CN100391666C - 钢零件淬火热处理后干态硬车的切削方法 - Google Patents
钢零件淬火热处理后干态硬车的切削方法 Download PDFInfo
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Abstract
一种钢零件淬火热处理后干态硬车的切削方法，属于机械加工技术领域。步骤为：第一：将工艺的零件表面粗糙度降低到Ra＝0.50～0.89μm；第二：对刀，输入切削参数，包括车刀零点及补偿量，将切削速度从原来的90-150m/min提升到300-700m/min，始终保持进给率0.02mm/r；第三：将零件装上内涨车夹具，关上机床门；第四：车削零件锥面；第五：取下零件，当零件表面粗糙度Ra≥0.8μm时，继续保持加工，延长强制换刀的加工零件个数以越过车刀的“伪报废”区域；当零件表面粗糙度连续Ra≥0.90μm，且已加工零件个数≥360个时，替换车刀。本发明提高了零件表面粗糙度，成倍延长强制换刀的加工零件的个数，成倍提高切削速度。
Description
技术领域
本发明是一种的切削方法，具体是一种钢零件淬火热处理后干态硬车的切削方法，属于机械加工技术领域。
背景技术
硬态车削是指利用高性能车刀对于淬硬零件(55-65 HRC)的车削加工，这通常是精加工工艺。硬车从理论上说采用干态车削，即不使用冷却液，从根本上去除了一大工业污染源。基于此原因，硬车工艺可以被看作一种环保加工方式。干态硬车工艺的主要理论依据是热软化效应，是指由于采用超硬刀具，刀具的耐热性高，金属在高温下产生软化，金属材料的抗剪、抗拉强度下降，刀具涂层会在前刀面上形成一层薄的保护膜，使切削力降低，零件切削加工后的表面质量提高。而采用传统湿态切削，由于冷却液的持续冷却，无法使零件的金属材料软化。
目前干态硬车工艺有表面粗糙度不理想、车刀寿命短的缺点。本发明通过优化原定工艺，有效的解决这两个缺点。
经对现有技术的文献检索发现，中国专利ZL03108256.4，专利名称：曲面切削加工方法。此专利为一种防止刀具刀头的偏磨损、可延长透镜寿命的曲面切削加工方法，该专利文件中提到：将刀具的刀头的形状制成两端带角的平坦形状，将该刀具的刀头棱角线保持成与引出至作为加工面的设计曲面的接线平行，在坯料的表面上进行车削加工，形成1个轮带状切削加工面，以将刀具沿半径方向错开并局部重合的状态形成第2个轮带状切削加工面。重复这一加工，使坯料的表面实际上成为由沿设计曲线的同心状的多个轮带状切削加工面形成的精加工面；可将整个透镜刀头作为切削区域来使用而与加工对象的曲面形状无关，可防止刀头的偏磨损，延长刀具寿命，可将刀头棱角线与引出至曲线的接线保持平行，简化刀具刀头的位置控制等。但是此专利是指在使用透镜刀头进行曲面切削加工方法中防止刀具刀头的偏磨损、可延长透镜寿命，并不适用于普通的切削加工，有使用的局限范围。而且该专利并没有提高加工节拍，也没有提出借助原来的刀片提高零件表面粗糙度的方案。
发明内容
本发明针对现有技术的不足和缺陷，提供一种钢零件淬火热处理后干态硬车的切削方法。传统判断强制换刀的标准是当零件表面粗糙度不断超差，即定该刀头已报废，而本发明当零件表面粗糙度不断超差时继续保持加工，延长强制换刀的加工零件个数以越过“伪报废”区域，使车刀能够继续使用，从而延长强制实际刀头的寿命。本发明克服了现有技术的局限性，在保持使用原有的硬车车刀和车床的加工环境下，提高了零件表面粗糙度，成倍延长强制换刀的加工零件的个数，成倍提高切削速度。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明运用干切的“热软化效应”理论，分析其加工过程中的“伪报废”现象，突破了现有技术的局限，通过对切削速度、车刀修磨参数、对零件表面进行软涂层涂附，并且维持零件后道抛光工艺的所有参数等方法来保证、提高要求的零件表面粗糙度并延长刀具使用寿命。
本发明具体步骤如下：
第一：将原来的理论上要求硬车工艺应该达到的零件表面粗糙度(Ra＝0.30～0.45μm)要求降低到实际干态硬车所能达到的表面粗糙度范围(Ra＝0.50～0.89μm)，这样干态硬车就可以顺利应用了，超差的表面粗糙度(Ra＝0.50～0.89μm)由后道的抛光工艺去解决。注意后道的抛光工艺不用修改任何参数，同样能够达到成品表面粗糙度要求。这是因为对于抛光工艺，车削后过高的零件表面粗糙度反而会削弱抛光的效果。
