GCr18Mo軸承套圈硬態(tài)數(shù)控車削技術(shù)的研究

李 征 ，朱孝國，張君偉

（1.中航工業(yè)哈爾濱軸承有限公司 研發(fā)中心，黑龍江 哈爾濱 150036；2.中航工業(yè)哈爾濱軸承有限公司 經(jīng)營管理部，黑龍江 哈爾濱 150036；3.中航工業(yè)哈爾濱軸承有限公司 航空航天軸承分廠，黑龍江 哈爾濱 150036）

1 前言

機械制造業(yè)是國民經(jīng)濟和社會發(fā)展的重要基礎，是國民生產(chǎn)總值的主要組成部分，是國家綜合實力的重要標志。21世紀的今天，作為機械制造業(yè)組成部分之一的軸承制造行業(yè)面臨著市場競爭強，用戶需求的品種多且數(shù)量少，新產(chǎn)品更新?lián)Q代快以及可持續(xù)發(fā)展等一系列問題。為解決這些問題，軸承制造行業(yè)必須發(fā)展集效率高、質(zhì)量優(yōu)、柔性強、綠色環(huán)保為一體的切削加工技術(shù)。切削加工技術(shù)是機械制造業(yè)中應用最廣泛的基礎技術(shù)之一。因此，提高切削加工的效率和質(zhì)量，降低成本，對適應軸承行業(yè)的發(fā)展形勢，促進企業(yè)可持續(xù)發(fā)展有著至關重要的作用。

以GCr15、GCr15SiMn、GCr18Mo為代表的淬硬軸承鋼經(jīng)過淬火后，硬度大于50HRC，它們都是典型的耐磨軸承材料。淬硬軸承鋼零件在熱處理后，傳統(tǒng)的加工方式是采用磨削加工，磨削加工效率較低，砂輪和磨削液的消耗較大，材料所需成本較高，砂輪粉塵和廢液污染程度嚴重，特別是粗磨加工后的軸承套圈零件容易產(chǎn)生磨削燒傷和裂紋，對產(chǎn)品質(zhì)量造成不良的影響。

伴隨著機械制造技術(shù)的蓬勃發(fā)展，尤其在切削工藝以及刀具材料領域的發(fā)展，應用陶瓷刀具對GCr18Mo材料進行硬態(tài)數(shù)控車削是一個經(jīng)濟效益和環(huán)境效益俱佳的工藝選擇。

2 GCr18Mo軸承套圈硬態(tài)數(shù)控車削試驗研究

2.1 GCr18Mo淬硬鋼軸承套圈及技術(shù)要求

圖1 為外圈帶雙擋邊的圓柱滾子軸承外圈零件圖，圖2 為內(nèi)圈帶單擋邊的圓柱滾子軸承內(nèi)圈零件圖，材料為GCr18Mo，淬火硬度58～62HRC。

2.2 陶瓷刀具的合理選用

2.2.1 刀具材料的合理選用

由于淬硬軸承鋼成分中的硅元素易與氮化硅系（Si3N4）陶瓷產(chǎn)生高溫擴散，從而加劇刀具磨損，所以選用氧化鋁系（Al2O3）陶瓷較為合適。本試驗選擇山東德州洛克高性能陶瓷制品有限公司生產(chǎn)的SNGN120708型和CNGN120708型Al2O3復合陶瓷刀片，如圖3 所示。

圖1 帶雙擋邊的圓柱滾子軸承外圈

圖2 帶單擋邊的圓柱滾子軸承內(nèi)圈

圖3 Al2O3復合陶瓷刀片尺寸

2.2.2 刀具幾何參數(shù)的合理選用

刀具切削部分的材料選定之后，刀具的切削性能就由其幾何參數(shù)來決定。硬態(tài)切削淬硬軸承鋼時，不僅要選擇好的刀具材料，還要合理的選擇刀具的幾何參數(shù)，只有這樣才能達到滿意的切削效果。前角的大小對切削淬火鋼有很大的影響。淬火鋼的硬度高、強度高，切削抗力大，為了避免陶瓷刀具的崩刃和打刀，前角應選零度或負值，以此來增加切削刃的強度。陶瓷刀具后角的選擇應比硬質(zhì)合金刀具的后角大一點，從而減少工件與陶瓷刀具后刀面的摩擦，同時可減小陶瓷刀具與工件已加工表面的接觸長度，從而有效地降低陶瓷刀具后刀面的破損率。陶瓷刀具幾何參數(shù)的選取，不僅要考慮刀具參數(shù)的一般規(guī)律，而且也要針對陶瓷刀具的特有規(guī)律進行合理選擇。陶瓷刀具的特點是硬度高、脆性大，在硬態(tài)切削過程中，能否保證陶瓷刀具不發(fā)生崩刃而使加工狀態(tài)穩(wěn)定可靠是合理選擇陶瓷刀具幾何參數(shù)的關鍵。

陶瓷刀具主要采用機夾可轉(zhuǎn)位結(jié)構(gòu)，因此要結(jié)合陶瓷刀具的結(jié)構(gòu)特點來合理選擇幾何參數(shù)。通過查找相關資料和以往的切削經(jīng)驗為SNGN120708型和CNGN120708型陶瓷刀片分別配備刀桿，由于陶瓷刀片本身前角和后角均為零度，只有將陶瓷刀片裝在帶有定制角度的刀槽內(nèi)，才能形成預期的幾何參數(shù)，也就是說，刀桿的刀槽角度決定了陶瓷刀具的幾何角度，如圖4、圖5 所示。

