精密硬車削代替磨削加工的試驗研究

□ 劉 亮 □ 陳有光 □ 丁紅漢 □ 趙 成

1.上海市軸承技術研究所 上海 201801

2.上海工程技術大學 機械工程學院 上海 201620

精密硬車削代替磨削加工的試驗研究

□ 劉 亮1□ 陳有光1□ 丁紅漢2□ 趙 成1

1.上海市軸承技術研究所 上海 201801

2.上海工程技術大學 機械工程學院 上海 201620

簡要介紹了精密硬車削在軸承行業(yè)的應用，以7016AC/TAP4軸承套圈為試驗對象，從試樣的加工精度指標和表面完整性分析精密硬車削的特點，證明了在軸承零件加工中精密硬車削工藝代替磨削加工的可行性。

精密硬車 尺寸精度 表面完整性 殘余應力 遺傳關系

硬車削是指使用多晶立方氮化硼（PCBN）或立方氮化硼（CBN）刀具、陶瓷刀具或涂層硬質合金刀具等在車床或車削加工中心上對淬硬鋼（55～66 HRC）進行切削加工，可以代替磨削的硬態(tài)切削加工方式。與磨削相比，硬車削具有良好的加工柔性、經濟性和環(huán)保性。

我國是軸承制造大國，但軸承制造的技術水平和質量并不高。國產軸承在尺寸精度方面（如圓度和粗糙度）與國外軸承有可比性，但軸承的壽命和可靠性不穩(wěn)定，且加工離散性較大。近年來，為提高軸承的耐疲勞壽命和使用壽命，國內軸承行業(yè)開展了大量的試驗研究，其中，硬車削工藝作為一種探索研究，在國內軸承行業(yè)中的應用研究明顯增加。鐘萬勝［1］采用正交試驗法對切削速度、進給量和切削深度三個參數進行分析，得出了以硬車削加工代替磨削加工的可行性。謝華永［2］分析了精密硬車削終加工在選定參數下加工工件的各項精度指標，證明了精密硬車削在軸承零件加工中應用的可能性。肖露［3］從表面粗糙度、白層、殘余應力、側向塑性流動等方面對精密硬態(tài)切削已加工表面完整性的影響因素進行了分析。

由于受到機床精度的限制，硬車削加工工藝在國內軸承行業(yè)中的應用主要為粗硬車削 （代替粗磨），基本沒有精密硬車削工藝的應用。本文拋棄傳統(tǒng)的四道磨削加工（磨平面→磨外圓→磨孔→磨溝道），用一道精密硬車削代替，針對7016AC/TAP4內圈試樣以生產P4級軸承為指標，從試樣的加工精度指標和表面完整性分析精密硬車削的特點，驗證“以車代磨”的可行性。

1 工藝參數設置和試驗

1.1 樣件選擇

試驗選擇已經過熱處理的7016AC/TAP4內圈，試樣的硬度為60～64 HRC，基準面（磁性卡盤吸附面）平面度為0.2～1.0 μm。

1.2 試驗條件

硬車削選用荷蘭汗布雷格公司生產的機床，刀具選用進口的CBN刀具，其相關參數見表1。

表1 CBN刀具相關參數

1.3 工藝參數的設置

由于7016AC/TAP4試樣是淬火軸承鋼薄壁零件，采用磁性卡盤裝夾，以避免三爪卡盤帶來的裝夾變形，實驗過程中端面、孔徑和溝道采用不同的切削參數。

2 試驗結果分析

2.1 尺寸精度分析

對工藝試驗后的樣件進行檢驗，主要精度檢測指標見表2。

表2 精密硬車削后尺寸精度

從檢測結果可知，精密硬車削加工的尺寸精度達到了磨削加工的尺寸精度要求，且一定程度上優(yōu)于磨削加工精度，滿足軸承P4級的加工要求。從加工精度方面考慮，精密硬車削完全能代替磨削加工工藝。

2.2 表面完整性檢測及分析

表面完整性是對工件表面質量的綜合評價，包括工件的表面粗糙度、硬度、硬化層深度、熱損傷和殘余應力等指標［4］。表面粗糙度的優(yōu)劣直接影響軸承的裝配精度和潤滑；燒傷會導致軸承表面組織發(fā)生嚴重的損壞，加速軸承在工作過程中的疲勞和磨損，降低軸承的耐腐蝕性能，影響軸承的使用壽命；殘余應力不僅影響零件的加工精度，而且影響其疲勞性能。因此，良好的表面完整性能改善軸承的抗疲勞壽命和使用壽命。

