一种加工淬硬深冷后完全马氏体合金钢冷轧工作辊的方法与流程

本发明属于金属机械切削加工领域，具体地说，涉及一种加工淬硬深冷后完全马氏体合金钢冷轧工作辊的强力切削方法。

背景技术：

合金钢冷轧工作辊热处理淬火后硬度一般在HRC61～64度，由于冷轧工作辊直径一般在φ110mm～φ250mm，总长度在850mm～2300mm，二端轴承挡直径在φ70mm---φ130mm，直径与长度之比，完全属于细长轴。在热处理淬火时会存在比较大的弯曲变形，工艺上一般都要为成品尺寸精磨前留单边2～2.5mm余量，但是表面淬硬后留下的变形余量是传统机械加工方法都不能采用高效率切削掉的。由于合金钢淬火后表面是马氏体组织，金属组织的机械性能、强度已经大幅度提高，再经过深冷工艺，将合金钢冷轧工作辊的金属基体组织内的部分残余奥氏体组织转换成完全马氏体组织，使工作辊获得了更加高的抗拉强度、更加全面的高硬度，这反而给切削完全马氏体淬硬层带来了更加高的难度。这样一种工作辊普通车床、普通数控车床都存在无法切削的问题，刀具方面只能用硬质合金车刀采用中低转速慢慢车，一般每次进给在0.5mm左右，低进给量的慢慢一点一点地“刮”，硬质合金刀具很快磨损，表面粗糙度很差，根本无尺寸精度、无生产效率可说；对于合金钢淬火后表面硬度在HRC61～64度，再经过深冷工艺，形成完全马氏体组织后，去除预留部分余量，从理论上分析，他已经不能是采用传统的切削原理了，它的所谓切削，实际上是利用超高硬度刀具与工件高速旋转接触时，摩擦产生瞬间的高温，软化局部金属表面，在机床旋转和强力进给推进作用下的一种金属剥离，是一种带有挤压现象的硬剥离。故对机床刚性要求非常高。根据现有的国内外切削刀具来看，现有的硬质合金车刀、涂层刀、PCD刀、PCBN刀、焊接复合CBN刀，尤其是面对因为淬火存在弯曲变形，对预留部分余量，又存在切削余量是不均匀的，或者是间断性的。这些刀具由于自身硬度和基体强度原因是不能实现强力重切削或者间断切削的。只有采用整体式陶瓷刀、整体式立方氮化硼CBN刀，而整体陶瓷刀、整体立方氮化硼CBN刀，从自身硬度上讲是可以满足的，但是从他们基体强度上讲，比较脆弱，不耐冲击，不耐强振动。

中国专利申请号200610029205.8，公开日2007年1月3日的专利文件，公开了一种钢零件淬火热处理后湿态硬车的切削方法，属于机械加工技术领域。步骤为，第一：对刀,输入切削参数，包括车刀零点及补偿量，将机床主轴转速从原来的90-150M/MIN提升到300-700M/MIN，始终保持进给率0.02MM/R；第二：将零件装上内涨车夹具，关上机床门；第三：冷却液自动开启喷洒在刀头处，内涨夹具自动夹紧零件，机床主轴开始旋转，带动夹具及被夹紧的零件高速旋转，车刀进刀并开始车削零件锥面；第四：当整个零件锥面切削完毕后，取下零件，当零件表面粗糙度RA在0.45-0.89mm范围内变化时，车刀继续保持加工；第五：抛光。该发明公开的技术方案虽然对一般硬度材料成倍提高切削速度，提高加工节拍，成倍延长强制换刀的加工零件个数；但是从它进给率0.02MM/R看是非常低的，从采用内涨车夹具看是加工小零件，内涨车夹由于夹持力量小，只能够进行低切削力的加工，对机床刚性要求非常低。对于淬硬马氏体合金钢冷轧工作辊，尤其是经过深冷处理后的完全马氏体合金钢冷轧工作辊，并且切削余量是不均匀的，其是无法完成强力切削和高效切削的。

