硬車(chē)技術(shù)：代替磨削的經(jīng)濟(jì)性加工工藝

       硬車(chē)（以車(chē)代磨）是指用車(chē)削的工藝方法作為淬硬鋼的最終加工或精加工。通常，車(chē)削只是淬火前進(jìn)行的粗加工。直到20世紀(jì)90年代前，淬火后的精加工還只能采用磨削工藝，而車(chē)削也只能加工硬度不大于 HRC55的工件。
        隨著高硬度切削材料和相關(guān)機(jī)床的發(fā)展，如采用PCBN刀具、陶瓷刀具或新型硬質(zhì)合金刀具在新型車(chē)床或車(chē)削加工中心上對(duì)淬硬鋼進(jìn)行車(chē)削，其加工質(zhì)量可以達(dá)到精磨的水平。大多數(shù)硬車(chē)的應(yīng)用是替代磨削，目前，車(chē)削的硬度極限可達(dá)到HRC68，在發(fā)達(dá)國(guó)家硬車(chē)技術(shù)已被普遍應(yīng)用，可加工各種零件，是代替磨削的經(jīng)濟(jì)性加工工藝。 
        硬車(chē)的關(guān)鍵技術(shù) 
　　硬車(chē)加工時(shí)，由于材料硬度大，切削力和切削溫度高，影響刀具使用壽命。這就要求作為硬車(chē)削的刀具耐熱性和耐磨性要好；同時(shí)機(jī)床系統(tǒng)必須有足夠的系統(tǒng)剛性和精度。 
　　1. 刀具材料 
　　涂層硬質(zhì)合金刀具是在硬質(zhì)合金刀具上涂覆一層或多層耐磨性好的TiN、TiCN、TiAlN和Al2O3等，涂層的厚度為2～18mm。涂層的作用能夠降低摩擦，減少切削熱的生成；熱傳導(dǎo)系數(shù)低，能減弱對(duì)刀具的熱作用。涂層硬質(zhì)合金刀具與硬質(zhì)合金刀具相比，無(wú)論在強(qiáng)度、硬度和耐磨性方面均有了很大的提高，例如：加工硬度在HRC45～55的工件時(shí)，涂層硬質(zhì)合金刀具可高速車(chē)削。 
    　陶瓷刀具具有高硬度、高強(qiáng)度、耐磨性好、化學(xué)穩(wěn)定性好、摩擦系數(shù)低且價(jià)格低廉等特點(diǎn)，切削速度可比硬質(zhì)合金提高2～5倍，特別適合高硬度材料的加工、精加工以及高速加工，可加工硬度HRC60以下的各類淬硬鋼和硬化鑄鐵。常用的有氧化鋁基陶瓷、氮化硅基陶瓷、金屬陶瓷等。 
　　立方氮化硼（CBN）的硬度和耐磨性僅次于金剛石，具有極好的高溫硬度。與陶瓷刀具相比，其耐熱性和化學(xué)穩(wěn)定性稍差，但沖擊強(qiáng)度和抗破碎性能較好，現(xiàn)普遍用于淬硬鋼（HRC50以上）、珠光體灰鑄鐵及冷硬鑄鐵等的加工中。與硬質(zhì)合金刀具相比，其切削速度可提高一個(gè)數(shù)量級(jí)。聚晶立方氮化硼（PCBN）是由CBN微粉與少量粘結(jié)相（Co、Ni或TiC、TiN、Al2O3）在高溫高壓下燒結(jié)而成，具有硬度高、耐磨性好、抗壓強(qiáng)度高及耐沖擊韌性好，適用HRC60以上淬硬鋼的切削加工和高精度的加工。 
　　通常，CBN適合加工硬度大于HRC55的淬硬鋼工件，PCBN刀具適合工件硬度高于HRC60的加工，對(duì)于硬度小于HRC50的淬硬鋼工件選用陶瓷刀具更為合適。陶瓷刀具材料的成本低于CBN，我國(guó)陶瓷刀具技術(shù)已較完善，刀片性能也較可靠。新型硬質(zhì)合金及涂層硬質(zhì)合金刀具材料的抗彎強(qiáng)度和沖擊韌性比CBN和陶瓷材料要高，價(jià)格又低，可用于加工硬度為HRC40～50的淬硬鋼工件。 
　　2. 切削用量與切削條件 
　　切削用量選擇是否合理，對(duì)硬車(chē)削影響很大，工件材料硬度越高，其切削速度應(yīng)越小。硬車(chē)削精加工合適的切削速度為50～200m/min，常用范圍為100～150m/min。當(dāng)采用大切深或斷續(xù)切削時(shí)，切速應(yīng)保持在50～100m/min，通常切深為0.1～0.3mm；當(dāng)加工表面粗糙度要求高時(shí)，可選小的切削深度，進(jìn)給量通常選擇0.025～0.25mm/r，具體根據(jù)表面粗糙度數(shù)值和生產(chǎn)率要求而定。由于PCBN和陶瓷刀具材料的耐熱性和耐磨性好，可選用較高的切削速度和較大的切削深度以及較小的進(jìn)給量。而切削用量對(duì)硬質(zhì)合金刀具磨損的影響比PCBN刀具要大些，故用硬質(zhì)合金刀具就不宜選用較高的切削速度和切削深度。
