替代磨削:经济性好的硬车刀具和技术
更新日期:2018-03-13  来源:本站整理

   用在汽车工业的大多数硬零件是在淬硬后加工到最终几何形状的。目前,磨削是用于这些零件的主要的方法,这些零件包括轴承、齿轮、轴和小齿轮。但是,感谢机床刚性的改善和聚晶立方氮化硼(PCBN)刀具的发展,硬车削正作为一种替代磨削的经济性好的方法在普及。 
 
    
使用各种镶刃或整体车刀片完成硬度在洛氏4568范围材料的硬车削。自从它在80年代中期推出以来,这种工艺的普及程度已戏剧性地增加,并且PCBN刀具的销售现在每年超过25亿美圆。很明显,越来越多的制造商正在认识硬车削的优点。但是归因于PCBN刀具的成本,很多人仍然把它看作是一个昂贵的工艺。 
 
 
PCBN进行硬车削真的更贵? 
 
    
PCBN刀具的成本比传统刀具高1020倍时,研究表明它们在综合生产率和刀具寿命方面效率要高10300倍。在某种程度上,这些发现是基于每个零件分摊的刀具成本分析。为了更好地了解硬车削的经济效益,考虑一些有时被会计部门忽视的因素是有帮助的。这些因素包括刀具换刀时间、调整时间、加工时间、机床维护、零件质量和机床原始成本。 
 
    
硬车削的经济性好可能部分归功于机床本身。磨床比CNC车床的投资大得多,CNC车床通常是磨床成本的三分之一到二分之一。还有,在加工能力方面CNC车床柔性更大。换刀能在两分钟之内完成,没有对于更换砂轮必须的生产时间的损失。这些柔性允许小批量零件的快速、经济性好的生产。
 
    
低的维护也是一个好处,作为磨损的PCBN刀具能被快速地拿走并更换新的刀片,而且不需要修正或修正来维持切削轮廓。CNC车床和磨床相比还占据更少的空间,不需要液槽系统,而且在很多硬车削应用里甚至不需要冷却液。 
 
    
因为硬车削通过从工件上软化的切屑来有效地去除金属,通常不推荐冷却液。这有助于在消除有使用冷却液引起的环境伤害的同时降低成本。干加工还减少花在政府管制的切屑处理和回收处理上的时间和金钱。 
 
 
在较少的加工时间下获得良好的表面光洁度 
   
    
虽然已经知道磨削在相对较高的进给率下得到良好的表面光洁度,但用PCBN刀片硬车削能以明显更高的金属切除率获得同等或更好的表面光洁度。虽然工艺有小切深小进给组成,对于传统硬车削加工时间的减少估计高达60%,而对于最新的插车(plunge turning)技术高达90%
 
    
研究表明通过使用正确的刀尖圆弧半径、进给率或新的修光刀片技术组合,硬车削能获得比磨削更好的表面光洁度。实际上硬车削能以比磨削调节简单的装卡下被完成也能获得高精度。但是,仍有很多围绕硬车零件综合表面完整性的争论。 
 
    
硬车削通过产生残余应力模式和也叫做白化层的过硬表面区域来影响表面微观结构。这些薄的再硬化层通常是紧跟在白化层下面的过度回火区。归因于材料的微观结构的改造,再硬化层在光学显微镜下看是白的,而且回火区表现为暗色。 
 
    
研究已确认在硬车和磨削表面都有白化层的存在。虽然它们通常和表面残余拉应力相关联,但白化层也可能预示残余压应力。不管怎么说,白化层的成因和它们对已加工工件没有全部了解。 
 
    
一些研究建议使用切削液有助于消除白化层,而其它的显示冷却液没有效果。还有一些证据表明刀具工况影响白化层的形成。总的来说,新刀具更倾向于产生无损表面,白化层的增加随着刀具磨损的增加而增加。这可能由刀具和工件之间的摩擦产生的热量造成后刀面磨损增加引起,或者通过摩擦增加引起更高的塑性变形。 
 
 
新的刀具和技术减少加工时间高达90% 
 
    
近年来,硬车零件的未知表面完整性还引起某些不情愿把硬车削作为对关键表面精加工。但是,近来刀具技术的发展很可能挑战这些观念。特别地,新的整体PCBN刀片和新的插车技术已被证明能得到和传统磨削工艺相当或更好的精度。 
 
    
在近期的发展之一是象山高CBN100CBN300这样对硬车精加工经济性高的选择的整体PCBN刀片。特别针对淬硬钢加工的整体刀片CBN100CBN300提供和传统的镶齿或硬质合金刀片相同数量的切削刃,外加长的切削刃。归因于它们的整体结构,新的刀片提供明显更高的耐磨性和更低的每刃成本。在一项把山高的整体刀片同其它五个不同的刀具制造商生产的镶齿刀片比较的研究里,每刃成本的节约从25%208%不等。 
 
    
作为增加的优点,CBN100CBN300还使得插车成为可能。插车是一种使用整个切削刃或部分切削刃来创建直角切削的硬车削高生产率形式。这种相对新的工艺已被证实能减少加工时间多达90%,生产的零件的表面完整性同那些磨削的相同。 
 
    
磨削或硬车削零件的最关键的特性是尺寸(直径)、圆度、直线度、承载面积、表面粗糙度和残余应力。对于前四个特性,对于一个大齿轮或轴承环插车能很容易得到下面的精度。 
 
 
直径+/-0.0006in.(0.015mm) 
 
圆度+/-0.00015in.(0.004mm) 
 
直线度+/-0.00015in>(0.004mm) 
 
承载面积90%(0.00008in. 0.002mm) 
 
    
在生成连续纹道的传统车削里,表面光洁度主要决定于刀尖圆弧半径、进给率、切削速度和切削深度。相反,插车零件的表面质量主要取决于切削刃的质量。作为结果,插车的零件在轴向显示低的残余应力,而且密封特性和磨削表面相比相同或更好。 
 
    
使用整体PCBN刀片,这些应力模式保持常数,即使是大批生产时也这样。在一个检验250个插车零件物理特性的测试里,发现残余应力显著低于磨削引起的应力。零件质量还受切向残余应力分布的影响。在另外测试的250个零件里,磨削和插车都在表面产生残余拉应力,但是在插车零件上其影响区的厚度显然更薄。 
 
    
还发现插车减少白化层的发生,因为它减少切削刃上的后刀面磨损归因于每个加工表面更短的切削时间。这还产生更低的切削力和更少的摩擦,导致更少的热量传递到工件表面上。 
 
    
虽然硬车削通常被看作比传统精加工方法贵得多,近来的刀具和技术的发展正逐渐改变这些观念。随着关于满足表面光洁度和完整性要求能力的问题的回答,硬车削精加工将作为一种经济性好的替代磨削的方案被更广泛地认识。更大的柔性、更快的换刀和更长的刀具寿命都对降低加工成本、提高生产率和更好的零件质量有作用,远超过PCBN刀具的初期成本。