硬車(chē)削是一種被接受的精加工淬硬工件材料的加工工藝。與其它加工技術(shù)相比，它具有柔性、高效和經(jīng)濟(jì)性好的特點(diǎn)。自從它推出以后，隨著機(jī)床制造商協(xié)助、PCBN新材質(zhì)等級(jí)的研發(fā)和刀具制造方法的改進(jìn)，硬車(chē)削不斷獲得顯著的性能提高。
傳動(dòng)零件是容易進(jìn)行硬車(chē)削的，而本文中的汽車(chē)同步嚙合齒輪使用不同的刀具理念進(jìn)行加工。該零件不同加工的數(shù)量突出了使用的不同理念的優(yōu)勢(shì)和局限性。
盡管幾年前硬車(chē)削的選擇是相當(dāng)有限的，但將如本文所示，如今可供選擇的數(shù)量很多。因此，加工工藝應(yīng)該圍繞用戶(hù)的需求，機(jī)床的技術(shù)根據(jù)用戶(hù)的產(chǎn)量進(jìn)行設(shè)計(jì)，這是非常重要的。
材料淬硬鋼，硬度HRC 60，車(chē)端面、外圓和內(nèi)孔
刀片型號(hào)：TNGN110308S CBN100, 有冷卻液
Vc=200m/min,f=0.014～0.04mm/rev，ap=0.15mm
結(jié)果：23臺(tái)磨床被4臺(tái)CNC車(chē)床替代
硬車(chē)削基本技術(shù)
當(dāng)談到硬車(chē)削基本技術(shù)時(shí)，參考基準(zhǔn)是在標(biāo)準(zhǔn)的刀桿上使用標(biāo)準(zhǔn)的ISO刀片幾何角度來(lái)加工淬硬零件，形成需要的零件廓形。典型的硬車(chē)削零件見(jiàn)圖1。加工過(guò)程通常涉及多種加工，如車(chē)內(nèi)孔、車(chē)端面、反車(chē)端面和車(chē)削同步嚙合齒輪的錐面。自從能一次裝夾完成加工后，與磨削相比，直接的好處是減少了因位置精度超差而報(bào)廢的零件。尺寸精度和表面粗糙度可通過(guò)調(diào)整加工參數(shù)而得到滿(mǎn)足。零件夾持和機(jī)床穩(wěn)定性也有很重要的作用。自上世紀(jì)80年代末以來(lái)，這種技術(shù)已經(jīng)使用得非常成功，而且繼續(xù)成為代替磨削加工的基礎(chǔ)。
高生產(chǎn)率加工技術(shù)
對(duì)于所有發(fā)展中的技術(shù)，一旦基本概念已經(jīng)被接受，不可避免會(huì)出現(xiàn)改型的理念。就硬車(chē)削而言，當(dāng)前強(qiáng)調(diào)提高生產(chǎn)率。很有趣的是，一種工藝是低進(jìn)給加工，大家期望的另一種工藝是高進(jìn)給精加工技術(shù)。
插車(chē)技術(shù)
插車(chē)(Plunging)實(shí)質(zhì)上是使用相當(dāng)一部分的切削刃長(zhǎng)度來(lái)生成加工表面。這個(gè)理念不是完全新的，因?yàn)樗呀?jīng)被非常成功地用于插車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋的閥座。但是，隨著世界上第一款且目前唯一的用于精加工的整體式PCBN材質(zhì)等級(jí)CBN100的開(kāi)發(fā)成功，插車(chē)的理念擴(kuò)張到了其它應(yīng)用領(lǐng)域。整體式CBN100的經(jīng)濟(jì)性好出很多，譬如一片三角形的刀片為插車(chē)提供六個(gè)切削刃，這使得該產(chǎn)品對(duì)于插車(chē)加工和傳統(tǒng)車(chē)削技術(shù)都非常理想。
與傳統(tǒng)硬車(chē)削相比，主要優(yōu)勢(shì)是縮短加工節(jié)拍，大概在75到90%之間。圖 2 表示插車(chē)的基本原理。
