硬車削在滾動(dòng)軸承套圈加工中的應(yīng)用

鐘萬勝，喬東旭

(1.上海交通大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200030；2.中航光電科技股份有限公司，河南 洛陽 471003)

1 硬車削的特點(diǎn)

1.1 效率高

高速車削淬硬鋼即硬車削的加工效率比磨削加工要高得多，金屬切除效率是普通磨削的3～4倍，而消耗的能量僅為其1/5[1]。車削加工時(shí)一次裝夾可完成多種表面加工(如車外圓、端面、內(nèi)孔、槽等)，而磨削加工則需要多次裝夾，因此硬車削加工輔助時(shí)間短，表面間位置精度高。實(shí)際生產(chǎn)中以車削加工代替磨削加工的應(yīng)用越來越廣泛，如汽車曲軸、凸輪軸、傳動(dòng)軸及軋輥和一些鑄鐵缸體加工等，在汽車凸輪軸和軋輥加工中，可節(jié)約成本50%以上。

1.2 污染少，加工工藝潔凈[2]

大多數(shù)情況下,硬車削無需冷卻液，在實(shí)際生產(chǎn)中使用冷卻液還會(huì)給刀具壽命和表面質(zhì)量帶來不利影響。因?yàn)橛曹囅魇峭ㄟ^使剪切部分的材料退火變軟而形成切屑的，若冷卻率過高，就會(huì)減小這種效果，從而加大機(jī)械磨損，縮短刀具壽命。因無需冷卻裝置,簡化了生產(chǎn)系統(tǒng)，降低了生產(chǎn)成本，形成的切屑干凈清潔，易于回收處理。即使采用了冷卻液，其處理過程也比磨削加工更為方便，因?yàn)檫^濾硬車削所產(chǎn)生的較大鐵屑比過濾磨削中產(chǎn)生的細(xì)小鐵屑要容易得多。而磨削加工必須使用切削液，砂輪磨粒與切削液混合，造成污染嚴(yán)重，水處理設(shè)備龐大，處理后的切屑不能回收利用。

1.3 設(shè)備投資少,適合柔性生產(chǎn)要求[3]

在相同生產(chǎn)率下,車床投資是磨床成本的1/3，而且車床占地面積小,其輔助系統(tǒng)費(fèi)用也低。對于小批量生產(chǎn),硬車削不需特殊設(shè)備，大批量加工高精度零件時(shí)則需要?jiǎng)傂浴⒍ㄎ痪群椭貜?fù)定位精度優(yōu)異的機(jī)床?，F(xiàn)代車削本身就是一種加工范圍廣的柔性加工方法，采用配有多種刀具轉(zhuǎn)盤、刀庫的現(xiàn)代CNC車床很容易實(shí)現(xiàn)兩種不同工件之間的加工轉(zhuǎn)換。與磨削相比，硬車削能更好地適應(yīng)多品種、計(jì)劃多變、交貨期短、生產(chǎn)批量小的柔性化生產(chǎn)要求。

1.4 零件整體精度高

硬車削中產(chǎn)生的大部分熱量被切屑帶走，不容易產(chǎn)生表面燒傷和裂紋，因而具有優(yōu)良的加工表面質(zhì)量和加工精度，一次性裝卡能保證加工表面之間較高的位置精度。

2 硬車削的加工條件

機(jī)械加工工藝系統(tǒng)在切削力、夾緊力、重力、傳動(dòng)力等作用下，會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的變形，從而破壞了刀具和工件之間正確的相對位置，使工件的加工精度下降。要達(dá)到較好的加工精度必須對機(jī)床、刀具和工件的剛度提出要求。

2.1 機(jī)床剛性好，精度高

機(jī)床的剛性是在切削力和其他力的作用下抵抗變形的能力。機(jī)床在切削加工過程中要承受各種外力的作用,承受的靜態(tài)力有運(yùn)動(dòng)部件和被加工零件的自重；承受的動(dòng)態(tài)力有切削力、驅(qū)動(dòng)力、慣性力和摩擦阻力等。機(jī)床的結(jié)構(gòu)部件在這些力的作用下將產(chǎn)生變形，剛性越好，受力變形引起刀具和工件的相對位置變化越小，對工件的加工精度的影響也越小。

