浅谈车削加工的新工艺硬车技术

浅谈车削加工的新工艺——硬车技术-1-目录一．什么是硬车技术‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥2二、硬车技术的特点‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥31、硬车削加工效率高‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥32、硬车削是洁净加工工艺‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥33、设备投资少，适合柔性生产要求‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥34、硬车削可使零件获得良好的整体加工精度‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥3三、硬车削的技术要求‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥41、工件和刀具‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥42、机床和工艺系统‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥43、刀片‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥54、冷却液‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥55、加工工艺‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥66、白化层‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥67、镗孔‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥68、车螺纹‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥7四、硬车削的应用‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥71、切削用量与切削条件‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥72、加工零件及工艺参数‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥7五、硬车削的发展‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥8参考文献‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥9-2-【摘要】车削加工是机械制造业中最基本、最广泛、最重要的一种工艺方法，它直接影响生产的质量、效率、成本、能源消耗和环境保护。由于现代科学技术的发展，各种高强度、高硬度的工程材料越来越多地被采用，传统的车削技术难以胜任或根本无法实现对某些高强度、高硬度材料的加工，而现代的硬车削技术使之成为可能，并在生产中取得明显效益。硬车削是指把淬硬钢的车削作为最终加工或精加工的工艺方法，从而更容易控制切削用量，增加切屑去除量，可同时进行内孔和外圆切削，完成复杂外形工件的加工。纵观工件加工过程，硬车技术削减了部分磨削工艺，而且在工件和刀具的安装上可节省340％时间，加工周期时间节省达575％。【关键词】：硬车削新工艺高效在车削加工领域，对于复杂零件的和难加工材料的车削，一直是车削加工中困扰的难题。随着高硬度切削材料和相关机床的发展，立方氮化硼刀具、陶瓷刀具及新型硬质合金刀具在新型车床或车削加工中心上的应用，对淬硬钢、高温合金的车削不再是难题，其加工质量可以达到精磨的水平。在发达国家硬车技术已被普遍应用于各种零件加工，大多数硬车技术的应用已成功替代了磨削。一、什么是硬车技术一般情况下，车削只是淬火前进行的粗加工。直到20世纪90年代前，淬火后的精加工还只能采用磨削工艺，而车削也只能加工硬度值低于55HRC的工件。硬车技术，简称硬车削（即以车代磨）。