該工藝依靠很多關(guān)鍵因素：首先，為獲得良好的表面粗糙度和最長(zhǎng)的刀具壽命，刀片切削刃的質(zhì)量非常重要。它也是提高切削速度和降低進(jìn)給量所必須的。這減少了切削力，確保極佳的尺寸精度。為了維持尺寸精度，在切削的最后2到3轉(zhuǎn)，刀片允許空進(jìn)給。為了避免切削刃廓形影響表面粗糙度，作了一個(gè)小的軸向移動(dòng)。隨著這些技術(shù)的應(yīng)用和有良好的機(jī)床配置，獲得一致性很高的表面粗糙度和零件精度是可行的。在齒輪車(chē)削中，插車(chē)已經(jīng)被用于加工齒面和同步嚙合錐面。已經(jīng)用PCBN插車(chē)加工的最大長(zhǎng)度是16 mm。
修光刃技術(shù)
修光刃技術(shù)在硬質(zhì)合金刀具中已經(jīng)進(jìn)行很多的嘗試和試驗(yàn)。使用修光刃刀片的優(yōu)勢(shì)是在更高得進(jìn)給量下的加工能力。修光刃的原理如圖3所示。實(shí)際上修光刃的原理就是在刀尖圓弧之后放置一個(gè)大圓弧或多個(gè)大圓弧。由于接觸區(qū)域更寬且能縮小硬車(chē)削生成表面的波峰和波谷的比值，這使得刀片具有與大圓弧或圓刀片相同的效果。這也使得進(jìn)給量增加后表面粗糙度不會(huì)變差。
隨著刀具制造技術(shù)的進(jìn)步，把這個(gè)原理用于PCBN刀片是可行的。把修光刃技術(shù)用于硬車(chē)削的好處有兩個(gè)方面：首先是提高生產(chǎn)率，其二是縮短接觸時(shí)間并提供更長(zhǎng)的刀具壽命。在齒輪加工中，修光刃刀片通常被用于加工內(nèi)孔。
PCBN修光刃技術(shù)方面最新的進(jìn)展之一是 Secomax CBN100 Crossbill™修光刃刀片的開(kāi)發(fā)(圖4)。這種獨(dú)特的刀片把整體式 PCBN 和分左右手的修光刃設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)結(jié)合在一起。直到最近，整體式 PCBN 刀片上的修光刃設(shè)計(jì)使其朝向臺(tái)階加工的能力收到限制。這是由于一個(gè)切削刃上的修光刃設(shè)計(jì)與對(duì)邊刀尖圓角的設(shè)計(jì)相反。CBN100 Crossbill™刀片的推出已經(jīng)解決了這個(gè)問(wèn)題，它既供應(yīng)右手型式也供應(yīng)左手型式的刀片。它能用于朝向臺(tái)階的軸向車(chē)削(充分利用修光刃技術(shù))，而且歸因于這種設(shè)計(jì)，它還能加工出完美的圓弧。
應(yīng)用高生產(chǎn)率技術(shù)
修光刃和插車(chē)工藝能被用于一系列不同的大批量生產(chǎn)應(yīng)用領(lǐng)域。在齒輪車(chē)削中，插車(chē)和修光刃的結(jié)合通常是最佳的解決方案。包括尺寸精度和表面粗糙度等技術(shù)要求的典型同步嚙合齒輪見(jiàn)圖 5 所示。
第一個(gè)關(guān)鍵的地方是同步嚙合齒輪的錐面。對(duì)于加工這個(gè)表面，有三個(gè)選擇：(i)傳統(tǒng)車(chē)削，(ii)插車(chē)，(iii)修光刃技術(shù)。
傳統(tǒng)車(chē)削是一種試切法，而且作為與插車(chē)和修光刃技術(shù)相比較的基準(zhǔn)。在傳統(tǒng)車(chē)削中，使用的切削速度和進(jìn)給量分別為150-200 m/min和0.1mm/rev 。插車(chē)使用的參數(shù)：Vc=300m/min, f=0.04mm/rev 。如前所述，成功的插車(chē)依靠提高切削速度和降低進(jìn)給量。
