克服硬质材料加工的难点

作者：Thomas Sheehy

欢迎访问e展厅 展厅 1 加工中心/FMS展厅 车铣加工中心, 铣削加工中心, 钻铣加工中心, 镗铣加工中心, 五轴加工中心, ... 与传统观念不同，利用正确的机床和正确的刀具，将淬火硬化的工件加工到5µm并不困难。目前，刀具供应商已开发出能够承受这种加工条件的新型刀具，机床制造者也已生产出能满足这些新型刀具所需刚度的CNC车床。同此，硬质材料车削就可以从以下诸方面促进生产了。 节约时间 硬质材料车削比磨削至最终尺寸规范用时较少，这是因为车削的金属切削速率高于磨削，而且，一次装夹中可进行多道工序的加工。操作者只需一次装卸，就能完成全部加工，从而实现了及时（just-in-time)生产。 降低成本 节约时间就是节约金钱。再说，使用车床来代替磨床，意味着较低的机床总投资。 质量较好 硬质材料的车削在保证尺寸精度和表面粗糙度方面，比磨削要好得多。您可以将大多数硬质材料车到5µm的总公差，表面粗糙度Ra0.1µm。当然，这样精密的表面质量需要特殊的措施，但Ra0.15µm-Ra0.2µm则轻而一举。 工序较少 硬质材料车削可免去许多形式的磨削工序，以及抛光和其他精加工工序。不仅省下加工费用，更有意义的是，可以把许多外协加工的活拿回来自己做。 浪费较小 硬质材料车削的废品极少。因为使用的冷却液与正常车削的相同，不必另加冷却液，造成小必要的浪费。更有甚者，可以选择在不加冷却液状态下进行干车削，以避免冷却液和废品工件的浪费。硬质材料车削还可以免除伤脑筋的磨削废渣问题——即费工又费钱的废渣回收与处理问题。 对功率和刚度的要求 为了使硬质材料车削能获得最好效果，机床和刀具的正确结合是很重要的。例如，我们在一次粗车加工中，当利用陶瓷刀，并采用0.28 mm/min的走刀量和1.9mm的吃刀量时，就需要使 15kW电机输出 65%的负载，该车床将淬火后的直径50mm钢件的一端车到25mm左右，同时还车削出锥面、圆弧半径以及其他复杂形状。 虽然需要具备高功率进行大吃刀量切削，但很多用户发现，多数情况下并非如此。因为大多数硬质材料的加工都是精加工。一般可以先在普通螺丝车床上粗车，留出0.25-0.38mm的余量，然后于热处理后再利用硬质材料车削技术完成精加工。 对硬质材料车削的另一要求是刚度，包括机床、刀具和工件、机床装置中的任何环节若缺乏刚度，就会引起震颤，为了能够获得能与磨削相比的精度和尺寸公差，机床从床身起就必须具备特别高的刚度。传统的铸铁床身与花岗岩聚合物相比，是不适合进行硬材料车削的。聚合物床身的抗振动能力比铸铁高20倍，使主轴上的振动只有装在铸铁床身上的主轴的1/3以下。 尽显减小悬伸量是减小振动的另一武器。从理论上讲，工件夹持装置应该使所夹工件尽可能靠近主轴轴承，刀具则应尽可能靠近刀塔本体，而不出现悬臂状态。为此，主轴内能够直接装夹弹簧夹头的车床。夹头座使工件远离主轴轴承，不但夹持力小，尤其会增加振动的机会。 新品种刀具 用陶瓷刀和立方氮化硼(CBN)刀具加工硬钢材都很好。这些刀具在短短的时间里得到了飞速发展，有些刀具制造商声称：只要机床使用正确，他们的刀具比磨削可以缩短时间300%，并能提高切削精度。 这些供应商推荐的陶瓷刀具有负前角和较大的T-倒棱，该倒棱只在刀具-工件界面上增加压力。与此相反，CBN按照工件的具体情况，可以有也可以没有这种不利的T-倒棱。例如，用CBN进行断续切削时，就需要较大的T-倒棱来承受振动。 陶瓷刀具的使用会比CBN越来越普遍，这是由于它的成本较低，也因为它们的切削刃较多的缘故。然而，它们极易受热涨裂。此外，如果刀刃修磨不当时，不宜进行断续切削。CBN虽然比陶瓷贵得多，但它的切削性能好得多，加工精度高，使用寿命也长些。 