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摘 要：分析轧辊材料特性、缺陷种类、生产加工要求以及加工技术上与操作上的难点，经过较长时间的反复探索与验证，根据生产批量确定修复加工所用的数控车床。在修复加工过程中，有效解决了刀具选择、切削参数的确定、夹具的设计以及数控编程等技术难题，实现了对轧辊高品质、低生产成本加工。
关键词：轧辊修复 数控车床 刀具 切削参数 数控编程
中图分类号：TG519 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）05（c）-0001-02
随着金属加工业的不断发展，机械加工行业每年需生产大量各类轧辊。轧辊主要用于轧钢厂的轧钢设备上，利用成对轧辊滚动时所产生的压力来轧碾钢材，从而得到所需的各种型材。它作为各种型材材料的成型模具，具有举足重轻的地位。在冶金方面可轧制板材、线材、棒材和管材等；在非冶金方面可用在造纸、橡胶、榨油、制粉、制糖、棉纺、毛线等行业[1]。轧辊的种类很多，常见的三大类轧辊分别是铸铁轧辊、铸钢轧辊和锻造轧辊，在型材轧机上还有少量硬质合金轧辊，也称钨钢轧辊，是用碳化钨和钴等作为材料用粉末冶金方法加工而成的轧辊。
1 缺陷产生的因素
现代轧制技术的发展方向是轧制过程的自动化、连续化和重型化。轧辊在轧制时主要承受动静载荷、磨损以及温度变化3个方面的影响。近年来，由于对轧制钢材的特殊需求，对轧材的尺寸要求、表面加工精度以及轧材的各种性能均提出了更高的要求。此外，随着现代轧制技术的不断发展，对轧辊的工作环境要求也越来越苛刻，以热连轧为例，轧辊长期处于高温、高负荷和高速度的恶劣条件下，对轧辊的性能要求更高[2]。
轧辊在制造和使用前的准备工序中会产生残余应力和热应力，投入使用后要经受各种周期性应力的作用，包括弯曲应力、扭转应力、接触应力、剪力和热应力等。这些应力沿轧辊辊身不均匀的分布，并且不断变化着，其原因不仅有设计方面的因素，还有轧辊在使用中磨损、温度和辊形的不断变化。此外，轧制条件也经常会出现各种异常情况。轧辊在使用后冷却不当，同样会受到热应力的损害。所以轧辊在使用中除有正常的磨损外，还经常会出现剥落、压痕、裂纹、断裂等各种局部损伤和表面损伤缺陷。
该公司铜材厂的轧辊作为轧铜工艺中轧机轧制铜杆的重要工具和主要消耗部件，关系到铜材厂高效化持续生产和轧材的产品质量，用于对铜线的热轧，通过多对轧辊的轧制，最后生产出8 mm成品铜杆。在轧制一段时间后，由于高温、金属挤压等的作用，在轧辊表面会出现氧化皮、裂纹、凹坑等缺陷，影响成品铜杆的质量，因此必须对轧辊的表面进行修复，达到原设计图纸要求后，再用于轧制生产。
2 加工修复的难点
现在我国的轧辊生产选材、制造工艺和质量控制等方面已经达到国外先进国家90年代水平[3]。轧辊磨损后，修复轧辊的费用比加工新轧辊要低得多，可为用户节约大量生产成本。但是轧辊在修复加工时，由于轧辊本身的一些特性，修复加工过程中存在以下几个难点。