使用的刀片是一種具有負(fù)角槽型的整體式Secomax CBN100三角形刀片，每個(gè)刀片提供六個(gè)切削刃。在插車(chē)加工中，刀具的位置精度是至關(guān)重要的，因?yàn)樗鼘⒈粡?fù)制到工件上。在加工錐面時(shí)，需要使用特別‘定制’的刀桿來(lái)提供6.5°的錐度，錐度的最終調(diào)整需要在機(jī)床上完成。
插車(chē)的主要好處在于縮短了加工節(jié)拍。插車(chē)的進(jìn)給量為0.04mm/rev 、切削深度在4轉(zhuǎn)加上極小的空進(jìn)給，共計(jì)接觸時(shí)間0.04秒內(nèi)完成，而傳統(tǒng)車(chē)削需要4.96秒，差距超過(guò)100倍。
除了加工節(jié)拍提高之外，插車(chē)還有其它好處。圖6表示刀尖圓弧半徑對(duì)表面粗糙度的總體影響。如期望的那樣，刀尖圓弧半徑越大，表面粗糙度越好。令人感興趣的是，與傳統(tǒng)加工相比，插車(chē)通常產(chǎn)生好得多的表面粗糙度。
已加工表面殘余應(yīng)力的分析也已經(jīng)顯示插車(chē)具有確實(shí)的好處，取決于許多因素，諸如切削刃狀態(tài)、加工參數(shù)等。已加工零件的整個(gè)表面處于壓應(yīng)力狀態(tài)是可行的。對(duì)于承受動(dòng)載荷的零件，這當(dāng)然是令人感興趣的。插車(chē)的表面還去除了與螺旋表面相關(guān)的影響表面粗糙度的問(wèn)題，傳統(tǒng)車(chē)削生成螺旋的刀具軌跡。
除了加工節(jié)拍提高之外，插車(chē)還有其它好處。圖6表示刀尖圓弧半徑對(duì)表面粗糙度的總體影響。如期望的那樣，刀尖圓弧半徑越大，表面粗糙度越好。令人感興趣的是，與傳統(tǒng)加工相比，插車(chē)通常產(chǎn)生好得多的表面粗糙度。
在錐面上使用修光刃技術(shù)是當(dāng)與傳統(tǒng)車(chē)削相比需要縮短加工節(jié)拍時(shí)的一種選擇;但是這將要求把刀片調(diào)整到與錐度一致以確保修光刃效果的有效性。
齒輪的內(nèi)孔加工使用傳統(tǒng)刀片和修光刃刀片都可以。正是內(nèi)孔長(zhǎng)度的原因，使得插車(chē)不能成為一個(gè)可行的方案。使用修光刃刀片的主要好處是提高余量的切除率而不影響零件的表面粗糙度。在較低的進(jìn)給量下使用修光刃刀片很少或沒(méi)有優(yōu)勢(shì)，依靠修光刃的設(shè)計(jì)，進(jìn)給量能比傳統(tǒng)車(chē)削高三倍，它有兩種潛在的優(yōu)勢(shì)。首先是縮短加工節(jié)拍，其次，更少的接觸時(shí)間提供潛在的更長(zhǎng)的刀具壽命。
使用修光刃原理的一個(gè)變通是使用刀尖圓弧半徑更大的刀片，如圓刀片。而這種變通對(duì)于通孔或通行無(wú)阻的外圓車(chē)削是可接受的，加工時(shí)碰到臺(tái)階是不行的，限制了它的應(yīng)用。使用修光刃或者圓刀片都具有更大的接觸面積，確實(shí)提高切削時(shí)的壓力，但由于硬車(chē)削的切削力較低，這通常不會(huì)出現(xiàn)達(dá)不到尺寸精度的問(wèn)題。
通常，最后加工的是前端面和/或后端面。所有三種選項(xiàng)都是可行的，而且當(dāng)然因?yàn)槊娣e小，加工節(jié)拍在所有情況下都較低(圖7)，可是仍然存在通過(guò)應(yīng)用插車(chē)技術(shù)來(lái)最小化切削時(shí)間的機(jī)會(huì)。
結(jié)論
隨著業(yè)界非常強(qiáng)調(diào)通過(guò)縮短加工節(jié)拍來(lái)提高生產(chǎn)率，本文討論 的兩種加工新技術(shù)都作出了重要的貢獻(xiàn)。雖然兩種技術(shù)都有一些限制，但已經(jīng)證明當(dāng)零件幾何角度允許使用插車(chē)和修光刃技術(shù)時(shí)，加工節(jié)拍明顯改善并因此提高生產(chǎn)率。
