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哈挺谈“硬车”
来源: 作者:资深应用工程师 郑维宁 浏览次数:0
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世界各地的制造商为保持竞争力正面临挑战,零部件的精度水平不断提高,竞争朝着更高质量、更低价格和更小批次方向发展。客户需要降低成本,提高质量,缩短交货期,要寻求新的技术解决方案,并希望能够做到粗加工和精加工在同一台机床上加工完成,其中一个可行的改善方案是采用硬车削技术。
  相对于传统磨削方案,硬车方案不需要繁杂的辅助设备,较短的零件更换调整时间,较低的设备采购价格,使产品有更短的交货期。本文介绍硬车工艺的特点以及加工条件中的各种影响因素,并探讨硬车的经济性。
一、何谓“硬车”技术
  硬车过程通常被定义为车削硬度超过HRC45以上的零件,典型零件硬度在HRC58 ~ 68范围。硬车的应用场合很多,常见的有:汽车、轴承、船舶、模具、液压、机床、航空航天等代表行业,当然这些行业也在不断的增加并且不断的细分。硬车的材料也很多,轴承钢、齿轮钢、表面硬化钢、镍基合金、钨钴类合金最为常见,现在高频淬火、渗碳钢等材料开始应用于硬车。
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  硬车技术可以在同一台机床上完成产品的软车和硬车,可以节省场地和投资,并且硬车的金属切除率是磨削的4~6倍,效率极具优势。硬车是单点切削,在复杂轮廓加工方面有着独到的优势,不需要类似磨床的成型砂轮,对于外圆、端面、内孔组合的加工换刀非常方便,减少了砂轮架回转辅助时间。硬车可以达到非常高的精度,表面粗糙度通常可以做到Ra0.4以下,切屑更加容易处理,并且相对各种材质的砂轮库存,车床刀具的库存费用也是比较低廉的。
二、“硬车”加工的基础
  随着硬车的使用越来越普遍,现代化的工厂已开始意识到硬车所带来的收益。作为硬车技术成功应用的一部分,设备投资也需要考虑针对硬车需求的关键性能。
  硬车所使用的刀具通常有一个很大的负前角,在切削时能提供更大的刚性,与此同时,也对机床的刚性提出了更苛刻的要求。机床在设计制造过程中必须解决机床的动态刚性问题,若机床动态刚性差的话,机床在一个很宽的频率下振动,对工件的表面质量和刀具使用寿命会产生严重影响。动态刚性是现代机床行业的一个重要的指标,作为经验,硬车所需的切削刚性要比软车大1.5至2倍,虽然应用中可以采用小切深,但是小的切深不能减少对动态刚性的需求,更小的振动可以带来更好的粗糙度和刀具使用寿命。
  在静态刚性达到一定的水平后,改善动态刚性的唯一方式就是增加阻尼,哈挺公司T系列机床提供了填充花岗岩聚合物(HARCRETE)的方式来提高振动阻尼,花岗岩聚合物的阻尼是铸铁的8倍,和普通的填充物不同,HARCRETE可以有和铸铁相同的热稳定性,不会受因为热变形系数影响。机器动态刚度的提高,减小了机床振动的幅度,同时保持静态刚度,导致的可评价的结果是刀具使用寿命的增加,更好的表面光洁度,增加零件的附加值,并提升产品的整体质量。
  影响设备加工能力和精度的因素很多,包括联动的轴,重复性,控制功能,误差补偿,几何能力,轴的刚度和热稳定性,机床整体的热稳定性等等。以上因素将决定设备的加工范围和精度,包括轮廓和轮廓精度等都是硬车设备设计和制造时需要充分考虑到的因素。另外,数字化的数控系统可以优化调整机床的精度,提高机床的轮廓控制精度,而这些需要更高刚性和精度的丝杆和导轨支撑。提高精度是机床设计制造的系统工程,需要在不同温度条件下根据ASME B5.57标准进行测试。以上是确保机床硬车能力的精度和刚性基础。
三、如何选择“硬车”的刀具
  硬车可供选择的刀具通常有三种材质:立方氮化硼(CBN),陶瓷和金属陶瓷。刀具选择应与生产效率、经营成本相匹配。对尺寸和粗糙度更为苛刻的加工场合首选立方氮化硼。一般来说,当公差带大于0.05mm的时候,陶瓷刀具或许是一个更具性价比的选择。众所周知,硬质合金对加工不同的材料有各种相对应的材质和涂层,与此类似,CBN刀具也有各种不同的选择,例如,在断续车削的时候需要采用高CBN含量的刀具,因为这样的刀片有足够的韧性抵抗断削冲击,一般来说,在断续车削中高CBN含量的刀具比低CBN含量的刀具由于有更好的韧性可以提供更好的刀具寿命。
