軸承特種加工技術(shù):硬車削技術(shù)及其應(yīng)用

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)的效率、成本、能源消耗和環(huán)境保護(hù)。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(lái)越多地被采用，傳統(tǒng)的車削技術(shù)難以勝任或根本無(wú)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)
硬車削的定義
通常所說(shuō)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(shù)。淬硬鋼通常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。當(dāng)淬硬鋼的硬度 >55HRC時(shí)，其強(qiáng)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(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．硬車削代替磨削已成為可能，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(55～65HRC)進(jìn)行切削加工，其加工精度可達(dá)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(diǎn)
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(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，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(wú)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(lái)不利影響。因?yàn)?，硬車削是通過(guò)使剪切部分的材料退火變軟而形成切削的，若冷卻率過(guò)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1/3～1/2，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耍剛性好、定位精度和重復(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，車削裝夾快速，采用配有多種刀具轉(zhuǎn)盤或刀庫(kù)的現(xiàn)代CNC車床很容易實(shí)現(xiàn)兩種不同工件之問(wèn)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(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(dǎo)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(guò)程的摩擦和粘附作用，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(wú)論在強(qiáng)度、硬度和耐磨性方面均有了很大的提高。對(duì)干硬度在HRC45～55HRC之間的工件的車削，低成本的涂層硬質(zhì)合金可實(shí)現(xiàn)高速車削。近年來(lái)，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能有極大的提高。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，硬度高達(dá)4500 ～4900HV ，在車削溫度高達(dá)1500℃～1600℃時(shí)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(dá)47～52HRC 的模具鋼。
陶瓷材料
陶瓷刀具具有高硬度(91～95HRA)、高強(qiáng)度(抗彎強(qiáng)度為750～1000 MPa)、耐磨性好、化學(xué)穩(wěn)定性好、良好的抗粘結(jié)性能、摩擦系數(shù)低且價(jià)格低廉的特點(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(lái)通過(guò)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(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(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(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，采用陶瓷作粘結(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)惰性低的特點(diǎn)，適用于淬硬鋼的切削加工。
在切削灰鑄鐵和淬硬鋼的應(yīng)用領(lǐng)域，陶瓷刀具和CBN刀具是可同時(shí)選擇的，因此進(jìn)行成本效益和加工質(zhì)量分析非常必要，以確定哪一種材料更經(jīng)濟(jì)。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(shí)，Al2O3陶瓷的成本低于PCBN材料，陶瓷刀具具有良好的熱化學(xué)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(jìn)給量情況下的工件時(shí)，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(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，如圖2所示。 
 
圖1 切削灰鑄鐵時(shí)VB與切削時(shí)間的關(guān)系

 
圖2 陶瓷和PCBN刀具切削淬硬鋼的殘余應(yīng)力

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，在小切探時(shí)也應(yīng)盡可能采用PCBN刀具，因PcBN 刀具導(dǎo)熱性差而使得切削區(qū)熱量來(lái)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。
刀片結(jié)構(gòu)及幾何參教確定
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)度來(lái)說(shuō)，各種刀片形狀的刀尖強(qiáng)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(yīng)盡可能選用強(qiáng)度高的刀片形狀。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(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(go≥-5°)和較大的后角(ao=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。
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)功削高硬度材料，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)可選小的切削探度，但不能太小，要適宜。進(jìn)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(chǎn)率要求而定。當(dāng)表面粗糙度為Ra0.3～0.6µm時(shí)，硬車削比磨削經(jīng)濟(jì)的多。
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(wú)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?shī)A緊裝置和中等前角刀具。不過(guò)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(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(guò)十年的發(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。下面舉例說(shuō)明硬車削技術(shù)在軋輥加工等行業(yè)生產(chǎn)中的推廣應(yīng)用情況。
軋棍加工行業(yè)
國(guó)內(nèi)十兒家大型軋輥企業(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，節(jié)約加工工時(shí)和電力50%～80%。如在武漢鋼鐵公司軋輥廠，對(duì)硬度為60～80HS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。如我校機(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，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。
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 63～67HRC的 Cr15Mo3高硬鑄鐵件。過(guò)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(shù)以后，順利解決了一次硬化加工問(wèn)題，免除了退火再淬火兩道工序，節(jié)約了大量工時(shí)和電力。
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)的硬度為60HRC，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)圈。
4 結(jié)束語(yǔ)
經(jīng)過(guò)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。原因主要有以下幾個(gè)方面：(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 10多倍)，但其分?jǐn)傇诿總€(gè)零件上的成本比磨削低，日，帶來(lái)的效果比普通硬質(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。在目前，如果將硬車削與精磨結(jié)合起來(lái)，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%。