傳動(dòng)零件是容易進(jìn)行硬車(chē)削的，而本文中的汽車(chē)同步嚙合齒輪使用不同的刀具理念進(jìn)行加工。該零件不同加工的數(shù)量突出了使用的不同理念的優(yōu)勢(shì)和局限性。
盡管幾年前硬車(chē)削的選擇是相當(dāng)有限的，但將如本文所示，如今可供選擇的數(shù)量很多。因此，加工工藝應(yīng)該圍繞用戶(hù)的需求，機(jī)床的技術(shù)根據(jù)用戶(hù)的產(chǎn)量進(jìn)行設(shè)計(jì)，這是非常重要的。
圖1 PCBN精加工汽車(chē)同步嚙合齒輪
材料淬硬鋼，硬度HRC 60，車(chē)端面、外圓和內(nèi)孔
刀片型號(hào)：TNGN110308S CBN100, 有冷卻液
Vc=200m/min,f=0.014～0.04mm/rev，ap=0.15mm
結(jié)果：23臺(tái)磨床被4臺(tái)CNC車(chē)床替代
圖2 高生產(chǎn)率加工-插車(chē)
硬車(chē)削基本技術(shù)
當(dāng)談到硬車(chē)削基本技術(shù)時(shí)，參考基準(zhǔn)是在標(biāo)準(zhǔn)的刀桿上使用標(biāo)準(zhǔn)的ISO刀片幾何角度來(lái)加工淬硬零件，形成需要的零件廓形。典型的硬車(chē)削零件見(jiàn)圖1。加工過(guò)程通常涉及多種加工，如車(chē)內(nèi)孔、車(chē)端面、反車(chē)端面和車(chē)削同步嚙合齒輪的錐面。自從能一次裝夾完成加工后，與磨削相比，直接的好處是減少了因位置精度超差而報(bào)廢的零件。尺寸精度和表面粗糙度可通過(guò)調(diào)整加工參數(shù)而得到滿(mǎn)足。零件夾持和機(jī)床穩(wěn)定性也有很重要的作用。自上世紀(jì)80年代末以來(lái)，這種技術(shù)已經(jīng)使用得非常成功，而且繼續(xù)成為代替磨削加工的基礎(chǔ)。
高生產(chǎn)率加工技術(shù)
對(duì)于所有發(fā)展中的技術(shù)，一旦基本概念已經(jīng)被接受，不可避免會(huì)出現(xiàn)改型的理念。就硬車(chē)削而言，當(dāng)前強(qiáng)調(diào)提高生產(chǎn)率。很有趣的是，一種工藝是低進(jìn)給加工，大家期望的另一種工藝是高進(jìn)給精加工技術(shù)。
圖3 高生產(chǎn)率加工-修光刃
圖4 Secomax CBN100 Crossbill™修光刃刀片
插車(chē)技術(shù)
插車(chē)(Plunging)實(shí)質(zhì)上是使用相當(dāng)一部分的切削刃長(zhǎng)度來(lái)生成加工表面。這個(gè)理念不是完全新的，因?yàn)樗呀?jīng)被非常成功地用于插車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋的閥座。但是，隨著世界上第一款且目前唯一的用于精加工的整體式PCBN材質(zhì)等級(jí)CBN100的開(kāi)發(fā)成功，插車(chē)的理念擴(kuò)張到了其它應(yīng)用領(lǐng)域。整體式CBN100的經(jīng)濟(jì)性好出很多，譬如一片三角形的刀片為插車(chē)提供六個(gè)切削刃，這使得該產(chǎn)品對(duì)于插車(chē)加工和傳統(tǒng)車(chē)削技術(shù)都非常理想。
與傳統(tǒng)硬車(chē)削相比，主要優(yōu)勢(shì)是縮短加工節(jié)拍，大概在75到90%之間。圖 2 表示插車(chē)的基本原理。