對硬車削后的樣件進行表面完整性檢測，檢測結果見表3，表中1#、2#、3#為其中的3件示例樣件。

表3 套圈表面完整性檢測結果

提高工件表面殘余壓應力有利于提高工件的耐疲勞性能和使用壽命，而殘余拉應力則降低了其耐疲勞性能并縮短使用壽命［5，6］。圖1表示磨削加工和硬車削加工后表面殘余應力的變化情況［7，8］，磨削后工件的最大壓應力主要集中在工件表面，其殘余壓應力深度較淺，在磨削過程中，砂輪與工件接觸面的冷熱交替和熱循環(huán)使壓應力與拉應力交替變化，導致離散性較大。而硬車削克服了磨削加工的這些缺點，其殘余壓應力值較大，深度較深，可控性好。

根據對軸承套圈的表面完整性測試分析可知，用超精密硬車削工藝加工的試樣表面粗糙度Ra為0.1 μm左右，精密硬車削工藝的工件表面顯微硬度幾乎無變化，在工件深度方面對硬度無影響，切削表面無燒傷，殘余應力為壓應力，可控。

2.3 樣圈基準面平面度對溝道圓度的影響

▲圖1 硬車削與磨削的表面殘余應力對比圖

選取平面度不同的兩組試樣，采用相同的切削參數加工，樣圈的基準面平面度和加工后溝道圓度測量結果見表4。

表4 試樣加工前后基準面平面度和溝道圓度檢測結果

由表4可知，基準面的平面度對精密硬車削加工試樣溝道圓度有直接影響，試樣平面度越小，精密硬車削加工后試樣溝道圓度越小。這是由于基準面平面度越大的試樣，其基準面與吸盤的接觸面積較小，在加工過程中易發(fā)生微振動。另外，當試樣的基準面平面度較大時，可能會出現溝道軸線與卡盤吸附面的夾角為銳角的情況，在此狀態(tài)下加工溝道時，刀尖與溝道的接觸面是橢圓，故精密硬車削加工后試樣溝道的圓度較差。

3 結論

采用精密硬車削加工軸承套圈，突破了傳統(tǒng)的采用多道磨削加工的方法，精密硬車削的工藝試驗表明如下。

（1）采用精密硬車削工藝，通過合理選擇切削用量，試樣的加工精度能達到磨加工精度要求，且具有良好的表面完整性，證明以車代磨的可行性。

（2）前道工序的加工質量對后續(xù)工序的加工質量有直接影響，即加工過程的遺傳關系，在加工過程中應重視每道工序的加工質量。

（3）一道精密硬車削代替?zhèn)鹘y(tǒng)的四道磨削加工的工藝改進，一方面減少了軸承套圈的加工工序，具有更高的加工效率和更低的能量消耗，降低了生產成本，簡化了生產系統(tǒng)；另一方面裝夾次數的減少，提高了套圈尺寸一致性，大大提高了經濟效益。

［1］ 鐘萬勝，喬東旭.硬車削在滾動軸承套圈加工中的應用［J］.軸承，2010（12）：10-12.

［2］ 謝華永，董漢杰，張玉玲.精密硬車終加工工藝試驗［J］.軸承，2014（7）：22-24.

［3］ 肖露，文東輝.硬態(tài)切削已加工表面完整性分析［J］.三峽大學學報，2009，31（5）：57-59.

［4］ 岳彩旭，劉獻禮.硬態(tài)切削與磨削工藝的表面完整性［J］.工具技術，2008（42）：13-18.

［5］ 李振，張相琴.軸承鋼硬切削表面殘余應力對滾動接觸界面疲勞壽命的影響［J］.上海交通大學學報，2011，45（1）：50-53.

［6］Domenico Umbrello.Influence of Material Microstructure Changes on Surface Integrity in Hard Machining of AISI

52100 Steel［J］.The International Journal of Advanced Manufacturing Technology，2011，54（9-12）：887-898.

［7］Smith S，Melkote S N，Lara-Curzio E，et al Effect of Surface Integrity of Hard Turned AISI 52100 Steel on Fatigue Performance ［J］.Materials Science and Engineering：A 2007，459（1-2）：337-346.

［8］Poulachon G，Albert A，Schluraff M，et al.An Experimental Investigation of Work Material Microstructure Effects on White Layer Formation in PCBN Hard Turning［J］. International Journal of Machine Tools& Manufacture，2005，45：211-218.

（編輯 丁 罡）

TH161；TG51

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1000-4998（2015）08-0054-03

2015年1月