车削硬材料带来的挑战与机遇
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硬车不仅可用于零件的精加工,如加工轴承轴颈和座圈、刹车鼓和转子、气缸衬垫、齿轮和花键,也可用于这些零件磨削前的半精加工。如果正确应用,硬车就可达到微米级的精度。在很多应用案例中,硬车比外圆磨削的效率更高、成本更低。
硬车不仅可用于零件的精加工,如加工轴承轴颈和座圈、刹车鼓和转子、气缸衬垫、齿轮和花键,也可用于这些零件磨削前的半精加工。如果正确应用,硬车就可达到微米级的精度。在很多应用案例中,硬车比外圆磨削的效率更高、成本更低。
对硬车的定义因人而异。一些行业专家认为,单刃车削HRC58-68的淬硬钢为硬车;另一些专家则认为,车削HRC45以上的材料(包括硬铁和超合金)为硬车。但人们一致认为,只要使用正确的刀具、机床和工艺参数,车削硬材料所面临的困难就可迎刃而解。
图1 镗孔加工硬度达66HRC的超小零件,不使用PCBN刀具而使用了珩磨(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)

刀具选择

山高公司的教育和技术服务经理DonGraham指出,如果工艺系统的刚性足够并且使用正确的切削参数,可转位PCBN刀片通常是最佳选择。
PCBN刀片的初始切削线速度宜选为600sfm。推荐尽可能选择双面圆刀片,刀片磨损时可转位旋转继续使用。因视切削深度的不同,圆刀片的一个单面可转位使用10-20次。一些生产车间可能不接受PCBN圆刀片的高价格,可推荐带PCBN刀尖的刀片或使用山高的超硬质合金材质刀片。
Graham同时指出,山高公司的TH硬质合金可切削硬度达65HRC的材料。与PCBN不同的是,硬质合金可提供众多的刀片几何形状和断屑槽型,而且硬质合金不易断裂,在一些应用场合更适合使用。比如车削表面硬化的轴零件时,可能切到更软的材料层,会使刀具刃口迅速崩刃,这对PCBN刀片很不利。
图2 组合车削和磨削的立式车床(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)
尽管初看起来硬质合金刀片更便宜,但PCBN刀片的每刃口价格更具优势。Graham指出,PCBN刀片可能比硬质合金刀片贵10-25倍,但PCBN刀片的切削寿命是硬质合金刀片的50-100倍。除此之外,PCBN刀片还带来了更高的生产效率。因此,PCBN刀片才是硬车的优先选择。
可转位陶瓷刀片是另一选择。绿叶公司的应用工程师JackKohler指出,陶瓷刀具的价格已经降到PCBN和硬质合金刀具价格之间。在一些应用场合,陶瓷刀片可提供与PCBN相同或更好的切削性能。陶瓷刀具切削HRC50-65的材料时表现十分良好,切削速度可与PCBN刀具媲美。例如切削HRC55的A-2工具钢时,线速度可达700sfm,只是刀具寿命略低。
Kohler还指出,陶瓷刀具加工高温合金如Inconel 718和Hastelloy的使用量正在日益增加。但陶瓷刀具不能用于加工钛合金,因为陶瓷刀具的切削速度较高,切屑容易燃烧。不管切削何种金属,为了增加刃口强度和预防崩刃,陶瓷刀具的刃口处理通常为很小的倒圆或倒角,或为倒圆、倒角的组合。
陶瓷刀具加工硬材料时应采用干式切削。Kohler指出,对于大多数的淬硬钢加工,推荐使用绿叶公司的CVD涂层氮化硅材质WG-600,该材质是晶须增强材质WG-300的涂层版本。针对高性能的粗加工和断续切削,可选新设计的相变增韧陶瓷材质XSYTIN-1。

镗孔和外圆车削

对于硬车内圆和外圆的不同,一般的共识是不论材料硬度如何,镗孔比外圆车削更困难。相比外圆车刀,镗杆刚性更差,易造成振动和刀具弯曲。而且因为内孔空间狭小,排屑困难,还会导致内部冷却不充分和工件擦伤。此外,对于车削小尺寸零件内孔(如沉孔)时,要达到PCBN和陶瓷刀具要求的高切削速度也会更加困难。
专家公认的解决方法是尽量选用长径比(L:D)不超过4:1的镗杆。镗刀应位于孔的中心线上或略高一点(0.0003"),以抵消镗杆的变形。尽可能采用主偏角为90毅的刀具,使切削力方向与切削方向相反。
Horn USA公司的区域销售Mike Csizmar指出,内圆车削时常被忽略的因素是车削时的轴向、径向和切向分力;外圆车削时也是如此,镗孔时随着镗杆长径比L:D的增加,这些分力会更加明显地影响尺寸精度。如果可能,优选轴向(Z轴)分力切削。通过实践可知,切深应等于或大于刀尖半径,可有效地控制振动和尺寸精度,充分发挥刀具的切削效果。

提高精度

哈挺公司的应用工程经理Tom Sheehy指出,硬车几乎可在任何车床上进行,并带来许多好处。它可带来较低的设备投入、较少的工装和刀具库存、更快的生产周期和更大的工艺灵活性。但由于大部分的CNC车床不能达到外圆磨削机床的高尺寸和形位精度,因此很多生产车间仅在磨削前用硬车来半精加工零件。
图3 山高公司带PCBN材质刀尖的刀片车削零件(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)

CNC磨床通常用来实现1μm (0.00004")的圆度、±2.5μm (0.0001")的直径公差、8rm或更高的表面光洁度。Sheehy指出,CNC车床能与磨床竞争的唯一优势是CNC车床从设计开始就是为了用于硬车。
哈挺的超精密车床可提供0.1μm可编程分辨率,轴向误差通过电子方法得到补偿。机床内的所有接触面均由手工刮削,线性导轨和滚珠丝杠的尺寸也比较大,机床底座通过充满复合聚合物来减振。这样不仅可带来高精度、高刚性以取代磨削工艺,还可增加30%的硬车刀具寿命。
尽管机床拥有硬车能力,但一些零件并不适用于硬车。例如,轴承密封通常用磨削加工,可防止车削时刀尖形成的显微沟槽而导致漏液的可能性。

车磨组合机床

包括哈挺在内的一些机床制造商提供车磨组合机床,并对客户给出的零件提供可信赖的工艺建议。另一家机床制造商EMAG LLC USA也提供磨削和硬车的组合机床。该公司的销售总监Kirk Stewart认为,硬车提供了改进生产效率和零件质量的许多机遇,恰当的机床设计是成功的关键。
图4 用陶瓷刀片进行干式车削,车刀柄立式安装,使切削力向下进入机床的承载面(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)
Stewart指出,由磨削变为硬车的一个重大好处是减少了设备投资,但磨削也有其适用的地方。例如,高效率地同时磨削加工多个零件的特征,非常适用于大批量生产。因此,在大批量的生产环境中,当只有一两个零件需要精加工时,硬车或是一种节省资金投入的好工艺。
换言之,具有车磨组合配置的结构设计(如EMAG公司的机床),对中等批量的生产具有非常大的吸引力。

原载:《工具展望》2017年第3期
上载于:2017-9-14 10:46:00

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