第二：对刀，输入切削参数，包括车刀零点及补偿量，将切削速度从原来的90～150m/min提升到300～700m/min，但保持进给率0.02mm/r不变。这里成倍提高车床主轴转速的目的是为了获得一个更高的切削区温度(≥800℃)，对零件表面粗糙度是有利的，并且能够提高加工节拍。注意进给率(单位为mm/r)不变，以保证加工表面粗糙度。
第三：然后将零件装上内涨车夹具，关上机床门。
第四：内涨车夹具自动夹紧零件，机床主轴开始旋转，带动夹具及被夹紧的零件高速旋转，车刀进刀并开始车削零件锥面。进给率为0.02mm/r，单边车削量(切削深度)为0.1～0.2mm，加工零件的表面硬度≥700 HV10(60.1 HRC)。
第五：当整个零件锥面切削完毕后，车刀让刀，机床主轴停转，内涨车夹具放松零件，机床指示灯亮，这时打开机床门，取下零件，检查零件的表面粗糙度，当零件表面粗糙度Ra≥0.8μm时，继续保持加工，延长强制换刀的加工零件个数以越过车刀的“伪报废”区域，使车刀能够继续使用，从而延长强制实际刀头的寿命。在“伪报废”区域加工的零件表面粗糙度完全可以由后道抛光工艺来保证，且抛光工艺不用修改任何参数；当零件表面粗糙度连续Ra≥0.90μm，且已加工零件个数大于或者等于360个时，替换车刀；
第六：将第五步骤得到的表面粗糙度连续Ra≥0.90μm的零件送入抛光机床，对已加工零件的锥面进行抛光，抛光后即为成品。抛光的工艺参数与抛光Ra＝0.30～0.45μm的零件的工艺参数完全相同。
本发明所述的车刀的“伪报废”，是指：当车刀在切削了一批零件后，出现了连续的零件表面粗糙度超差，超差量有上升的趋势，并且刀头的确有磨损，往往会认定该刀头报废。但如果继续使用该刀头，在切削了又一批零件之后，又会出现新一轮的优良的零件表面粗糙度，车刀可以继续使用，而且磨损速率比在“伪报废”前慢。
对于干态硬车在零件表面粗糙度方面的缺陷，本发明给出一种方法，通过分析加工过程中的“伪报废”现象，突破了现有技术的局限，既能使干态硬车达到理论上要求硬车所能够达到的零件表面粗糙度，甚至达到抛光后的零件表面粗糙度要求(可取消抛光工艺)，又能够将保证刀具寿命比原先延长1倍，可采用对零件进行表面磷化(磷化层厚度5μm左右即可)。同时本发明采用高切削速度，对于硬车加工而言，将机床主轴转速即切削速度提高5-6倍是一个很大的突破。本发明方法突破了干切工艺对于零件表面粗糙度的局限性。
附图说明
图1a为改进前的硬车工艺卡主要工艺参数，图1b为锥面放大图。由图可见原定的理论上的零件表面粗糙度要求，该要求是偏高的。
图2a为新刀头投影图，图2b为切削360个零件后的刀头投影图。
图3a、图3b、图3c为粗糙度值产生波动的模型图。
具体实施方式
硬态车削对象为变速箱型号F15(赛欧轿车)四档从动轮总成。单边车削量(切削深度)为0.1mm，切削点线速度按试验分为90、150、300、700m/min4个等级，进给率为0.02mm/r不变，为了保证零件表面粗糙度。各档结合齿环材料均为细晶粒的16MnCr5。结合齿环锥面经表面硬化处理，硬度达740-780 HV10(61.8-63.3 HRC)，有效渗碳层深度＝0.4-0.8mm，硬度为550 HV1。(52.4 HRC)。要求硬车后的表面硬度≥700 HV10(60.1 HRC)，有效渗碳层深度≥0.3mm。其它切削参数见图1a、图1b(改进前的硬车工艺卡图)
刀具采用肯纳(KENNA)公司出产的DNGA432EMTKB5655硬车车刀，其材料为PCBN，表面涂层为PVD-TiAlN，前角γ＝0°，刀尖角εr＝55°。切削车床为日本OKUMA LB250T型高速车床，加工工序为超精车结合齿环锥面。要求Ra＝0.30～0.45μm。
以下提供本发明的具体实施例：
实施例1
将新刀头和旧刀头的投影进行放大，利用热塑性流动原理，结合对零件表面粗糙度的测量数据分析其加工过程中的“伪报废”现象。
