的工具機，可以有效保證熱處理淬火後，因為彎曲，重新使工件軸線一致，確保後工序的精車與精磨的同軸性；
(3)本發明採用整體式CBN刀具，製品要求納米級微粉，提高了抗衝擊韌性和耐磨性；
(4)本發明切削單邊餘量為2～2.2mm，強力切削，一刀完成，因為車削不均勻斷續餘量淬硬鋼時，切削深度低，刀具受到的間斷性衝擊力反而大，刀尖容易崩刃，切削深度大，形成強力切削對刀片反而有利，但對工具機剛性要求非常高；
(5)本發明刀片刀尖倒稜在0.2mm×20度，刀尖鋒利，一次性深切入，切削很平穩；
(6)本發明對切削加工中的刀具直接-10度冷空氣噴吹冷卻，延長了刀具壽命，實現了強力切削，由於是清潔的乾式切削，非常環保；
(7)本發明主電機功率配置要求基本上增加一倍以上，大大提高了輸出扭矩，可以實現硬碰硬擠壓切削必須的旋轉扭矩；
(8)本發明的工具機採用主軸箱無齒輪結構，主電機和工具機床身分離，大大降低了噪音及振動，只有降低振動，才能有利於採用整體式CBN刀具使用，克服了CBN刀具怕振動的缺點；
(9)本發明選用寬度尺寸為480mm或者520mm的大型寬體中拖板，選用寬度為300mm×300mm的大的電動刀架，這樣刀杆的橫截面積也大了，刀杆剛性提高了，提高了刀杆抗振性能，有利於採用整體式CBN刀具使用，有效克服了CBN刀具怕振動的缺點；
(10)本發明的工具機選用內置迴轉尾座，採用大直徑迴轉頂尖，迴轉軸直徑φ160mm，超強的剛性在受到橫向擠壓切削中，有效克服了讓刀現象，同時由於內置迴轉尾座體積比較大，尾座底座長度、體積均是標準車床底座的一倍以上，穩定性非常好，切削過程中能夠完全抵抗橫向擠壓力量，有效克服了旋轉切削中讓刀現象，和圓周偏心旋轉打刀現象，可以滿足整體式CBN刀具使用；
(11)本發明的專用工具機採用迴轉直徑500的車床時配置功率22KW的交流伺服主軸電機，採用迴轉直徑630的車床時配置功率30KW的交流伺服主軸電機，再直接連接配備1:8高精密主軸減速箱，實現在全程速度範圍內無級變速，同時提高了輸出扭矩，可以實現硬碰硬擠壓切削必須的旋轉扭矩；
(12)本發明通過對合金鋼冷軋工作輥淬硬馬氏體組織後加工設備的全面優化配置；加工工藝上的優化調整；加工刀具材料的優化選擇；刀具切削參數的優化；刀具冷卻工藝的優化選擇，形成了一套完整的、系統的，合金鋼冷軋工作輥淬硬馬氏體組織先進的高速、硬車加工方法，生產效率提高了6～8倍，徹底解決了同行業中不能進行高速、硬車、合金鋼冷軋工作輥馬氏體淬硬層的方法，或者高速、硬車、輥軸類零件的馬氏體淬硬層禁區，這一加工方法，是一種完全的突破，完全實現了強力切削；高精度、高效率。
附圖說明
圖1為本發明的專用配置的工具機的結構圖；
圖2為本發明中整體式CBN刀具的結構圖；
圖3為圖2中局部A的放大圖；
圖4為本發明中刀具中心高校驗工裝的結構圖；
圖5為本發明校驗刀具中心高的方法示意圖。
圖中：1、主電機；11、減速機；
2、主軸箱；21、主軸；22、皮帶輪裝置；
3、電動刀架；4、導軌；5、迴轉尾座；6、中拖板；7、大拖板。
具體實施方式
下面結合具體實施例對本發明進一步進行描述。
實施例1
一種加工淬硬深冷後完全馬氏體合金鋼冷軋工作輥的方法，包括如下步驟：
S1.採用數控雙頻掃描式淬火，精確控制待切削淬硬馬氏體合金鋼冷軋工作輥長度彎曲變形量在2.5/1000mm～3/1000mm，即控制工作輥每1000mm長度內最大彎曲變形量處於2.5～3mm之內；
控制待切削工作輥單位長度內的變形量能有效減少加工餘量，從而能夠在一定程度上降低後續步驟中去除多餘馬氏體淬硬層工序的加工難度，從而提高生產效率；