2.2 超硬切削刀具[4]

由于淬硬后套圈的硬度達(dá)到60 HRC以上，在進(jìn)行硬車削加工軸承套圈時(shí)，必須選擇超硬刀具才能達(dá)到高精度、高效率和高可靠性。立方氮化硼(CBN)刀具材料具有極高的硬度和紅硬性，是高速精加工或半精加工淬火鋼、冷硬鑄鐵、高溫合金的理想刀具材料，CBN刀片能夠在斷續(xù)切削過程中保持定位不變，在連續(xù)切削過程中提供安全的刀具磨損率,在加工高硬度零件時(shí)可以獲得良好的加工表面粗糙度。

2.3 工件要求

適合于硬車削的零件具有較小的長徑比(L/D)，一般說來，無支承工件長徑比不大于4。被加工件的熱處理硬度對車削的難度有著直接的影響，同時(shí)被加工件的熱處理狀態(tài)也是影響車削質(zhì)量的關(guān)鍵因素，一般淬火硬度變化應(yīng)小于2 HRC。如果工件是滲碳件，還要保證滲碳層深度的一致性，一般應(yīng)將深度控制在0.8～1.2 mm。對于軸承套圈而言，大部分長徑比都小于1，套圈有非常好的剛性，可以實(shí)現(xiàn)硬車削加工。

3 軸承套圈加工參數(shù)確定試驗(yàn)

3.1 機(jī)床設(shè)備的選擇和要求

試驗(yàn)選用國產(chǎn)CK516立式機(jī)床，其底座采用樹脂砂整體式高密鑄件結(jié)構(gòu)，對稱加強(qiáng)筋強(qiáng)化加固使機(jī)床具有高剛性、高強(qiáng)度和高抗振性，且具有排屑方便、不滲漏的特點(diǎn)。進(jìn)給采用伺服電動(dòng)機(jī)通過德國R+W彈性聯(lián)軸器與滾珠絲杠連接，滾珠絲杠支承機(jī)構(gòu)采用大接觸角角接觸球軸承和兩端固定預(yù)拉伸安裝的方式，剛性好，精度高。主傳動(dòng)系統(tǒng)采用窄V帶與主軸連接，高于普通V帶傳動(dòng)能力的0.5～1.5倍，從而保證了整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)的高效率、低噪聲和低振動(dòng)。x軸導(dǎo)軌采用先進(jìn)的3軌交錯(cuò)技術(shù)，具有更高的精度和剛度，也便于裝配調(diào)整。采用立式裝夾工件使工件重心與主軸重心重合，避免了臥式裝夾時(shí)由重力引發(fā)的圓度誤差，確保零件的圓度。同時(shí)工件的自重使其與夾具基準(zhǔn)面接觸準(zhǔn)確、緊密，從而獲得高的定位精度和穩(wěn)定的加工精度。

3.2 裝卡夾具

試驗(yàn)使用電磁夾具，通過電磁卡盤的吸附能力夾緊工件，對工件沒有徑向夾緊力，避免夾緊變形。電磁卡盤通過調(diào)節(jié)其電流大小控制夾緊力，在調(diào)節(jié)工件中心與機(jī)床中心對心過程中，較低的夾緊力便于調(diào)節(jié)，當(dāng)調(diào)節(jié)完成后再加大夾緊力，以便在車削時(shí)能夠抵抗刀具的作用力和高速旋轉(zhuǎn)的離心力。電磁夾具沒有徑向定位元件，可以減小夾緊變形，調(diào)整時(shí)靠人工以刀架為基準(zhǔn)用千分表或百分表調(diào)整，調(diào)整時(shí)間根據(jù)操作工人的熟練程度,熟練工人在10 s即可完成，便于批量化生產(chǎn)。電磁卡盤以及工件的裝卡示意圖見圖1，在車削過程中產(chǎn)生的切屑由于電磁卡盤的磁力作用吸附在電磁卡盤和軸承套圈上，當(dāng)卡盤斷開電源時(shí)，磁力消失，可以清理切屑。當(dāng)套圈端面與卡盤面緊密結(jié)合時(shí)，車削套圈內(nèi)、外徑面時(shí)可能會(huì)損壞卡盤，可以通過增加金屬墊圈來避免，如圖2所示。試驗(yàn)使用的電磁夾具的夾緊力為170 N/cm2，對于NU330的最大軸向吸附力為50000N，接觸表面間的摩擦系數(shù)取0.15，摩擦力為7 500 N，則主切削力和進(jìn)給力的合力在2 000 N左右，所以電磁卡盤完全能夠適應(yīng)車削夾緊需要。