图2a、图2b的刀头投影放大图，刀头右边缘为前刀面。图2a是新刀头的投影放大图。从图2b可见，前刀面上出现负前角，这是由于切削过程中，零件撞击刀头前刀面形成的，新刀片是没有的。新刀片刀头原有的负倒棱(由于切削深度很小，为0.10mm，这可以看成是负前角)与水平线的夹角θ，在切削360零件后，刀具磨损，负倒棱与水平线夹角变小为θ′，负倒棱长度增加，且负倒棱与后刀面的过渡圆弧半径也增大。这可以解释在切削加工第1个零件到第360个零件的过程中，切削区域的火花不断增强这一现象。也表明在这一切削过程中，切削温度由于摩擦区的扩大而持续升高。
表面粗糙度值产生波动的模型如附图3a、图3b、图3c所示。
不考虑前刀面受撞击后逐渐产生负前角对于新刀头，1区、2区及之间的圆弧过渡(3区)对于改善表面粗糙度较为有利(图3a)；而在切削了一定数量后，1区(负倒棱)与水平夹角减小，3区的过渡圆弧被破坏，形成尖角，引起表面粗糙度下降(图3b)；继续切削，被加工零件表面不断摩擦3区尖角，再加上整个摩擦区产生的高热使刀面整个摩擦区发生塑性流动，尖角逐渐消失，圆弧重新产生，加工出的表面粗糙度又能得到改善(图3c)。之后，这一循环又开始继续，从而造成表面粗糙度有规律的波动。这是车刀“伪报废”的实质。
实施例2
原先的强制换刀个数(单边刀头)为200个，在加工到第200个零件时，测得Ra≥0.8μm，将刀头放大显示刀尖圆弧已被磨损，认为刀头完全报废。
改进方法是将强制换刀时间延长，其它所有的切削条件不变，越过“伪报废”区之后，零件表面粗糙度明显改善。将刀头放大显示刀尖圆弧又形成，并且往往越过“伪报废”区之后形成的零件表面粗糙度是最好的。最终强制换刀个数(单边刀头)延长到了320个。
实施例3
将切削速度由原先的90m/min提高到400m/min，强制换刀个数(单边刀头)延长到了360个。零件表面粗糙度Ra值见下表：
| 15#0.587 | 30#0.670 | 45#0.634 | 60#0.560 |
| 75#0.622 | 90#0.699 | 105#0.611 | 120#0.739 |
| 135#0.690 | 150#0.688 | 165#0.709 | 180#0.628 |
| 195#0.747 | 210#0.725 | 225#0.833 | 240#0.811 |
| 255#0.793 | 270#0.753 | 285#0.772 | 300#0.758 |
| 315#0.765 | 330#0.836 | 345#0.848 | 360#0.881 |
要求Ra＝0.30～0.45μm，可见实际干态硬车的效用相对于理论上要求的硬车工艺应该达到的零件表面粗糙度方面的劣势。但如果将这些零件抛光，我们发现所有的表面粗糙度均达到标准，见下表：
| 15#0.226 | 30#0.243 | 45#0.225 | 60#0.220 |
| 75#0.219 | 90#0.229 | 105#0.216 | 120#0.221 |
| 135#0.239 | 150#0.249 | 165#0.247 | 180#0.259 |
| 195#0.277 | 210#0.241 | 225#0.230 | 240#0.298 |
| 255#0.292 | 270#0.291 | 285#0.302 | 300#0.335 |
| 315#0.286 | 330#0.289 | 345#0.284 | 360#0.299 |
抛光后要求Ra＝0.15～0.30μm，测得的零件表面粗糙度均达到标准，也就是说，将零件表面粗糙度值降低到干态硬车的标准是完全可行的。
实施例4
以下给出将零件表面作磷化(磷化层厚度5μm左右即可)处理后，干式硬车取得的零件表面粗糙度，切削速度为400m/min，强制换刀个数(单边刀头)延长到了495个。
| 15#0.254 | 30#0.361 | 45#0.404 | 60#0.387 |
| 75#0.344 | 90#0.321 | 105#0.236 | 120#0.241 |
| 135#0.243 | 150#0.412 | 165#0.309 | 180#0.429 |
| 195#0.345 | 210#0.321 | 225#0.281 | 240#0.282 |
