硬車削加工的特點(diǎn)及應(yīng)用研究

發(fā)布日期：2011-11-25    蘭生客服中心    瀏覽：1991

                                                                                                          作者：李新寧 
 前言

      車削加工是機(jī)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(chǎn)效率、成本、能源消耗和環(huán)境污染。由于現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，各種高強(qiáng)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(shù)難以勝任或根本無法實(shí)現(xiàn)對(duì)某些高強(qiáng)度、高硬度材料的加工，而現(xiàn)代的硬車削技術(shù)使之成為可能，并在生產(chǎn)中取得明顯效益。

1 硬車削及其特點(diǎn)

1) 硬車削的定義

        通常所說的硬車削是指把淬硬鋼的車削作為最終加工或精加工的工藝方法，這樣可以避免目前普遍采用的磨削技術(shù)。淬硬鋼通常是指淬火后具有馬氏體組織，硬度高，強(qiáng)度也高，幾乎沒有塑性的工件材料，硬度HRC>55時(shí)，其強(qiáng)度sb=2100～2600MPa。通常，工件在熱處理淬硬之前就已完成粗加工，只有精加工在淬硬狀態(tài)下進(jìn)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(chǎn)效率低，易造成環(huán)境污染，一直困擾著淬硬鋼的經(jīng)濟(jì)有效加工。隨著加工技術(shù)的發(fā)展，硬車削代替磨削成為可能，并在生產(chǎn)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(zhì)合金刀具等在車床或車削加工中心上對(duì)淬硬鋼(硬度HRC55～65)進(jìn)行切削加工，其加工精度可達(dá)5～10µm，表面粗糙度均方根值平均小于20µm。

2) 硬車削的特點(diǎn)

·  加工效率高

        硬車削具有比磨削更高的加工效率，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(zhuǎn)速，其金屬切除率通常是磨削加工的3～4倍。車削加工時(shí)一次裝夾可完成多種表面加工(如車外圓、車內(nèi)孔、車槽等)，而磨削則需要多次安裝，因此，其輔助時(shí)間短，表面間位置精度高。

·硬車削是潔凈加工工藝

          在大多數(shù)情況下，硬車削無須冷卻液，事實(shí)上，使用冷卻液會(huì)給刀具壽命和表面質(zhì)量帶來不利影響。因?yàn)�，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(huì)減小由切削力而產(chǎn)生的這種效果，從而加大機(jī)械磨損，縮短刀具壽命。同時(shí)硬車削可省去與冷卻液有關(guān)的裝置，降低生產(chǎn)成本，簡(jiǎn)化生產(chǎn)系統(tǒng)，形成的切屑干凈清潔，回收處理容易。

·設(shè)備投資少，適合柔性生產(chǎn)要求

       在生產(chǎn)率相同時(shí)，車床投資是磨床的1/3～1/20其輔助系統(tǒng)費(fèi)用也低。對(duì)于小批量生產(chǎn)而言，硬車削不需特殊設(shè)備，而大批量加工高精度零件則需要?jiǎng)傂院�、定位精度和重�?fù)定位精度高的數(shù)控機(jī)床。

      車床本身就是一種加工范圍廣的柔性加工方法，工件裝夾快速，采用配有多種刀具轉(zhuǎn)盤或刀庫的現(xiàn)代CNC車床很容易實(shí)現(xiàn)2種不同工件之間的加工轉(zhuǎn)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(yīng)柔性化生產(chǎn)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(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，能保證加工表面之間高的位置精度。

2 硬車削加工的條件

1) 硬車削的刀具材料及其選用

·涂層硬質(zhì)合金

       涂層硬質(zhì)合金刀具是在韌性較好的硬質(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2～18µm，涂層通常起到以下2方面的作用：①具有比刀具基體和工件材料低得多的熱傳導(dǎo)系數(shù)，減弱了刀具基體的熱作用；②能夠有效地改善切削過程的摩擦和勃附作用，降低切削熱的生成。涂層硬質(zhì)合金刀具與硬質(zhì)合金刀具相比，無論在強(qiáng)度、硬度和耐磨性方面均有了很大的提高。對(duì)于硬度在HRC45～55工件的車削，低成本的涂層硬質(zhì)合金刀具可實(shí)現(xiàn)高速車削。近年來，一些廠家靠改進(jìn)涂層材料與比例的方法，也使得涂層刀具的性質(zhì)有極大的提高。如美國(guó)、日本一些廠家采用瑞士AlTiN涂層材料和新涂層專利技術(shù)生產(chǎn)的刀片，HV硬度高達(dá)4500～4900，在車削溫度高達(dá)1500～1600℃時(shí)仍然硬度不降低、不氧化，刀片壽命為一般涂層刀片的4倍，而成本只為50%，且附著力好。它可以在498.56m/min的速度加工硬度HRC47～52的模具鋼。