（1）热轧辊常用的材料为55Mn2、55Cr、60CrMnMo、60SiMnMo、4Cr5MoSiV1等，该公司铜材厂轧辊采用的材料为4Cr5MoSiV1热作模具钢H13，该钢具有较高的淬透性和抗热裂能力，含有较高含量的碳和钒（碳C：0.32%～0.45%，钒V：0.80%～1.20%）。钢中马氏体的硬度和强度主要取决于马氏体的含碳量，钢的硬度随含碳量的提高而增大[4]。根据钢中含碳量与淬火钢硬度的关系曲线，见图1，由图1可以知道H13模具钢淬火硬度在55HRC左右，而普通45#钢调质硬度在HRC20～HRC30之间。对工具钢而言，钢中的碳一部分进入钢的基体中引起固溶强化；另外一部分碳将和合金元素中的碳化物形成元素结合成合金碳化物。对热作模具钢，这种合金碳化物除少量残留的以外，还要求它在回火过程中在淬火马氏体基体上弥散析出产生两次硬化现象。从而由均匀分布的残留合金碳化合物和回火马氏体的组织来决定热作模具钢的性能。它耐磨性好，韧性相对有所减弱，具有良好的耐热性，在较高温度时具有较好的强度和硬度，较高的耐磨性和韧性，优良的综合力学性能和较高的抗回火稳定性。材料本身的优点给修复、加工和制造带来较大的难度，因为工件材料的强度、硬度越高，韧性和塑性越好，越难切削，总切削抗力越大[5]，使得普通硬质合金刀具根本啃不动。
（2）表面形状复杂，表面质量要求高，加工精度以及表面光洁度等要求较严，加工的技术难度大。我公司所加工的轧辊，表面分别为直线与圆弧、圆弧与圆弧相切形成的回转体表面，每对轧辊尺寸精度误差不能超过±0.05 mm，表面粗糙度要求达到Ra0.8 μm，采用普通车床根本达不到形状加工要求。
3 加工修复中采取的措施
由于修复后的轧辊的尺寸、精度、表面质量以及硬度等直接影响着轧辊的好坏，因此轧辊修复加工时应采取相應地措施来解决生产加工中遇到的难题。
3.1 机床的选择
修复轧辊要求机床能够加工圆弧形曲面，并满足回转直径要求，具有数控编程功能，能进行半自动加工。现有的加工方法可以采用轧辊磨床加工或数控车床加工，轧辊磨床属于专用设备，通用性差，加工范圍窄，机床昂贵，适用于大批量加工；而数控车床加工范围广，生产率较高，适合小批、单件生产，机床相对较便宜，既可加工多种产品，还可用于其它产品的生产加工。
3.2 刀具的选择
刀具是直接对轧辊进行切削的，要高质量、高效率地进行切削加工，就要求有高质量、高性能的生产工具。刀具性能和质量的优劣，选择是否恰当，都直接影响切削加工的效率、加工精度和加工表面质量。由于轧辊表层性质硬而脆，当刀具切入或切出时容易出现崩边现象，往往造成废品或使刀具崩损。刀具的选择，就显得非常重要。轧辊的工作表面是圆弧接圆弧或圆弧接直线。为了换刀方便，一般选用机加刀，刀片成圆形。由于轧辊的硬度在55HRC左右，刀具材料应选择有高硬度、高耐磨性、高红热性，刀片材料可以选择金刚石、立方碳化硼或热压氧化碳陶瓷等高性能的材料。该公司轧辊修复用的刀具选用瑞典山特维克可乐满刀具公司的高硬度立方氮化硼圆弧形车刀。 轧辊材料具有較高的热强度、高硬度的特点，有一些轧辊材料加入了适量的镍和铬等合金元素，以提高强度和耐磨性。同时，使轧辊高温强度提高，导热系数下降，使切削抗力增大，切削温度提高，由于要修复的轧辊使用后出现凹坑、裂纹等缺陷，使加工变得困难，特别是增大刀具在切削过程中的刀具崩刃现象和磨损严重现象。因此，在刀具几何参数的选择方面，一般我们要选择刀具的刃倾角、前角为0°，主偏角、副偏角和后角较小为宜。
3.3 切削用量的选择
解决好轧辊切削加工的技术问题，就可以提高切削加工的效率、确保轧辊加工精度。轧辊修复属于精车环节，选择切削用量，主要是根据轧辊的硬度，考虑对轧辊表面光洁度的要求，合理地选择背吃刀量、进给量和切削速度，对于保证加工质量，提高生产效率起着很重要的作用。转速过快，刀具寿命短，机床震动。转速过低，加工成本高，加工效率低。进给快，达不到质量要求；进给过慢，效率低。经过反复试验，从理论分析到实际操作，我们总结了轧辊切削技术参数，确定了合理的工艺路线和切削要素，合理的切削速度150 m/min，背吃刀量0.15 mm，进给量0.1 mm/r。