技术实现要素：

1、要解决的问题

针对现有淬硬、尤其是又经过深冷工艺形成完全马氏体组织后的合金钢冷轧工作辊硬切削工艺复杂、效率低、成本高的问题，本发明提供一种加工淬硬深冷后完全马氏体合金钢冷轧工作辊的方法，突破了对辊轴类零件的马氏体淬硬层切削禁区，实现了强力切削，达到了高精度、高效率的有益效果。

2、技术方案

为解决上述问题，本发明采用如下的技术方案。

一种加工淬硬深冷后完全马氏体合金钢冷轧工作辊的方法，包括如下步骤：

S1.控制待切削淬硬马氏体合金钢冷轧工作辊淬火后长度弯曲变形量在2.5/1000mm～3/1000mm；

S2.对步骤S1中获得的淬硬马氏体合金钢冷轧工作辊采用“一种自动定心铣端面、打中心孔和套车外圆的机床”重新修正二端中心孔；

S3.将步骤S2中重新修正二端中心孔后的工作辊装在一种专用配置的机床上；

S4.在步骤S3中专用配置的机床的电动刀架上安装整体式CBN刀具；整体式CBN为四方体结构，一共有八个刀刃可供切削使用，并调整优化了刀具角度、参数；

S5.设置步骤S3中专用配置的机床的加工参数：主轴转速为110m～120m/min，刀具进给速度F值＝45～60mm/min，切削单边余量为2～2.2mm，强力切削，一刀完成。

优选地，步骤S1中采用数控双频扫描式淬火，精确控制待切削淬硬马氏体合金钢冷轧工作辊长度弯曲变形量在2.5/1000mm～3/1000mm。

优选地，步骤S3中所述的专用配置的机床包括主电机、减速机、主轴箱、中拖板、大拖板、电动刀架、导轨和回转尾座，所述的主电机、减速机均独立固定设置在地面上，与床身分离；所述的主轴箱内设置有一根纯主轴，所述的主轴与所述的减速机通过皮带轮装置连接；所述的导轨采用四导轨或三导轨结构；所述的大拖板和所述的回转尾座分别错位设置在导轨上；所述的大拖板上设置有与导轨方向垂直的燕尾凸起；所述的中拖板底部设置有与所述的燕尾凸起对应的燕尾凹槽；所述的燕尾凹槽卡合在所述的燕尾凸起上；所述的中拖板宽度尺寸为480mm或者520mm；所述的电动刀架固定设置在所述的中拖板上；所述的电动刀架宽度设计配置300mm×300mm。

优选地，所述的回转尾座内置回转顶尖，回转轴直径φ160mm，；所述的主电机为交流伺服主轴电机，其功率为22～30KW。

优选地，进行步骤S5的同时对整体式CBN刀具的刀片直接-10度冷空气喷吹冷却，实现强力切削。

优选地，所述的步骤S4中整体式CBN刀具的刀片为四方体结构，一共有八个刀刃可供切削使用，刀片前角γ₀＝-6～-7度，后角α₀＝6度，刀尖倒棱为a＝0.2mm×20°。

优选地，所述的整体式CBN刀具主偏角的选择：当步骤S2中重新修正二端中心孔后的工作辊长径比≥8时采用主偏角75°刀杆，当工件长径比＜8时采用主偏角45度刀杆；当毛坯切削深度≥2mm时，采用主偏角75度刀杆，当毛坯切削深度＜2mm时采用主偏角45度刀杆。

优选地，所述的步骤S4中控制整体式CBN刀具刀尖低于机床主轴回转中心0.1mm。

优选地，所述的步骤S4中安装整体式CBN刀具之前对其进行刀刃中心高校验。

优选地，所述的中心高校验方法包括人工测量或工装校验。

3、有益效果

相比于现有技术，本发明的有益效果为：

(1)本发明淬火后弯曲变形量小，使切削加工的余量控制在了本技术方案所要求的范围，能有效降低淬火后去除多余马氏体淬硬层工序的加工难度和生产效率；

(2)本发明利用同时铣两端面、打两中心孔的数控斜床身的机床，可以有效保证热处理淬火后，因为弯曲，重新使工件轴线一致，确保后工序的精车与精磨的同轴性；

(3)本发明采用整体式CBN刀具，制品要求纳米级微粉，提高了抗冲击韧性和耐磨性；

(4)本发明切削单边余量为2～2.2mm，强力切削，一刀完成，因为车削不均匀断续余量淬硬钢时，切削深度低，刀具受到的间断性冲击力反而大，刀尖容易崩刃，切削深度大，形成强力切削对刀片反而有利，但对机床刚性要求非常高；

