鐘萬(wàn)勝,喬?hào)|旭
(1.上海交通大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院,上海 200030;2.中航光電科技股份有限公司,河南 洛陽(yáng) 471003)
高速車(chē)削淬硬鋼即硬車(chē)削的加工效率比磨削加工要高得多,金屬切除效率是普通磨削的3~4倍,而消耗的能量?jī)H為其1/5[1]。車(chē)削加工時(shí)一次裝夾可完成多種表面加工(如車(chē)外圓、端面、內(nèi)孔、槽等),而磨削加工則需要多次裝夾,因此硬車(chē)削加工輔助時(shí)間短,表面間位置精度高。實(shí)際生產(chǎn)中以車(chē)削加工代替磨削加工的應(yīng)用越來(lái)越廣泛,如汽車(chē)曲軸、凸輪軸、傳動(dòng)軸及軋輥和一些鑄鐵缸體加工等,在汽車(chē)凸輪軸和軋輥加工中,可節(jié)約成本50%以上。
大多數(shù)情況下,硬車(chē)削無(wú)需冷卻液,在實(shí)際生產(chǎn)中使用冷卻液還會(huì)給刀具壽命和表面質(zhì)量帶來(lái)不利影響。因?yàn)橛曹?chē)削是通過(guò)使剪切部分的材料退火變軟而形成切屑的,若冷卻率過(guò)高,就會(huì)減小這種效果,從而加大機(jī)械磨損,縮短刀具壽命。因無(wú)需冷卻裝置,簡(jiǎn)化了生產(chǎn)系統(tǒng),降低了生產(chǎn)成本,形成的切屑干凈清潔,易于回收處理。即使采用了冷卻液,其處理過(guò)程也比磨削加工更為方便,因?yàn)檫^(guò)濾硬車(chē)削所產(chǎn)生的較大鐵屑比過(guò)濾磨削中產(chǎn)生的細(xì)小鐵屑要容易得多。而磨削加工必須使用切削液,砂輪磨粒與切削液混合,造成污染嚴(yán)重,水處理設(shè)備龐大,處理后的切屑不能回收利用。
在相同生產(chǎn)率下,車(chē)床投資是磨床成本的1/3,而且車(chē)床占地面積小,其輔助系統(tǒng)費(fèi)用也低。對(duì)于小批量生產(chǎn),硬車(chē)削不需特殊設(shè)備,大批量加工高精度零件時(shí)則需要?jiǎng)傂?、定位精度和重?fù)定位精度優(yōu)異的機(jī)床?,F(xiàn)代車(chē)削本身就是一種加工范圍廣的柔性加工方法,采用配有多種刀具轉(zhuǎn)盤(pán)、刀庫(kù)的現(xiàn)代CNC車(chē)床很容易實(shí)現(xiàn)兩種不同工件之間的加工轉(zhuǎn)換。與磨削相比,硬車(chē)削能更好地適應(yīng)多品種、計(jì)劃多變、交貨期短、生產(chǎn)批量小的柔性化生產(chǎn)要求。
硬車(chē)削中產(chǎn)生的大部分熱量被切屑帶走,不容易產(chǎn)生表面燒傷和裂紋,因而具有優(yōu)良的加工表面質(zhì)量和加工精度,一次性裝卡能保證加工表面之間較高的位置精度。
機(jī)械加工工藝系統(tǒng)在切削力、夾緊力、重力、傳動(dòng)力等作用下,會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的變形,從而破壞了刀具和工件之間正確的相對(duì)位置,使工件的加工精度下降。要達(dá)到較好的加工精度必須對(duì)機(jī)床、刀具和工件的剛度提出要求。
機(jī)床的剛性是在切削力和其他力的作用下抵抗變形的能力。機(jī)床在切削加工過(guò)程中要承受各種外力的作用,承受的靜態(tài)力有運(yùn)動(dòng)部件和被加工零件的自重;承受的動(dòng)態(tài)力有切削力、驅(qū)動(dòng)力、慣性力和摩擦阻力等。機(jī)床的結(jié)構(gòu)部件在這些力的作用下將產(chǎn)生變形,剛性越好,受力變形引起刀具和工件的相對(duì)位置變化越小,對(duì)工件的加工精度的影響也越小。
