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硬态车削技术的原理及应用硬态车削技术的原理及应用学生姓名：指导教师：所在院系：所学专业：硬态车削技术的原理及应用摘要硬态车削工艺是一种把车削作为淬硬钢工件的最终精加工工序的新工艺。由于具有良好的加工环保性和加工柔韧性，该工艺逐步取代磨削工艺成为模具钢的精加工工艺，它是具有广泛应用前景的先进加工技术。但硬态车削加工工艺中诸如刀具磨损、切削过程热流特性和已加工表面完整性的等方面的理论与技术还存在诸多没有彻底揭示之处。所以应该在上诉方面展开深入研究，以此促进此新兴工艺在实际加工中的应用。论述硬态车削工艺及其特点，提出硬态车削的关键技术，对硬态车削的应用进行分析和展望。关键词：硬态车削;淬硬钢;工艺硬态车削技术的原理及应用AbstractHard-turningisanewtechnologyof“replacinggrindingbyturning”forhardenedsteel.Hard-turningprocessingtechnologyhasgraduallybecomeahighstrengthsteelfinishingprocessandhasreplacedthegrindingprocessincertainoccasionsaswell,foritsgoodprocessingenvironmentalprotection,flexibleandprecision.Thus,thistechnologyisanadvancedprocessingtechnologywithwideapplicationprospects.Butmanyspecialturninglawofthehardturningprocessingtechnologystillneedtoexplore,especiallyturningtoolwearinturning,surfacequenchingeffect,processingsurfaceintegrityandotheraspectsofthetheoryandtechnologyneedasystemicresearch,whichcouldfurtherpromotetheadvancedtechnology.Themethodsanditstechnologicalcharacterofhard-turningarediscussed.Keytechnologyofhard-turningareputforward.Applicationsofhard-turningareanalyzedandprospected.Keywords:Hard-turning;hardenedsteel;technology硬态车削技术的原理及应用前言硬态车削是当今最富生气的切削技术之一。硬态车削具有很好的加工柔性、经济性和环保性能，在精加工过程中采用硬态切削是加工淬硬钢的最佳选择。硬态车削的已加工表面的变质层是伴随着硬态切削过程所形成的一种形态组织，硬度比基体更高，能够抵抗一般的腐蚀，尺寸较薄，难于准确分析其组织特征。它具有独特的磨损特性：一方面硬度高，耐蚀性好；另一方面又表现出较高的脆性，易引起早期剥落失效。淬硬钢是典型的耐磨和难加工材料，这类工件经淬火或低温去应力退火后硬度高达HRC50～60，广泛应用于制造各种对硬度和耐磨性要求较高的基础零部件，如轴承和齿轮等，淬硬零件的精加工工艺通常采用粗磨和精磨，但磨削工序加工效率低，砂轮及磨削液消耗量大、成本高、粉尘和废液污染程度严重，硬态车削是指把淬硬钢的车削加工作为半精加工或精加工的工艺方法，过去淬硬钢零件的精加工一直是采用磨削完成，由于一些超硬刀具的发展，解决了传统淬硬零件制造工艺与快速发展的市场需求之间的矛盾，使得更经济的切削加工淬硬钢成为可能。