現(xiàn)在使用SNGN120708型和CNGN120708型陶瓷刀具對圖1、圖2 軸承套圈進行硬態(tài)數(shù)控車削試驗。經(jīng)過大量的切削試驗，硬態(tài)數(shù)控車削GCr18Mo軸承套圈的最佳刀具幾何參數(shù)如表1 所示。

圖4 SNGN120708型Al2O3復合陶瓷刀具尺寸

圖5 CNGN120708型Al2O3復合陶瓷刀具尺寸圖

表1 陶瓷刀具硬態(tài)車削GCr18Mo軸承套圈的幾何參數(shù)

2.3 切削用量的合理選擇

在硬態(tài)切削淬火鋼的加工過程中，切削用量是由切削刀具的材料、工件材料的性能、工件的幾何形狀、工藝系統(tǒng)的剛性以及切削余量來決定的。

陶瓷刀具切削用量的選擇在國內(nèi)外都沒有標準或定型的數(shù)據(jù)可以遵循，大部分都是通過現(xiàn)場操作者的多年生產(chǎn)經(jīng)驗而定。我們現(xiàn)在選用山東德州洛克高性能SNGN120708型和CNGN120708型陶瓷刀具，在配備了FUNUC數(shù)控系統(tǒng)的CYK500D數(shù)控車床上對圖1 、圖2 軸承套圈進行硬態(tài)數(shù)控車削試驗。研究切削用量對陶瓷刀具壽命的影響,即加工工件的數(shù)量。

運用單因素的方法進行切削用量選擇的試驗研究。首先將陶瓷刀具生產(chǎn)廠家提供的推薦切削用量作為依據(jù)進行選擇。陶瓷刀具供應商推薦的最高切削速度Vc=2m/s，根據(jù)切削速度的理論計算公式可以確定數(shù)控車床最高的主軸轉(zhuǎn)速n=150r/min，并且對切削用量三要素進行適當?shù)脑龃蠛蜏p小，這樣可以加快陶瓷刀具的磨損，使硬態(tài)數(shù)控車削試驗具有比較明顯的試驗結(jié)果，試驗選用的具體切削用量見表2 。

表2 試驗選用的切削用量

以硬態(tài)數(shù)控車削GCr18Mo軸承套圈外徑試驗為例，硬車外徑時的背吃刀量是已知確定的，主軸轉(zhuǎn)速n分別為150r/min、140r/min、130r/min、120r/min四擋，進給量f分別為0.25mm/r、0.2mm/r、0.15mm/r三擋，分別做硬車套圈外徑試驗。根據(jù)陶瓷刀具每個刀刃加工的工件數(shù)（刀具壽命）、表面粗糙度、加工效率三方面進行比較，來選定合理的切削用量。各種試驗數(shù)據(jù)如表3～表5 所示。

表3 陶瓷刀具每個刀刃加工的工件數(shù)試驗統(tǒng)計 個

表4 陶瓷刀具硬車外徑試驗表面粗糙度R a值統(tǒng)計表μm

表5 陶瓷刀具硬車外徑試驗切削時間統(tǒng)計表s

當主軸轉(zhuǎn)速n≥140r/min，進給量f≥0.2mm/r時，由于陶瓷刀具自身脆性較大，伴隨著高轉(zhuǎn)速切削和大進給量的加工過程，陶瓷刀具承受高的沖擊力，陶瓷刀具產(chǎn)生了崩刃現(xiàn)象。當主軸轉(zhuǎn)速n=120r/min，進給量f≤0.2mm/r時，陶瓷刀具硬態(tài)切削過程相對穩(wěn)定，硬車加工的軸承套圈零件數(shù)量明顯上升，陶瓷刀具單個刀刃可加工軸承套圈零件30多個。

考慮到產(chǎn)品要求的生產(chǎn)周期短和車間生產(chǎn)任務多的問題，低轉(zhuǎn)速必然導致加工時間長，加工效率降低，企業(yè)要求效益的最大化，盡可能用最高的切削速度和最大的走刀量，所以沒有做切削速度低和走刀量小的試驗。通過以上大量的硬車套圈外徑的試驗，經(jīng)過統(tǒng)計分析可以得到符合生產(chǎn)實際的切削用量，即主軸轉(zhuǎn)速n=120r/min，進給量f=0.2mm/r。硬態(tài)數(shù)控車削GCr18Mo軸承套圈其它表面的切削用量選取同硬車外徑試驗的方法。硬態(tài)數(shù)控車削GCr18Mo軸承套圈各表面時，陶瓷刀具選擇的實際切削用量如表6 所示。

硬態(tài)車削后的尺寸、幾何精度和表面粗糙度均達到粗磨套圈的精度，給下道工序精磨打下良好基礎，如表7 所示。

表6 陶瓷刀具的切削用量

表7 硬態(tài)車削后的尺寸精度、幾何精度和表面粗糙度

3 結(jié)論

通過應用硬態(tài)數(shù)控車削工藝技術(shù)，陶瓷刀具可以用于GCr18Mo淬火鋼軸承套圈的半精加工，刀具使用壽命較長，單片刀具價格相對其它硬車刀具較低。從刀具整體的使用壽命和價格來說，應用陶瓷刀具進行GCr18Mo軸承套圈的硬態(tài)數(shù)控車削半精加工是合理的選擇。硬態(tài)數(shù)控切削工藝技術(shù)的應用和推廣對企業(yè)的發(fā)展有著十分重要的理論和現(xiàn)實意義。