硬车在齿轮内孔加工中的应用

硬车在齿轮内孔加工中的应用

在齿轮内孔加工过程中，传统均采用磨削的加工工艺。但是随着高硬度切削材料和相关机床的发展，立方氮化硼刀具等新型刀具在新型车床上的应用，使得对淬硬钢、低碳合金钢的车削不再是技术难题，其加工质量可以达到精磨削的水平。目前采用立方氮化硼刀具、陶瓷刀具在数控车削加工中心上对齿轮材料如16MnCrS5（渗碳后硬度可达55-63HRC）的加工，其加工精度可达IT5，表面粗糙度Ra≤0.5um。

标签：硬车；齿轮内孔；应用

1 硬车的技术要求

硬车工艺是目前应用最广，也是应用效果最好的一种干式切削加工方法，在齿轮内孔加工过程中应用极为广泛，在应用中需要注意以下几个方面。

1.1 机床的选用

齿轮内孔加工工序一般安排在热处理之后，内孔表面的硬度可达HRC55-63左右，在切削过程，切削力比热处理前增加50%以上，切削所需功率增加2倍左右，因此硬车工艺对机床的刚性、功率提出了更高的要求，机床本身必须具有数字线性测量系统及全封闭的误差反馈系统。机床的主轴系统，除了高强度之外，还应有高转速。这样才能充分发挥CBN刀片及陶瓷刀片的性能优势。笔者曾在德国的Pittler 315，DVT250 EMAG400 机床上进行了应用，均得到了很好的加工效果。反之机床的功率及刚性愈小，车削时，则振动愈大，表面质量愈差，刀具的耐用度则愈低。

1.2 刀具材料的选用

1.2.1 对于硬度大于HRC55而小于HRC60的齿轮内孔加工，一般选用CBN 材料的刀片。对于带有键槽或花键的齿轮内孔的加工，我们要选用硬度稍低、韧性良好的CBN刀片，以避免刀片在断续的冲击下，刀片崩碎的现象；对于无键槽可连续加工的齿轮内孔加工，则用选用硬度高的CBN刀片，以获得良好的经济效果及良好的加工质量。尽管CBN（立方氮化硼）刀片价格昂贵，但CBN刀片最适合硬车削，此刀片能够在断续切削过程中保持定位不变，在连续切削过程中提供安全的刀具磨损率。

1.2.2 对于硬度大于HRC60的齿轮内孔加工，选用PCBN材质的刀片较为理想。由于PCBN具有很高的硬度和耐磨性，因此，在硬车工艺过程中有很重要的地位。

1.2.3 刀杆的材质在一定程度上会对加工质量造成一定的影响，特别在加工内孔小于15mm且长径比大于5的小齿轮时，由于刀杆的刚度不够时，加工过程

会出现振动现象，造成极差的表面质量，这时，通常会选用刚性很高的整体硬质合金的刀杆。如果选用的刀杆材料是45号钢调质钢，为了最大限度地增加硬车削的系统刚性，刀具伸出长度最好小于刀杆直径的1.5倍，工件装夹时也应尽量减小悬伸长度。

1.3 切削参数的选择

切削用量的选择是否合理，对硬车影响很大，工件材料硬度越高，其切削速度越小，硬车粗加工时，通常选用大的切深，及较低的切削速度，以获得大的金属去除率。CBN刀片切削HRC55-60时，切深可达0.1-0.4左右，切削速度可选用80-100M/MIN，精车时，则选用较小的切深及较高的切削速度，以获得更好的表面质量。切削速度一般为80-150M/MIN，切削深度为0.1-0.2之间，进给量一般在0.08-0.15之间，具体数值视表面粗糙度和机床的刚度及功率而定，由于CBN 材料刀片具有很高的耐热性和耐磨性，可选用较高的切削速度和较大的切削深度及较小的进给量，但是用硬质合金刀片则不宜采用较高的切削速度。

1.4 冷却液

对于带键槽的齿轮内孔来说，最好采用“干切削”，否则进刀和退刀时热冲很可能引起刀片破裂。“干切削”中采用压缩空气冷却是硬车工艺中的新的冷却方法，不仅能够达到很好的冷却效果，而且既环保又具有明显的成本优势。

1.5 工装的设计

工装的设计原则：定位精度要高，装卸工件方便，而且结构简单。下面以圆柱齿轮为例介绍其工装的设计特点及注意事项。

1.5.1 对于圆柱齿轮，笔者选用三爪卡爪结构，卡爪上装有支撑柱。卡爪夹紧表面采用渗碳处理，卡爪的夹紧直径与工件直径相同，此尺寸及支撑柱表面仅在使用机床上进行精加工，以抵消卡爪的制造误差。保证齿轮在装夹过程中良好的定位精度。

1.5.2 由于长时间频繁的使用，卡爪的夹持表面及顶柱表面不可避免有磨损现象，夹爪的夹紧精度会不断的降低，对工件的定位精度会造成不同程度的影响，此时需要对夹爪进行修整，可采用以下过程：

（1）选用正确夹环夹持后，取下支撑柱，车削卡爪卡口，每次车削切削深度在0.05mm。（2）加工完毕后，用千分表检测夹爪口径跳，应保证在0.005mm 以下。（3）如果没达到要求，再车削一遍夹口，每次车削量应在0.05以下。（4）切削完成后，安装支撑柱，对支撑柱进行车削，每次切削深度同上。（5）加工完毕后，用千分表检测夹爪口径跳，应保证在0.005mm以下。（6）取下夹爪的夹环，开始正常工作。

2 硬车的应用举例

示例中的公司加工零件为一个齿轮内孔，通常采用的工艺为：机加工-热处理-磨内孔-磨齿。内孔磨留量为单边为0.5mm，采用磨削工艺，需要大约1.5小时左右，一个班次仅能加工5个左右工件，一天按三班运转时，也仅能加工15个工件左右，这样的生产率很难满足生产需要，成本也是可想而知的。

德国机床EMAG400到货后，采用CBN刀具“以车代磨”的加工工艺：粗加工-热处理-精加工内孔（硬车）-磨齿。CBN刀具具有极高的硬度及耐磨性，可以使被加工的高硬度零件获得良好的表面粗糙度。

加工机床：EMAG400（德国）立车

齿轮材料：16MnCrS5热处理硬度HRC55-62.

冷却方式：空气冷却，孔精度为IT7级，表面粗糙度？燮0.4

加工过程及加工参数如下：

（1）粗车内孔至109.45

采用刀片：CNGA120408S01030AWH7015

加工参数：V=90 F=0.12. Ap=0.23mm，加工时间约为3.5min

（2）半精车内孔至109.85

采用刀片：同粗车

加工参数：V=90 F=0.12. Ap=0.2mm，加工时间约为3.5min

（3）精车内孔至110N7

刀片同上，更换另一把刀具

加工参数：V=110 F=0.08 Ap=0.075mm，加工时间约为4.5min

加工一个齿轮内孔需11.5分钟

由于采用了硬车工艺，每班可生产34个工件，大大提高了生产效率，降低了加工成本。

可见，硬车在设备投资及加工效率等方面都比磨削更具有优势。

3 结束语