S2.對步驟S1中獲得的淬硬馬氏體合金鋼冷軋工作輥採用「一種自動定心銑端面、打中心孔和套車外圓的工具機」重新修正二端中心孔；
在生產工藝上首先要解決冷軋工作輥細長軸類自由鍛打毛坯，在車削加工前，如何保證中間工作面與二軸頸端的同軸性，傳統機械加工工藝是通過劃線，鑽中心孔，來實現，工作效率低，精度差；本實施例步驟S2中採用一種自動定心銑端面、打中心孔和套車外圓的工具機採用的是專利申請號為201520247986.2，公開日為2015年8月5日的專利文件公開的技術方案；利用同時銑兩端面、打兩中心孔的數控斜床身的工具機，可以重新使步驟S1中熱處理淬火後彎曲變形的工作輥中工件軸線一致，確保後工序的精車和精磨的同軸性；
S3.將步驟S2中重新修正二端中心孔後的工作輥裝在一種專用配置的工具機上；
如圖1所示，一種專用工具機在迴轉直徑630的車床進行改進，其包括主電機1、減速機11、主軸箱2、中拖板6、大拖板7、電動刀架3、導軌4和迴轉尾座5，所述的主電機1、減速機11均固定獨立設置在地面上，與工具機床身分離設置；所述的主軸箱2內設置有一根純主軸21，所述的主軸21與所述的減速機11通過皮帶輪裝置22連接；所述的導軌4採用寬度為1100mm的四導軌結構，極大地提高了工具機剛性和穩定性；大拖板7和迴轉尾座5分別設置在兩條不同的導軌上，大拖板7上設置有與導軌4方向垂直的燕尾凸起；中拖板6底部設置有與燕尾凸起對應的燕尾凹槽；燕尾凹槽卡合在燕尾凸起上；所述的中拖板6採用大型寬體中拖板，中拖板6寬度為520mm，電動刀架3固定設置在中拖板6上；所述的迴轉尾座內置迴轉頂尖，尾座套筒直徑為220mm，迴轉軸直徑為160mm；所述的主電機配置功率30KW的交流伺服主軸電機；所述的電動刀架寬度設計配置300mm×300mm；
S4.在步驟S3中工具機的電動刀架3上安裝整體式CBN刀具；整體式CBN四方體結構，一共有八個刀刃可供切削使用，並調整優化了刀具角度、參數；
如圖2所示，步驟S4中整體式CBN刀具刀片前角γ0＝-6°，后角α0＝6°，CBN刀具主偏角的選擇：當步驟S2中重新修正二端中心孔後的工作輥長徑比≥8時採用主偏角75°刀杆，當工件長徑比＜8時採用主偏角45度刀杆；當毛坯切削深度≥2mm時，採用主偏角75度刀杆，當毛坯切削深度＜2mm時採用主偏角45度刀杆；
為了增加切削強度，避免刀尖硬碰硬碎裂，本實施中如圖3所示，整體式CBN刀具刀片刀尖倒稜為a＝0.2mm×20°；
安裝刀具前，調節刀杆下表面至步驟S3中專用配置的工具機主軸中心高度為40-0.1mm，安裝刀具後，可以有效控制步驟S4中CBN刀具刀尖低於工具機主軸迴轉中心0.1mm；為控制該刀具刀尖的中心高度，每更換一次刀具進行一次中心高校驗，本實施例中採用如圖4所示的刀具中心高校驗工裝進行校驗；
如圖4所示，一種刀具中心高校驗工裝，包括一個校驗槽，該校驗槽與整體式CBN刀具刀頭對應，校驗槽中與刀具刀尖對應的點至與刀具底面對應的面之間的垂直距離為40+0.05～0.1mm；
由於刀具是負前角，隨著刀尖磨損，刀具的中心高也在增高，因此本實施例中控制步驟S4中CBN刀具刀尖低於工具機主軸迴轉中心0.1mm，可以有效彌補刀具中心高的變化，使其中心高始終保持在可高速、強力切削的範圍內，改善了切削效果，延長了刀具切削壽命；
S5.設置步驟S3中專用配置的工具機的加工參數：主軸21轉速為110m～120m/min，進給速度F＝45～60mm/min，切削單邊餘量為2～2.2mm，同時對整體式CBN刀具的刀片直接-10度冷空氣噴吹冷卻，實現強力切削，一刀完成。
