硬车削加工的特点及应用研究

魔神

    前言

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，它直接影响生产效率、成本、能源消耗和环境污染。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。

1 硬车削及其特点

1. 硬车削的定义
   通常所说的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，这样可以避免目前普遍采用的磨削技术。淬硬钢通常是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，硬度HRC>55时，其强度s_b=2100～2600MPa。通常，工件在热处理淬硬之前就已完成粗加工，只有精加工在淬硬状态下进行。精磨是精加工最常用的加工工艺，但其加工范围窄、投资大、生产效率低，易造成环境污染，一直困扰着淬硬钢的经济有效加工。随着加工技术的发展，硬车削代替磨削成为可能，并在生产中取得明显效益。目前采用多晶立方氮化硼(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对淬硬钢(硬度HRC55～65)进行切削加工，其加工精度可达5～10µm，表面粗糙度均方根值平均小于20µm。
2. 硬车削的特点
   1. 加工效率高
      硬车削具有比磨削更高的加工效率，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、高的工件转速，其金属切除率通常是磨削加工的3～4倍。车削加工时一次装夹可完成多种表面加工(如车外圆、车内孔、车槽等)，而磨削则需要多次安装，因此，其辅助时间短，表面间位置精度高。
   2. 硬车削是洁净加工工艺
      在大多数情况下，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形成切削的，若冷却率过高，就会减小由切削力而产生的这种效果，从而加大机械磨损，缩短刀具寿命。同时硬车削可省去与冷却液有关的装置，降低生产成本，简化生产系统，形成的切屑干净清洁，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1/3～1/20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要刚性好、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，工件装夹快速，采用配有多种刀具转盘或刀库的现代CNC车床很容易实现2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
      硬车削中生产的大部分热量被切屑带走，不会产生像磨削加工的表面烧伤和裂纹，具有优良的加工表面质量，有精确的加工圆度，能保证加工表面之间高的位置精度。

2 硬车削加工的条件

1. 硬车削的刀具材料及其选用
   1. 涂层硬质合金
      涂层硬质合金刀具是在韧性较好的硬质合金刀具上涂覆一层或多层耐磨性好的TiN、TiCN、TiAlN和Al₂O₃等，涂层的厚度为2～18µm，涂层通常起到以下2方面的作用：①具有比刀具基体和工件材料低得多的热传导系数，减弱了刀具基体的热作用；②能够有效地改善切削过程的摩擦和勃附作用，降低切削热的生成。涂层硬质合金刀具与硬质合金刀具相比，无论在强度、硬度和耐磨性方面均有了很大的提高。对于硬度在HRC45～55工件的车削，低成本的涂层硬质合金刀具可实现高速车削。近年来，一些厂家靠改进涂层材料与比例的方法，也使得涂层刀具的性质有极大的提高。如美国、日本一些厂家采用瑞士AlTiN涂层材料和新涂层专利技术生产的刀片，HV硬度高达4500～4900，在车削温度高达1500～1600℃时仍然硬度不降低、不氧化，刀片寿命为一般涂层刀片的4倍，而成本只为50%，且附着力好。它可以在498.56m/min的速度加工硬度HRC47～52的模具钢。
   2. 陶瓷材料
      陶瓷刀具具有高硬度(硬度HRA91～95)、高强度(抗弯强度为750～1000MPa)、耐磨性好、化学稳定性好、良好的抗赫结性能、摩擦系数低且价格低廉等特点。使用正常时，耐用度极高，车速可比硬质合金提高2～5倍，特别适合高硬度材料加工、精加工以及高速加工，可加工硬度HRC62的各类淬硬钢和硬化铸铁。常用的有氧化铝基陶瓷、氮化硅基陶瓷、金属陶瓷和晶须增韧陶瓷。近年来通过大量的研究、改进和采用新的制作工艺，陶瓷材料的抗弯强度和韧性均有了很大的提高，如日本三菱金属公司开发的新型金属陶瓷NX2525及瑞典山特维克公司开发的金属陶瓷刀片新品CT系列和涂层金属陶瓷刀片系列，其晶粒组织的直径细小至1µm以下，抗弯强度和耐磨性均远高于普通的金属陶瓷，大大拓宽了陶瓷材料的应用范围。清华大学研制成功的氮化硅陶瓷材料刀具也达到了国际先进水平。
   3. CBN
      CBN的硬度和耐磨性仅次于金刚石，有极好的高温硬度，与陶瓷刀具相比，其耐热性和化学稳定性稍差，但冲击强度和抗破碎性能较好。它广泛适用于淬硬钢(HRC50以上)、珠光体灰铸铁、冷硬铸铁和高温合金等的切削加工，与硬质合金刀具相比，其切削速度甚至可提高一个数量级。
      CBN含量高的PCBN刀具硬度高、耐磨性好、抗压强度高及耐冲击韧性好，其缺点是热稳定性差和化学惰性低，适用于耐热合金、铸铁和铁系烧结金属的切削加工。复合PCBN刀具中CBN颗粒含量较低，采用陶瓷作豁结剂，其硬度较低，但弥补了前一种材料热稳定性差、化学惰性低的缺点，适用淬硬钢的切削加工。
      在切削灰铸铁和淬硬钢的应用领域，陶瓷刀具和CBN刀具是可供同时选择的，因此进行成本效益和加工质量分析是非常必要的，以确定哪一种材料更经济。通过分析在切削硬度低于HRC60以下和小进给量情况下的工件，陶瓷刀具是较好的选择。PCBN刀具适合于工件硬度高于HRC60情况，尤其是对于自动化加工和高精度加工时更为重要。除此之外，在相同后刀面磨损情况下，PCBN刀具切削后的工件表面残余应力也比陶瓷刀具相对稳定。
      使用PCBN刀具干式切削淬硬钢还应遵循以下原则：在机床刚性允许条件下尽可能选择大切深，这样切削区生成的热量使得刃前区金属局部软化，能有效降低PCBN刀具的磨损，此外在小切深时还应考虑采用PCBN刀具，导热性差而使切削区热量来不及扩散，剪切区也能产生明显的金属软化效应，减小切削刃的磨损。
2. 刀片结构及几何参数确定
   刀片形状及几何参数的合理确定对充分发挥刀具切削性能是至关重要的。按刀具强度，各种刀片形状的刀尖强度从高往低依次为：圆形、100°菱形、正方形、80°菱形、三角形、55°菱形、35°菱形。刀片材料选定后，应选用强度尽可能高的刀片形状。硬车削刀片也应选择尽可能大的刀尖圆弧半径，用圆形及大半径刀片粗加工，精加工时的刀尖半径为0.8～1.2µm。
   淬硬钢切屑为红而酥软的锻带状，脆性大、易折断、不勃结，一般在切削表面不产生积屑瘤，加工的表面质量高，但淬硬钢切削力比较大，特别是径向切削力比主切削力还要大，所以刀具宜采用负前角(g₀≥-5°)和较大的后角(a₀=10～15°)，主偏角取决于机床刚性，一般取45～60°，以减少工件和刀具颤振。
3. 切削参数的选择
   工件材料硬度越高，其切削速度应越小。硬车削精加工的适宜切削速度为80～200m/min，常用范围为10～150m/min，采用大切深或强烈断续切削高硬度材料，切速应保持在80～100m/min。一般情况下，切深为0.1～0.3mm。加工表面粗糙度，要求高时可选小的切削深度，但不能太小，要适宜。进给量通常可以选择0.05～0.25mm/r，具体数值视表面粗糙度数值和生产率要求而定。当表面粗糙度为R_a0.3～0.6µm，硬车削比磨削经济得多。
4. 对工艺系统的要求
   除选择合理的刀具外，硬车削对车床或车削中心并无特殊要求，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。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。人们普遍认为，硬车削需要高刚性的车床，即硬车削的关键是机床具有足够的刚性，同时刀具、工件、夹紧装置结构紧凑且具有同等的刚性。若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，现有的设备就可以用于硬车削。