  由于CBN材质相当昂贵,相对于整体的CBN刀具,焊接的CBN刀片是最常见的选择。操作员和技术员都有这样的认识,当系统的震动较大时,采用CBN刀具加工并不经济,而机械振动较低的设备却可以更好地利用CBN切削材料的能力。哈挺的试验证明,采用高精度的主轴及花岗岩聚合物填充的机床可以确保更长的刀具寿命,因此在这种情况下,CBN刀片在很多场合比使用硬质合金刀片更经济。
  其他在硬车应用方面需要注意的是刀具的几何形状和刀尖的中心高,将影响切削质量。刀具的方向也应该注意,切向切削力选择应进入机床基体,而不是远离机床,也就是说通常采用左手刀具。
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  硬车过程还需要高刚性的主轴夹具和刚性刀柄。主轴夹持工件要尽可能的靠近主轴轴承,尽可能使用夹头夹具,哈挺公司设计的夹头主轴,能提供更好的夹具系统,从而可以最大限度地提高工件夹持的刚度。当工件或者刀具缺乏刚性,往往会出现颤纹或零件表面质量不佳。此时,需要面对的问题是如何增强工件及刀具与机床连接刚性。通常情况下“硬碰硬”的车削方法是最安全和最可靠的。快换主轴夹具及高刚性的刀具连接系统,在硬车应用中会获得更大的青睐。
四、“硬车”的干切与湿切
  硬车通常采用干式切削,刀尖的表面温度非常高,会在切削过程中退火并软化工件表面,经检测切屑的硬度可下降到一半以下,这也解释了为何更快的切削速度可以减少工件退火的风险。需要注意的是,绝大部分的热量是被切屑带走的,典型的干式切削过程中,应尽可能的减少切刀次数和余量,使得零件不处于高温状态,尤其在加工较小的零件时,需要考虑以下四个因素:首先需要考虑减少工件余量;其次可以考虑采用高压冷却液切削;第三可以采用高温的刀片,这个需要刀具供应商的配合;最后选择更适合的刀具夹具和工件材料。
  当前的机床冷却技术使客户可以选择干式或者湿式硬车,在湿式硬车的过程中,有几个问题必须确认:第一,不要采用切削油,避免火灾的隐患,这点非常重要。第二,必须采用较高压力确保刀尖的冷却。切屑经常会阻挠冷却液对刀尖的冷却,因此冷却液必须有足够的压力吹断切屑,减少刀片因受到热冲击而尖端退化。高压冷却70公斤的冷却压力可以使得刀具的耐用度更好。第三,冷却液的清洁度、浓度和PH值也对冷却效果有影响。在湿式硬车的加工过程中,不可忽略因冷却液中断所造成的影响。在逻辑上,冷却液的忽然中断将对刀尖的热冲击非常大,要极力避免这样的情况。在采用陶瓷刀片硬车加工的时候,冷却液的热冲击会使得刀片破碎,故在陶瓷刀片加工的时候不能采用普通压力的冷却液切削方式,70公斤高压冷却是必选项。哈挺公司已经在T系列机床上开始提供70公斤的高压冷却系统,相较于常见的干式硬车,刀具寿命延长了3倍以上。
五、哈挺“硬车”的经济效益优势
  1. “硬车”的性价比计算
  在国内,许多客户已经开始尝试在现有的机床上使用硬车方案,与磨方案比较,由于CBN刀具太昂贵,很多客户难以接受硬车的成本,举例分析如下:
  一个直径50mm长度40mm的外圆需要硬车,采用CBN刀具,加工线速度为120m,机床转速为765rpm,车削走刀速度为0.06mm,硬车切削时间为52秒。而采用磨床加工,磨削该零件的节拍约为220秒。
  一个典型的硬车刀尖价格在250元左右,刀具商通常提供的刀具耐用度为刀尖加工距离8KM,该零件单件加工距离为50*3.14*40/0.06=106666mm,即104.7m,单个刀尖可以加工的件数为8000/104.7=76件,硬车刀具单件成本为3.27元。
  按照上面的例子,若用一般40万左右的车床,操作两班,每周工作五天,83%的利用率,在一年的生产时间里,加工20万件工件,将消耗CBN刀片价值65.4万人民币。这是基于250元一个刀刃,每个刀刃加工76件计算的。耗材成本一年等于或超过了原设备的投资成本。
  相对外圆磨床国产砂轮的消耗,这个单件零件的成本相对较高。
  2. 哈挺“硬车”以车代磨的优势
  哈挺公司的中端的70万的车床由于主轴跳动小于1μm,带来了极小的震动,使得刀具耐用度大幅度提高到16KM,按上面的例子,同样零件加工数量提高到16000/104.7=153件,硬车刀具单件成本缩减为1.63元。要注意,更长的刀具寿命还会直接关系到停机时间。同样加工20万件,将消耗CBN刀片32.7万元,一年硬车刀具节省的费用就超过了设备的差价,并且尺寸稳定性、圆度、粗糙度也非普通机床可以媲美的,若用哈挺采用花岗岩聚合物床身的高端的车床通过提升零件的附加值能带来更大的效益,这也就是哈挺为何力挺将中高精度机床作为硬车基础机床的原因。
  考虑到加工的效率,机床投资成本,场地占用,人工费用综合考虑,硬车有相对优势的。倘若该零件还需要同时镗一个Φ25深20mm的孔及加工端面的话,用磨床需要三个砂轮工位加工,需要高端的带砂轮架回转的磨床加工,磨削时间需要超过5分钟,若用硬车加工仅需更换三个刀位,硬车时间不超过100秒,硬车优势更加明显。
