硬車在齒輪內(nèi)孔加工中的應(yīng)用

摘 要：在齒輪內(nèi)孔加工過(guò)程中，傳統(tǒng)均采用磨削的加工工藝。但是隨著高硬度切削材料和相關(guān)機(jī)床的發(fā)展，立方氮化硼刀具等新型刀具在新型車床上的應(yīng)用，使得對(duì)淬硬鋼、低碳合金鋼的車削不再是技術(shù)難題，其加工質(zhì)量可以達(dá)到精磨削的水平。目前采用立方氮化硼刀具、陶瓷刀具在數(shù)控車削加工中心上對(duì)齒輪材料如16MnCrS5（滲碳后硬度可達(dá)55-63HRC）的加工，其加工精度可達(dá)IT5，表面粗糙度Ra≤0.5um。

關(guān)鍵詞：硬車；齒輪內(nèi)孔；應(yīng)用

1 硬車的技術(shù)要求

硬車工藝是目前應(yīng)用最廣，也是應(yīng)用效果最好的一種干式切削加工方法，在齒輪內(nèi)孔加工過(guò)程中應(yīng)用極為廣泛，在應(yīng)用中需要注意以下幾個(gè)方面。

1.1 機(jī)床的選用

齒輪內(nèi)孔加工工序一般安排在熱處理之后，內(nèi)孔表面的硬度可達(dá)HRC55-63左右，在切削過(guò)程，切削力比熱處理前增加50%以上，切削所需功率增加2倍左右，因此硬車工藝對(duì)機(jī)床的剛性、功率提出了更高的要求，機(jī)床本身必須具有數(shù)字線性測(cè)量系統(tǒng)及全封閉的誤差反饋系統(tǒng)。機(jī)床的主軸系統(tǒng)，除了高強(qiáng)度之外，還應(yīng)有高轉(zhuǎn)速。這樣才能充分發(fā)揮CBN刀片及陶瓷刀片的性能優(yōu)勢(shì)。筆者曾在德國(guó)的Pittler 315，DVT250 EMAG400 機(jī)床上進(jìn)行了應(yīng)用，均得到了很好的加工效果。反之機(jī)床的功率及剛性愈小，車削時(shí)，則振動(dòng)愈大，表面質(zhì)量愈差，刀具的耐用度則愈低。

1.2 刀具材料的選用

1.2.1 對(duì)于硬度大于HRC55而小于HRC60的齒輪內(nèi)孔加工，一般選用CBN 材料的刀片。對(duì)于帶有鍵槽或花鍵的齒輪內(nèi)孔的加工，我們要選用硬度稍低、韌性良好的CBN刀片，以避免刀片在斷續(xù)的沖擊下，刀片崩碎的現(xiàn)象；對(duì)于無(wú)鍵槽可連續(xù)加工的齒輪內(nèi)孔加工，則用選用硬度高的CBN刀片，以獲得良好的經(jīng)濟(jì)效果及良好的加工質(zhì)量。盡管CBN（立方氮化硼）刀片價(jià)格昂貴，但CBN刀片最適合硬車削，此刀片能夠在斷續(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。

1.2.2 對(duì)于硬度大于HRC60的齒輪內(nèi)孔加工，選用PCBN材質(zhì)的刀片較為理想。由于PCBN具有很高的硬度和耐磨性，因此，在硬車工藝過(guò)程中有很重要的地位。

1.2.3 刀桿的材質(zhì)在一定程度上會(huì)對(duì)加工質(zhì)量造成一定的影響，特別在加工內(nèi)孔小于15mm且長(zhǎng)徑比大于5的小齒輪時(shí)，由于刀桿的剛度不夠時(shí)，加工過(guò)程會(huì)出現(xiàn)振動(dòng)現(xiàn)象，造成極差的表面質(zhì)量，這時(shí)，通常會(huì)選用剛性很高的整體硬質(zhì)合金的刀桿。如果選用的刀桿材料是45號(hào)鋼調(diào)質(zhì)鋼，為了最大限度地增加硬車削的系統(tǒng)剛性，刀具伸出長(zhǎng)度最好小于刀桿直徑的1.5倍，工件裝夾時(shí)也應(yīng)盡量減小懸伸長(zhǎng)度。

1.3 切削參數(shù)的選擇

切削用量的選擇是否合理，對(duì)硬車影響很大，工件材料硬度越高，其切削速度越小，硬車粗加工時(shí)，通常選用大的切深，及較低的切削速度，以獲得大的金屬去除率。CBN刀片切削HRC55-60時(shí)，切深可達(dá)0.1-0.4左右，切削速度可選用80-100M/MIN，精車時(shí)，則選用較小的切深及較高的切削速度，以獲得更好的表面質(zhì)量。切削速度一般為80-150M/MIN，切削深度為0.1-0.2之間，進(jìn)給量一般在0.08-0.15之間，具體數(shù)值視表面粗糙度和機(jī)床的剛度及功率而定，由于CBN 材料刀片具有很高的耐熱性和耐磨性，可選用較高的切削速度和較大的切削深度及較小的進(jìn)給量，但是用硬質(zhì)合金刀片則不宜采用較高的切削速度。

