替代磨削經(jīng)濟(jì)性好的硬車刀具和技術(shù)

用在汽車工業(yè)的大多數(shù)硬零件是在淬硬后加工到最終幾何形狀的。目前，磨削是用于這些零件的主要的方法，這些零件包括軸承、齒輪、軸和小齒輪。但是，感謝機(jī)床剛性的改善和聚晶立方氮化硼（PCBN）刀具的發(fā)展，硬車削正作為一種替代磨削的經(jīng)濟(jì)性好的方法在普及。

    使用各種鑲?cè)谢蛘�體車刀片完成硬度在洛氏45到68范圍材料的硬車削。自從它在80年代中期推出以來(lái)，這種工藝的普及程度已戲劇性地增加，并且PCBN刀具的銷售現(xiàn)在每年超過(guò)25億美圓。很明顯，越來(lái)越多的制造商正在認(rèn)識(shí)硬車削的優(yōu)點(diǎn)。但是歸因于PCBN刀具的成本，很多人仍然把它看作是一個(gè)昂貴的工藝。

    用PCBN進(jìn)行硬車削真的更貴？

    當(dāng)PCBN刀具的成本比傳統(tǒng)刀具高10到20倍時(shí)，研究表明它們?cè)诰C合生產(chǎn)率和刀具壽命方面效率要高10到300倍。在某種程度上，這些發(fā)現(xiàn)是基于每個(gè)零件分?jǐn)偟牡毒叱杀痉治�。為了更好地了解硬車削的�?jīng)濟(jì)效益，考慮一些有時(shí)被會(huì)計(jì)部門(mén)忽視的因素是有幫助的。這些因素包括刀具換刀時(shí)間、調(diào)整時(shí)間、加工時(shí)間、機(jī)床維護(hù)、零件質(zhì)量和機(jī)床原始成本。

    硬車削的經(jīng)濟(jì)性好可能部分歸功于機(jī)床本身。磨床比CNC車床的投資大得多，CNC車床通常是磨床成本的三分之一到二分之一。還有，在加工能力方面CNC車床柔性更大。換刀能在兩分鐘之內(nèi)完成，沒(méi)有對(duì)于更換砂輪必須的生產(chǎn)時(shí)間的損失。這些柔性允許小批量零件的快速、經(jīng)濟(jì)性好的生產(chǎn)。

    低的維護(hù)也是一個(gè)好處，作為磨損的PCBN刀具能被快速地拿走并更換新的刀片，而且不需要修正或修正來(lái)維持切削輪廓。CNC車床和磨床相比還占據(jù)更少的空間，不需要液槽系統(tǒng)，而且在很多硬車削應(yīng)用里甚至不需要冷卻液。

    因?yàn)橛曹囅魍ㄟ^(guò)從工件上‘剝’軟化的切屑來(lái)有效地去除金屬，通常不推薦冷卻液。這有助于在消除有使用冷卻液引起的環(huán)境傷害的同時(shí)降低成本。干加工還減少花在政府管制的切屑處理和回收處理上的時(shí)間和金錢(qián)。

    在較少的加工時(shí)間下獲得良好的表面光潔度

    雖然已經(jīng)知道磨削在相對(duì)較高的進(jìn)給率下得到良好的表面光潔度，但用PCBN刀片硬車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。雖然工藝有小切深小進(jìn)給組成，對(duì)于傳統(tǒng)硬車削加工時(shí)間的減少估計(jì)高達(dá)60%，而對(duì)于最新的插車（plunge turning）技術(shù)高達(dá)90%。

    研究表明通過(guò)使用正確的刀尖圓弧半徑、進(jìn)給率或新的修光刀片技術(shù)組合，硬車削能獲得比磨削更好的表面光潔度。實(shí)際上硬車削能以比磨削調(diào)節(jié)簡(jiǎn)單的裝卡下被完成也能獲得高精度。但是，仍有很多圍繞硬車零件綜合表面完整性的爭(zhēng)論。

    硬車削通過(guò)產(chǎn)生殘余應(yīng)力模式和也叫做白化層的過(guò)硬表面區(qū)域來(lái)影響表面微觀結(jié)構(gòu)。這些薄的再硬化層通常是緊跟在白化層下面的過(guò)度回火區(qū)。歸因于材料的微觀結(jié)構(gòu)的改造，再硬化層在光學(xué)顯微鏡下看是白的，而且回火區(qū)表現(xiàn)為暗色。

    研究已確認(rèn)在硬車和磨削表面都有白化層的存在。雖然它們通常和表面殘余拉應(yīng)力相關(guān)聯(lián)，但白化層也可能預(yù)示殘余壓應(yīng)力。不管怎么說(shuō)，白化層的成因和它們對(duì)已加工工件沒(méi)有全部了解。

