硬车削的工业化应用案例与要求

2.5.1 干式车削加工

1.硬车削 通常所说的硬车削是指用车刀对淬硬钢（54～63 HRC）进行的切削加工，这种加工通常是作为最终加工或精加工，实现以车代磨。同样，钻削、铣削等也能实现硬切削。硬车削已进入实用阶段，并成为推广应用高速切削新工艺的重点。硬车削常用的刀具材料有立方氮化硼（CBN）、陶瓷或新型硬质合金以及涂层刀具。表8-7是几种硬切削加工方法的技术状况。

表8-7 硬切削的技术状况

硬车削之所以受到重视，是因为硬车削与传统的磨削相比，具有以下特点：

（1）硬车削的加工效率高。去除同样体积的材料，硬车削具有比磨削更高的加工效率，而加工能量消耗是磨削的1/5。硬车削可以采用大的切削深度、高的工件转速，因此金属切除率是磨削加工的3～4倍。车削加工时，可在一次装夹中完成多表面加工。对图8-23所示的零件，采用硬车削可非常容易地完成外圆、端面以及槽、球面等复杂形状的表面加工。若采用磨削加工，则需多次安装，非常困难。

图8-23 复杂零件的硬车削与磨削比较

（2）硬车削是绿色制造工艺。磨削加工产生的废液和废弃物越来越难以处理和清除，且对人体有害。硬车削无需加切削液，加工中所产生的大部分热量被切屑带走。硬车削时，切削区的高温使工件材料退火变软，切屑形成容易，工件加工表面没有烧伤或裂纹。此时，若用切削液，反而使刀具受损和加工表面质量变坏。

（3）硬车削的设备投资少，适合柔性生产要求。在生产率相同时，车床是磨床成本的1/3～1/2，占地面积小，辅助系统费用低。磨床则需要水槽、切削液、过滤器等辅助系统。

车削是一种加工范围广的柔性加工方法，可配备多种刀具转盘、刀库等以实现加工转换。现代CNC车床尤其适合硬车削，对多品种、计划多变、交货期短、生产批量小的柔性化生产更显其优越性。

（4）硬车削可使零件获得良好的整体加工精度。一般来说，硬车削比磨削更能保持工件表面性能的完整性。虽然目前磨削比硬车削的尺寸精度高（磨削可保证1µm，而硬车削通常≤13µm），但已有很多研究表明：硬车削的尺寸精度可达2～3µm，表面粗糙度值R_a0.5µm。

（5）高硬度与低硬度条件下的切削机理及切屑形成机理有可能不同，因此区分普通切削与硬切削的临界硬度和硬车削规律值得研究。

2.硬车削的加工条件 硬车削虽然具有许多优点，但成功地进行硬车削必须满足必要的加工条件。这些条件包括适宜的刀具材料及其涂层、合理的刀具几何参数、足够功率和刚性的机床及相应的工艺装备等。

（1）硬车削的刀具材料。一般的高速钢和硬质合金不能进行硬车削，必须用新型硬质合金、涂层硬质合金以及陶瓷和聚晶立方氮化硼（PCBN）等刀具材料。

当工件硬度为40～50HRC时，可用新型硬质合金及涂层硬质合金或陶瓷材料制作的刀具。前者韧性高、价格低，但寿命短。陶瓷刀具是硬车削较理想的刀具，Al₂O₃、Al2O3+TiC（Ti（CN）、WC）混合陶瓷、晶须加强Al₂O₃陶瓷、Si₄N₃基陶瓷等刀具都能有效地切削淬硬钢。

PCBN刀具有很高的硬度和耐磨性，在加工工件硬度低于45HRC时，会产生长带状切屑，使刀具前刀面产生月牙洼磨损，降低了刀具寿命，此时，陶瓷刀具是最好的选择。当工件硬度达到55～65HRC时，可采用PCBN刀具进行硬车削，可充分体现其硬度高、耐热、耐蚀、耐磨以及加工精度高、表面粗糙度低等优点。目前，PCBN刀片价格昂贵，性能不太稳定，批量生产不重磨刀片的技术还不够成熟，所以要实现高硬度工件大批量稳定加工还有一段距离。

（2）刀片结构及几何参数。各种刀片形状的刀尖强度从高往低依次为：圆形、100°菱形、正方形、80°菱形、三角形、55°菱形、35°菱形。刀片材料选定后，应选用强度尽可能大的刀片形状，同时应选择尽可能大的刀尖圆弧半径。一般用圆形或大圆弧半径的刀片进行粗加工，精加工时的刀尖圆弧半径约为0.8～1.2mm。为改善刀片受力状况，使切削力方向由切削刃向里对着刀体，并对刀片刃口进行钝化处理，如图8-24所示。

