将硬化材料车削到类似磨削的精度需要零件、机器和工艺参数的正确组合。

硬车削的明显吸引力在于可以消除磨削操作。然而,对于一些商店来说,将比 45 Rc 更硬的零件反复车削到磨削级精度的过程仍然有点模糊。

正确调入的硬车削工艺可以提供 0.00011 英寸的表面光洁度、0.000009 英寸的圆度和 ±0.0002 英寸的直径公差。这种性能可以在同一台机器上实现,即在硬化之前“软”转动零件,最大限度地提高设备利用率。然而,一些商店在最初为应用程序使用错误的(即更便宜的)工具插入时会出现失误。其他人可能不确定他们的机器是否具有处理可能是典型车削操作两倍的切削压力的刚性。

Hardinge, Inc.(纽约州埃尔迈拉)的应用工程师 Tom Sheehy 分享了他公司的一些硬车削建议和见解。以下是商店在仔细研究硬车削时应牢记的八个关键工艺要素。

• 零件——尽管 45-Rc 材料是硬车削的起点,但通常对 60 Rc 或更高的零件进行硬车削。常见的硬车削材料包括工具、轴承和表面硬化钢,以及 Inconel、Hastelloy、Stellite 和其他特殊材料。从冶金学的角度来看,在整个切削深度中硬度偏差较小(小于两个 Rc 点)的材料可以实现最佳的工艺可预测性。

在某些情况下,零件的尺寸或几何形状根本不适合硬车削。最适合硬车削的零件具有较小的长径 (L/D) 比。一般来说,无支撑工件的长径比不超过4:1,支撑工件的长径比不超过8:1。尽管尾座支持长而薄的零件,但高切削压力可能会引起颤振。

• 机床——机床刚性的程度决定了硬车削的精度。过去 15 到 20 年制造的大多数机床都具有足够的刚性来处理一些硬车削应用。在许多情况下,机器的整体状况比其使用年限更重要。即使是维护良好的旧手动车床也可能适合硬车削。然而,随着所需的零件公差越来越小,表面光洁度越来越好,机器的刚性就成为一个更大的问题。

Hardinge 在其车削中心中集成了许多功能,以提高硬车削应用的刚度和阻尼特性。其中包括带有聚合物复合材料增强材料的机床底座、将主轴轴承定位在靠近工件的直接座夹式主轴和静压方式。

最大限度地提高系统刚度意味着最大限度地减少所有悬伸、工具延伸和零件延伸,以及消除垫片和垫片。目标是让所有东西都尽可能靠近炮塔。

• 刀片——尽管立方氮化硼 (CBN) 刀片的高成本是硬车削的最佳全能材质,但一些商店最初对这种高成本感到望而却步。CBN 刀片在断续切削期间保持良好,并为连续切削提供良好的刀具磨损。通过适当调整的硬车削工艺,这些刀片在保持直径公差方面仅次于磨削。

陶瓷不如 CBN 坚韧,通常在公差小于 ±0.001 英寸时不使用。陶瓷不适用于断续切割,也不应与冷却液一起使用,因为存在热冲击造成损坏的风险。钝边几何形状是这种材料固有的,这会转化为更高的切削力和降低的表面光洁度。此外,陶瓷刀片的故障可能是灾难性的,并导致所有切削刃无法使用。

金属陶瓷(整体碳化钛)适用于表面硬化材料的连续切削。尽管它不具备 CBN 的耐磨性,但在大多数情况下它往往会按比例磨损而不是断裂。

由于其坚固的切削刃,通常使用负前角刀片。然而,正前角刀片可能允许在刚性可疑的机床上进行硬车削,这要归功于与负齿廓相比具有较低的切削力。

关于刀片的最佳建议是与工具供应商密切合作,尤其是在流程开始时,以便快速上手。

• 冷却剂——关于冷却剂的最大问题是是否使用它。对于断续切削的零件,例如齿轮,最好是干运转。这是因为刀片在退出和进入切削时所经历的热冲击可能会导致破损。对于连续切削,干车削中出现的高刀尖温度用于退火(软化)预切削区域,从而降低硬度值并使材料更容易剪切。这种现象就是为什么在干切时提高速度是有益的。无冷却液切割也提供了明显的成本优势。

在提供更长的刀具寿命和更好的表面光洁度方面,冷却液有助于连续切削应用。关键是让冷却液到达刀尖。高压冷却液是到达刀尖的最佳选择,由于高温,它不太可能蒸发。高压还有助于保持小切屑尺寸,从而减少切屑阻挡冷却液到达刀尖的机会。另一种确保冷却液连续到达刀尖的方法是将冷却液输送到刀片的顶部和底部。

如果使用冷却剂,它必须是水基的。通过正确配置的硬车削工艺形成的切屑会带走 80% 到 90% 的热量(切削区温度可达到 1,700°F)。如果这种炽热的切屑与低闪点的纯油冷却剂接触,则该过程可能会火上浇油。如果在开放式机床上进行硬车削,则必须有某种形式的防护装置来保护操作员免受热切屑的伤害。

• 工艺——因为硬车削会将大部分切削热从切屑中排出,因此在切削过程中和切削后检查切屑将揭示工艺是否经过良好调整。在连续切割过程中,切屑应该是炽热的橙色并像丝带一样流走。如果冷却的薯片在用手碾碎时基本上会分解,那么这表明在芯片中进行了适当的热量。

• 白层——臭名昭著的“白层”可以在硬车削和磨削操作中抬起丑陋的脑袋。肉眼看不见,它是一种非常薄(通常为 1 微米)的材料外壳,比底层材料更硬。如果在硬车削过程中形成白色层,通常是因为钝刀片导致过多的热量传递到零件中。它最常在轴承钢上形成,并且对于承受高接触应力的轴承座圈等部件来说是最成问题的。随着时间的推移,白色层会分层并导致轴承故障。

大多数轴承制造商都有内部测试资源来解决这个问题。对于刚开始进行硬车削的车间,建议在生产的前几周进行随机测试,以确定每个刀片可以切削多少个零件而不会形成白层。冶金公司可以进行这些测试。尽管刀片可能能够在规格范围内切割 400 个零件,但它可能已经钝化到仅在 300 个零件后会产生白色层的程度。

• 镗孔——对淬硬材料进行镗孔时的高切削压力往往会增加镗杆上的扭转力和切向力。使用正前角几何形状和具有小刀尖半径的锋利 35 或 55 度刀片可以降低切削压力。在提高切削速度的同时减小切削深度和进给速度是降低压力的其他方法。

镗孔时,将刀具设置在中心或略高于零件中心很重要,因为切削偏斜会降低有效中心线。最好的夹紧方式是全长分体式套筒,其次是筒夹式和单点式。

• 螺纹加工——正确的刀片几何形状是加工硬化材料螺纹的关键。最好的螺纹刀片之一是类似于用于镗杆的三角形版本。当以正确的工艺参数进行螺纹加工时,60 度夹角和小刀尖半径工作得非常好。

对淬硬金属进行螺纹加工需要额外的走刀和浅切深,以降低切削压力并延长刀片寿命。另一种选择是使用备用侧面进刀,这会改变切削力位置并延长刀具寿命。

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