3.4 数控编程
编程的尺寸直接影响轧辊的精度、形状等。由于轧辊属于精密磨具，工作表面是圆弧接圆弧或圆弧接直线，手工计算点存在着误差，为了提高编程的准确度，选用自动编程。为了保证表面各段之間连队接光滑过渡，各坐标点要精确。采用工件轮廓编程方式，圆弧半径补偿设置在刀具参与切削前运行，切削结束后用取消。在刀补参数里设置刀补位置参数，参考点设置在离工件端面较近但换刀时不会干涉的位置。对刀后，手动将x、z方向移到与实际参考点坐标负方向偏差一个半径值的位置。
3.5 装夹
轧辊的内孔与外圆的同轴度较高，一般用心轴和轧辊内孔零间隙配合，采用一夹一顶方式加工，减小内孔与外圆的同轴度误差。通过认真分析探讨轧辊的加工要求，自主设计制造了轧辊车削专用夹具，不仅能够完成轧辊在机床上的定位和夹紧，也能满足轧辊在机床上的定位精度。
4 结语
当然，对于轧辊的修复，在解决了上述生产加工中所碰到的难题之后，还要解决好生产人员的数控编程技术水平、操作技能水平、质量检测水平，以及生产管理能力。生产人员要能用专业数控软件对轧辊图纸进行重新绘制，计算出加工表面直线与直线、直线与圆弧、圆弧与圆弧之间的交点坐标，要能根据坐标点编写出适合数控车床的程序，并熟练操作数控机床完成生产加工要求。
参考文献
[1] 王文洋，王晓飞，黄开元，等.轧辊电渣锭表面质量改善[J].特钢技术，2015（3）：39-41.
[2] 虞明香，王宥宏，赵晶.铬钼铜合金铸铁轧辊的研制[J].铸造设备与工艺，2015（2）：25-27.
[3] 沈一鸣.浅谈轧辊使用技术[J].大型铸锻件，2004（1）：30-32.
[4] 姚玉环，张立斌，王海泉，等.碳钢淬火马氏体硬度与含碳量的关系[J].金属热处理，2014，39（8）：136-138.
[5] 陈海魁.机械制造工艺基础[M].4版.北京：中国劳动社会保障出版社，2000.
关键词：轧辊修复 数控车床 刀具 切削参数 数控编程
中图分类号：TG519 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）05（c）-0001-02
随着金属加工业的不断发展，机械加工行业每年需生产大量各类轧辊。轧辊主要用于轧钢厂的轧钢设备上，利用成对轧辊滚动时所产生的压力来轧碾钢材，从而得到所需的各种型材。它作为各种型材材料的成型模具，具有举足重轻的地位。在冶金方面可轧制板材、线材、棒材和管材等；在非冶金方面可用在造纸、橡胶、榨油、制粉、制糖、棉纺、毛线等行业[1]。轧辊的种类很多，常见的三大类轧辊分别是铸铁轧辊、铸钢轧辊和锻造轧辊，在型材轧机上还有少量硬质合金轧辊，也称钨钢轧辊，是用碳化钨和钴等作为材料用粉末冶金方法加工而成的轧辊。
1 缺陷产生的因素
现代轧制技术的发展方向是轧制过程的自动化、连续化和重型化。轧辊在轧制时主要承受动静载荷、磨损以及温度变化3个方面的影响。近年来，由于对轧制钢材的特殊需求，对轧材的尺寸要求、表面加工精度以及轧材的各种性能均提出了更高的要求。此外，随着现代轧制技术的不断发展，对轧辊的工作环境要求也越来越苛刻，以热连轧为例，轧辊长期处于高温、高负荷和高速度的恶劣条件下，对轧辊的性能要求更高[2]。
