硬車削(以車代磨)——淬火鋼的切削加工

以車代磨是近幾年慢慢流行起來的新技術,硬車削是指把淬硬鋼的車削作為最終加工或精加工的工藝方法。淬火鋼是指金屬經過淬火後,組織為馬氏體,硬度大於HRC50的鋼。

隨著我國工業飛速發展,對機械零件的性能要求越來越高。為了提高機械零件的耐磨性,延長其使用壽命,很多結構鋼零件常常採用淬火處理。但淬火後的零件強度和硬度較高,塑性較差,這就給切削加工帶來了難題。

硬車削(以車代磨)——淬火鋼的切削加工

硬車削

一、淬火鋼的加工特點:

(1)硬度高、強度高,幾乎沒有塑性:這是淬火鋼的主要切削特點。當淬火鋼的硬度達到HRC50~60時,其強度可達σb=2100~2600MPa,按照被加工材料加工性分級規定,淬火鋼的硬度和強度均為9a級,屬於最難切削的材料。

(2)切削力大、切削溫度高:要從高硬度和高強度的工件上切下切屑,其單位切削力可達4500MPa。為了改善切削條件,增大散熱面積,刀具選擇較小的主偏角和副偏角。這時會引起振動,要求要有較好的工藝系統剛性。

(3)不易產生積屑瘤:淬火鋼的硬度高、脆性大,切削時不易產生積屑瘤,被加工表面可以獲得較低的表面粗糙度。

(4)刀刃易崩碎、磨損:由於淬火鋼的脆性大,切削時切屑與刀刃接觸短,切削力和切削熱集中在刀具刃口附近,易使刀刃崩碎和磨損。

(5)導熱係數低:一般淬火鋼的導熱係數為7.12W/(m·K),約為45號鋼的1/7。材料的切削加工性等級是9a級,屬於很難切削的材料。由於淬火鋼的導熱係數低,切削熱很難通過切屑帶走,切削溫度很高,加快了刀具磨損。

二、淬火鋼的熱處理工藝:

淬火鋼之所以具有良好的使用性能,熱處理是不可避免的工序,淬火鋼常見的熱處理工藝包括退火、淬火、回火。退火是在在切削加工之前,目的是降低金屬材料的硬度,提高塑性,以利切削加工或壓力加工,減少殘餘應力。

淬火、回火是一起的,淬火後直接回火,在精加工之前進行,淬火的目的:使鋼件獲得所需的馬氏體組織,提高工件的硬度,強度和耐磨性,為後道熱處理作好準備等。回火的目的:主要是消除鋼件在淬火時所產生的應力,使鋼件具有高的硬度和耐磨性外,並具有所需要的塑性和韌性等。

硬車削(以車代磨)——淬火鋼的切削加工

淬火鋼熱處理

經過熱處理之後,工件的硬度一般在HRC45以上,有的甚至達到HRC60以上,不同的工件,工作性質不同,故熱處理後的硬度也不同,如汽車變速箱齒輪熱處理後的硬度一般在HRC58-63之間,迴轉支承軸承熱處理後的硬度在HRC47-55之間,滾珠絲槓熱處理後的硬度一般在HRC60-62之間。

三、淬火鋼的機械加工工藝:

淬火鋼經過熱處理之後需精加工,保證圖紙要求的尺寸和表面粗糙度,但熱處理後的淬火鋼件硬度高難加工,部分工件需要斷續切削或表面精度要求高,以前常採用磨削方式來提高工件精度,下面就簡單介紹幾種淬火鋼的機械加工工藝。

齒輪的加工工藝:下料—鍛造—正火—粗車—調質熱處理(淬火+高溫回火)—精車—齒面磨削加工--檢驗入庫。

滾珠絲槓的加工工藝:下料—鍛造—退火—切削加工—熱處理—磨削加工—檢驗入庫。

汽車半軸的加工工藝:下料—鍛造—正火—車削加工—拉花鍵—熱處理—磨削加工。

硬車削(以車代磨)——淬火鋼的切削加工

淬火鋼切削加工

從加工工藝來看,以上幾種淬火鋼件均需要磨削加工來保證圖紙的尺寸和粗糙度要求,齒輪是由於帶斷續切削,車刀無法加工;而滾珠絲槓和汽車半軸就屬於表面精度高,採用磨削方式來達到表面光潔度。