       3. 硬車(chē)削機(jī)床 
　　車(chē)削淬硬鋼與車(chē)削非淬硬鋼相比，切削力將增加50%以上，切削所需功率增加2倍左右，所以硬車(chē)削對(duì)機(jī)床提出了更高要求，如系統(tǒng)剛性、功率等。
為了使表面質(zhì)量與磨削的質(zhì)量相媲美，主軸的徑向和軸向振動(dòng)必須保持在2mm以內(nèi)，還應(yīng)具備數(shù)字線性測(cè)量系統(tǒng)和良好的溫度補(bǔ)償性能（m級(jí)補(bǔ)償），必須避免爬行。機(jī)床本身的主軸系統(tǒng)除了要保證高強(qiáng)度以外，還應(yīng)有高轉(zhuǎn)速，充分發(fā)揮PCBN或陶瓷刀具的性能優(yōu)勢(shì)，這樣才能保證連續(xù)生產(chǎn)的加工精度和高效率的要求。 
　　硬車(chē)削的經(jīng)濟(jì)性 
　　汽車(chē)制造業(yè)的大多數(shù)零件是在熱處理后進(jìn)行最終精度或形狀的加工，硬車(chē)削正作為替代磨削的一種經(jīng)濟(jì)性方法在普及。目前，國(guó)外越來(lái)越多的企業(yè)已認(rèn)識(shí)硬車(chē)削的優(yōu)點(diǎn)，而國(guó)內(nèi)還是以磨削的方法為主，主要是由于刀具（如PCBN）的成本問(wèn)題，使很多企業(yè)仍把它看作為一種昂貴的工藝。 
　　1. 加工效率高 
　　硬車(chē)削所用刀具（PCBN）的成本比傳統(tǒng)車(chē)刀一般高10～20倍，但與磨削相比，硬車(chē)削比磨削具有更高的加工效率。硬車(chē)削往往采用大切削深度、高的工件轉(zhuǎn)速，其金屬切除率通常是磨削加工的3～4倍；其所消耗的能量也只有磨削的1/5，每個(gè)零件的刀具成本低于磨削。另外更換砂輪一般需要30min或更長(zhǎng)時(shí)間，硬車(chē)削換刀能在兩分鐘之內(nèi)完成，并且不需要修正砂輪切削輪廓，沒(méi)有更換、修正砂輪必需的生產(chǎn)時(shí)間的損失，機(jī)床的利用率要高。 
　　2. 設(shè)備投資少，維護(hù)費(fèi)用低，適合柔性生產(chǎn)要求 
　　在生產(chǎn)率相同時(shí)，車(chē)床的投資只是磨床的1/3～1/10，其輔助系統(tǒng)費(fèi)用也較低。車(chē)床本身就是一種加工范圍廣的柔性加工方法，對(duì)于多品種小批量生產(chǎn)而言，采用現(xiàn)代CNC車(chē)床，利用配備的多種刀具轉(zhuǎn)盤(pán)或刀庫(kù)，硬車(chē)削無(wú)需要其他特殊裝備，很容易實(shí)現(xiàn)多種不同工件之間的加工轉(zhuǎn)換，并且工件裝夾快速。另外與磨削相比，硬車(chē)削能更好地適應(yīng)柔性化批量生產(chǎn)要求，采用車(chē)削加工時(shí)一次裝夾可完成多種表面加工（如車(chē)外圓、車(chē)內(nèi)孔、車(chē)槽及端面等），因此其輔助時(shí)間短，加工表面之間的相對(duì)位置精度高。相比之下，磨削則需要多次安裝或多工序生產(chǎn)。 
　　3. 硬車(chē)削可使零件獲得良好的表面加工質(zhì)量 
　　雖然磨削在相對(duì)較高的進(jìn)給率下能夠得到良好的表面光潔度，但用PCBN刀片硬車(chē)削能以明顯更高的金屬切除率獲得同等或更好的表面光潔度。硬車(chē)削中生產(chǎn)的大部分熱量被切屑帶走，不會(huì)產(chǎn)生像磨削加工的表面燒傷和裂紋，具有優(yōu)良的加工表面質(zhì)量，有精確的加工圓度，能保證加工表面精度。