硬車削

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，無論在強(qiáng)度、硬度和耐磨性方面均有了很大的提高。對干硬度在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，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、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。近年來通過大量的研究、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)。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穩(wěn)定。

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)度來說，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。

對工藝系統(tǒng)的要求

除選擇合理的刀具外，硬車削對車床或車削中心并無特殊要求，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夾緊裝置和中等前角刀具。不過人們普遍認(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 。

硬車削技術(shù)經(jīng)過十年的發(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)

國內(nèi)十兒家大型軋輥企業(yè)已使用硬車削技術(shù)對冷硬鑄鐵、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)

國內(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。如我國某機(jī)車車輛廠，在設(shè)備維修中需要對軸承內(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 。

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越多地被采用，傳統(tǒng)的車削技術(shù)難以勝任或根本無法實(shí)現(xiàn)對某些高強(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。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。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淬硬鋼(55～65HRC)進(jìn)行切削加工 。

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)量帶來不利影響。因?yàn)?，硬車削是通過使剪切部分的材料退火變軟而形成切削的，若冷卻率過高，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)盤或刀庫的現(xiàn)代CNC車床很容易實(shí)現(xiàn)兩種不同工件之問的加工轉(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 。

經(jīng)過多年的研究和探索，我國硬車削技術(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，帶來的效果比普通硬質(zhì)合金要好得多；

(3)對硬車削加工機(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，除了對硬車削機(jī)理進(jìn)行深入研究外，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。如果將硬車削與精磨結(jié)合起來，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% 。

首先合理的硬車削系統(tǒng)可以減少甚至省去磨削以及與之相關(guān)的高昂的刀具成本和太長的加工時(shí)間。采用合理的硬車削工藝可獲得0.0028mm表面光潔度、0.0002mm圓度和±0.005mm直徑公差，硬車削的目標(biāo)是隨切屑帶走至少80%熱量。這樣的精度在對淬硬前工件進(jìn)行“軟車削”相同機(jī)床上同樣可以達(dá)到從而最大限度地提高了設(shè)備利用率。但有些工廠由于錯(cuò)誤地選用了刀片或不清楚所用機(jī)床是否具有足夠的剛性以承受二倍于普通車削的壓力，從而使得硬車削工藝沒有充分發(fā)揮出其高效應(yīng)。

1．冷卻液

其最大問題是用還是不用冷卻液。對于齒輪之類的斷續(xù)切削零件來說，最好采用“干車削”，否則進(jìn)刀和退刀時(shí)的熱沖擊很可能引起刀片破裂。至于連續(xù)切削，刀頭在干車削過程中產(chǎn)生的高溫足以韌化（軟化）預(yù)切削區(qū)域，從而降低材料硬度使之易于剪切。這個(gè)現(xiàn)象說明了干切削時(shí)增大速度是有益的。同時(shí)，無冷卻液切削方式具有明顯的成本優(yōu)勢。

在連續(xù)切削中，冷卻液可能有助于延長刀具壽命和提高表面光潔度。問題的關(guān)鍵是要使冷卻液能夠到達(dá)刀頭，高壓冷卻液是解決這個(gè)問題的最好辦法，因?yàn)樗蝗菀自诟邷叵抡舭l(fā)。此外，高壓可以減少切屑堆積，從而減少因?yàn)榍行甲枞麑鋮s液流至刀頭的影響。另一個(gè)辦法是將冷卻液同時(shí)釋放到刀片的頂部和底部，以確保冷卻液連續(xù)到達(dá)刀頭。 如果使用冷卻液，必須是水基的。在完全匹配的硬車削過程中形成的切屑可以帶走80%～90%的熱量（切削區(qū)域最高溫度可達(dá)1700°F）。如此熾熱的切屑一旦接觸低燃點(diǎn)冷卻油，整個(gè)工序?qū)⒂锌赡茉獾綇氐灼茐摹Ｈ绻诔ㄩ_式機(jī)床上進(jìn)行硬車削，必須增加適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)裝置，避免操作人員被切屑燙傷。

2．白化層

“白化層（熱影響區(qū)）”可能令人討厭地出現(xiàn)在硬車削和磨削操作中，即在材料表面形成一層肉眼看不見的非常薄（通常1μm）的硬殼。在硬車削過程中形成白化層，一般是因?yàn)榈镀g化導(dǎo)致過多的熱量傳遞到零件內(nèi)。白化層經(jīng)常在軸承鋼上形成，而且對于軸承圈之類需要承受高接觸壓力的零件是非常有害的，隨著時(shí)間的推移，白化層可能剝離并導(dǎo)致軸承失效。

對于剛開始從事硬車削的工廠，建議在生產(chǎn)的頭幾周內(nèi)進(jìn)行隨機(jī)抽查，以確定每個(gè)刀片能夠車削多少零件而不形成白化層。另外，一個(gè)刀片即使可加工400個(gè)零件，也有可能在加工300件后就變鈍并且開始使零件產(chǎn)生白化層。

