硬車削技術及其應用

車削加工是機械制造業(yè)中最基本、最廣泛、最重要的一種工藝方法，它直接影響生產的效率、成本、能源消耗和環(huán)境保護。由于現(xiàn)代科學技術的發(fā)展，各種高強度、高硬度的工程材料越來越多地被采用，傳統(tǒng)的車削技術難以勝任或根本無法實現(xiàn)對某些高強度、高硬度材料的加工，而現(xiàn)代的硬車削技術使之成為可能，并在生產中取得明顯效益。 1 硬車削及其特點 硬車削的定義 通常所說的硬車削是指把悴硬鋼的車削作為最終加工或精加工的工藝方法，以避免目前普遍采用的磨削技術。淬硬鋼通常指淬火后具有馬氏體組織，硬度高，強度也高，幾乎沒有塑性的工件材料。當淬硬鋼的硬度 >55HRC時，其強度sb約為2100～2600N/mm2。通常，工件在熱處理淬硬之前就已完成粗加工工序，只有精加工在淬硬狀態(tài)下進行。精磨是精加工最常用的加工工藝，但其加工范圍窄、投資大、生產效率低，易造成環(huán)境污染，一直困擾著淬硬鋼的經(jīng)濟有效加工。隨著加工技術的發(fā)展．硬車削代替磨削已成為可能，并在生產中取得明顯效益。目前采用多晶立方氮化硼 (PCBN)刀具、陶瓷刀具或涂層硬質合金刀具等在車床或車削加工中心上對淬硬鋼(55～65HRC)進行切削加工，其加工精度可達5～10& micr0;m，表面粗糙度均方根值平均小于20&micr0;m。硬車刻的特點 加工效率高 硬車削具有比磨削更高的加工效率，且其所消耗的能量是普通磨削加工的1/5 。硬車削往往采用大切削深度、高的工件轉速，其金屬切除率通常是磨削加工的3～4倍。車削加工時一次裝夾可完成多種表面加工(如車外圓、車內孔、車槽等)，而磨削則需要多次安裝，因此，其輔助時間短，加工表面之間位置精度高。硬車削是潔凈加工工藝 大多數(shù)情況下，硬車削無須冷卻液。事實上，使用冷卻液會給刀具壽命和表面質量帶來不利影響。因為，硬車削是通過使剪切部分的材料退火變軟而形成切削的，若冷卻率過高，就會減小由切削力而產生的這種效果，從而加大機械磨損，縮短刀具壽命。同時硬車削可省去與冷卻液有關的裝置，降低生產成本，簡化生產系統(tǒng)，形成的切屑干凈清潔，回收處理容易。設備投資少，適合柔性生產要求 在生產率相同時，車床投資是磨床的1/3～1/2，其輔助系統(tǒng)費用也低。對于小批量生產而言，硬車削不需特殊設備，而大批量加工高精度零件則需耍剛性好、定位精度和重復定位精度高的數(shù)控機床。車床本身就是一種加工范圍廣的柔性加工方法，車削裝夾快速，采用配有多種刀具轉盤或刀庫的現(xiàn)代CNC車床很容易實現(xiàn)兩種不同工件之問的加工轉換，硬車削尤其適合此類加工。因此，與磨削相比，硬車削能更好地適應柔性化生產要求。硬車削可使零件獲得良好的整體加工精度 硬車削中生產的大部分熱量被切屑帶走，不會產生像磨削加工的表面燒傷和裂紋，具有優(yōu)良的加工表面質量，有精確的加工圓度，能保證加工表面之間較高的位置精度。 2 硬車削加工的條件 硬車削的刀具材料及其選用 涂層硬質合金 涂層硬質合金刀具是在韌性較好的硬質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2～18µm，涂層通常起到以下兩方面的作用：一方面，它具有比刀具基體和工件材料低得多的熱傳導系數(shù)，減弱了刀具基體的熱作用；另一方面，它能夠有效地改善切削過程的摩擦和粘附作用，降低切削熱的生成。涂層硬質合金刀具與硬質合金刀具相比，無論在強度、硬度和耐磨性方面均有了很大的提高。對干硬度在HRC45～55HRC之間的工件的車削，低成本的涂層硬質合金可實現(xiàn)高速車削。近年來，一些廠家靠改進涂層材料與比例的方法，也使得涂層刀具的性能有極大的提高。如美國、日本一些廠家采用瑞士AlTiN涂層材料和新涂層專利技術生產的刀片，硬度高達4500 ～4900HV ，在車削溫度高達1500℃～1600℃時硬度仍然不降低，不氧化，刀片壽命為一般涂層刀片的4倍．