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克服硬质材料加工的难点

时间: 2011-07-01 20:03 来源: 作者: Thomas Sheehy 点击:
与传统观念不同,利用正确的机床和正确的,将淬火硬化的工件加工到5µm并不困难。目前,刀具供应商已开发出能够承受这种加工条件的新型刀具,机床制造者也已生产出能满足这些新型刀具所需刚度的CNC。同此,硬质材料车削就可以从以下诸方面促进生产了。

节约时间 硬质材料车削比磨削至最终尺寸规范用时较少,这是因为车削的金属切削速率高于磨削,而且,一次装夹中可进行多道工序的加工。操作者只需一次装卸,就能完成全部加工,从而实现了及时(just-in-time)生产。

降低成本 节约时间就是节约金钱。再说,使用车床来代替,意味着较低的机床总投资。

质量较好 硬质材料的车削在保证尺寸精度和表面粗糙度方面,比磨削要好得多。您可以将大多数硬质材料车到5µm的总公差,表面粗糙度Ra0.1µm。当然,这样精密的表面质量需要特殊的措施,但Ra0.15µm-Ra0.2µm则轻而一举。

工序较少 硬质材料车削可免去许多形式的磨削工序,以及抛光和其他精加工工序。不仅省下加工费用,更有意义的是,可以把许多外协加工的活拿回来自己做。

浪费较小 硬质材料车削的废品极少。因为使用的冷却液与正常车削的相同,不必另加冷却液,造成小必要的浪费。更有甚者,可以选择在不加冷却液状态下进行干车削,以避免冷却液和废品工件的浪费。硬质材料车削还可以免除伤脑筋的磨削废渣问题——即费工又费钱的废渣回收与处理问题。

对功率和刚度的要求

为了使硬质材料车削能获得最好效果,机床和刀具的正确结合是很重要的。例如,我们在一次粗车加工中,当利用陶瓷刀,并采用0.28 mm/min的走刀量和1.9mm的吃刀量时,就需要使 15kW电机输出 65%的负载,该车床将淬火后的直径50mm钢件的一端车到25mm左右,同时还车削出锥面、圆弧半径以及其他复杂形状。

虽然需要具备高功率进行大吃刀量切削,但很多用户发现,多数情况下并非如此。因为大多数硬质材料的加工都是精加工。一般可以先在普通螺丝车床上粗车,留出0.25-0.38mm的余量,然后于热处理后再利用硬质材料车削技术完成精加工。

对硬质材料车削的另一要求是刚度,包括机床、刀具和工件、机床装置中的任何环节若缺乏刚度,就会引起震颤,为了能够获得能与磨削相比的精度和尺寸公差,机床从床身起就必须具备特别高的刚度。传统的铸铁床身与花岗岩聚合物相比,是不适合进行硬材料车削的。聚合物床身的抗振动能力比铸铁高20倍,使主轴上的振动只有装在铸铁床身上的主轴的1/3以下。

尽显减小悬伸量是减小振动的另一武器。从理论上讲,工件夹持装置应该使所夹工件尽可能靠近主轴轴承,刀具则应尽可能靠近刀塔本体,而不出现悬臂状态。为此,主轴内能够直接装夹弹簧夹头的车床。夹头座使工件远离主轴轴承,不但夹持力小,尤其会增加振动的机会。

新品种刀具

用陶瓷刀和立方氮化硼(CBN)刀具加工硬钢材都很好。这些刀具在短短的时间里得到了飞速发展,有些刀具制造商声称:只要机床使用正确,他们的刀具比磨削可以缩短时间300%,并能提高切削精度。

这些供应商推荐的陶瓷刀具有负前角和较大的T-倒棱,该倒棱只在刀具-工件界面上增加压力。与此相反,CBN按照工件的具体情况,可以有也可以没有这种不利的T-倒棱。例如,用CBN进行断续切削时,就需要较大的T-倒棱来承受振动。

