硬車削在滾動軸承套圈加工中的應用

鐘萬勝，喬東旭

(1.上海交通大學 機械與動力工程學院，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

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]。車削加工時一次裝夾可完成多種表面加工(如車外圓、端面、內孔、槽等)，而磨削加工則需要多次裝夾，因此硬車削加工輔助時間短，表面間位置精度高。實際生產中以車削加工代替磨削加工的應用越來越廣泛，如汽車曲軸、凸輪軸、傳動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，可節約成本50%以上。

1.2 污染少，加工工藝潔凈[2]

大多數情況下,硬車削無需冷卻液，在實際生產中使用冷卻液還會給刀具壽命和表面質量帶來不利影響。因為硬車削是通過使剪切部分的材料退火變軟而形成切屑的，若冷卻率過高，就會減小這種效果，從而加大機械磨損，縮短刀具壽命。因無需冷卻裝置,簡化了生產系統，降低了生產成本，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，因為過濾硬車削所產生的較大鐵屑比過濾磨削中產生的細小鐵屑要容易得多。而磨削加工必須使用切削液，砂輪磨粒與切削液混合，造成污染嚴重，水處理設備龐大，處理后的切屑不能回收利用。

1.3 設備投資少,適合柔性生產要求[3]

在相同生產率下,車床投資是磨床成本的1/3，而且車床占地面積小,其輔助系統費用也低。對于小批量生產,硬車削不需特殊設備，大批量加工高精度零件時則需要剛性、定位精度和重復定位精度優異的機床。現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盤、刀庫的現代CNC車床很容易實現兩種不同工件之間的加工轉換。與磨削相比，硬車削能更好地適應多品種、計劃多變、交貨期短、生產批量小的柔性化生產要求。

1.4 零件整體精度高

硬車削中產生的大部分熱量被切屑帶走，不容易產生表面燒傷和裂紋，因而具有優良的加工表面質量和加工精度，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

機械加工工藝系統在切削力、夾緊力、重力、傳動力等作用下，會產生相應的變形，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。要達到較好的加工精度必須對機床、刀具和工件的剛度提出要求。

2.1 機床剛性好，精度高

機床的剛性是在切削力和其他力的作用下抵抗變形的能力。機床在切削加工過程中要承受各種外力的作用,承受的靜態力有運動部件和被加工零件的自重；承受的動態力有切削力、驅動力、慣性力和摩擦阻力等。機床的結構部件在這些力的作用下將產生變形，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到60 HRC以上，在進行硬車削加工軸承套圈時，必須選擇超硬刀具才能達到高精度、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刀片能夠在斷續切削過程中保持定位不變，在連續切削過程中提供安全的刀具磨損率,在加工高硬度零件時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，同時被加工件的熱處理狀態也是影響車削質量的關鍵因素，一般淬火硬度變化應小于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，可以實現硬車削加工。

3 軸承套圈加工參數確定試驗

3.1 機床設備的選擇和要求

試驗選用國產CK516立式機床，其底座采用樹脂砂整體式高密鑄件結構，對稱加強筋強化加固使機床具有高剛性、高強度和高抗振性，且具有排屑方便、不滲漏的特點。進給采用伺服電動機通過德國R+W彈性聯軸器與滾珠絲杠連接，滾珠絲杠支承機構采用大接觸角角接觸球軸承和兩端固定預拉伸安裝的方式，剛性好，精度高。主傳動系統采用窄V帶與主軸連接，高于普通V帶傳動能力的0.5～1.5倍，從而保證了整個傳動系統的高效率、低噪聲和低振動。x軸導軌采用先進的3軌交錯技術，具有更高的精度和剛度，也便于裝配調整。采用立式裝夾工件使工件重心與主軸重心重合，避免了臥式裝夾時由重力引發的圓度誤差，確保零件的圓度。同時工件的自重使其與夾具基準面接觸準確、緊密，從而獲得高的定位精度和穩定的加工精度。

3.2 裝卡夾具

試驗使用電磁夾具，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。電磁卡盤通過調節其電流大小控制夾緊力，在調節工件中心與機床中心對心過程中，較低的夾緊力便于調節，當調節完成后再加大夾緊力，以便在車削時能夠抵抗刀具的作用力和高速旋轉的離心力。電磁夾具沒有徑向定位元件，可以減小夾緊變形，調整時靠人工以刀架為基準用千分表或百分表調整，調整時間根據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。電磁卡盤以及工件的裝卡示意圖見圖1，在車削過程中產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，當卡盤斷開電源時，磁力消失，可以清理切屑。當套圈端面與卡盤面緊密結合時，車削套圈內、外徑面時可能會損壞卡盤，可以通過增加金屬墊圈來避免，如圖2所示。試驗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取0.15，摩擦力為7 500 N，則主切削力和進給力的合力在2 000 N左右，所以電磁卡盤完全能夠適應車削夾緊需要。

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，試驗選用的CBN BN250刀具為陶瓷結合劑，微米級 CBN 顆粒，斷裂韌性和耐磨性都非常好，可以連續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，由于現在的磨削加工工藝成熟，設備批量生產成本較低，進行硬車削的優勢不是很明顯，本試驗選用中型軸承NU330外圈作為試驗套圈。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果 μm

3.5 試驗過程和結果

在進行粗車加工中，可以增加切削深度來加快切削效率，通過試驗，切削深度可以達到0.5 mm。但切削深度越大，刀具發熱和磨損越快，表面質量越差，工件表面會出現明顯硬化層[5]。由于硬化層對軸承的壽命影響非常嚴重，因此在精加工時應避免其出現。

在試驗過程中，切削速度、進給量和切削深度是3個關聯的因素，每一個因素變換時都會對試驗結果造成影響。利用正交試驗的設計方法，分別把切削速度取為110，130和150 m/min；把進給量取為0.1，0.2和0.3 mm；把切削深度取為0.1，0.3和0.5 mm，試驗進行9次后得出表面粗糙度和硬化層厚度，結果如表2所示。通過分析可知：切削速度保持130 m/min，進給量在0.15 mm以內，切削深度為0.1 mm時，工件表面不會出現硬化層，表面粗糙度Ra值可以達到0.16 μm。同時發現，3個因素中切削深度對車加工表面質量影響最大，進給量次之，切削速度最小。

表2 車削參數正交試驗設計表

通過以上正交試驗結果，可以根據套圈表面的具體要求進行試驗，由于切削速度對表面性能的影響較小，故試驗中選擇其為130 m/min。為了提高效率和達到不同的表面質量要求，對進給量和切削深度進行適當調整，通過加工和檢測得到如表3所示的試驗結果。

表3 NU330硬車削后表面質量

4 結束語

由以上試驗分析可知，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。在實際生產中可以進一步總結加工參數對套圈尺寸和表面質量的影響，形成一套可以應用于實際生產加工的參數，提高車削質量和加工穩定性。而硬車削是否適用于軸承滾道的終加工工藝，還需要進一步研究試驗。