以车代磨在淬硬齿轮内孔加工中的应用

以车代磨在淬硬齿轮内孔加工中的应用

张绍伟 张永强

新乡航空工业（集团）有限公司 453000

摘要

针对淬硬齿轮内孔磨削效率的不足，结合硬车削的特点，分析淬硬齿轮内孔采用以车代磨工艺的可行性。通过制订切合实际的以车代磨加工方案，并给出了相应数据，在生产中获得成功，极大地提高了生产效率。

关键词

以车代磨 内孔加工 粗糙度 刀片

一、引言

二十一世纪初期，随着高硬度刀具材料、涂层技术机床结构刚性不断改进，如采用CBN刀具、陶瓷刀具新型精密车床及车削加工中心上对淬硬钢进行车削等，结果都取得了非常好加工效果，其加工质量和精度可以达到精磨水平，车削硬度极限也已达到HRC68。越来越多的工业强国已将硬车削作为替代磨削一种经济实用方法普及。

二、车削粗糙度的理论计算

车床加工回转体工件时，刀刃在工件上运动轨迹是螺旋线，所以，让工件通过放大观测可以看到工件表面不是光滑的圆柱表面，而是等于螺距很小（等于进给量）的螺纹表面。这是形成表面粗糙度的原因之一。在加工过程中由于加工表面的塑性变形、刀具在工作表面的摩擦以及在切削过程中产生的其它现象，往往使已加工表面的实际粗糙度H实大于理论高度H。

表面粗糙度的理论高度H的计算可以按刀尖圆弧半径re＝0与re≠0情形分别加以讨论。

2.1当re≠0时，根据几何学知识，有AB²＝O1A²- O1B²

即((re-H) ²＝re² –(f 2)²

∴ H= re(1- )

一般来说，在加工粗糙度较高的工件表面时，刀尖圆弧半径re取得较大，而进给量f远比re小，这时

≈1- 1 2( f 2re)²

注：根据微分学中的近似计算公式f(x)= f(x0)+ f'(x0)(x-x0)，对于f(x)= ，取

x0=0，有 ≈ 1- 1 2x，(|X|充分小)

故 H= re{1-（1- 1 2( f 2re)²}

得到 H≈ f² 8re …………………………… 公式 1

2.2 当re＝0时

∵ cotΨ₁= f₁ H , cotΨ= f₂ H因（其中f1 + f2=f）

∴cotΨ₁+ cotΨ= f₁ H+ f₂ H= f H

故 H=f/( cotΨ₁+ cotΨ)……………………… 公式 2

2.3 提高表面粗糙度的研究

由公式1、2可以看出：主偏角Ψ及副偏角Ψ₁越小，刀尖圆弧re越大，f越小时，表面粗糙度的理论高度H就越小。但是，用减少进给量f的方法提高表面粗糙度，降低了生产率，故一般不用这种方法。另外，实际上，主偏角Ψ的数值远比副偏角Ψ₁大，故Ψ₁对理论高度H的影响比Ψ大，且主偏角Ψ由于条件的限制不能任意选择，因此，一般都用减少副偏角Ψ₁及增加刀尖圆弧半径re的方法来提高表面粗糙度。

三、车削粗糙度及硬车技术在车间淬硬齿轮内孔加工中的应用

3.1车间淬硬齿轮的要求

图3

齿轮渗碳淬火表面硬度为（56-62）HRC，内孔粗糙度为Ra0.8，尺寸公差只有0.018mm。工件在热处理淬硬之前就已完成粗加工工序，只有精加工在淬硬状态下进行，精加工余量为双边0.2mm。

3.2硬车机床的选择

齿轮内孔加工热处理后切削力比热处理前增加50%以上，切削所需功率增加2倍左右，因此硬车工艺对机床的刚性、功率提出了更高的要求，机床的主轴系统，除了高强度之外，还应有高转速。这样才能充分发挥CBN刀片的性能优势。

车间本次加工使用北一大隈LBR370-Ⅱ数控车床，机床结构采用30°斜床身、床身和底座采用分离式结构、滑动导轨采用淬硬材料、Z轴基准更靠近主轴，上述结构保证将变形、振动的影响降到最小，刚性高，精度稳定性强，可实现强力切削。主轴转速范围是45～4500r/min，刀架上有12个工位，转刀架重复定位精度0.002mm，X轴(径向)和Z轴重复定位精度0.001mm，具备高性能的液压系统，能快速稳定的实现工装的夹紧与松开适宜加工小批量多品种为主，更换零件速度快。

3.3刀片材料选择

对于硬度大于HRC55齿轮内孔加工，一般选用CBN材料的刀片。对于带有键槽或花键的齿轮内孔的加工，我们要选用硬度稍低、韧性良好的CBN刀片，以避免刀片在断续的冲击下，刀片崩碎的现象；对于无键槽可连续加工的齿轮内孔加工，则用选用硬度高的CBN刀片，以获得良好的经济效果及良好的加工质量。尽管CBN(立方氮化硼)刀片价格昂贵，但CBN刀片最适合硬车削，此刀片能够在断续切削过程中保持定位不变，在连续切削过程中提供安全的刀具磨损率。