圖1 工件裝卡示意圖

圖2 車削輔助墊圈裝卡圖

3.3 刀具選擇

CBN刀具具有不同材料類型和用途，試驗(yàn)選用的CBN BN250刀具為陶瓷結(jié)合劑，微米級 CBN 顆粒，斷裂韌性和耐磨性都非常好，可以連續(xù)切削輕型以及中等的鑄鐵、淬火鋼。刀具硬度為3 100～3 400 HV。

3.4 軸承套圈選擇

硬車削加工軸承套圈是為了提高軸承的加工效率，對于小型軸承，由于現(xiàn)在的磨削加工工藝成熟，設(shè)備批量生產(chǎn)成本較低，進(jìn)行硬車削的優(yōu)勢不是很明顯，本試驗(yàn)選用中型軸承NU330外圈作為試驗(yàn)套圈。套圈外徑為320 mm，套圈擋邊、端面、外徑面的加工要求如表1所示。

表1 NU330外圈車加工性能要求及結(jié)果 μm

3.5 試驗(yàn)過程和結(jié)果

在進(jìn)行粗車加工中，可以增加切削深度來加快切削效率，通過試驗(yàn)，切削深度可以達(dá)到0.5 mm。但切削深度越大，刀具發(fā)熱和磨損越快，表面質(zhì)量越差，工件表面會(huì)出現(xiàn)明顯硬化層[5]。由于硬化層對軸承的壽命影響非常嚴(yán)重，因此在精加工時(shí)應(yīng)避免其出現(xiàn)。

在試驗(yàn)過程中，切削速度、進(jìn)給量和切削深度是3個(gè)關(guān)聯(lián)的因素，每一個(gè)因素變換時(shí)都會(huì)對試驗(yàn)結(jié)果造成影響。利用正交試驗(yàn)的設(shè)計(jì)方法，分別把切削速度取為110，130和150 m/min；把進(jìn)給量取為0.1，0.2和0.3 mm；把切削深度取為0.1，0.3和0.5 mm，試驗(yàn)進(jìn)行9次后得出表面粗糙度和硬化層厚度，結(jié)果如表2所示。通過分析可知：切削速度保持130 m/min，進(jìn)給量在0.15 mm以內(nèi)，切削深度為0.1 mm時(shí)，工件表面不會(huì)出現(xiàn)硬化層，表面粗糙度Ra值可以達(dá)到0.16 μm。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，3個(gè)因素中切削深度對車加工表面質(zhì)量影響最大，進(jìn)給量次之，切削速度最小。

表2 車削參數(shù)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)表

通過以上正交試驗(yàn)結(jié)果，可以根據(jù)套圈表面的具體要求進(jìn)行試驗(yàn)，由于切削速度對表面性能的影響較小，故試驗(yàn)中選擇其為130 m/min。為了提高效率和達(dá)到不同的表面質(zhì)量要求，對進(jìn)給量和切削深度進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，通過加工和檢測得到如表3所示的試驗(yàn)結(jié)果。

表3 NU330硬車削后表面質(zhì)量

4 結(jié)束語

由以上試驗(yàn)分析可知，軸承套圈的部分表面以硬車削加工代替磨削加工是可行且高效的。在實(shí)際生產(chǎn)中可以進(jìn)一步總結(jié)加工參數(shù)對套圈尺寸和表面質(zhì)量的影響，形成一套可以應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)加工的參數(shù)，提高車削質(zhì)量和加工穩(wěn)定性。而硬車削是否適用于軸承滾道的終加工工藝，還需要進(jìn)一步研究試驗(yàn)。