  与其他设备相比较,哈挺高端的T系列机床提供了极高的尺寸稳定性和圆度,在相同的走刀速度下,零件可以获得更长稳定的粗糙度及圆度,可以给客户提供真正的以车代磨效果,举例来说,若是该硬车零件的尺寸公差为0.03mm,圆度要求6μm,这样的零件采用硬车或者进口的磨床都是不经济的,然而当公差为8μm,圆度为2μm,零件的附加值较高,客户愿意承受高端的磨床成本时,高端的硬车就可作为一个替代的方案被接受。在哈挺的机床上,通过提高刀具使用寿命、提高零件附加值及更高效几个方面为硬车的性价比成为可能,满足客户以车代磨的需求。
六、硬车的适用范围
  由于硬车的刀具成本较高,故在目前的条件下,批量生产场合里适合硬车的零件主要是小零件的加工。大零件的硬车和磨床相比不具有成本优势,除非是高温合金等不易磨削的材料。而带有复杂轮廓的零件的精加工,零件批量不大,附加值高,交货期紧的工件更加适合采用硬车工艺。典型的应用行业有:汽车中的高精度乘用车零件,液压泵阀零件、模具行业零件、军工行业零件等等。
  硬车也是一种磨削替代方案,常用于不需要高端磨床加工的场合,或者替代粗磨加工,并不能完全替代磨床,尤其是涉及易变形的难加工材料,及超高精度零件,磨床还是必不可少的。硬车并不是取代磨床,而是提供更经济高效的工艺解决手段,在典型的加工领域,若是粗糙度需要批量做到Ra0.3,圆度小于0.25微米,以及公差带小于0.005mm时候,高端磨床的精度优势还是非常明显的。
七、“硬车”应用技术的展望
  还有个因素会影响硬车应用,美国哈挺的试验表明:当材料的洛式硬度变化超过两度时,加工尺寸有0.004mm的变化,而硬度的变化也同时影响到零件的表面粗糙度。国内现在的情况是,很多厂家由于热处理设备原因做到零件硬度恒定非常困难,常见的淬火硬度范围为58~62,偏差超过洛式硬度4度,而实际情况是国内很多客户虽然难以保证所有零件的硬度一致性,事实上却能够做到同一炉淬火零件的硬度一致性,故在加工现场只要不混淆两批次热处理的零件,高尺寸精度的硬车同样可以实现。
  模具行业开始利用目前最新的材料技术。在几个方面进行研究了解并尝试了解表面硬化白亮层。该层实际是一个附着在材料表面的一层金相结构,名义上厚度小于1毫米,很难观察出来,通常需要通过破坏性的切片金相检验才能确定它的存在。由于淬火方式及高应力的加工方式,在零件表面形成的晶粒结构造成特有的机械性能,请注意,白亮层在磨削及车削过程中,无论干式还是湿式加工都会出现,目前的超精加工技术如绗磨白亮层可以被切除,在某些应用领域,特别是那些高接触应力的地方不希望出现白亮层,如轴承座圈,若接触表面出现高应力的白亮层将会造成表面疲劳寿命降低。白亮层还没有被完全了解,但有一点已经确认,相对锋利的刀具,钝化的刀具由于切削温度和压力更高更容易产生白亮层。有趣的是,白亮层不仅在车削中出现,同样也可能出现在磨削中。由于观察到白亮层的形成是由于钝化的工具产生,研究人员已经采用越来越多的有效途径检测工装夹具及优化的刀具寿命,以确定相应的参数设定,防止白亮层的形成。并且一个自动化的工具状态监测系统正在研究中,将会发挥这方面的作用。
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车削素材图
  对于未来的硬车技术,哈挺首先更多考虑的是薄壁零件的装夹,还将考虑采用主动提高振动阻尼技术的夹具系统,最大限度地减少失圆和提高机床转速。同样,需要探索加强在高品质的螺纹切削领域的硬车解决方案。在材料领域可以预料将继续推出新的适合硬车的材料,或许会造成戏剧性的工艺技术效果。
  硬车是一种具有一定的经济和质量效益的工艺手段。成功的硬车取决于整个加工系统,而不是某些单一元素,作为总结,下列元素都会影响成功硬车:
  1. 具有很高的动态刚度和更为苛刻圆度和轮廓控制能力的机床
  2. 高效稳定的夹紧装置
  3. 选择正确的CBN 刀具材料类型
  4. 高品质的切削刃
  5. 具有高刚性的刀具安装方式
  6. 适当的加工参数
  7. 零件的装夹刚性
  8. 加工工艺和冷却系统
  尽管已经有许多用户开始尝试并采用了硬车工艺,成功运用硬车的业务相对还是较少。所以针对在硬车领域广泛持续的研究并广泛推广这种工艺方案显得尤为必要,无论是工艺还是机床领域,哈挺将进一步研究与强化这一工艺过程,并期待取得更高的竞争力。
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