由于淬硬后套圈的硬度達(dá)到60 HRC以上,在進(jìn)行硬車(chē)削加工軸承套圈時(shí),必須選擇超硬刀具才能達(dá)到高精度、高效率和高可靠性。立方氮化硼(CBN)刀具材料具有極高的硬度和紅硬性,是高速精加工或半精加工淬火鋼、冷硬鑄鐵、高溫合金的理想刀具材料,CBN刀片能夠在斷續(xù)切削過(guò)程中保持定位不變,在連續(xù)切削過(guò)程中提供安全的刀具磨損率,在加工高硬度零件時(shí)可以獲得良好的加工表面粗糙度。
適合于硬車(chē)削的零件具有較小的長(zhǎng)徑比(L/D),一般說(shuō)來(lái),無(wú)支承工件長(zhǎng)徑比不大于4。被加工件的熱處理硬度對(duì)車(chē)削的難度有著直接的影響,同時(shí)被加工件的熱處理狀態(tài)也是影響車(chē)削質(zhì)量的關(guān)鍵因素,一般淬火硬度變化應(yīng)小于2 HRC。如果工件是滲碳件,還要保證滲碳層深度的一致性,一般應(yīng)將深度控制在0.8~1.2 mm。對(duì)于軸承套圈而言,大部分長(zhǎng)徑比都小于1,套圈有非常好的剛性,可以實(shí)現(xiàn)硬車(chē)削加工。
試驗(yàn)選用國(guó)產(chǎn)CK516立式機(jī)床,其底座采用樹(shù)脂砂整體式高密鑄件結(jié)構(gòu),對(duì)稱(chēng)加強(qiáng)筋強(qiáng)化加固使機(jī)床具有高剛性、高強(qiáng)度和高抗振性,且具有排屑方便、不滲漏的特點(diǎn)。進(jìn)給采用伺服電動(dòng)機(jī)通過(guò)德國(guó)R+W彈性聯(lián)軸器與滾珠絲杠連接,滾珠絲杠支承機(jī)構(gòu)采用大接觸角角接觸球軸承和兩端固定預(yù)拉伸安裝的方式,剛性好,精度高。主傳動(dòng)系統(tǒng)采用窄V帶與主軸連接,高于普通V帶傳動(dòng)能力的0.5~1.5倍,從而保證了整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)的高效率、低噪聲和低振動(dòng)。x軸導(dǎo)軌采用先進(jìn)的3軌交錯(cuò)技術(shù),具有更高的精度和剛度,也便于裝配調(diào)整。采用立式裝夾工件使工件重心與主軸重心重合,避免了臥式裝夾時(shí)由重力引發(fā)的圓度誤差,確保零件的圓度。同時(shí)工件的自重使其與夾具基準(zhǔn)面接觸準(zhǔn)確、緊密,從而獲得高的定位精度和穩(wěn)定的加工精度。
試驗(yàn)使用電磁夾具,通過(guò)電磁卡盤(pán)的吸附能力夾緊工件,對(duì)工件沒(méi)有徑向夾緊力,避免夾緊變形。電磁卡盤(pán)通過(guò)調(diào)節(jié)其電流大小控制夾緊力,在調(diào)節(jié)工件中心與機(jī)床中心對(duì)心過(guò)程中,較低的夾緊力便于調(diào)節(jié),當(dāng)調(diào)節(jié)完成后再加大夾緊力,以便在車(chē)削時(shí)能夠抵抗刀具的作用力和高速旋轉(zhuǎn)的離心力。電磁夾具沒(méi)有徑向定位元件,可以減小夾緊變形,調(diào)整時(shí)靠人工以刀架為基準(zhǔn)用千分表或百分表調(diào)整,調(diào)整時(shí)間根據(jù)操作工人的熟練程度,熟練工人在10 s即可完成,便于批量化生產(chǎn)。電磁卡盤(pán)以及工件的裝卡示意圖見(jiàn)圖1,在車(chē)削過(guò)程中產(chǎn)生的切屑由于電磁卡盤(pán)的磁力作用吸附在電磁卡盤(pán)和軸承套圈上,當(dāng)卡盤(pán)斷開(kāi)電源時(shí),磁力消失,可以清理切屑。當(dāng)套圈端面與卡盤(pán)面緊密結(jié)合時(shí),車(chē)削套圈內(nèi)、外徑面時(shí)可能會(huì)損壞卡盤(pán),可以通過(guò)增加金屬墊圈來(lái)避免,如圖2所示。試驗(yàn)使用的電磁夾具的夾緊力為170 N/cm2,對(duì)于NU330的最大軸向吸附力為50000N,接觸表面間的摩擦系數(shù)取0.15,摩擦力為7 500 N,則主切削力和進(jìn)給力的合力在2 000 N左右,所以電磁卡盤(pán)完全能夠適應(yīng)車(chē)削夾緊需要。