(5)本发明刀片刀尖倒棱在0.2mm×20度，刀尖锋利，一次性深切入，切削很平稳；

(6)本发明对切削加工中的刀具直接-10度冷空气喷吹冷却，延长了刀具寿命，实现了强力切削，由于是清洁的干式切削，非常环保；

(7)本发明主电机功率配置要求基本上增加一倍以上，大大提高了输出扭矩，可以实现硬碰硬挤压切削必须的旋转扭矩；

(8)本发明的机床采用主轴箱无齿轮结构，主电机和机床床身分离，大大降低了噪音及振动，只有降低振动，才能有利于采用整体式CBN刀具使用，克服了CBN刀具怕振动的缺点；

(9)本发明选用宽度尺寸为480mm或者520mm的大型宽体中拖板，选用宽度为300mm×300mm的大的电动刀架，这样刀杆的横截面积也大了，刀杆刚性提高了，提高了刀杆抗振性能，有利于采用整体式CBN刀具使用，有效克服了CBN刀具怕振动的缺点；

(10)本发明的机床选用内置回转尾座，采用大直径回转顶尖，回转轴直径φ160mm，超强的刚性在受到横向挤压切削中，有效克服了让刀现象，同时由于内置回转尾座体积比较大，尾座底座长度、体积均是标准车床底座的一倍以上，稳定性非常好，切削过程中能够完全抵抗横向挤压力量，有效克服了旋转切削中让刀现象，和圆周偏心旋转打刀现象，可以满足整体式CBN刀具使用；

(11)本发明的专用机床采用回转直径500的车床时配置功率22KW的交流伺服主轴电机，采用回转直径630的车床时配置功率30KW的交流伺服主轴电机，再直接连接配备1:8高精密主轴减速箱，实现在全程速度范围内无级变速，同时提高了输出扭矩，可以实现硬碰硬挤压切削必须的旋转扭矩；

(12)本发明通过对合金钢冷轧工作辊淬硬马氏体组织后加工设备的全面优化配置；加工工艺上的优化调整；加工刀具材料的优化选择；刀具切削参数的优化；刀具冷却工艺的优化选择，形成了一套完整的、系统的，合金钢冷轧工作辊淬硬马氏体组织先进的高速、硬车加工方法，生产效率提高了6～8倍，彻底解决了同行业中不能进行高速、硬车、合金钢冷轧工作辊马氏体淬硬层的方法，或者高速、硬车、辊轴类零件的马氏体淬硬层禁区，这一加工方法，是一种完全的突破，完全实现了强力切削；高精度、高效率。

附图说明

图1为本发明的专用配置的机床的结构图；

图2为本发明中整体式CBN刀具的结构图；

图3为图2中局部A的放大图；

图4为本发明中刀具中心高校验工装的结构图；

图5为本发明校验刀具中心高的方法示意图。

图中：1、主电机；11、减速机；

2、主轴箱；21、主轴；22、皮带轮装置；

3、电动刀架；4、导轨；5、回转尾座；6、中拖板；7、大拖板。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进一步进行描述。

实施例1

一种加工淬硬深冷后完全马氏体合金钢冷轧工作辊的方法，包括如下步骤：

S1.采用数控双频扫描式淬火，精确控制待切削淬硬马氏体合金钢冷轧工作辊长度弯曲变形量在2.5/1000mm～3/1000mm，即控制工作辊每1000mm长度内最大弯曲变形量处于2.5～3mm之内；