1.4 冷卻液

對(duì)于帶鍵槽的齒輪內(nèi)孔來(lái)說(shuō)，最好采用“干切削”，否則進(jìn)刀和退刀時(shí)熱沖很可能引起刀片破裂。“干切削”中采用壓縮空氣冷卻是硬車工藝中的新的冷卻方法，不僅能夠達(dá)到很好的冷卻效果，而且既環(huán)保又具有明顯的成本優(yōu)勢(shì)。

1.5 工裝的設(shè)計(jì)

工裝的設(shè)計(jì)原則：定位精度要高，裝卸工件方便，而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。下面以圓柱齒輪為例介紹其工裝的設(shè)計(jì)特點(diǎn)及注意事項(xiàng)。

1.5.1 對(duì)于圓柱齒輪，筆者選用三爪卡爪結(jié)構(gòu)，卡爪上裝有支撐柱。卡爪夾緊表面采用滲碳處理，卡爪的夾緊直徑與工件直徑相同，此尺寸及支撐柱表面僅在使用機(jī)床上進(jìn)行精加工，以抵消卡爪的制造誤差。保證齒輪在裝夾過(guò)程中良好的定位精度。

1.5.2 由于長(zhǎng)時(shí)間頻繁的使用，卡爪的夾持表面及頂柱表面不可避免有磨損現(xiàn)象，夾爪的夾緊精度會(huì)不斷的降低，對(duì)工件的定位精度會(huì)造成不同程度的影響，此時(shí)需要對(duì)夾爪進(jìn)行修整，可采用以下過(guò)程：

（1）選用正確夾環(huán)夾持后，取下支撐柱，車削卡爪卡口，每次車削切削深度在0.05mm。（2）加工完畢后，用千分表檢測(cè)夾爪口徑跳，應(yīng)保證在0.005mm以下。（3）如果沒(méi)達(dá)到要求，再車削一遍夾口，每次車削量應(yīng)在0.05以下。（4）切削完成后，安裝支撐柱，對(duì)支撐柱進(jìn)行車削，每次切削深度同上。（5）加工完畢后，用千分表檢測(cè)夾爪口徑跳，應(yīng)保證在0.005mm以下。（6）取下夾爪的夾環(huán)，開(kāi)始正常工作。

2 硬車的應(yīng)用舉例

示例中的公司加工零件為一個(gè)齒輪內(nèi)孔，通常采用的工藝為：機(jī)加工-熱處理-磨內(nèi)孔-磨齒。內(nèi)孔磨留量為單邊為0.5mm，采用磨削工藝，需要大約1.5小時(shí)左右，一個(gè)班次僅能加工5個(gè)左右工件，一天按三班運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，也僅能加工15個(gè)工件左右，這樣的生產(chǎn)率很難滿足生產(chǎn)需要，成本也是可想而知的。

德國(guó)機(jī)床EMAG400到貨后，采用CBN刀具“以車代磨”的加工工藝：粗加工-熱處理-精加工內(nèi)孔（硬車）-磨齒。CBN刀具具有極高的硬度及耐磨性，可以使被加工的高硬度零件獲得良好的表面粗糙度。

加工機(jī)床：EMAG400（德國(guó)）立車

齒輪材料：16MnCrS5熱處理硬度HRC55-62.

冷卻方式：空氣冷卻，孔精度為IT7級(jí)，表面粗糙度？燮0.4

加工過(guò)程及加工參數(shù)如下：

（1）粗車內(nèi)孔至109.45

采用刀片：CNGA120408S01030AWH7015

加工參數(shù)：V=90 F=0.12. Ap=0.23mm，加工時(shí)間約為3.5min

（2）半精車內(nèi)孔至109.85

采用刀片：同粗車

加工參數(shù)：V=90 F=0.12. Ap=0.2mm，加工時(shí)間約為3.5min

（3）精車內(nèi)孔至110N7

刀片同上，更換另一把刀具

加工參數(shù)：V=110 F=0.08 Ap=0.075mm，加工時(shí)間約為4.5min

加工一個(gè)齒輪內(nèi)孔需11.5分鐘

由于采用了硬車工藝，每班可生產(chǎn)34個(gè)工件，大大提高了生產(chǎn)效率，降低了加工成本。

可見(jiàn)，硬車在設(shè)備投資及加工效率等方面都比磨削更具有優(yōu)勢(shì)。

3 結(jié)束語(yǔ)

隨著機(jī)床制造水平的不斷提高及立方氮化硼刀具、陶瓷刀具等高硬度材料的不斷發(fā)展，使淬硬鋼、高溫合金鋼的車削已經(jīng)普遍應(yīng)用于各種零件的加工，并也達(dá)到了磨削效果，提高了加工效率，降低了生產(chǎn)成本。未來(lái)，硬車削將以其鮮明的經(jīng)劑性必將成為制造領(lǐng)域中的重要的方向之一。