該工藝依靠很多關(guān)鍵因素：首先，為獲得良好的表面粗糙度和最長(zhǎng)的刀具壽命，刀片切削刃的質(zhì)量非常重要。它也是提高切削速度和降低進(jìn)給量所必須的。這減少了切削力，確保極佳的尺寸精度。為了維持尺寸精度，在切削的最后2到3轉(zhuǎn)，刀片允許空進(jìn)給。為了避免切削刃廓形影響表面粗糙度，作了一個(gè)小的軸向移動(dòng)。隨著這些技術(shù)的應(yīng)用和有良好的機(jī)床配置，獲得一致性很高的表面粗糙度和零件精度是可行的。在齒輪車(chē)削中，插車(chē)已經(jīng)被用于加工齒面和同步嚙合錐面。已經(jīng)用PCBN插車(chē)加工的最大長(zhǎng)度是16 mm。
圖5 典型的汽車(chē)同步嚙合齒輪零件
修光刃技術(shù)
修光刃技術(shù)在硬質(zhì)合金刀具中已經(jīng)進(jìn)行很多的嘗試和試驗(yàn)。使用修光刃刀片的優(yōu)勢(shì)是在更高得進(jìn)給量下的加工能力。修光刃的原理如圖3所示。實(shí)際上修光刃的原理就是在刀尖圓弧之后放置一個(gè)大圓弧或多個(gè)大圓弧。由于接觸區(qū)域更寬且能縮小硬車(chē)削生成表面的波峰和波谷的比值，這使得刀片具有與大圓弧或圓刀片相同的效果。這也使得進(jìn)給量增加后表面粗糙度不會(huì)變差。
隨著刀具制造技術(shù)的進(jìn)步，把這個(gè)原理用于PCBN刀片是可行的。把修光刃技術(shù)用于硬車(chē)削的好處有兩個(gè)方面：首先是提高生產(chǎn)率，其二是縮短接觸時(shí)間并提供更長(zhǎng)的刀具壽命。在齒輪加工中，修光刃刀片通常被用于加工內(nèi)孔。
PCBN修光刃技術(shù)方面最新的進(jìn)展之一是 Secomax CBN100 Crossbill™修光刃刀片的開(kāi)發(fā)(圖4)。這種獨(dú)特的刀片把整體式 PCBN 和分左右手的修光刃設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)結(jié)合在一起。直到最近，整體式 PCBN 刀片上的修光刃設(shè)計(jì)使其朝向臺(tái)階加工的能力收到限制。這是由于一個(gè)切削刃上的修光刃設(shè)計(jì)與對(duì)邊刀尖圓角的設(shè)計(jì)相反。CBN100 Crossbill™刀片的推出已經(jīng)解決了這個(gè)問(wèn)題，它既供應(yīng)右手型式也供應(yīng)左手型式的刀片。它能用于朝向臺(tái)階的軸向車(chē)削(充分利用修光刃技術(shù))，而且歸因于這種設(shè)計(jì)，它還能加工出完美的圓弧。
應(yīng)用高生產(chǎn)率技術(shù)
修光刃和插車(chē)工藝能被用于一系列不同的大批量生產(chǎn)應(yīng)用領(lǐng)域。在齒輪車(chē)削中，插車(chē)和修光刃的結(jié)合通常是最佳的解決方案。包括尺寸精度和表面粗糙度等技術(shù)要求的典型同步嚙合齒輪見(jiàn)圖 5 所示。
第一個(gè)關(guān)鍵的地方是同步嚙合齒輪的錐面。對(duì)于加工這個(gè)表面，有三個(gè)選擇：(i)傳統(tǒng)車(chē)削，(ii)插車(chē)，(iii)修光刃技術(shù)。
傳統(tǒng)車(chē)削是一種試切法，而且作為與插車(chē)和修光刃技術(shù)相比較的基準(zhǔn)。在傳統(tǒng)車(chē)削中，使用的切削速度和進(jìn)給量分別為150-200 m/min和0.1mm/rev 。插車(chē)使用的參數(shù)：Vc=300m/min, f=0.04mm/rev 。如前所述，成功的插車(chē)依靠提高切削速度和降低進(jìn)給量。
使用的刀片是一種具有負(fù)角槽型的整體式Secomax CBN100三角形刀片，每個(gè)刀片提供六個(gè)切削刃。在插車(chē)加工中，刀具的位置精度是至關(guān)重要的，因?yàn)樗鼘⒈粡?fù)制到工件上。在加工錐面時(shí)，需要使用特別‘定制’的刀桿來(lái)提供6.5°的錐度，錐度的最終調(diào)整需要在機(jī)床上完成。