3 硬车削技术的应用

硬车削技术经过10年的发展及推广应用，获得了巨大的经济效益和社会效益。下面以轧辊加工等行业举例说明硬车削技术在生产中的推广应用情况。

1. 轧辊加工行业
   国内十几家大型轧辊企业已使用硬车削技术对冷硬铸铁、淬硬钢等各类轧辊进行荒车、粗车和精车等切削加工，均取得了良好的效益。平均提高加工效率2～6倍，取得了节约加工工时和电力50%～80%的显著效益。如在武汉钢铁公司轧辊厂，对硬度HS60～80的冷硬铸铁轧辊粗车、半精车时，切削速度提高了3倍，每车一根轧辊，节约电力、工时费400多元，节约刀具费近100元，取得了巨大的经济效益。如潍坊学院机电实验中心，用FD22金属陶瓷刀具车削HRC58～63的86CrMoV7淬硬钢轧辊时(v=60m/min,f=0.2mm/r，切削深度a_p=0.8mm)，单刃连续切削轧辊路径达15000m(V_Cmax=0.2mm)，满足了以精车代磨削的要求。
2. 工业泵加工行业
   目前国内碴浆泵生产厂的70%～80%已采用硬车削技术。碴浆泵广泛应用于矿山、电力等行业，是国内外急需的产品，其护套、护板是硬度HRC6367的Cr15Mo3高硬铸铁件。过去由于各种刀具难以车削它，所以只得采用退火软化后粗加工，然后再淬火加工的工艺。采用硬加工技术以后，顺利解决了一次硬化加工问题，免除了退火再淬火2道工序，节约了大量工时和电力。
3. 汽车加工行业
   在汽车、拖拉机等大批量生产行业中的曲轴、凸轮轴及传动轴、刀量具行业及设备维修中经常会碰到淬硬件的加工难题。如我国某机车车辆厂，在设备维修中需要对轴承内圈进行加工，轴承内圈(材料GCr15)的硬度HRC60，内圈直径为285mm，采用磨削工艺，磨削余量不均匀，需2h才能磨好；而采用硬车削加工，仅用45min就加工好一个内环。

4 结语

经过多年的研究和探索，我国硬车削技术取得了很大的进展，但是，硬车削技术在生产中的应用还不广泛。主要原因有：(1)生产企业、操作者对硬车削的效果了解不够，普遍认为硬材料只能磨削；(2)认为刀具成本太高。硬车削最初的刀具成本是比普通硬质合金昂贵(如CBN比普通硬质合金贵十多倍)，但其分摊在每个零件上的成本比磨削低，且带来的效果比普通硬质合金要好得多；(3)对硬车削加工机理研究不够；(4)硬车削加工的规范不足以指导生产实践。因此，除了对硬车削机理进行深人研究外，必须加强硬车削加工知识的培训、成功经验演示及严格操作规范，使这种高效、洁净的加工方法更多地应用于生产实际。目前，如果将硬车削与精磨结合起来，则加工一个一般零件所花的成本将比磨床上完成粗加工和精加工所花成本降低40%～60%。