控制待切削工作辊单位长度内的变形量能有效减少加工余量，从而能够在一定程度上降低后续步骤中去除多余马氏体淬硬层工序的加工难度，从而提高生产效率；

S2.对步骤S1中获得的淬硬马氏体合金钢冷轧工作辊采用“一种自动定心铣端面、打中心孔和套车外圆的机床”重新修正二端中心孔；

在生产工艺上首先要解决冷轧工作辊细长轴类自由锻打毛坯，在车削加工前，如何保证中间工作面与二轴颈端的同轴性，传统机械加工工艺是通过划线，钻中心孔，来实现，工作效率低，精度差；本实施例步骤S2中采用一种自动定心铣端面、打中心孔和套车外圆的机床采用的是专利申请号为201520247986.2，公开日为2015年8月5日的专利文件公开的技术方案；利用同时铣两端面、打两中心孔的数控斜床身的机床，可以重新使步骤S1中热处理淬火后弯曲变形的工作辊中工件轴线一致，确保后工序的精车和精磨的同轴性；

S3.将步骤S2中重新修正二端中心孔后的工作辊装在一种专用配置的机床上；

如图1所示，一种专用机床在回转直径630的车床进行改进，其包括主电机1、减速机11、主轴箱2、中拖板6、大拖板7、电动刀架3、导轨4和回转尾座5，所述的主电机1、减速机11均固定独立设置在地面上，与机床床身分离设置；所述的主轴箱2内设置有一根纯主轴21，所述的主轴21与所述的减速机11通过皮带轮装置22连接；所述的导轨4采用宽度为1100mm的四导轨结构，极大地提高了机床刚性和稳定性；大拖板7和回转尾座5分别设置在两条不同的导轨上，大拖板7上设置有与导轨4方向垂直的燕尾凸起；中拖板6底部设置有与燕尾凸起对应的燕尾凹槽；燕尾凹槽卡合在燕尾凸起上；所述的中拖板6采用大型宽体中拖板，中拖板6宽度为520mm，电动刀架3固定设置在中拖板6上；所述的回转尾座内置回转顶尖，尾座套筒直径为220mm，回转轴直径为160mm；所述的主电机配置功率30KW的交流伺服主轴电机；所述的电动刀架宽度设计配置300mm×300mm；

S4.在步骤S3中机床的电动刀架3上安装整体式CBN刀具；整体式CBN四方体结构，一共有八个刀刃可供切削使用，并调整优化了刀具角度、参数；

如图2所示，步骤S4中整体式CBN刀具刀片前角γ₀＝-6°，后角α₀＝6°，CBN刀具主偏角的选择：当步骤S2中重新修正二端中心孔后的工作辊长径比≥8时采用主偏角75°刀杆，当工件长径比＜8时采用主偏角45度刀杆；当毛坯切削深度≥2mm时，采用主偏角75度刀杆，当毛坯切削深度＜2mm时采用主偏角45度刀杆；

为了增加切削强度，避免刀尖硬碰硬碎裂，本实施中如图3所示，整体式CBN刀具刀片刀尖倒棱为a＝0.2mm×20°；

安装刀具前，调节刀杆下表面至步骤S3中专用配置的机床主轴中心高度为40-0.1mm，安装刀具后，可以有效控制步骤S4中CBN刀具刀尖低于机床主轴回转中心0.1mm；为控制该刀具刀尖的中心高度，每更换一次刀具进行一次中心高校验，本实施例中采用如图4所示的刀具中心高校验工装进行校验；

如图4所示，一种刀具中心高校验工装，包括一个校验槽，该校验槽与整体式CBN刀具刀头对应，校验槽中与刀具刀尖对应的点至与刀具底面对应的面之间的垂直距离为40+0.05～0.1mm；

由于刀具是负前角，随着刀尖磨损，刀具的中心高也在增高，因此本实施例中控制步骤S4中CBN刀具刀尖低于机床主轴回转中心0.1mm，可以有效弥补刀具中心高的变化，使其中心高始终保持在可高速、强力切削的范围内，改善了切削效果，延长了刀具切削寿命；

S5.设置步骤S3中专用配置的机床的加工参数：主轴21转速为110m～120m/min，进给速度F＝45～60mm/min，切削单边余量为2～2.2mm，同时对整体式CBN刀具的刀片直接-10度冷空气喷吹冷却，实现强力切削，一刀完成。