经过前期调研综合考虑，采用住友CBN烧结体涂覆特殊陶瓷涂层刀片，材质名为BNC200,涂层采用TiAlN系陶瓷，在高效率加工、高负荷切削和断续加工中可得到的稳定的长寿命。

3.4刀片结构和几何参数选择

刀片形状及几何参数的合理确定对充分发挥刀具切削性能是至关重要的。按刀具强度来说，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，应尽可能选用强度高的刀片形状。

刃口倒圆极为重要，对降低刀具磨损和提高刀具抗冲击性能都有较大影响，太小易崩刀，太大切削力增大，硬车削刀片应选择尽可能大的刀尖圆弧半径，用圆形及大半径刀片粗加工，精加工时的刀尖半径约为0.4mm左右。

淬硬钢切屑为红而酥软的锻带状，脆性大，易折断，不粘结，一般在切削表面不产生积屑瘤，加工的表面质量高，但淬硬钢切削力比较大，特别是径向切削力比主切削力还要大，所以刀具宜采用负前角和较大的后角，主偏角取决于机床刚性，以减少工件和刀具颤振。带后角刀片，一般7°即可，配合正前角车刀杆使用。

为使切削轻快而又有一定的抗冲击性能，本次选用住友2NC-CCGW060204刀片,刀具刃磨的几何参数选择为：刀片为强度和韧性高的80°菱形刀片,刃倾角λs=-5°,后角α0=7°,主偏角κr=95°,刀尖半径0.4mm，为保护刀具刃口，使用前需用细油石倒棱。

3.5刀杆的选择

刀杆的材质在一定程度上会对加工质量造成一定的影响，特别在加工内孔小于15mm且长径比大于5的小齿轮时,由于刀杆的刚度不够时，加工过程会出现振动现象，造成极差的表面质量，这时，通常会选用刚性很高的整体硬质合金的刀杆。如果选用的刀杆材料是45 号钢调质钢，为了最大限度地增加硬车削的系统刚性，刀具伸出长度最好小于刀杆直径的1.5倍，工件装夹时也应尽量减小悬伸长度。

本次选择的是山特维克整体硬合金刀杆，刀杆型号为E10M-SCLCR 06-R。

3.6切削参数选择

本次内孔加工余量为0.2mm，分粗精车，分别用两把刀进行加工。

3.6.1 进给速度f

进给量通常可以选择0.05～0.35mm/r 之间，具体数值视表面粗糙度值和生产率要求而定，本次加工要求为Ra0.8，考虑加工表面的塑性变形和刀具在工作表面的摩擦以及在切削过程中产生的其它现象，粗糙度理论公式计算按H=0.4um=0.0004mm计,f²=8Hre=0.0128，即f=0.035mm。经多次试加工，粗精加工取f=0.05mm/r加工效果最佳。

3.6.2 切削速度Vc

工件材料硬度越高，其切削速度应越小。由于CBN切削硬材料是将切削区内微小区域的金属软化而进行的，因此切削速度过低时，就不能发挥其切削性能。经过多次试加工,选择粗加工转速为800r/min,精加工转速为1500 r/min。对应切削速度为35m/min，66 m/min。

3.6.3 切削深度

加工表面粗糙度低的工件，可选小的切削深度，但不能太小，要适宜。一般情况下，背吃刀量ap 0.05～0.3mm之间。零件余量为0.2mm，单边为0.1mm。经过多次试加工，粗加工取ap=0.07mm，精加工取ap=0.03mm。

3.7加工效果评价

加工此种齿轮淬硬内孔尺寸公差用塞规测量符合要求，粗糙度为Ra0.7符合要求，因此硬车加工完全可以取代磨削加工。硬车单件所需时间为12min，相对于磨削单件28min大幅缩短。

四、结语

金属加工工艺不断发展的今天，硬车及磨削工艺都在脱离原先的思路，快速成长。原本被认为效率较低的磨削工艺已有了大幅度提供，与硬车工艺的各个方面也逐渐缩小。但以车代磨确实在合适的条件下产生了很大的效益，从这个思路我们完全可以延伸到其他生产设备的最优规划和使用，这是我们需要思考和学习的。对于目前的工程技术人员，在加工工艺、设备实施、工装及刀具选用、工厂规划、整体工厂运营等方面提出了更高的要求，需要找到这些因素的平衡点，做到最优化的方式，真正把握到精益生产的精髓。

参考文献

[1]芦福桢.金属切削原理与刀具[M].机械工业出社,2008:9-10.

[2]王先逵.机械制造工艺学[M].机械工业出版社,2007:50-61.

作者简介

作者张绍伟目前就职于新航集团，曾担任车间技术员、技术主任、主任等职位,对精密齿轴零件的加工具有较高的技术水平和应用经验。

作者张永强目前就职于新航集团103厂，担任技术员，对精密齿轴零件的加工具有较高的技术水平和应用经验。

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