在此两种刀具材料之间进行选择，是如何使工件材质、几何形状以及切削速度和送给民与其相适应的工作。有些用户通常并不拘泥于逐条地比较，而是以该刀具对同样的加工所构成的成本，以及能产生多大效益为选择原则。这些用户用价格较低的陶瓷刀粗车热处理时残留的锈皮和铁鳞等，然后，用更好些的CBN刀具进行精加工。一般而言，如果硬化深度大于欲车去的材料深度，最好选用CBN。 选择正确的加工方法 从实用的立场考虑，硬质材料车削是一个与工件特性密切相关的过程。它特别适合切削具有错综圆弧、角度，以及半径等几何形状十分复杂的工件。您可以采用单刀尖编程车削的方法，快速又经济地完成加工，而不必为此去购买成形砂轮了，根据经验，大多数硬质材料车削是以91-150 m/min的切削速度和 0.05-0.13mm/min的进给速度进行的。精切吃刀深度一般为0.08－0.5mm。 因此，如何控制好材质的纯度，以及车削以前的热处理、粗车和成形工序，便成为本加工所能达到的精度大小的决定因素了，如果工件硬度波动只有三个洛氏硬度值(举例说)，刀具的切削压力就会变化到足以使您保证不了5µm的尺寸精度。不稳定的硬度和不均匀的吃刀深度，都会损坏这种加工。因此，应该使用合格的材料，保持恒定的金属切削率，并保批热处理硬度在±1或±2个HRC值以内。 工件的长径比也会影响机床保持公差精度的能力。典型的固定床头式车床一般不用尾座对长径比为5:l－6:1的软质工件时，能达到相当严格的精度。由于工件的硬度、刀具的负前角和切削硬质材料所必需的T-倒棱，使得对具压力相当大，因而，当工件无尾座支承时，必须将工件的长径比限制在3:1－4:1。 当然，此限制要随加工的不间而变——也就是说，随工件的材质、硬度以及对粗糙度和精度要求而变。我们以前曾不用尾座支承车削过直径13mm、长度64mm的工件，则是精度很差。 尾座能起一定作用，但它对非是解决所有问题的灵丹妙药。例如，顶尖不能防止直径25mm、长300mm的工件的震颤。对这种工件，您只能采用磨削的办法。要保证比0.005mm更严格的公差精度，采用磨削工艺出比较好。虽然说硬质材料车削不能完全取代磨削，但它可以取代相当大一部分，尤其是工件的长径比较小、形状较复杂时如此。 当你需要精密时...... 当Superior Technology公司(Rochester, N.Y.)迁移到面积2508.38m²（2700ft²）的新厂房后，老板给年产值2百万美元的加工车间增添了一台新型VMC700立式加工中心，一台已使用了9年的Hardinse CHNC车床，和能够精车淬硬工件的13台HardingeConquest CNC车床。在这些机床中，Superior先生用来车削硬材料的是一台排式刀架车床，即精度能达到0.25µm的超高精密Conquest GT车床。 虽然这种精度水平并不是每次加工都要求的，“但是，当您需要的时候，知道哪里有这种精密设备，心里是很踏实的。”副总裁Tony Shortino先生说，“如果需要切除0.51µm的时候，我就能够做到。” 他分配给该机床的一批任务是20000件经过表面淬火、长50mm、粗13mm的12L14钢件。淬硬层的硬度为58-60HRC，吃刀深度0.8mm，要求的形位配合公差为0.005mm。采用CBN刀具进行硬质材料车削。刀具必须切削硬化层，单边lmm。 当条件允许时，该车间还采用硬化材料车削工艺代替轴颈磨削、热处理后的磨削以及其他表面精加工工序。取消这些工序后，Sunerior公司不但节约了资金，而且由于消除了磨削粉尘，也净化了环境。Shortino先生最后说：“这里用不着专门的冷却液或者空气过滤装置。” (end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (11/11/2004)