3．機(jī)床

機(jī)床剛度決定了硬車削的加工精度。近15～20年內(nèi)制造的機(jī)床幾乎都有很好的剛性，足以承受硬車削。在許多情況下，機(jī)床的總體狀況很大程度上比使用年限更重要，精心維護(hù)的普通車床也可以用于硬車削。

為了給硬車削機(jī)床增加剛性和阻尼特性，哈挺將許多先進(jìn)機(jī)床的特性用于了車削中心，其中包括聚合物復(fù)合材料增強(qiáng)機(jī)座、帶彈簧夾頭（使主軸支撐靠近工件）的直接配合式主軸和靜壓導(dǎo)軌。

系統(tǒng)剛性最大化意味著盡量減少懸空、刀具延伸和零件伸出，并取消調(diào)隙片和墊圈，其目標(biāo)是保持所有零部件盡可能地接近轉(zhuǎn)塔刀架。

4．車螺紋

采用合適的刀片幾何形狀是在淬硬材料上車螺紋的關(guān)鍵，最好的螺紋刀片是類似于鏜桿上安裝的三角形刀片。在淬硬材料上車螺紋時(shí)，為了控制切削壓力和延長刀片壽命，有必要增加走刀次數(shù)并減小切深。另一種選擇是采用交替式側(cè)面切入方式，可改變切削力承受位置并延長刀具壽命。

5．工件

盡管45HRC硬度是硬車削的起始點(diǎn)，但硬車削經(jīng)常在60HRC以上硬度的工件上進(jìn)行。硬車削材料通常包括工具鋼、軸承鋼、滲碳鋼以及鉻鎳鐵合金、耐蝕耐熱鎳基合金、鎢鉻鈷合金等特殊材料。根據(jù)冶金學(xué)，在切深范圍內(nèi)硬度偏差小（小于2個(gè)HRC）的材料可顯示出最好的過程可預(yù)測性。最適合于硬車削的零件具有較小的長徑比（L/D），一般說來，無支撐工件的L/D之比不大于4:1，有支撐工件的L/D之比不大于8:1。盡管細(xì)長零件有尾架支撐，但是由于切削壓力過大仍有可能引起刀振。 為了最大限度地增加硬車削的系統(tǒng)剛性，應(yīng)盡量減小懸伸。刀具伸出長度不得大于刀桿高度的1.5倍。

6．鏜孔

鏜削淬硬材料需要很大的切削壓力，因此往往需成倍增加鏜桿承受的扭力和切向力。采用正前角（35°或55°）、小刀尖半徑刀片可以減小切削壓力。在增加切削速度的同時(shí)減小切深和進(jìn)刀速度，也是減小切削壓力的辦法。

鏜孔時(shí)，刀具必須與零件同心或略高于零件中心，因?yàn)榍邢饕鸬膿锨冃问箤?shí)際中心線的位置降低了。最好的夾緊形式是全長度對開套筒，在鏜削淬硬材料時(shí)，全長度對開套筒夾頭可提供最高的刀夾剛度。其次是彈簧夾頭和單點(diǎn)螺絲夾頭。

7．工藝

因?yàn)橛曹囅鳟a(chǎn)生的熱量大部分由切屑帶走，加工前后對切屑進(jìn)行檢查可以發(fā)現(xiàn)整個(gè)過程是否協(xié)調(diào)。連續(xù)切削時(shí)，切屑應(yīng)該呈熾燃的橙黃色，并象一根緞帶似地飄逸而出。如果切屑冷卻后用手一壓基本斷裂，表明切屑帶走的熱量是正常的。

8．刀片

盡管立方氮化硼（CBN）刀片的價(jià)格昂貴，但CBN刀片最適合于硬車削。CBN刀片能夠在斷續(xù)切削過程中保持定位不變，在連續(xù)切削過程中提供安全的刀具磨損率。當(dāng)采用合理的硬車削工藝時(shí)，CBN刀片除了在控制直徑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±0.025mm的加工。陶瓷不適合于斷續(xù)切削，而且不能加冷卻液，因?yàn)闊釠_擊可能造成刀片破裂。刀片的鈍緣幾何形狀是陶瓷材料的固有特點(diǎn)，這一特點(diǎn)使切削力增大而工件表面光潔度下降。另外，陶瓷刀片刃口斷裂可能是災(zāi)難性的，它可能導(dǎo)致所有切削刃均不能使用。金屬陶瓷（立方碳化鈦）對連續(xù)切削滲碳硬化材料很有效，盡管它不具備CBN那樣的耐磨性，但刀片在大多數(shù)情況下會(huì)成比例地磨損而不斷裂。正前角刀片由于其切削力較小，通常用在剛性不高的機(jī)床上進(jìn)行硬車削。關(guān)于刀片的最合理應(yīng)用，建議與刀具供應(yīng)商密切合作，特別是在最初階段，以迅速達(dá)到最佳切削速度。