替代磨削：經(jīng)濟(jì)性好的硬車(chē)刀具和技術(shù)

     用在汽車(chē)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(chē)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(chē)刀片完成硬度在洛氏45到68范圍材料的硬車(chē)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(xiāo)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(chē)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(chē)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�?chē)削的經(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(chē)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(chē)床的投資大得多，CNC車(chē)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(chē)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(chē)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(chē)削應(yīng)用里甚至不需要冷卻液。  
        因?yàn)橛曹?chē)削通過(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(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。雖然工藝有小切深小進(jìn)給組成，對(duì)于傳統(tǒng)硬車(chē)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(chē)（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(chē)削能獲得比磨削更好的表面光潔度。實(shí)際上硬車(chē)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(chē)零件綜合表面完整性的爭(zhēng)論。  
       硬車(chē)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(chē)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(chē)零件的‘未知’表面完整性還引起某些不情愿把硬車(chē)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(chē)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(chē)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(chē)成為可能。插車(chē)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(chē)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(chē)削零件的最關(guān)鍵的特性是尺寸（直徑）、圓度、直線(xiàn)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(chē)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(xiàn)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(chē)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(chē)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(chē)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(chē)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(chē)都在表面產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力，但是在插車(chē)零件上其影響區(qū)的厚度顯然更薄。  
   還發(fā)現(xiàn)插車(chē)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(chē)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(mǎn)足表面光潔度和完整性要求能力的問(wèn)題的回答，硬車(chē)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。