·陶瓷材料

        陶瓷刀具具有高硬度(硬度HRA91～95)、高強(qiáng)度(抗彎強(qiáng)度為750～1000MPa)、耐磨性好、化學(xué)穩(wěn)定性好、良好的抗赫結(jié)性能、摩擦系數(shù)低且價(jià)格低廉等特點(diǎn)。使用正常時(shí)，耐用度極高，車速可比硬質(zhì)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HRC62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(jìn)和采用新的制作工藝，陶瓷材料的抗彎強(qiáng)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(xì)小至1µm以下，抗彎強(qiáng)度和耐磨性均遠(yuǎn)高于普通的金屬陶瓷，大大拓寬了陶瓷材料的應(yīng)用范圍。清華大學(xué)研制成功的氮化硅陶瓷材料刀具也達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)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(xué)穩(wěn)定性稍差，但沖擊強(qiáng)度和抗破碎性能較好。它廣泛適用于淬硬鋼(HRC50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(zhì)合金刀具相比，其切削速度甚至可提高一個(gè)數(shù)量級(jí)。

CBN含量高的PCBN刀具硬度高、耐磨性好、抗壓強(qiáng)度高及耐沖擊韌性好，其缺點(diǎn)是熱穩(wěn)定性差和化學(xué)惰性低，適用于耐熱合金、鑄鐵和鐵系燒結(jié)金屬的切削加工。復(fù)合PCBN刀具中CBN顆粒含量較低，采用陶瓷作豁結(jié)劑，其硬度較低，但彌補(bǔ)了前一種材料熱穩(wěn)定性差、化學(xué)惰性低的缺點(diǎn)，適用淬硬鋼的切削加工。

       在切削灰鑄鐵和淬硬鋼的應(yīng)用領(lǐng)域，陶瓷刀具和CBN刀具是可供同時(shí)選擇的，因此進(jìn)行成本效益和加工質(zhì)量分析是非常必要的，以確定哪一種材料更經(jīng)濟(jì)。通過分析在切削硬度低于HRC60以下和小進(jìn)給量情況下的工件，陶瓷刀具是較好的選擇。PCBN刀具適合于工件硬度高于HRC60情況，尤其是對(duì)于自動(dòng)化加工和高精度加工時(shí)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(yīng)力也比陶瓷刀具相對(duì)穩(wěn)定。

     使用PCBN刀具干式切削淬硬鋼還應(yīng)遵循以下原則：在機(jī)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，此外在小切深時(shí)還應(yīng)考慮采用PCBN刀具，導(dǎo)熱性差而使切削區(qū)熱量來不及擴(kuò)散，剪切區(qū)也能產(chǎn)生明顯的金屬軟化效應(yīng)，減小切削刃的磨損。

2) 刀片結(jié)構(gòu)及幾何參數(shù)確定

        刀片形狀及幾何參數(shù)的合理確定對(duì)充分發(fā)揮刀具切削性能是至關(guān)重要的。按刀具強(qiáng)度，各種刀片形狀的刀尖強(qiáng)度從高往低依次為：圓形、100°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(yīng)選用強(qiáng)度盡可能高的刀片形狀。硬車削刀片也應(yīng)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(shí)的刀尖半徑為0.8～1.2µm。

淬硬鋼切屑為紅而酥軟的鍛帶狀，脆性大、易折斷、不勃結(jié)，一般在切削表面不產(chǎn)生積屑瘤，加工的表面質(zhì)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(fù)前角(γ0≥-5°)和較大的后角(α0=10～15°)，主偏角取決于機(jī)床剛性，一般取45～60°，以減少工件和刀具顫振。

3) 切削參數(shù)的選擇

        工件材料硬度越高，其切削速度應(yīng)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(qiáng)烈斷續(xù)切削高硬度材料，切速應(yīng)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(shí)可選小的切削深度，但不能太小，要適宜。進(jìn)給量通常可以選擇0.05～0.25mm/r，具體數(shù)值視表面粗糙度數(shù)值和生產(chǎn)率要求而定。當(dāng)表面粗糙度為Ra0.3～0.6µm，硬車削比磨削經(jīng)濟(jì)得多。

