硬车削也许不如想象的难

林德军

　　硬车削的突出吸引力是消除了使用磨削操作的可能性，然而，有些工厂依然对重复车削45 Rc以上零件并达到磨削级别精度的工艺不太乐观。
5 q$ Q2 U5 N* S) S　　采用完全和谐的硬车削工艺可获得0.00011英寸的表面光洁度、0.000009英寸圆度和±0.0002英寸直径公差，这样的精度在对淬硬前工件进行“软车削”的相同机床上同样可以达到，从而最大限度地提高设备利用率。然而有些工厂最初失策地选用不合适的(确切地说是比较便宜的)刀片，另一些工厂也许对他们的机床是否具有很高的刚性、足以承受二倍于普通车削的压力没有把握。哈挺公司(Hardinge)的应用工程师Tom Sheehy讲述了该公司对于硬车削的一些建议和理解。以下是工厂认真评估硬车削时必须牢记的8个重要的过程因素。
　　1，工件—尽管45Rc材料是硬车削的起始点，但是硬车削经常在60 Rc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。根据冶金学的观点，在切深范围内硬度偏差小(小于2个Rc)的材料显示出最好的过程可预测性。有时，工件的尺寸或几何特征完全不适合于硬车削，最适合于硬车削的零件具有较小的长度/直径(L/D)比；一般说来，无支撑工件L/D之比不大于4:1，支撑工件L/D之比不大于8:1。尽管细长零件有尾架支撑着，但是切削压力过大仍有可能引起刀振。
　　2，机床—机床刚度决定硬车削的加工精度，最近15~20年内制造的机床几乎都有很好的刚性，足以对付某些硬车削用途。在许多情况下，机床的总体状况在更大程度上比使用年限更重要，维护精良的手动老车床甚至可以成为硬车削的候选对象。无论如何，由于对零件公差和表面光洁度要求越来越严格，机床刚度将不再是一个简单的问题。
0 v' V% C" C6 |9 d6 L/ Q! G: l5 Y　　为了给硬车削用途增加刚性和阻尼特性，哈挺将许多特征纳入了车削中心，其中包括聚合物复合材料增强机座、带弹簧夹头(使主轴支撑靠近工件)的直接配合式主轴和静压导轨。完全和谐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冗长的加工时间。
9 U2 K# N1 _2 b" A) y/ _  H　　系统刚性最大化意味着尽量减少一切悬空、刀具延伸和零件伸出，并取消调隙片和垫圈，其目标是保持一切物件尽可能地接近转塔刀架。
　　3，刀片—有些工厂最初对立方氮化硼(CBN)刀片的高昂价格望而却步，尽管CBN刀片是最适合于硬车削。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。当采用合适的硬车削工艺时，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小于±0.001英寸的操作。陶瓷不适合于断续切削，而且不应加冷却液，因为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，这一特点转化为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，它可能会使所有切削刃无一可用。
　　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那样的的耐磨性，好在刀片在大多数情况下会成比例地磨损而不断裂。
　　负前角刀片通常由于其结实的切削刃而得到利用。与之相反，正前角刀片由于其切削力比较小，才有可能用在刚性不高的机床上进行硬车削。
* D6 |5 f; c9 V+ k1 \: U$ E　　关于刀片的最好建议是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。
$ P5 g) v0 s" J2 g2 M2 r　　4，冷却液—关于冷却液的最大问题是究竟用不用冷却液。对于齿轮之类的断续切削零件来说，最好是“干运行”，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，刀头在干运行过程中产生的高温足以韧化(弄软)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。
, M: g8 Y/ a; x9 d; b" N　　在连续切削用途中，冷却液可能有助于延长刀具寿命和改进表面光洁度。问题的关键是要使冷却液能够到达刀头，高压冷却液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、妨碍冷却液流至刀头的机会。另一个办法是将冷却液同时释放到刀片的顶部和底部，确保冷却液连续到达刀头。
  v9 n: {# g0 s9 `9 Z0 ~9 e" e　　如果使用冷却液，它必须是水基的。在完全匹配的硬车削过程中形成的切屑，可以带走80~90%的热量(切削区域最高温度可达1,700°F)。如此炽热的切屑万一接触低燃点冷却油，整个工序完全有可能化为乌有。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，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。
3 `! M) R- V! B0 o4 t. O　　6，白化层—“白化层(热影响区)”可能令人讨厌地显露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1微米)的硬壳。在硬车削过程中形成白化层，一般是因为刀片钝化引起过多的热量传递到零件内。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。
" v, B! Y4 Q7 O8 `" D( m5 i　　轴承制造商几乎都自备试验手段，以便在这个方面处于领先地位。至于刚刚开始从事硬车削的工厂，建议在开始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。冶金公司有能力进行这些试验。即使一个刀片以能加工400个零件为标准，它也可能在加工300件后就变钝并且开始使零件产生白化层了。
　　7，镗孔—镗削淬硬材料需要很大的切削压力，因此往往会成倍地增加镗杆承受的扭力和切向力。采用正前角式35°或55°锐角、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。
+ k/ ?4 e! J4 l+ X3 |　　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使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，其次是弹簧夹头和单点螺丝夹头。
　　8，车螺纹—采用合适的刀片几何形状是在淬硬材料上车削螺纹的关键，最好的螺纹刀片之一是类似于镗杆上安装的三角形刀片。在正确的过程参数下，60°螺纹夹角和小刀尖半径是非常有效的。
　　在淬硬材料上车削螺纹时，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导致较长的刀具寿命。
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