轧辊在制造和使用前的准备工序中会产生残余应力和热应力，投入使用后要经受各种周期性应力的作用，包括弯曲应力、扭转应力、接触应力、剪力和热应力等。这些应力沿轧辊辊身不均匀的分布，并且不断变化着，其原因不仅有设计方面的因素，还有轧辊在使用中磨损、温度和辊形的不断变化。此外，轧制条件也经常会出现各种异常情况。轧辊在使用后冷却不当，同样会受到热应力的损害。所以轧辊在使用中除有正常的磨损外，还经常会出现剥落、压痕、裂纹、断裂等各种局部损伤和表面损伤缺陷。
该公司铜材厂的轧辊作为轧铜工艺中轧机轧制铜杆的重要工具和主要消耗部件，关系到铜材厂高效化持续生产和轧材的产品质量，用于对铜线的热轧，通过多对轧辊的轧制，最后生产出8 mm成品铜杆。在轧制一段时间后，由于高温、金属挤压等的作用，在轧辊表面会出现氧化皮、裂纹、凹坑等缺陷，影响成品铜杆的质量，因此必须对轧辊的表面进行修复，达到原设计图纸要求后，再用于轧制生产。
2 加工修复的难点
现在我国的轧辊生产选材、制造工艺和质量控制等方面已经达到国外先进国家90年代水平[3]。轧辊磨损后，修复轧辊的费用比加工新轧辊要低得多，可为用户节约大量生产成本。但是轧辊在修复加工时，由于轧辊本身的一些特性，修复加工过程中存在以下几个难点。
（1）热轧辊常用的材料为55Mn2、55Cr、60CrMnMo、60SiMnMo、4Cr5MoSiV1等，该公司铜材厂轧辊采用的材料为4Cr5MoSiV1热作模具钢H13，该钢具有较高的淬透性和抗热裂能力，含有较高含量的碳和钒（碳C：0.32%～0.45%，钒V：0.80%～1.20%）。钢中马氏体的硬度和强度主要取决于马氏体的含碳量，钢的硬度随含碳量的提高而增大[4]。根据钢中含碳量与淬火钢硬度的关系曲线，见图1，由图1可以知道H13模具钢淬火硬度在55HRC左右，而普通45#钢调质硬度在HRC20～HRC30之间。对工具钢而言，钢中的碳一部分进入钢的基体中引起固溶强化；另外一部分碳将和合金元素中的碳化物形成元素结合成合金碳化物。对热作模具钢，这种合金碳化物除少量残留的以外，还要求它在回火过程中在淬火马氏体基体上弥散析出产生两次硬化现象。从而由均匀分布的残留合金碳化合物和回火马氏体的组织来决定热作模具钢的性能。它耐磨性好，韧性相对有所减弱，具有良好的耐热性，在较高温度时具有较好的强度和硬度，较高的耐磨性和韧性，优良的综合力学性能和较高的抗回火稳定性。材料本身的优点给修复、加工和制造带来较大的难度，因为工件材料的强度、硬度越高，韧性和塑性越好，越难切削，总切削抗力越大[5]，使得普通硬质合金刀具根本啃不动。
（2）表面形状复杂，表面质量要求高，加工精度以及表面光洁度等要求较严，加工的技术难度大。我公司所加工的轧辊，表面分别为直线与圆弧、圆弧与圆弧相切形成的回转体表面，每对轧辊尺寸精度误差不能超过±0.05 mm，表面粗糙度要求达到Ra0.8 μm，采用普通车床根本达不到形状加工要求。
3 加工修复中采取的措施
由于修复后的轧辊的尺寸、精度、表面质量以及硬度等直接影响着轧辊的好坏，因此轧辊修复加工时应采取相應地措施来解决生产加工中遇到的难题。
3.1 机床的选择
修复轧辊要求机床能够加工圆弧形曲面，并满足回转直径要求，具有数控编程功能，能进行半自动加工。现有的加工方法可以采用轧辊磨床加工或数控车床加工，轧辊磨床属于专用设备，通用性差，加工范圍窄，机床昂贵，适用于大批量加工；而数控车床加工范围广，生产率较高，适合小批、单件生产，机床相对较便宜，既可加工多种产品，还可用于其它产品的生产加工。
3.2 刀具的选择
