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硬车削(以车代磨)——淬火钢的切削加工

http://www.momo35.com   来源:齿轮转动  日期:2018/04/27

  以车代磨是近几年慢慢流行起来的新技术,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。淬火钢是指金属经过淬火后,组织为马氏体,硬度大于HRC50的钢。
  
  随着我国工业飞速发展,对机械零件的性能要求越来越高。为了提高机械零件的耐磨性,延长其使用寿命,很多结构钢零件常常采用淬火处理。但淬火后的零件强度和硬度较高,塑性较差,这就给切削加工带来了难题。
  
  
  
  一、淬火钢的加工特点:
  
  (1)硬度高、强度高,几乎没有塑性:这是淬火钢的主要切削特点。当淬火钢的硬度达到HRC50~60时,其强度可达σb=2100~2600MPa,按照被加工材料加工性分级规定,淬火钢的硬度和强度均为9a级,属于最难切削的材料。
  
  (2)切削力大、切削温度高:要从高硬度和高强度的工件上切下切屑,其单位切削力可达4500MPa。为了改善切削条件,增大散热面积,刀具选择较小的主偏角和副偏角。这时会引起振动,要求要有较好的工艺系统刚性。
  
  (3)不易产生积屑瘤:淬火钢的硬度高、脆性大,切削时不易产生积屑瘤,被加工表面可以获得较低的表面粗糙度。
  
  (4)刀刃易崩碎、磨损:由于淬火钢的脆性大,切削时切屑与刀刃接触短,切削力和切削热集中在刀具刃口附近,易使刀刃崩碎和磨损。
  
  (5)导热系数低:一般淬火钢的导热系数为7.12W/(m·K),约为45号钢的1/7。材料的切削加工性等级是9a级,属于很难切削的材料。由于淬火钢的导热系数低,切削热很难通过切屑带走,切削温度很高,加快了刀具磨损。
  
  二、淬火钢的热处理工艺
  
  淬火钢之所以具有良好的使用性能,热处理是不可避免的工序,淬火钢常见的热处理工艺包括退火、淬火、回火。退火是在在切削加工之前,目的是降低金属材料的硬度,提高塑性,以利切削加工或压力加工,减少残余应力。
  
  淬火、回火是一起的,淬火后直接回火,在精加工之前进行,淬火的目的:使钢件获得所需的马氏体组织,提高工件的硬度,强度和耐磨性,为后道热处理作好准备等。回火的目的:主要是消除钢件在淬火时所产生的应力,使钢件具有高的硬度和耐磨性外,并具有所需要的塑性和韧性等。

  
  淬火钢热处理
  
  经过热处理之后,工件的硬度一般在HRC45以上,有的甚至达到HRC60以上,不同的工件,工作性质不同,故热处理后的硬度也不同,如汽车变速箱齿轮热处理后的硬度一般在HRC58-63之间,回转支承轴承热处理后的硬度在HRC47-55之间,滚珠丝杠热处理后的硬度一般在HRC60-62之间。
  
  三、淬火钢的机械加工工艺
  
  淬火钢经过热处理之后需精加工,保证图纸要求的尺寸和表面粗糙度,但热处理后的淬火钢件硬度高难加工,部分工件需要断续切削或表面精度要求高,以前常采用磨削方式来提高工件精度,下面就简单介绍几种淬火钢的机械加工工艺。
  
  齿轮的加工工艺:下料—锻造—正火—粗车—调质热处理(淬火+高温回火)—精车—齿面磨削加工--检验入库。
  
  滚珠丝杠的加工工艺:下料—锻造—退火—切削加工—热处理—磨削加工—检验入库。
  
  汽车半轴的加工工艺:下料—锻造—正火—车削加工—拉花键—热处理—磨削加工。
  
  淬火钢切削加工
  
  从加工工艺来看,以上几种淬火钢件均需要磨削加工来保证图纸的尺寸和粗糙度要求,齿轮是由于带断续切削,车刀无法加工;而滚珠丝杠和汽车半轴就属于表面精度高,采用磨削方式来达到表面光洁度。