而成本只為30% ，且附著力好。它可以在498.56m/min的速度下加工硬度達47～52HRC 的模具鋼。陶瓷材料 陶瓷刀具具有高硬度(91～95HRA)、高強度(抗彎強度為750～1000 MPa)、耐磨性好、化學穩(wěn)定性好、良好的抗粘結性能、摩擦系數(shù)低且價格低廉的特點。使用正常時，耐用度極高，車速可比硬質合金提高2～5倍，特別適合高硬度材料加工、精加工以及高速加工，可加工硬度為62HRC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、金屬陶瓷和晶須增韌陶瓷。近年來通過大量的研究、改進和采用新的制作工藝，陶瓷材料的抗彎強度和韌性均有了很大的提高，如日本三菱金屬公司開發(fā)的新型金屬陶瓷NX2525及瑞典山特維克公司可樂滿開發(fā)的金屬陶瓷刀片新品CT系列和涂層金屬陶瓷刀片系列，其晶粒組織的直徑細小至1µm以下，抗彎強度和耐磨性均遠高于普通的金屬陶瓷，大大拓寬了陶瓷材料的應用范圍。清華大學研制成功的氮化硅陶瓷材料刀具也達到了國際先進水平。 CBN CBN的硬度和耐磨性僅次于金剛石，有極好的高溫硬度，與陶瓷刀具相比，其耐熱性和化學穩(wěn)定性稍差，但沖擊強度和抗破碎性能較好。它廣泛適用于淬硬鋼(50HRC以上)、珠光體灰鑄鐵、冷硬鑄鐵和高溫合金等的切削加工，與硬質合金刀具相比，其切削速度甚至可提高一個數(shù)量級。 CBN含量高的PCBN刀具，硬度高、耐磨性好、抗壓強度高及耐沖擊韌性好，其缺點是熱穩(wěn)定性差和化學惰性低，適用于耐熱合金、鑄鐵和鐵系燒結金屬的切削加工。復合PCBN刀具中CBN 顆粒含量較低，采用陶瓷作粘結劑，其硬度較低，但彌補了前一種材料熱穩(wěn)定性差、化學惰性低的特點，適用于淬硬鋼的切削加工。在切削灰鑄鐵和淬硬鋼的應用領域，陶瓷刀具和CBN刀具是可同時選擇的，因此進行成本效益和加工質量分析非常必要，以確定哪一種材料更經(jīng)濟。圖1為Al2O3、Si3N4和CBN刀具加工灰鑄鐵后刀面磨損VB情況，如圖所示，PCBN刀具材料切削性能優(yōu)于Al2O3，和Si3N4淬硬鋼的干式切削加工時，Al2O3陶瓷的成本低于PCBN材料，陶瓷刀具具有良好的熱化學穩(wěn)定性，但卻不及PCBN刀具的韌性和硬度。在切削硬度低于6OHRC以下和小進給量情況下的工件時，陶瓷刀具是較好的選擇。PCBN刀具適合于工件硬度高于60HRC情況，尤其是對于自動化加工和高精度加工時更為重要。除此之外，在相同后刀面磨損情況下，PCBN刀具切削后的工件表面殘余應力也比陶瓷刀具相對穩(wěn)定，如圖2所示。

圖1 切削灰鑄鐵時VB與切削時間的關系

圖2 陶瓷和PCBN刀具切削淬硬鋼的殘余應力使用PCBN刀具干式切削淬硬鋼還應遵循以下原則：在機床剛性允許條件下盡可能選擇大切深，這樣切削區(qū)生成的熱量使得刃前區(qū)金屬局部軟化，能有效降低 PCBN刀具的磨損。此外，在小切探時也應盡可能采用PCBN刀具，因PcBN 刀具導熱性差而使得切削區(qū)熱量來不及擴散，剪切區(qū)也能產生明顯的金屬軟化效應，減小切削刃的磨損。刀片結構及幾何參教確定 刀片形狀及幾何參數(shù)的合理確定對充分發(fā)揮刀具切削性能是至關重要的。按刀具強度來說，各種刀片形狀的刀尖強度從高往低依次為：圓形、1 00°菱形、正方形、80°菱形、三角形、55°菱形、35°菱形。刀片材料選定后，應盡可能選用強度高的刀片形狀。硬車削刀片也應選擇盡可能大的刀尖圓弧半徑，用圓形及大半徑刀片粗加工，精加工時的刀尖半徑約為0.8～1.2µm 。淬硬鋼切屑為紅而酥軟的鍛帶狀，脆性大，易折斷，不粘結，一般在切削表面不產生積屑瘤，加工的表面質量高，但淬硬鋼切削力比較大，特別是徑向切削力比主切削力還要大，所以刀具宜采用負前角(go≥-5°)和較大的后角(ao=10°～15°)，主偏角取決于機床剛性，一般取45°～60°，以減少工件和刀具顫振。