| 255#0.256 | 270#0.233 | 285#0.196 | 300#0.213 |
| 315#0.226 | 330#0.246 | 375#0.242 | 390#0.244 |
| 405#0.273 | 420#0.372 | 435#0.490 | 450#0.511 |
| 480#0.618 | 495#0.534 |
可见前420个零件全部达到理论上要求的硬车工艺应该达到的零件表面粗糙度并且中间阶段210#-405#，也就是在最佳刃磨角度变化范围内，干态硬车达到了抛光的表面粗糙度范围。
实施例5
事实上可以将切削速度提升到700m/min，当然是在机床允许的范围内。对于硬车表面磷化处理零件时，切削速度对表面粗糙度的影响见下表：
| 切削速度V/m·min<sup>-1</sup> | 90 | 150 | 300 | 700 |
| 平均Ra值/μm | 0.198 | 0.218 | 0.208 | 0.207 |
这是由于切削量很小，热软化效应并不显著。如果采用的是高速车床，在机床设定范围内，完全可以将切削速度提升到700m/min。并且通过对车削过程中的主切削力的测量，证明在切削量很小的硬车过程中，干态和湿态硬车的主切削力的大小及变化范围没有明显差别。
Claims (3)
1.一种钢零件淬火热处理后干态硬车的切削方法，其特征在于：具体步骤如下：
第一：将理论上要求硬车工艺应该达到的零件表面粗糙度Ra＝0.30～0.45μm降低到实际干态硬车所能达到的表面粗糙度范围Ra＝0.50～0.89μm；
第二：对刀，输入切削参数，包括车刀零点及补偿量，将切削速度从原来的90-150m/min提升到300-700m/min，始终保持进给率0.02mm/r；
第三：然后将零件装上内涨车夹具，关上机床门；
第四：内涨车夹具自动夹紧零件，机床主轴开始旋转，带动夹具及被夹紧的零件旋转，车刀进刀并开始车削零件锥面；
第五：当整个零件锥面切削完毕后，车刀让刀，机床主轴停转，内涨车夹具放松零件，机床指示灯亮，这时打开机床门，取下零件，检查零件的表面粗糙度，当零件表面粗糙度Ra≥0.8μm时，继续保持加工，延长强制换刀的加工零件个数以越过车刀的“伪报废”区域；当零件表面粗糙度连续Ra≥0.90μm，且已加工零件个数大于或者等于360个时，替换车刀；
所述的车刀的“伪报废”，是指：当车刀在切削了一批零件后，出现了连续的零件表面粗糙度超差，超差量有上升的趋势，并且刀头的确有磨损，往往会认定该刀头报废，但如果继续使用该刀头，在切削了又一批零件之后，又会出现新一轮的优良的零件表面粗糙度，车刀能继续使用，而且磨损速率比在之前慢；
第六：将第五步骤得到的表面粗糙度连续Ra≥0.90μm的零件送入抛光机床，对已加工零件的锥面进行抛光，抛光后即为成品。
2.根据权利要求1所述的钢零件淬火热处理后干态硬车的切削方法，其特征是：所述的第四步骤中，单边车削量为0.1-0.2mm，加工零件的表面硬度≥700HV10。
3.根据权利要求1所述的钢零件淬火热处理后干态硬车的切削方法，其特征是：所述的第五步骤中替换车刀，是指：车刀切削连续5个零件表面粗糙度Ra≥0.90μm，且已加工零件个数大于或者等于360个时，判定该车刀报废，需要替换。
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| 硬车削及其加工技术. 刘志峰，夏链.机械工艺师，第1998.1期. 1998 |
| 硬车削及其加工技术. 刘志峰，夏链.机械工艺师，第1998.1期. 1998 * |
| 高速硬车削淬火钢的实验研究. 张燕敏，徐宏海.中国制造业信息化，第35卷第5期. 2006 |
| 高速硬车削淬火钢的实验研究. 张燕敏，徐宏海.中国制造业信息化，第35卷第5期. 2006 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN1899734A (zh) | 2007-01-24 |
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