本实施例按要求配置了高精度数控专用车床，采用四导轨、宽导轨，其中回转直径630车床四导轨宽度1100mm，极大地提高了机床刚性和稳定性。设计配置了回转尾座，采用内置回转顶尖，尾座套筒直径分别是220mm；回转轴直径160mm，提高了尾座刚性及保证加工零件高精度；

主电机1为交流伺服电机，功率提高至30KW，大大提高了输出扭矩，可以实现硬碰硬挤压切削必须的旋转扭矩；

主轴箱无齿轮结构，主电机和机床床身分离，大大降低了噪音及振动，只有降低振动，才能有利于采用整体式CBN刀具使用，克服了CBN刀具怕振动的缺点；

电动刀架宽度设计配置300mm×300mm，刀杆截面40mm×40mm，提高了刀杆抗振性能，有利于采用CBN刀具使用，有效克服了CBN刀具怕振动的缺点；

选用内置回转尾座，采用大直径回转顶尖，回转轴直径φ160mm，超强的刚性在受到横向挤压切削中，有效克服了让刀现象；同时由于内置回转尾座体积比较大，尾座底座长度、体积均是标准车床底座的一倍以上，稳定性非常好，切削过程中能够完全抵抗横向挤压力量；有效克服了旋转切削中让刀现象，和圆周偏心旋转打刀现象，可以满足整体式CBN刀具强力切削使用。

普通车床主电机底座是安装在机床床身上的，电机旋转产生的振动必定传递到机床床身上，通过中拖板、刀架、刀杆传递到CBN刀头上，容易因振动导致刀头刀尖崩刃，本实施例中采用配备的主电机、减速箱底座和机床床身完全分离的结构，主电机和机床床身分离，大大降低了噪音及振动，只有降低振动，才能有利于采用CBN刀具使用，克服了CBN刀具怕振动的缺点。

本发明通过对专用机床配置，工作辊生产工艺，刀具材料、尺寸参数的综合改进，使之能够相互弥补各自的缺陷、发挥各自的优点，从而突破了对辊轴类零件的马氏体淬硬层切削禁区，实现了强力切削，达到了高精度、高效率的有益效果。

实施例2

本实施例与实施例1基本相同，所不同的是：步骤S3中一种专用配置的机床基于回转直径500的车床进行改进，其导轨4采用三导轨结构，三导轨宽度为850mm，极大地提高了机床刚性和稳定性；所述的大拖板7和回转尾座5分别错位设置在导轨4上，所述的中拖板6宽度为480mm，，电动刀架3固定设置在中拖板6上；所述的回转尾座内置回转顶尖，尾座套筒直径为220mm，回转轴直径为160mm；所述的主电机配置功率22KW的交流伺服主轴电机；所述的电动刀架宽度设计配置300mm×300mm。

实施例3

由于合金钢冷轧工作辊在淬硬过程不会形成完全马氏体组织，还存在部分残余奥氏体组织，这是热处理同行业内无法避免的技术难点，是造成冷轧工作辊在使用中产生局部剥落现象的根源；本实施例中一种加工淬硬深冷后完全马氏体合金钢冷轧工作辊的方法中，在步骤S1淬火处理后、S2重新修正二端中心孔之前对待切削工作辊进行深冷工艺，具体是将淬硬后的合金钢冷轧工作辊再放在零下负193度的液态氮极冷箱内，再深冷4小时，通过深冷工艺，将合金钢冷轧工作辊基体组织内的部分残余奥氏体组织，完全转换成马氏体组织；同时根据金属材料物理深冷现象，经过在零下负193度的液态氮深冷，金属材料的机械性能会有大幅度提高，深冷后析出超细碳化物，提高了抗冲击韧性，改善了工件内应力分布，提高了疲劳强度，提高工件的耐磨性，提升了工件的硬度及强度；

面对本实施例中通过深冷工艺处理的合金钢冷轧工作辊，从而获得抗疲劳强度更大、耐磨性更好、硬度更高的工作辊件，本发明的方法依然能够克服其切削难度大、切削效率低的难题，同时实现强力切削。