硬态车削技术的原理及应用硬态切削通常是指硬态车削。所谓硬态车削是指把淬硬钢的车削作为最终精加工工序的工艺方法。这样就省去了目前普通采用的磨削工序。淬硬钢通常是指淬火后具有马氏体组织、强度和硬度均很高、几乎无塑性的淬火钢。其硬度大于55HRC，强度=2100MPa～2600MPa。一般情况下，这类淬硬钢工件的粗加工是在淬火前进行的，淬火后进行精加工，精磨往往是最常用的传统精加工的工艺方法，但磨削加工投资大、效率低。人们一直期望一种理想的“以车代磨”的工艺方法。随着高硬刀具材料和相关技术的发展，人们目前已经可以采用PCBN刀具、陶瓷刀具或新型硬质合金刀具在车床或车削加工中心对淬硬钢进行车削，其精度和表面粗糙度几乎完全达到了精磨的水平。1.硬态车削的特点与磨削相比，硬态车削有如下特点：1.1加工效率高，经济效益好去除相同体积的金属时，硬态车削往往可以采用较大的切削深度和较高的转速，而磨削则只能采用小切深，否则容易产生磨削烧伤，径向分力大引起变形，故硬态车削的金属去除率可为磨削的3～4倍，能耗仅为磨削的1/5；车削一次装夹可完成多表面的加工(如外圆、内孔、端面、台阶、沟槽等)，磨削则不能，课件车削辅助时间短；在加工效率相同的情况下，车床投资仅为磨床的1/3～1/2，占地面积小，辅助系统费用也较低，加工效率高、经济效益好。1.2是一种洁净的加工工艺硬态车削所用的刀具，基本可不使用切削液，这样就节省了相关的切削液传输装置和处理装置，大大节省了投资费用；即便使用切削液，它的回收处理也比磨削容易得多。切削液中一般都含有毒有害物质，会对环境造成污染，也损害了操作者的健康。不使用切削液的硬态车削是一种洁净的加工工艺。1.3适合柔性加工要求工件在车床上的装夹迅速，特别是现代数控CNC车床和车削加工中心上都配有多种刀盘和刀库，很容易实现不同工件间的加工转换，更适应多变、短小类型工件加工的柔性化要求（多品种小批量、交货期短）。1.4可获得良好的整体加工精度和表面质量硬态车削技术的原理及应用工件安装次数的减少，可使工件得到较高的位置精度和圆度，车削不会引起表面烧伤和微裂纹。20世纪90年代以来，硬态车削的加工精度已经达到达IT5级（7～12），表面粗糙度Ra可达0.2～0.8。2.硬态车削的关键技术实施硬态车削工艺时，切削力大(特别是径向力比主切削力还大)、切削温度高、刀具使用寿命短，这就要求作为硬态车削的刀具耐热性和耐磨性应更好，机床工艺系统也要有足够的刚度。2.1刀具材料与几何参数能够作为硬态车削的刀具材料有立方氮化硼(CBN)，陶瓷和新型硬质合金。CBN具有很高的硬度和耐磨性，适合加工硬度大于HRC55的淬硬钢材料，因硬度大于55HRC切削温度可使工件软化到较易切削的程度；当加工硬度小于50HRC的材料时，由于易形成长条形切屑，造成刀具前刀面上的月牙洼磨损，有研究认为，此时的切削温度不足以使工件软化，从而缩短刀具寿命，增加刀具成本，故CBN不宜加工硬度小于50HRC的材料，但不同CBN的含量、粒度、结合剂及工艺条件下的CBN适用范围也不同。陶瓷刀具材料的成本低于CBN，且具有良好的化学热稳定性，但硬度和耐磨性不如CBN，对于硬度小于HRC50的淬硬钢工件选用陶瓷刀具更为合适。我国陶瓷刀具技术已较完善，刀片性能也较稳定、可靠，国产、陶瓷刀片已有近20个品种。新型硬质合金及涂层硬质合金刀具材料的抗弯强度和冲击韧性比CBN和陶瓷材料要高，价格又低，可用于加工硬度为HRC40～50的淬硬钢工件。刀片形状及刀具几何参数的选择合理与否，对充分发挥刀具的切削性能至关重要。从刀尖强度和散热情况来看，刀片形状性能的好坏依次为：圆形、菱形、正方形、菱形、三角形、菱形和菱形。对于各种材料的刀片来说，均应选择强度高、散热条件好的刀片形状和尽可能大的刀尖圆弧半径。刀具几何参数的主要特点是选择较大的负前角或预磨出负倒棱。硬态车削时刀具几何参数的特点是，要选择较大的负前角或预磨出负倒棱。