圖1 工件裝卡示意圖
圖2 車(chē)削輔助墊圈裝卡圖
CBN刀具具有不同材料類(lèi)型和用途,試驗(yàn)選用的CBN BN250刀具為陶瓷結(jié)合劑,微米級(jí) CBN 顆粒,斷裂韌性和耐磨性都非常好,可以連續(xù)切削輕型以及中等的鑄鐵、淬火鋼。刀具硬度為3 100~3 400 HV。
硬車(chē)削加工軸承套圈是為了提高軸承的加工效率,對(duì)于小型軸承,由于現(xiàn)在的磨削加工工藝成熟,設(shè)備批量生產(chǎn)成本較低,進(jìn)行硬車(chē)削的優(yōu)勢(shì)不是很明顯,本試驗(yàn)選用中型軸承NU330外圈作為試驗(yàn)套圈。套圈外徑為320 mm,套圈擋邊、端面、外徑面的加工要求如表1所示。
表1 NU330外圈車(chē)加工性能要求及結(jié)果 μm
在進(jìn)行粗車(chē)加工中,可以增加切削深度來(lái)加快切削效率,通過(guò)試驗(yàn),切削深度可以達(dá)到0.5 mm。但切削深度越大,刀具發(fā)熱和磨損越快,表面質(zhì)量越差,工件表面會(huì)出現(xiàn)明顯硬化層[5]。由于硬化層對(duì)軸承的壽命影響非常嚴(yán)重,因此在精加工時(shí)應(yīng)避免其出現(xiàn)。
在試驗(yàn)過(guò)程中,切削速度、進(jìn)給量和切削深度是3個(gè)關(guān)聯(lián)的因素,每一個(gè)因素變換時(shí)都會(huì)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果造成影響。利用正交試驗(yàn)的設(shè)計(jì)方法,分別把切削速度取為110,130和150 m/min;把進(jìn)給量取為0.1,0.2和0.3 mm;把切削深度取為0.1,0.3和0.5 mm,試驗(yàn)進(jìn)行9次后得出表面粗糙度和硬化層厚度,結(jié)果如表2所示。通過(guò)分析可知:切削速度保持130 m/min,進(jìn)給量在0.15 mm以?xún)?nèi),切削深度為0.1 mm時(shí),工件表面不會(huì)出現(xiàn)硬化層,表面粗糙度Ra值可以達(dá)到0.16 μm。同時(shí)發(fā)現(xiàn),3個(gè)因素中切削深度對(duì)車(chē)加工表面質(zhì)量影響最大,進(jìn)給量次之,切削速度最小。
表2 車(chē)削參數(shù)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)表
通過(guò)以上正交試驗(yàn)結(jié)果,可以根據(jù)套圈表面的具體要求進(jìn)行試驗(yàn),由于切削速度對(duì)表面性能的影響較小,故試驗(yàn)中選擇其為130 m/min。為了提高效率和達(dá)到不同的表面質(zhì)量要求,對(duì)進(jìn)給量和切削深度進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整,通過(guò)加工和檢測(cè)得到如表3所示的試驗(yàn)結(jié)果。
表3 NU330硬車(chē)削后表面質(zhì)量
由以上試驗(yàn)分析可知,軸承套圈的部分表面以硬車(chē)削加工代替磨削加工是可行且高效的。在實(shí)際生產(chǎn)中可以進(jìn)一步總結(jié)加工參數(shù)對(duì)套圈尺寸和表面質(zhì)量的影響,形成一套可以應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)加工的參數(shù),提高車(chē)削質(zhì)量和加工穩(wěn)定性。而硬車(chē)削是否適用于軸承滾道的終加工工藝,還需要進(jìn)一步研究試驗(yàn)。