通常所说的硬车削是指把悴硬钢的车削作为最终加工或精加工的工艺方法，以替代目前普遍采用的磨削技术。淬硬钢通常指淬火后具有马氏体组织，硬度高，强度也高，几乎没有塑性的工件材料。当淬硬钢的硬度55HRC时，其强度sb约为2100～2600N/mm2。利用多晶立方氮化硼(PCBN)刀具、陶瓷刀具或涂层硬质合金刀具等在车床或车削加工中心上采用硬车削对淬硬钢(55～65HRC)进行加工，其加工精度可达IT5，表面粗糙度Ra≤0.4μm。-3-二、硬车技术的特点1、硬车削加工效率高硬车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。硬车削往往采用大切削深度和较高的工件转速，其金属切除率通常是磨削加工的3～4倍。硬车削加工时一次装夹即可完成多种表面加工(如车外圆、车内孔、车槽等)，而磨削则需要多次装夹。因此，硬车削的辅助时间短，加工表面之间位置精度高。2、硬车削是洁净加工工艺大多数情况下，硬车削无须冷却液。事实上，使用冷却液会给刀具寿命和表面质量带来不利影响。因为，硬车削是通过使剪切部分的材料退火变软而实现切削的。而在使用冷却液的加工工艺过程中，若冷却率过高，就会减小由切削力而产生的这种效果，从而加快机械磨损，缩短刀具寿命。同时硬车削可省去相关的冷却液配套装置，从而降低生产成本，简化生产系统，形成的切屑干净清洁，易于回收处理容易。3、设备投资少，适合柔性生产要求在生产率相同时，车床投资是磨床的1/3～1/2，其辅助系统费用也低。对于小批量生产而言，硬车削不需特殊设备，而大批量加工高精度零件则需耍使用刚性好、定位精度和重复定位精度高的数控机床。车床本身就是一种加工范围广的柔性加工方法，车削装夹快速，采用配有多种刀具转盘或刀库的现代CNC车床很容易实现两种不同工件之间的加工转换，硬车削尤其适合此类加工。因此，与磨削相比，硬车削能更好地适应柔性化生产要求。4、硬车削可使零件获得良好的整体加工精度硬车削过程中产生的大部分热量能被切屑带走，不会产生象磨削加工过程中出现的表面烧伤和裂纹，具有优良的表面加工质量，有精确的加工圆度，确保加工表面之间较高的位置精度。-4-三、硬车削的技术要求硬车削的目标是随切屑带走至少80％的热量，以保持零件的热稳定性。合理的硬车削系统可以减少甚至省去磨削以及与之相关的高昂的刀具成本和较长的加工时间。采用合理的硬车削工艺可获得0.0028μm的表面光洁度、0.0002μm的圆度和±0.005μm的直径公差。要想这样的精度在对淬硬前工件进行“软车削”的相同机床上达到这样的精车，从而最大限度地提高设备利用率不是不可以实现的。但由于某些工厂错误地选用了刀片（确切地说是选用了廉价刀片），或不清楚所用机床是否具有足够的刚性以承受二倍于普通车削的压力，从而使得硬车削工艺没有充分地、完全地发挥出其高率。因此，硬车削时须注重以下8个方面：1、工件和刀具尽管45HRC硬度是硬车削的起始点，但硬车削经常在硬度高于60HRC以上硬度的工件上进行。硬车削材料通常包括工具钢、轴承钢、渗碳钢以及铬镍铁合金、耐蚀耐热镍基合金、钨铬钴合金等特殊材料。根据冶金学，在切深范围内硬度偏差小（小于2个HRC）的材料可显示出最好的过程可预测性。最适合于硬车削的零件具有较小的长径比（L/D），一般来说，无支撑工件的L/D之比不大于4:1，有支撑工件的L/D之比不大于8:1。尽管细长零件有尾架支撑，但是由于切削压力过大仍有可能引起刀振。在传统刀具制造中，刀柄材料通常是45钢调质到HB210-240，而在硬车削工艺中采用的刀柄硬度应提高1.5倍。为了最大限度地增加硬车削的系统刚性，刀具伸出长度不得大于刀杆高度的1.5倍，工件在装夹时也应尽量减小悬伸长度。2、机床和工艺系统除选择合理的刀具外，机床刚度决定了硬车削的加工精度。近15～20年内制造的机床几乎都有很好的刚性，足以承受硬车削。若车床或车削中心刚度足够，且加工软的工件时能得到所要求的精度和表面粗糙度，即可用于淬硬钢的加工，精心维护的普通车床都可以用于硬车削。为了保证车削操作的平稳和连续，常用的方法是采用刚性夹紧装置和中等前角刀具。并保证工件在切削力作用下其定位、支承和旋转可以保持相当平稳。-5-系统刚性最大化意味着尽量减少悬空、刀具延伸和零件伸出，并取消调隙片和垫圈，其目标是保持所有零部件尽可能地接近转塔刀架。3、刀片尽管立方氮化硼（CBN）刀片的价格昂贵，但CBN刀片最适合于硬车削。CBN刀片能够在断续切削过程中保持定位不变，在连续切削过程中提供安全的刀具磨损率。