通常情况下，～,～,～(工艺系统刚度好时取小值，反之取大值)，～,负倒棱宽度～,负倒棱前角～,～。2.2切削用量与切削条件切削用量选择得合理与否，对硬态车削效果影响很大。由于CBN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CBN刀具要大些，故用硬质合金刀具就不宜选用较高的切削速硬态车削技术的原理及应用度和切削深度。一般情况下硬态车削不用切削液.但有时对工件的加工精度和表面质量和刀具寿命有特殊要求时，也可使用水基切削液并采用连续均匀的冷却方式，避免刀片产生微裂纹。2.3对己加工表面完整性的深入研究由于切削加工过程中切削热的产生和传导、高速摩擦和磨损等因素都会对已加工表面造成一定程度的破坏，所以，用硬态切削取代磨削加工，需对工件的表面性能进行长期和深入的研究。硬态切削己加工表面的完整性主要包括：表层组织形态及硬度、表面粗糙度、残余应力的性质与分布、白层的状况等。3.硬态车削机床硬态车削与非淬硬钢车削相比，切削力增加30%-100%，切削所需功率增加1.5~2倍，所以硬态车削对机床提出了更高要求，如要求机床应具有高刚度、高转速和大功率等。刀具安装时的悬伸长度要尽量小，夹具采用刚性夹紧结构，工件的长径比不要大于6.机床本身的主轴系统除了要保证高刚度以外，还应具有高转速，以保证充分发挥CBN或陶瓷刀具的性能优势。但主轴的高转速，往往容易引起振动，为防止和消除振动包括夹具在内的整个主轴系统必须经过良好平衡，主轴的径向跳动和端面跳动都不得大于3µm。机床导轨的精度要高、直线性要好、间隙要小，特别不能有爬行现象；硬态车削对机床的另一要求是要有良好的热稳定性能，机床热变形量要在一定范围内，这样才能保证连续生产的加工精度要求。有时还需用温度补偿方法来解决。虽然普通车床也可以用来进行硬态车削，但终因整体性能不佳，故加工时必须降低切削用量。现有设备中，高刚度的数控机床CNC和车削加工中心更适合硬态车削。4.硬态车削的应用与展望事实证明，硬态车削比磨削可降低成本40%-60%。.德国汽车工业在加工曲轴、凸轮轴、摩擦盘等零件时均采用硬态车削代替磨削，收到了良好效果。如：加工100Cr6（德国DIN牌号，相当于中国的GCr15）的摩擦盘（60HRC～62HRC），加工时间减少了60%。美国用热压陶瓷刀片车淬硬钢轧辊（50HRC），车外圆、端面、切槽和成形表面等，其vc粗=137m∕min,vc精=198m∕min，f=0.13mm∕r～mm∕r,ap051～9,美国另一公司用CBN加工淬硬丝杠时间由原来的170h缩短为1.7h，提高功效近100倍。我国也有少数工厂在CNC车床上对淬硬薄壁套及各种齿轮内孔、端面进行硬态车削，也达到了磨削效果，对轴承环、合金钢轧辊、量刃具、轴类零件等加工也获得了良好效果。如：某机车车辆厂用YT726硬质合金车削GCr15（60HRC）的轴承内环（∅mm）,工时由120min减至45min，提高效率2.5倍。硬态车削虽有前途优点，且也有不少成功实例，但至今应用还不广泛，究其原因有下列几点：①要达到硬态车削的水平，机床、刀具、夹具及其加工工艺应有最佳组合，工件硬度和硬态车削技术的原理及应用余量应均匀；②对硬态车削效果宣传推广不够，很多人还不了解，观念陈旧；③认为刀具成本太高，不算综合成本（CBN的成本比硬质合金高很多倍，但均摊到每一个零件上的成本就低了，且带来的好处要多得多）；④对硬态车削机理研究不够；⑤硬态车削的加工数据尚无实际指导作用。总之，要马上完全进入硬态车削工艺并非易事，尚须一个缓慢的过渡过程，但以其鲜明的特点和优势必将成为切削加工领域中重要的发展方向之一，终究会有一天完全实现硬态车削。硬态车削技术的原理及应用参考文献[1]韩荣第.现代机械加工新技术[M].北京：电子工业出版社，2003.[2]刘志峰.硬车削及其加工技术[J].工具技术，1998（3）：9-12.