刀具是直接对轧辊进行切削的，要高质量、高效率地进行切削加工，就要求有高质量、高性能的生产工具。刀具性能和质量的优劣，选择是否恰当，都直接影响切削加工的效率、加工精度和加工表面质量。由于轧辊表层性质硬而脆，当刀具切入或切出时容易出现崩边现象，往往造成废品或使刀具崩损。刀具的选择，就显得非常重要。轧辊的工作表面是圆弧接圆弧或圆弧接直线。为了换刀方便，一般选用机加刀，刀片成圆形。由于轧辊的硬度在55HRC左右，刀具材料应选择有高硬度、高耐磨性、高红热性，刀片材料可以选择金刚石、立方碳化硼或热压氧化碳陶瓷等高性能的材料。该公司轧辊修复用的刀具选用瑞典山特维克可乐满刀具公司的高硬度立方氮化硼圆弧形车刀。 轧辊材料具有較高的热强度、高硬度的特点，有一些轧辊材料加入了适量的镍和铬等合金元素，以提高强度和耐磨性。同时，使轧辊高温强度提高，导热系数下降，使切削抗力增大，切削温度提高，由于要修复的轧辊使用后出现凹坑、裂纹等缺陷，使加工变得困难，特别是增大刀具在切削过程中的刀具崩刃现象和磨损严重现象。因此，在刀具几何参数的选择方面，一般我们要选择刀具的刃倾角、前角为0°，主偏角、副偏角和后角较小为宜。
3.3 切削用量的选择
解决好轧辊切削加工的技术问题，就可以提高切削加工的效率、确保轧辊加工精度。轧辊修复属于精车环节，选择切削用量，主要是根据轧辊的硬度，考虑对轧辊表面光洁度的要求，合理地选择背吃刀量、进给量和切削速度，对于保证加工质量，提高生产效率起着很重要的作用。转速过快，刀具寿命短，机床震动。转速过低，加工成本高，加工效率低。进给快，达不到质量要求；进给过慢，效率低。经过反复试验，从理论分析到实际操作，我们总结了轧辊切削技术参数，确定了合理的工艺路线和切削要素，合理的切削速度150 m/min，背吃刀量0.15 mm，进给量0.1 mm/r。
3.4 数控编程
编程的尺寸直接影响轧辊的精度、形状等。由于轧辊属于精密磨具，工作表面是圆弧接圆弧或圆弧接直线，手工计算点存在着误差，为了提高编程的准确度，选用自动编程。为了保证表面各段之間连队接光滑过渡，各坐标点要精确。采用工件轮廓编程方式，圆弧半径补偿设置在刀具参与切削前运行，切削结束后用取消。在刀补参数里设置刀补位置参数，参考点设置在离工件端面较近但换刀时不会干涉的位置。对刀后，手动将x、z方向移到与实际参考点坐标负方向偏差一个半径值的位置。
3.5 装夹
轧辊的内孔与外圆的同轴度较高，一般用心轴和轧辊内孔零间隙配合，采用一夹一顶方式加工，减小内孔与外圆的同轴度误差。通过认真分析探讨轧辊的加工要求，自主设计制造了轧辊车削专用夹具，不仅能够完成轧辊在机床上的定位和夹紧，也能满足轧辊在机床上的定位精度。
4 结语
当然，对于轧辊的修复，在解决了上述生产加工中所碰到的难题之后，还要解决好生产人员的数控编程技术水平、操作技能水平、质量检测水平，以及生产管理能力。生产人员要能用专业数控软件对轧辊图纸进行重新绘制，计算出加工表面直线与直线、直线与圆弧、圆弧与圆弧之间的交点坐标，要能根据坐标点编写出适合数控车床的程序，并熟练操作数控机床完成生产加工要求。
参考文献
[1] 王文洋，王晓飞，黄开元，等.轧辊电渣锭表面质量改善[J].特钢技术，2015（3）：39-41.
[2] 虞明香，王宥宏，赵晶.铬钼铜合金铸铁轧辊的研制[J].铸造设备与工艺，2015（2）：25-27.
[3] 沈一鸣.浅谈轧辊使用技术[J].大型铸锻件，2004（1）：30-32.
[4] 姚玉环，张立斌，王海泉，等.碳钢淬火马氏体硬度与含碳量的关系[J].金属热处理，2014，39（8）：136-138.
[5] 陈海魁.机械制造工艺基础[M].4版.北京：中国劳动社会保障出版社，2000.