四、淬火鋼的加工難點:

(1)淬火鋼的粗加工:車削加工熱處理過的齒輪、齒圈的生產過程中,一些齒輪、齒圈淬火或滲碳淬火後,硬度一般在HRC55以上,有的硬度達到HRC60甚至HRC65左右。有的齒輪熱處理後變形嚴重,特別是滲碳淬火後的大齒圈、大齒輪(如高鐵齒輪、工程機械大齒圈、重工行業用大齒圈等),這些大型齒輪齒圈淬火後變形量非常大,這就涉及到淬火鋼粗加工。

(2)淬火鋼的斷續加工:斷續切削加工一直是個難題,何況是動輒HRC60左右的高硬度淬火鋼。特別是在高速車削淬火鋼時,如果工件有斷續切削,刀具在斷續切削淬火鋼時會受到每分鐘100次以上的衝擊來完成加工,對刀具的抗衝擊性能是個很大的挑戰。以汽車齒輪加工為例,淬硬齒輪以車代磨已經成為一種趨勢,據瞭解,作為齒輪產業的三大市場之一,車輛齒輪佔據了齒輪市場總額的62%,其中汽車齒輪又佔據了車輛齒輪市場份額的62%。也就是說,汽車所用齒輪佔有了整個齒輪市場近40%的比重,可見齒輪對於汽車產業的重要性。雖然淬火鋼的以車代磨和硬車削已經很普及,但汽車淬硬齒輪加工過程中仍然遇到很多問題,如一些汽車齒輪內孔有油孔,刀具在高速運轉時期遇到油孔容易崩刀、齒輪的位置公差難以保證等等。

硬車削(以車代磨)——淬火鋼的切削加工

切削工況:連續-斷續-強斷續

(3)淬火鋼的切槽加工:如同步器滑套齧合槽淬火後的硬車削加工,雖然刀具製造商開發出了同步器滑套專用切槽刀具,但刀具的壽命仍然不盡如人意。

(4)淬火鋼車削的光潔度問題:如軸承鋼淬火後車削加工一般要求很好的表面光潔度,Gcr15鋼是常用軸承鋼,淬火後硬度一般在HRC62左右,在生產加工過稱中,由於軸承的精度和光潔度要求非常高,如果設計調整好刀具的刃口,使用CBN刀具加工淬火鋼時車削光潔度可達到Ra0.4。

五、淬火鋼切削加工案例(典型零部件——齒輪)

(1)齒輪的連續切削工況:

加工材質:20CrMnTi齒輪,硬度HRC58-62,選用優質CBN刀具材質BN-H05,刀片CNGA120408,切削參數:ap=0.1mm,Fr=0.1mm/r,Vc=180m/min,幹切;加工工件的表面粗糙度≦Ra0.8,BN-H05材質刀具壽命>800件,比普通CBN材質刀具壽命提升45%。

硬車削(以車代磨)——淬火鋼的切削加工

齒輪的連續切削工況

(2)齒輪的中等斷續切削工況:

加工材料:20CrMnTi齒輪,硬度HRC58-62,選用國產CBN刀具材質BN-H10,刀片CCGW09T304,切削參數:ap=0.25mm,Fr=0.08mm/r,Vc=135m/min,幹切;BN-H10材質刀具的切削速度和壽命相比進口PCBN刀具均有提升,加工效率提升22%。

硬車削(以車代磨)——淬火鋼的切削加工

齒輪的中等斷續切削工況

(3)齒輪的強斷續切削工況:

加工材料:20CrMnTi齒輪,硬度HRC58-62,由於強斷續工況,使用普通CBN刀具崩刀嚴重,而選用強斷續優勢CBN刀具材質BN-H21,刀片WNGA080404,切削參數:ap=0.15mm,Fr=0.1mm/r,Vc=117m/min,幹切,刀具壽命提升6倍,正常磨損。

硬車削(以車代磨)——淬火鋼的切削加工

齒輪的強斷續切削工況

隨著現代技術的不斷髮展,越來越多的淬火鋼件出現在機械加工車間,機械製造商一直在尋找高效率低成本的車削刀具,這對於刀具行業來說,只有不斷研發出高性能高質量的刀具材料或刀具材質,才能佔領刀具市場,並進一步推動中國製造業的發展。


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