陶瓷刀具的使用会比CBN越来越普遍,这是由于它的成本较低,也因为它们的切削刃较多的缘故。然而,它们极易受热涨裂。此外,如果刀刃修磨不当时,不宜进行断续切削。CBN虽然比陶瓷贵得多,但它的切削性能好得多,加工精度高,使用寿命也长些。

在此两种刀具材料之间进行选择,是如何使工件材质、几何形状以及切削速度和送给民与其相适应的工作。有些用户通常并不拘泥于逐条地比较,而是以该刀具对同样的加工所构成的成本,以及能产生多大效益为选择原则。这些用户用价格较低的陶瓷刀粗车热处理时残留的锈皮和铁鳞等,然后,用更好些的CBN刀具进行精加工。一般而言,如果硬化深度大于欲车去的材料深度,最好选用CBN。

选择正确的加工方法

从实用的立场考虑,硬质材料车削是一个与工件特性密切相关的过程。它特别适合切削具有错综圆弧、角度,以及半径等几何形状十分复杂的工件。您可以采用单刀尖编程车削的方法,快速又经济地完成加工,而不必为此去购买成形砂轮了,根据经验,大多数硬质材料车削是以91-150 m/min的切削速度和 0.05-0.13mm/min的进给速度进行的。精切吃刀深度一般为0.08-0.5mm。

因此,如何控制好材质的纯度,以及车削以前的热处理、粗车和成形工序,便成为本加工所能达到的精度大小的决定因素了,如果工件硬度波动只有三个洛氏硬度值(举例说),刀具的切削压力就会变化到足以使您保证不了5µm的尺寸精度。不稳定的硬度和不均匀的吃刀深度,都会损坏这种加工。因此,应该使用合格的材料,保持恒定的金属切削率,并保批热处理硬度在±1或±2个HRC值以内。

工件的长径比也会影响机床保持公差精度的能力。典型的固定床头式车床一般不用尾座对长径比为5:l-6:1的软质工件时,能达到相当严格的精度。由于工件的硬度、刀具的负前角和切削硬质材料所必需的T-倒棱,使得对具压力相当大,因而,当工件无尾座支承时,必须将工件的长径比限制在3:1-4:1。

当然,此限制要随加工的不间而变——也就是说,随工件的材质、硬度以及对粗糙度和精度要求而变。我们以前曾不用尾座支承车削过直径13mm、长度64mm的工件,则是精度很差。

尾座能起一定作用,但它对非是解决所有问题的灵丹妙药。例如,顶尖不能防止直径25mm、长300mm的工件的震颤。对这种工件,您只能采用磨削的办法。要保证比0.005mm更严格的公差精度,采用磨削工艺出比较好。虽然说硬质材料车削不能完全取代磨削,但它可以取代相当大一部分,尤其是工件的长径比较小、形状较复杂时如此。

当你需要精密时......

当Superior Technology公司(Rochester, N.Y.)迁移到面积2508.38m²(2700ft²)的新厂房后,老板给年产值2百万美元的加工车间增添了一台新型VMC700立式,一台已使用了9年的Hardinse CHNC车床,和能够精车淬硬工件的13台HardingeConquest CNC车床。在这些机床中,Superior先生用来车削硬材料的是一台排式刀架车床,即精度能达到0.25µm的超高精密Conquest GT车床。

虽然这种精度水平并不是每次加工都要求的,“但是,当您需要的时候,知道哪里有这种精密设备,心里是很踏实的。”副总裁Tony Shortino先生说,“如果需要切除0.51µm的时候,我就能够做到。”

他分配给该机床的一批任务是20000件经过表面淬火、长50mm、粗13mm的12L14钢件。淬硬层的硬度为58-60HRC,吃刀深度0.8mm,要求的形位配合公差为0.005mm。采用CBN刀具进行硬质材料车削。刀具必须切削硬化层,单边lmm。

当条件允许时,该车间还采用硬化材料车削工艺代替轴颈磨削、热处理后的磨削以及其他表面精加工工序。取消这些工序后,Sunerior公司不但节约了资金,而且由于消除了磨削粉尘,也净化了环境。Shortino先生最后说:“这里用不着专门的冷却液或者空气过滤装置。”

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