  
  四、淬火钢的加工难点
  
  (1)淬火钢的粗加工:车削加工热处理过的齿轮、齿圈的生产过程中,一些齿轮、齿圈淬火或渗碳淬火后,硬度一般在HRC55以上,有的硬度达到HRC60甚至HRC65左右。有的齿轮热处理后变形严重,特别是渗碳淬火后的大齿圈、大齿轮(如高铁齿轮、工程机械大齿圈、重工行业用大齿圈等),这些大型齿轮齿圈淬火后变形量非常大,这就涉及到淬火钢粗加工。
  
  (2)淬火钢的断续加工:断续切削加工一直是个难题,何况是动辄HRC60左右的高硬度淬火钢。特别是在高速车削淬火钢时,如果工件有断续切削,刀具在断续切削淬火钢时会受到每分钟100次以上的冲击来完成加工,对刀具的抗冲击性能是个很大的挑战。以汽车齿轮加工为例,淬硬齿轮以车代磨已经成为一种趋势,据了解,作为齿轮产业的三大市场之一,车辆齿轮占据了齿轮市场总额的62%,其中汽车齿轮又占据了车辆齿轮市场份额的62%。也就是说,汽车所用齿轮占有了整个齿轮市场近40%的比重,可见齿轮对于汽车产业的重要性。虽然淬火钢的以车代磨和硬车削已经很普及,但汽车淬硬齿轮加工过程中仍然遇到很多问题,如一些汽车齿轮内孔有油孔,刀具在高速运转时期遇到油孔容易崩刀、齿轮的位置公差难以保证等等。

  
  切削工况:连续-断续-强断续
  
  (3)淬火钢的切槽加工:如同步器滑套啮合槽淬火后的硬车削加工,虽然刀具制造商开发出了同步器滑套专用切槽刀具,但刀具的寿命仍然不尽如人意。
  
  (4)淬火钢车削的光洁度问题:如轴承钢淬火后车削加工一般要求很好的表面光洁度,Gcr15钢是常用轴承钢,淬火后硬度一般在HRC62左右,在生产加工过称中,由于轴承的精度和光洁度要求非常高,如果设计调整好刀具的刃口,使用CBN刀具加工淬火钢时车削光洁度可达到Ra0.4。
  
  五、淬火钢切削加工案例(典型零部件——齿轮)
  
  (1)齿轮的连续切削工况:
  
  加工材质:20CrMnTi齿轮,硬度HRC58-62,选用优质CBN刀具材质BN-H05,刀片CNGA120408,切削参数:ap=0.1mm,Fr=0.1mm/r,Vc=180m/min,干切;加工工件的表面粗糙度≦Ra0.8,BN-H05材质刀具寿命>800件,比普通CBN材质刀具寿命提升45%。

  
  齿轮的连续切削工况
  
  (2)齿轮的中等断续切削工况:
  
  加工材料:20CrMnTi齿轮,硬度HRC58-62,选用国产CBN刀具材质BN-H10,刀片CCGW09T304,切削参数:ap=0.25mm,Fr=0.08mm/r,Vc=135m/min,干切;BN-H10材质刀具的切削速度和寿命相比进口PCBN刀具均有提升,加工效率提升22%。

  
  齿轮的中等断续切削工况
  
  (3)齿轮的强断续切削工况:
  
  加工材料:20CrMnTi齿轮,硬度HRC58-62,由于强断续工况,使用普通CBN刀具崩刀严重,而选用强断续优势CBN刀具材质BN-H21,刀片WNGA080404,切削参数:ap=0.15mm,Fr=0.1mm/r,Vc=117m/min,干切,刀具寿命提升6倍,正常磨损。

  
  齿轮的强断续切削工况
  
  随着现代技术的不断发展,越来越多的淬火钢件出现在机械加工车间,机械制造商一直在寻找高效率低成本的车削刀具,这对于刀具行业来说,只有不断研发出高性能高质量的刀具材料或刀具材质,才能占领刀具市场,并进一步推动中国制造业的发展。
 
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