4) 對(duì)工藝系統(tǒng)的要求

      除選擇合理的刀具外，硬車削對(duì)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(shí)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。人們普遍認(rèn)為，硬車削需要高剛性的車床，即硬車削的關(guān)鍵是機(jī)床具有足夠的剛性，同時(shí)刀具、工件、夾緊裝置結(jié)構(gòu)緊湊且具有同等的剛性。若工件在切削力作用下其定位、支承和旋轉(zhuǎn)可以保持相當(dāng)平穩(wěn)，現(xiàn)有的設(shè)備就可以用于硬車削。

3 硬車削技術(shù)的應(yīng)用

       硬車削技術(shù)經(jīng)過10年的發(fā)展及推廣應(yīng)用，獲得了巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。下面以軋輥加工等行業(yè)舉例說明硬車削技術(shù)在生產(chǎn)中的推廣應(yīng)用情況。

1) 軋輥加工行業(yè)

         國(guó)內(nèi)十幾家大型軋輥企業(yè)已使用硬車削技術(shù)對(duì)冷硬鑄鐵、淬硬鋼等各類軋輥進(jìn)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，取得了節(jié)約加工工時(shí)和電力50%～80%的顯著效益。如在武漢鋼鐵公司軋輥廠，對(duì)硬度HS60～80的冷硬鑄鐵軋輥粗車、半精車時(shí)，切削速度提高了3倍，每車一根軋輥，節(jié)約電力、工時(shí)費(fèi)400多元，節(jié)約刀具費(fèi)近100元，取得了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。如濰坊學(xué)院機(jī)電實(shí)驗(yàn)中心，用FD22金屬陶瓷刀具車削HRC58～63的86CrMoV7淬硬鋼軋輥時(shí)(v=60m/min,f=0.2mm/r，切削深度ap=0.8mm)，單刃連續(xù)切削軋輥路徑達(dá)15000m(VCmax=0.2mm)，滿足了以精車代磨削的要求。

2) 工業(yè)泵加工行業(yè)

       目前國(guó)內(nèi)碴漿泵生產(chǎn)廠的70%～80%已采用硬車削技術(shù)。碴漿泵廣泛應(yīng)用于礦山、電力等行業(yè)，是國(guó)內(nèi)外急需的產(chǎn)品，其護(hù)套、護(hù)板是硬度HRC6367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，然后再淬火加工的工藝。采用硬加工技術(shù)以后，順利解決了一次硬化加工問題，免除了退火再淬火2道工序，節(jié)約了大量工時(shí)和電力。

3) 汽車加工行業(yè)

        在汽車、拖拉機(jī)等大批量生產(chǎn)行業(yè)中的曲軸、凸輪軸及傳動(dòng)軸、刀量具行業(yè)及設(shè)備維修中經(jīng)常會(huì)碰到淬硬件的加工難題。如我國(guó)某機(jī)車車輛廠，在設(shè)備維修中需要對(duì)軸承內(nèi)圈進(jìn)行加工，軸承內(nèi)圈(材料GCr15)的硬度HRC60，內(nèi)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(gè)內(nèi)環(huán)。

4 結(jié)語

        經(jīng)過多年的研究和探索，我國(guó)硬車削技術(shù)取得了很大的進(jìn)展，但是，硬車削技術(shù)在生產(chǎn)中的應(yīng)用還不廣泛。主要原因有：(1)生產(chǎn)企業(yè)、操作者對(duì)硬車削的效果了解不夠，普遍認(rèn)為硬材料只能磨削；(2)認(rèn)為刀具成本太高。硬車削最初的刀具成本是比普通硬質(zhì)合金昂貴(如CBN比普通硬質(zhì)合金貴十多倍)，但其分?jǐn)傇诿總�(gè)零件上的成本比磨削低，且?guī)淼男Ч绕胀ㄓ操|(zhì)合金要好得多；(3)對(duì)硬車削加工機(jī)理研究不夠；(4)硬車削加工的規(guī)范不足以指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)踐。因此，除了對(duì)硬車削機(jī)理進(jìn)行深人研究外，必須加強(qiáng)硬車削加工知識(shí)的培訓(xùn)、成功經(jīng)驗(yàn)演示及嚴(yán)格操作規(guī)范，使這種高效、潔凈的加工方法更多地應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)際。目前，如果將硬車削與精磨結(jié)合起來，則加工一個(gè)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%。

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