切削參數(shù)的選擇 工件材料硬度越高，其切削速度應越小。硬車削精加工的適宜切削速度為80～200m/min，常用范圍為10～150m/min ，采用大切深或強烈斷續(xù)功削高硬度材料，切速應保持在80～100m/min。一般情況下，切深為0.1～0.3mm。加工表面粗糙度要求高時可選小的切削探度，但不能太小，要適宜。進給量通�？梢赃x擇0.05～0.25mm/r，具休數(shù)值視表面粗糙度數(shù)值和生產率要求而定。當表面粗糙度為Ra0.3～0.6µm時，硬車削比磨削經(jīng)濟的多。對工藝系統(tǒng)的要求 除選擇合理的刀具外，硬車削對車床或車削中心并無特殊要求，若車床或車削中心剛度足夠，且加工軟的工件時能得到所要求的精度和表面粗糙度，即可用于淬硬鋼的加工。為了保證車削操作的平穩(wěn)和連續(xù)，常用的方法是采用剛性夾緊裝置和中等前角刀具。不過人們普遍認為，硬車削需要高剛性的車床，即硬車削的關鍵是機床具有足夠的剛性，同時刀具、工件、夾緊裝置結構緊湊目具有同等的剛性。若工件在切削力作用下其定位、支承和旋轉可以保持相當平穩(wěn)，現(xiàn)有的設備就可以用于硬車削。 3 硬車削技術的應用硬車削技術經(jīng)過十年的發(fā)展及推廣應用，獲得了巨大的經(jīng)濟效益和社會效益。下面舉例說明硬車削技術在軋輥加工等行業(yè)生產中的推廣應用情況。 軋棍加工行業(yè) 國內十兒家大型軋輥企業(yè)已使用硬車削技術對冷硬鑄鐵、淬硬鋼等各類軋輥進行荒車、粗車和精車等切削加工，均取得了良好的效益。平均提高加工效率2～6倍，節(jié)約加工工時和電力50%～80%。如在武漢鋼鐵公司軋輥廠，對硬度為60～80HS的冷硬鑄鐵軋輥粗車、半精車時．切削速度提高了3倍，每車一根軋輥，節(jié)約電力、工時費400多元，節(jié)約刀具費近100元，取得了巨大的經(jīng)濟效益。如我校機電實驗中心．用FD22金屬陶瓷刀具車削HRC58～63的 86CrMoV7淬硬鋼軋輥時(v=60m/min，f=0.2mm/r，ap=0.8mm)單刃連續(xù)切削軋輥路徑達15000m(VCmax=0.2mm) ，滿足了以精車代磨削的要求。工業(yè)泵加工行業(yè) 目前國內碴漿泵生產廠的70%～80%已采用硬車削技術。碴漿泵廣泛應用于礦山、電力等行業(yè)，是國內外急需的產品，其護套、護板是63～67HRC的 Cr15Mo3高硬鑄鐵件。過去由于各種刀具難以車削它．所以只得采用退火軟化后粗加工，然后再悴火加工的工藝。采用硬車削技術以后，順利解決了一次硬化加工問題，免除了退火再淬火兩道工序，節(jié)約了大量工時和電力。汽車加工行業(yè) 在汽車、拖拉機等大批量生產行業(yè)中的曲軸、凸輪軸及傳動軸、刀量具行業(yè)及設備維修中經(jīng)常會碰到淬硬件的加工難題。如我國某機車車輛廠，在設備維修中需要對軸承內圈進行加工，軸承內圈(材料Gcr15)的硬度為60HRC，內圈直徑為285mm ，采用磨削工藝，磨削余量不均勻，需2h才能磨好；而采用硬車削加工，僅用45min就加工好一個內圈。 4 結束語經(jīng)過多年的研究和探索，我國硬車削技術取得了很大的進展，但是，硬車削技術在生產中的應用還不廣泛。原因主要有以下幾個方面：(1)生產企業(yè)、操作者對硬車削的效果了解不夠，普遍認為硬材料只能磨削；(2)認為刀具成本太高。硬車削最初的刀具成本是比普通硬質合金昂貴(如CBN比普通硬質合金貴10多倍)，但其分攤在每個零件上的成本比磨削低，日，帶來的效果比普通硬質合金要好得多；(3)對硬車削加工機理研究不夠；(4)硬車削加工的規(guī)范不足以指導生產實踐。因此，除了對硬車削機理進行深人研究外，必須加強硬車削加工知識的培訓、成功經(jīng)驗演示及嚴格操作規(guī)范，使這種高效、潔凈的加工方法更多地應用于生產實際。在目前，如果將硬車削與精磨結合起來，則加工一個一般零件所花的成本將比磨床上完成粗加工和精加工所花成本降低40%～60%。