当采用合理的硬车削工艺时，CBN刀片除了在控制直径公差方面比不上磨削以外，其它性能都是首屈一指的。陶瓷不如CBN耐磨，因此一般不用于公差要求小于±0.025mm的加工。陶瓷不适合于断续切削，而且不能加冷却液，因为冷热冲击可能造成刀片破裂。刀片的钝缘几何形状是陶瓷材料的固有特点，这一特点使切削力增大而工件表面光洁度下降。另外，陶瓷刀片刃口断裂可能是灾难性的，它可能导致所有切削刃均不能使用。金属陶瓷（立方碳化钛）对连续切削渗碳硬化材料很有效，尽管它不具备CBN那样的耐磨性，但这类刀片在大多数情况下会成比例地磨损而不断裂。正前角刀片由于其切削力较小，通常用在刚性不高的机床上进行硬车削。关于刀片的最合理应用，建议与刀具供应商密切合作，特别是在最初阶段，以迅速达到最佳切削速度。4、冷却液其最大问题是用还是不用冷却液。对于齿轮之类的断续切削零件来说，最好采用“干车削”，否则进刀和退刀时的热冲击很可能引起刀片破裂。至于连续切削，刀头在干车削过程中产生的高温足以韧化（软化）预切削区域，从而降低材料硬度使之易于剪切。这个现象说明了干切削时增大速度是有益的。同时，无冷却液切削方式具有明显的成本优势。在连续切削中，冷却液可能有助于延长刀具寿命和提高表面光洁度。问题的关键是要使冷却液能够到达刀头，高压喷吸冷却法是解决这个问题的最好办法，因为它不容易在高温下蒸发。此外，高压可以减少切屑堆积，从而减少因为切屑阻塞对冷却液流至刀头的影响。另一个办法是将冷却液同时喷压到刀片的顶部和底部，以确保冷却液连续到达刀头。如果使用冷却液，其成份必须是水基的。在完全匹配的硬车削过程中形成的切屑可以带-6-走80％～90％的热量（切削区域最高温度可达1700°F）。如此炽热的切屑一旦接触低燃点冷却油，整个工序将有可能遭到彻底破坏。如果在敞开式机床上进行硬车削，必须增加适当的保护装置，避免操作人员被切屑烫伤。5、加工工艺因为硬车削产生的热量大部分由切屑带走，加工前后对切屑进行检查可以发现整个过程是否协调。连续切削时，切屑应该呈炽燃的橙黄色，并象一根缎带似地飘逸而出。如果切屑冷却后用手一压基本断裂，表明切屑带走的热量是正常的。6、白化层令人讨厌的“白化层（热影响区）”可能出现在硬车削和磨削操作中，即在材料表面形成一层肉眼看不见的非常薄（通常1μm）的硬壳。在硬车削过程中形成白化层，一般是因为刀片钝化导致过多的热量传递到零件内部。白化层经常在轴承钢上形成，而且对于轴承圈之类需要承受高接触压力的零件是非常有害的，随着时间的推移，白化层可能剥离并导致轴承失效。对于刚开始从事硬车削的工厂，建议在生产的头几周内进行随机抽查，以确定每个刀片能够车削多少零件而不形成白化层。另外，一个刀片即使可加工400个零件，也有可能在加工300件后就变钝并且开始使零件表面产生白化层。7、镗孔镗削淬硬材料需要很大的切削压力，因此往往需成倍增加镗杆承受的扭力和切向力。采用正前角（35°或55°）、小刀尖半径刀片可以减小切削压力。在增加切削速度的同时减小切深和进刀速度，也是减小切削压力的办法。镗孔时，刀具必须与零件同心或略高于零件中心，因为切削引起的挠曲变形会降低实际中心线的位置降低了。最好的夹紧形式是全长度对开套筒。在镗削淬硬材料时，全长度对开套筒夹头可提供最高的刀夹刚度。其次是弹簧夹头和单点螺丝夹头。-7-8、车螺纹采用合适的刀片几何形状是在淬硬材料上车螺纹的关键，最好的螺纹刀片是类似于镗杆上安装的三角形刀片。在淬硬材料上车螺纹时，为了控制切削压力和延长刀片寿命，有必要增加走刀次数并减小切深。另一种选择是采用交替式侧面切入方式，可改变切削力承受位置并延长刀具寿命。四、硬车削的应用1、切削用量与切削条件切削用量选择是否合理，对硬车削影响很大！工件材料硬度越高，其切削速度应越小。硬车削精加工合适的切削速度为50～200m/min，常用范围为100～150m/min。当采用大切深或断续切削时，切速应保持在50～100m/min，通常切深为0.1～0.3mm；当加工表面粗糙度要求高时，可选小的切削深度，进给量通常选择0.025～0.25mm/r，视具体根据表面粗糙度数值和生产率要求而定。由于PCBN和陶瓷刀具材料的耐热性和耐磨性好，可选用较高的切削速度和较大的切削深度以及较小的进给量。而切削用量对硬质合金刀具磨损的影响比对PCBN刀具的影响要大，故用硬质合金刀具就不宜选用较高的切削速度和切削深度。2、加工零件及工艺参数示例中的公司加工零件为一件轴承套，原来最后工序都是采用磨削的方式进行，由下图可见此零件需要加工中孔和端面。工艺为：机加工－热处理－磨削。采用磨削时，先