图8-24 推荐的硬车削刀具刃口参数

刀具的刃磨和研磨质量对其切削性能影响很大。硬车削刀具一般用金刚石砂轮在工具磨床上进行刃磨，以保证刃磨质量。

硬车削时，由于切削速度高，导致切削温度很高，切屑呈红而酥软的、易于碎断的缎带状，不会产生积屑瘤，切屑易于清理。硬车削时，切削力比较大，所以刀具宜采用负前角（γ₀≤−5°）和较大的后角（α₀=10°～15°），主偏角取决于工艺系统的刚性，一般在30°～75°之间取值；刃倾角λ_s=0°～−10°；倒棱宽度b_rl=0.1～0.3mm，倒棱前角为−15°～−25°；刀尖圆弧半径r_ε=0.2～1.2µm。

（3）硬车削的切削用量。合理选择切削用量是充分发挥刀具切削性能的重要因素之一。它直接影响加工生产率、加工成本、加工质量和刀具寿命。

陶瓷刀具硬度高、耐磨性好，但脆性大、强度较低。硬车削淬硬钢时，进给量对刀具破损影响最大，所以应选择较小的进给量，一般f=0.1～0.3mm/r。较高的切削速度80～100m/min）可获得酥化易碎的切屑，同时切削温度升高可改变工件材料性能和提高陶瓷刀具韧性，减少刀具破损。切削深度受机床功率和工艺系统刚性限制。硬车削时，若工艺系统刚性较差，则应选择较小的切削深度，以免引起振动而使刀具破损。

（4）硬车削加工机床。硬车削与非淬硬钢车削相比，切削力增加30%～100%，切削功率增加1.5～2倍，所以硬车削对机床有更高的要求，机床应具有高刚性、高转速、大功率等特点。机床主轴系统必须进行良好平衡，以防止振动。主轴的径向跳动和端面跳动不得大于3µm。机床必须具有良好的热稳定性。导轨系统精度要求较高，要求导轨直线性好、间隙小，不能有爬行现象。(www.xing528.com)

同时，刀具、工件、夹具也应有足够的刚性。刀具安装的悬伸长度要尽可能短，夹具采用刚性夹紧装置，工件长径比不要太大，一般限制在6：1以内。若能满足以上要求，普通车床也能很好地完成硬车削。

硬车削在国内外已经得到了工业化应用。美国某公司用热压陶瓷刀片车削淬火钢（＞50HRC）轧辊的外圆、端面、槽和成型表面，粗车切削速度为137m/min，精车切削速度为198m/min，进给量为0.13～0.33mm/r，切削深度为0.51～0.89mm，切削用量较大，切削效率高。德国某公司在加工100Cr6材料的摩擦盘（60～62HRC）时，用车削代替磨削，加工时间减少60%。

我国某机车车辆厂，加工硬度为60HRC（其中硬质点硬度近70HRC）的轴承内圈（GCr15材料），直径为285mm，采用磨削工艺需2h；采用硬车削加工，用优质硬质合金刀片（726），切削速度为20m/min，进给量为0.18mm/r，切削深度为0.5～1.5mm，仅用了45min。

2.5.2 干式铣削加工

干式铣削加工目前主要用于铸铁材料及铝合金材料的加工。如美国某公司用陶瓷或CBN刀具材料的铣刀高速铣削铸铁。由于切削速度（1400m/min）和进给量（40m/min）都很高，切削区的温度可达600～700℃，产生可见的红色弧光，故称为“红热切削”或“红月牙”（Red Crescent）切削。此时，切削区的工件材料达到红热状态，其屈服强度下降，可使切削力降低75%～90%，并显著提高了切削效率，铣削铸铁时的切除效率比传统的粗加工提高3倍。由于进给速度很高，大部分热量留在切屑中，所以工件的热变形小、尺寸精度高。

表8-8表示了这种加工所产生的加工效果。这些性能参数适用于直径为152mm的平面铣刀。表中所示的明显效果表明，应用先进的金属切削方法是提高切削水平的关键。

表8-8 传统切削方法与红热切削的比较

CBN由于具有很高的耐热性和高温硬度，很适合于干式切削加工铸铁和淬火钢，但从经济和技术两方面考虑，要求灰铸铁和球墨铸铁的自由石墨含量（质量分数）小于5%，钢的硬度在45HRC以上，在机床主轴转速、进给系统允许的条件下，可以达到很高的切削效率。表8-9是用CBN刀具干式切削加工灰铸铁和钢件时的切削用量参考值。