    一些研究建議使用切削液有助于消除白化層，而其它的顯示冷卻液沒(méi)有效果。還有一些證據(jù)表明刀具工況影響白化層的形成�？偟膩�(lái)說(shuō)，新刀具更傾向于產(chǎn)生無(wú)損表面，白化層的增加隨著刀具磨損的增加而增加。這可能由刀具和工件之間的摩擦產(chǎn)生的熱量造成后刀面磨損增加引起，或者通過(guò)摩擦增加引起更高的塑性變形。

    新的刀具和技術(shù)減少加工時(shí)間高達(dá)90%

    近年來(lái)，硬車零件的‘未知’表面完整性還引起某些不情愿把硬車削作為對(duì)關(guān)鍵表面精加工。但是，近來(lái)刀具技術(shù)的發(fā)展很可能挑戰(zhàn)這些觀念。特別地，新的整體PCBN刀片和新的插車技術(shù)已被證明能得到和傳統(tǒng)磨削工藝相當(dāng)或更好的精度。

    在近期的發(fā)展之一是象山高CBN100和CBN300這樣對(duì)硬車精加工經(jīng)濟(jì)性高的選擇的整體PCBN刀片。特別針對(duì)淬硬鋼加工的整體刀片CBN100和CBN300提供和傳統(tǒng)的鑲齒或硬質(zhì)合金刀片相同數(shù)量的切削刃，外加長(zhǎng)的切削刃。歸因于它們的整體結(jié)構(gòu)，新的刀片提供明顯更高的耐磨性和更低的每刃成本。在一項(xiàng)把山高的整體刀片同其它五個(gè)不同的刀具制造商生產(chǎn)的鑲齒刀片比較的研究里，每刃成本的節(jié)約從25%到208%不等。

    作為增加的優(yōu)點(diǎn)，CBN100和CBN300還使得插車成為可能。插車是一種使用整個(gè)切削刃或部分切削刃來(lái)創(chuàng)建直角切削的硬車削高生產(chǎn)率形式。這種相對(duì)新的工藝已被證實(shí)能減少加工時(shí)間多達(dá)90%，生產(chǎn)的零件的表面完整性同那些磨削的相同。

    磨削或硬車削零件的最關(guān)鍵的特性是尺寸（直徑）、圓度、直線度、承載面積、表面粗糙度和殘余應(yīng)力。對(duì)于前四個(gè)特性，對(duì)于一個(gè)大齒輪或軸承環(huán)插車能很容易得到下面的精度。

直徑+/-0.0006in.(0.015mm)

圓度+/-0.00015in.(0.004mm)

直線度+/-0.00015in>(0.004mm)

承載面積90%深(0.00008in. 0.002mm)

    在生成連續(xù)紋道的傳統(tǒng)車削里，表面光潔度主要決定于刀尖圓弧半徑、進(jìn)給率、切削速度和切削深度。相反，插車零件的表面質(zhì)量主要取決于切削刃的質(zhì)量。作為結(jié)果，插車的零件在軸向顯示低的殘余應(yīng)力，而且密封特性和磨削表面相比相同或更好。

    使用整體PCBN刀片，這些應(yīng)力模式保持常數(shù)，即使是大批生產(chǎn)時(shí)也這樣。在一個(gè)檢驗(yàn)250個(gè)插車零件物理特性的測(cè)試?yán)�，發(fā)現(xiàn)殘余應(yīng)力顯著低于磨削引起的應(yīng)力。零件質(zhì)量還受切向殘余應(yīng)力分布的影響。在另外測(cè)試的250個(gè)零件里，磨削和插車都在表面產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力，但是在插車零件上其影響區(qū)的厚度顯然更薄。

    還發(fā)現(xiàn)插車減少白化層的發(fā)生，因?yàn)樗鼫p少切削刃上的后刀面磨損歸因于每個(gè)加工表面更短的切削時(shí)間。這還產(chǎn)生更低的切削力和更少的摩擦，導(dǎo)致更少的熱量傳遞到工件表面上。

    雖然硬車削通常被看作比傳統(tǒng)精加工方法貴得多，近來(lái)的刀具和技術(shù)的發(fā)展正逐漸改變這些觀念。隨著關(guān)于滿足表面光潔度和完整性要求能力的問(wèn)題的回答，硬車削精加工將作為一種經(jīng)濟(jì)性好的替代磨削的方案被更廣泛地認(rèn)識(shí)。更大的柔性、更快的換刀和更長(zhǎng)的刀具壽命都對(duì)降低加工成本、提高生產(chǎn)率和更好的零件質(zhì)量有作用，遠(yuǎn)超過(guò)PCBN刀具的初期成本。