插車(chē)的主要好處在于縮短了加工節(jié)拍。插車(chē)的進(jìn)給量為0.04mm/rev 、切削深度在4轉(zhuǎn)加上極小的空進(jìn)給，共計(jì)接觸時(shí)間0.04秒內(nèi)完成，而傳統(tǒng)車(chē)削需要4.96秒，差距超過(guò)100倍。
圖6 表面粗糙度結(jié)果-錐面
除了加工節(jié)拍提高之外，插車(chē)還有其它好處。圖6表示刀尖圓弧半徑對(duì)表面粗糙度的總體影響。如期望的那樣，刀尖圓弧半徑越大，表面粗糙度越好。令人感興趣的是，與傳統(tǒng)加工相比，插車(chē)通常產(chǎn)生好得多的表面粗糙度。
已加工表面殘余應(yīng)力的分析也已經(jīng)顯示插車(chē)具有確實(shí)的好處，取決于許多因素，諸如切削刃狀態(tài)、加工參數(shù)等。已加工零件的整個(gè)表面處于壓應(yīng)力狀態(tài)是可行的。對(duì)于承受動(dòng)載荷的零件，這當(dāng)然是令人感興趣的。插車(chē)的表面還去除了與螺旋表面相關(guān)的影響表面粗糙度的問(wèn)題，傳統(tǒng)車(chē)削生成螺旋的刀具軌跡。
除了加工節(jié)拍提高之外，插車(chē)還有其它好處。圖6表示刀尖圓弧半徑對(duì)表面粗糙度的總體影響。如期望的那樣，刀尖圓弧半徑越大，表面粗糙度越好。令人感興趣的是，與傳統(tǒng)加工相比，插車(chē)通常產(chǎn)生好得多的表面粗糙度。
在錐面上使用修光刃技術(shù)是當(dāng)與傳統(tǒng)車(chē)削相比需要縮短加工節(jié)拍時(shí)的一種選擇;但是這將要求把刀片調(diào)整到與錐度一致以確保修光刃效果的有效性。
齒輪的內(nèi)孔加工使用傳統(tǒng)刀片和修光刃刀片都可以。正是內(nèi)孔長(zhǎng)度的原因，使得插車(chē)不能成為一個(gè)可行的方案。使用修光刃刀片的主要好處是提高余量的切除率而不影響零件的表面粗糙度。在較低的進(jìn)給量下使用修光刃刀片很少或沒(méi)有優(yōu)勢(shì)，依靠修光刃的設(shè)計(jì)，進(jìn)給量能比傳統(tǒng)車(chē)削高三倍，它有兩種潛在的優(yōu)勢(shì)。首先是縮短加工節(jié)拍，其次，更少的接觸時(shí)間提供潛在的更長(zhǎng)的刀具壽命。
使用修光刃原理的一個(gè)變通是使用刀尖圓弧半徑更大的刀片，如圓刀片。而這種變通對(duì)于通孔或通行無(wú)阻的外圓車(chē)削是可接受的，加工時(shí)碰到臺(tái)階是不行的，限制了它的應(yīng)用。使用修光刃或者圓刀片都具有更大的接觸面積，確實(shí)提高切削時(shí)的壓力，但由于硬車(chē)削的切削力較低，這通常不會(huì)出現(xiàn)達(dá)不到尺寸精度的問(wèn)題。
通常，最后加工的是前端面和/或后端面。所有三種選項(xiàng)都是可行的，而且當(dāng)然因?yàn)槊娣e小，加工節(jié)拍在所有情況下都較低(圖7)，可是仍然存在通過(guò)應(yīng)用插車(chē)技術(shù)來(lái)最小化切削時(shí)間的機(jī)會(huì)。
圖7 車(chē)削同步嚙合齒輪端面的加工時(shí)間
結(jié)論
隨著業(yè)界非常強(qiáng)調(diào)通過(guò)縮短加工節(jié)拍來(lái)提高生產(chǎn)率，本文討論 的兩種加工新技術(shù)都作出了重要的貢獻(xiàn)。雖然兩種技術(shù)都有一些限制，但已經(jīng)證明當(dāng)零件幾何角度允許使用插車(chē)和修光刃技術(shù)時(shí)，加工節(jié)拍明顯改善并因此提高生產(chǎn)率。