本實施例按要求配置了高精度數控專用車床，採用四導軌、寬導軌，其中迴轉直徑630車床四導軌寬度1100mm，極大地提高了工具機剛性和穩定性。設計配置了迴轉尾座，採用內置迴轉頂尖，尾座套筒直徑分別是220mm；迴轉軸直徑160mm，提高了尾座剛性及保證加工零件高精度；
主電機1為交流伺服電機，功率提高至30KW，大大提高了輸出扭矩，可以實現硬碰硬擠壓切削必須的旋轉扭矩；
主軸箱無齒輪結構，主電機和工具機床身分離，大大降低了噪音及振動，只有降低振動，才能有利於採用整體式CBN刀具使用，克服了CBN刀具怕振動的缺點；
電動刀架寬度設計配置300mm×300mm，刀杆截面40mm×40mm，提高了刀杆抗振性能，有利於採用CBN刀具使用，有效克服了CBN刀具怕振動的缺點；
選用內置迴轉尾座，採用大直徑迴轉頂尖，迴轉軸直徑φ160mm，超強的剛性在受到橫向擠壓切削中，有效克服了讓刀現象；同時由於內置迴轉尾座體積比較大，尾座底座長度、體積均是標準車床底座的一倍以上，穩定性非常好，切削過程中能夠完全抵抗橫向擠壓力量；有效克服了旋轉切削中讓刀現象，和圓周偏心旋轉打刀現象，可以滿足整體式CBN刀具強力切削使用。
普通車床主電機底座是安裝在工具機床身上的，電機旋轉產生的振動必定傳遞到工具機床身上，通過中拖板、刀架、刀杆傳遞到CBN刀頭上，容易因振動導致刀頭刀尖崩刃，本實施例中採用配備的主電機、減速箱底座和工具機床身完全分離的結構，主電機和工具機床身分離，大大降低了噪音及振動，只有降低振動，才能有利於採用CBN刀具使用，克服了CBN刀具怕振動的缺點。
本發明通過對專用工具機配置，工作輥生產工藝，刀具材料、尺寸參數的綜合改進，使之能夠相互彌補各自的缺陷、發揮各自的優點，從而突破了對輥軸類零件的馬氏體淬硬層切削禁區，實現了強力切削，達到了高精度、高效率的有益效果。
實施例2
本實施例與實施例1基本相同，所不同的是：步驟S3中一種專用配置的工具機基於迴轉直徑500的車床進行改進，其導軌4採用三導軌結構，三導軌寬度為850mm，極大地提高了工具機剛性和穩定性；所述的大拖板7和迴轉尾座5分別錯位設置在導軌4上，所述的中拖板6寬度為480mm，，電動刀架3固定設置在中拖板6上；所述的迴轉尾座內置迴轉頂尖，尾座套筒直徑為220mm，迴轉軸直徑為160mm；所述的主電機配置功率22KW的交流伺服主軸電機；所述的電動刀架寬度設計配置300mm×300mm。
實施例3
由於合金鋼冷軋工作輥在淬硬過程不會形成完全馬氏體組織，還存在部分殘餘奧氏體組織，這是熱處理同行業內無法避免的技術難點，是造成冷軋工作輥在使用中產生局部剝落現象的根源；本實施例中一種加工淬硬深冷後完全馬氏體合金鋼冷軋工作輥的方法中，在步驟S1淬火處理後、S2重新修正二端中心孔之前對待切削工作輥進行深冷工藝，具體是將淬硬後的合金鋼冷軋工作輥再放在零下負193度的液態氮極冷箱內，再深冷4小時，通過深冷工藝，將合金鋼冷軋工作輥基體組織內的部分殘餘奧氏體組織，完全轉換成馬氏體組織；同時根據金屬材料物理深冷現象，經過在零下負193度的液態氮深冷，金屬材料的機械性能會有大幅度提高，深冷後析出超細碳化物，提高了抗衝擊韌性，改善了工件內應力分布，提高了疲勞強度，提高工件的耐磨性，提升了工件的硬度及強度；
面對本實施例中通過深冷工藝處理的合金鋼冷軋工作輥，從而獲得抗疲勞強度更大、耐磨性更好、硬度更高的工作輥件，本發明的方法依然能夠克服其切削難度大、切削效率低的難題，同時實現強力切削。