表8-9 CBN刀具干式切削加工灰铸铁和钢件时的切削参数

2.5.3 干式螺纹加工

常见的螺纹加工工艺方法有车削、铣削、攻螺纹等，与其他加工方法相比，螺纹加工的工作条件较为恶劣（其容屑状态为封闭或半封闭）。目前，在加工螺纹时，普遍采用切削液，其中以含氯化物、极压乳化液效果最好，但对环境污染也最严重。改用低污染的切削液，不能从根本上解决问题。要彻底消除切削液带来的环境污染，干式螺纹加工则是可行的方法。

德国某公司开发的复合涂层丝锥（MoS₂+TiAlN）在含硅量为9%的硅铝合金工件上干式攻螺纹，丝锥使用寿命为攻4000个螺孔；而单涂层TiAlN丝锥使用寿命为攻1000个螺孔；超细晶粒硬质合金丝锥仅加工了20个螺孔。

日本某公司开发的钢件干式切削挤压丝锥，与普通加切削液的挤压丝锥相比，使用寿命显著提高。用普通挤压丝锥加工冷轧钢板上M4×0.7的通孔螺纹，加工约7000个螺孔时，丝锥切削部分便产生磨损与粘结，无法继续进行切削；采用干式切削挤压丝锥加工50000个螺孔以上，丝锥未产生粘结和显著磨损，可继续使用。这表明：新型的干式切削挤压丝锥与普通挤压丝锥相比，使用寿命提高了数十倍。

我国在纯铝螺纹加工和薄板螺纹加工中对干式攻螺纹进行了试验研究，取得了较好效果。

（1）纯铝内螺纹干式挤压加工。我国某企业的产品中有一纯铝（2A02，曾用牌号为LY2）工件，如图8-25所示。其上的M5×0.8螺纹对产品整体质量有重要影响，曾采用普通切削丝锥进行攻螺纹，螺纹加工质量不高，使用中经常产生滑丝现象，严重影响了产品的整体质量，也成了企业的生产瓶颈。其主要原因是：LY-2纯铝材料的塑性大、韧性好，以切削加工方式攻制螺纹时，切屑形成困难，致使切削力大，难以保证加工质量；纯铝材料本身强度不高，用切削丝锥攻螺纹切断了金属纤维，进一步降低了螺纹牙型强度；螺纹表面硬度低、耐磨性差，表面粗糙度差，经若干次旋合后中径会涨大等。

图8-25 工件结构

通过对工件材料及原来加工工艺分析后，决定采用挤压方式加工螺纹。最初采用加切削液的湿式方式挤压螺纹，加工效果较好，同时存在一些不足。一是切削液流到工件、夹具、机床工作台上，给操作带来很多不便，也污染了工作现场；二是原机床无切削液供给装置，若配备该装置，则使工艺系统结构复杂，成本上升。为此，进行了干式切削和干式挤压螺纹对比试验。结果表明：后者比前者攻螺纹力矩高10%～20%，但加工出的螺纹强度和表面粗糙度均较高。因此，干式挤压加工内螺纹是较理想的加工方法。为了使丝锥具有足够长的使用寿命，除优化挤压加工参数外，还要选择适宜的丝锥类型。选择有螺旋棱边的高速钢挤压丝锥，分别对搓制、磨制及TiN涂层挤压丝锥进行对比试验。搓制丝锥在干式攻螺纹时易崩刃，磨制丝锥基本能满足加工要求，TiN涂层挤压丝锥既满足了螺纹的加工质量要求，又具有长的使用寿命。图8-26是湿式攻螺纹与干式攻螺纹的丝锥使用寿命比较。其结果表明：在一定条件下，干式攻螺纹是可能的。

图8-26 干式与湿式攻螺纹时的丝锥寿命比较

（2）薄板干式钻孔及螺纹加工。钣金零件、家具、汽车拖拉机等行业中，很多零件是薄板件（厚度<2mm），需在其上加工螺纹孔以连接或固定其他零件。但因板太薄，螺纹长度很短，连接的可靠性很差。通常需在冲孔翻边或加工孔后再焊一螺母以提高其连接强度。这不但增加了冲孔或焊接工序，也增加了加工成本。通过采用专用的孔加工工具，使薄板孔部位的材料变成孔壁，孔的深度大大增加，再进行干式挤压（或切削）螺纹，取得了满意的效果。