淬硬鋼密封槽高效加工工藝研究*

陳 誠，顧 晉，王生懷

(1.湖北汽車工業學院機械工程學院，湖北 十堰 442002；2.東科克諾爾商用車制動技術有限公司，湖北 十堰 442003)

0 引言

動力轉向器齒條活塞材料為20CrMnTi，表面需要滲碳淬火，外圓上有密封槽。當壓力油進入密封環與密封槽形成的環形空間時，將密封環壓向槽面，在密封環與槽面間形成油膜，起到密封作用[1]。密封槽的槽底圓弧、槽面垂直度與粗糙度，對油膜的形成質量和密封效果起著決定性作用。

對淬硬鋼表層車削加工的刀具材料有硬質合金、陶瓷、CBN等[2]，但在淬硬鋼上車削密封槽卻是機械加工行業的一個難題，原因是淬硬鋼表層硬度較高，里層硬度較低，密封槽深度一般大于滲碳層深，車削密封槽時硬度變化范圍可達30～63HRC，目前沒有刀具材料可以適應變化范圍如此之大的加工[3]，因此目前行業內均采用磨削密封槽的工藝。但磨削出的密封槽存在上寬下窄現象，質量和加工效率均不能很好地滿足要求。因此本刊研究并采用了一種高效的淬硬鋼密封槽加工工藝，效果良好。

1 密封槽磨削加工工藝分析

動力轉向器齒條活塞結構如圖1所示，其密封槽一般采用在數控磨床上用成型砂輪磨削的工藝。

圖1 齒條活塞密封槽

圖2 齒條活塞密封槽技術要求

采用韌性較好的鉻剛玉砂輪，用金剛筆和靠模修整砂輪，每加工3件修整一次。砂輪直徑450 mm,線速度35 m/s，工件轉速120 r/min，進給量1 mm/min， 平均加工節拍5.5 min。在生產實踐中發現，磨削過程中因為砂輪是從外圓徑向切入，砂輪圓周和兩側同時磨削工件，產生大量的磨削熱，而成型磨削散熱條件又很差，切削液不易到達被加工的密封槽槽底，冷卻和潤滑效果都較差，從而容易出現磨削燒傷和產生殘余應力。先行切入的磨粒因為砂輪的自銳性而不斷脫落，必然會造成磨削出來的密封槽上寬下窄，出現喇叭口現象。為了避免磨削燒傷和砂輪過快磨損，只能采用較小的進給速度。隨著砂輪側面的磨損，槽寬會越來越窄，這樣就需要重新修整砂輪，砂輪壽命會大大降低。因此磨削密封槽工藝不僅難以滿足加工精度要求，而且加工成本較高，加工效率也偏低。

2 以車代磨加工密封槽技術難點分析

以車代磨是通過一些高強度、高硬度、高耐磨性的刀具(如采用PCBN刀具、陶瓷刀具或涂層硬質合金刀具)在數控車床或車削中心上對淬硬鋼進行高速切削加工，獲得高生產率、高質量、低表面粗糙度的一種加工方法[4]。在以車代磨生產實踐中，加工硬度不同的部位時，采用的切削用量也不同。針對淬火部位刀具磨損快的問題，一般采用低轉速，小的背吃刀量，以降低刀片磨損，延長刀片使用壽命[5]。

如圖2所示，齒條活塞密封槽深度為3 mm，顯然大于滲碳層最大層深1.7 mm。如果直接對滲碳淬火后的齒條活塞采用以車代磨工藝進行加工，由于淬硬層深無法精確控制，不可能在表面與里層硬度發生急劇變化的臨界點改變切削用量，因此選用切削用量時無法很好地兼顧刀具壽命和切削效率。

以車代磨工藝已經有應用于密封槽的加工的案例，但其方式為零件淬火后半精車和精車[6]。因為密封槽用來安裝密封圈，一般其深度都大于滲碳層深，采用這樣的工藝，車削密封槽時硬度變化范圍可達30～63HRC，目前沒有刀具材料可以很好地適應材料硬度變化范圍如此之大的加工，因此無法達到高效低成本加工的要求。

3 密封槽高效加工工藝研究

3.1 工藝方案研究

為了提高齒條活塞密封槽加工質量和生產效率，針對密封槽結構特點、磨削加工存在的問題以及以車代磨工藝的難點所在，通過分析發現，如果刀具能始終在HRC58～63硬度范圍內切削，以車代磨工藝碰到的困難即可迎刃而解。

數控加工中心具有機床剛度強、加工適應范圍廣、精度高、加工過程可編程控制、操作靈活、主軸轉數和進給率隨時可調等特點[7]，因此改進后的工藝采用數控車床加工。

由此提出一種高效的齒條活塞密封槽加工工藝方案如下：①零件熱處理前，先粗車密封槽，留出加工余量, 加工余量必須小于該零件技術要求的滲碳層深度；②將粗車有密封槽的零件進行滲碳淬火熱處理，在零件表面形成滲碳層，滲碳層的硬度在HRC58～63之間；③選擇能車削滲碳淬火層的刀具精車密封槽至最終尺寸。這樣就可以保證精車密封槽時刀具始終在HRC58～63硬度范圍內切削，再通過工藝試驗選用合理的切削用量來保證刀具壽命并提高加工效率、降低成本，保證加工質量。

3.2 精車密封槽正交實驗設計

在數控車床上精車密封槽，應在保證工件質量和加工效率前提下，盡可能提高刀具壽命。密封槽車削加工過程中影響刀具壽命的因素主要有刀具材料、刀具角度、切削速度、進給量和切削余量[8]，對于精車密封槽工序而言，切削余量細分為兩個副后刀面的切削余量(簡稱單側余量)和后刀面的切削余量(簡稱徑向余量)。

如果正交試驗考慮因素過多，試驗成本增加，時間過長，因此先選定刀具材料。通過聚合CBN形成的PCBN超硬刀具具有高硬度和高耐磨性、高導熱性、良好的高溫力學穩定性和高溫化學穩定性等優異性能，能夠高效切削鐵系合金材料[9]。與山特維克、肯納和住友等刀具商合作，進行精車齒條活塞密封槽工藝試驗，最終采用日本住友公司生產的型號為BN250的PCBN立方氮化硼刀具。切槽刀具寬度精度會直接影響密封槽寬度的加工精度，刀具磨損后密封槽寬度將會減少。通過實踐驗證，對刀具寬度方向磨損影響最大的因素是刀具副偏角和副后角。為了盡可能降低刀具寬度磨損速度，選取副偏角為15′±5′，副后角為2°～3°。

試驗前認為切削速度、進給量、單側余量、徑向余量4個因素較為重要，因此將這4個因素進行正交試驗。選用加工設備為CK7520A型數控車床，如表1 所示，每個參數取3個水平，分析各工藝參數對密封槽粗糙度和刀具壽命的影響。

表1 精車密封槽正交試驗表

為了便于檢測，采用粗糙度比較樣塊檢測密封槽的粗糙度，用一把可轉位新刀片加工出的合格零件數量來表示刀具壽命。精車密封槽正交試驗的結果如表2所示。

表2 正交試驗結果

結果表明，切削速度和進給量對刀具壽命和密封槽粗糙度影響顯著，徑向余量的影響比較明顯，而單側余量對刀具的壽命和加工質量影響非常明顯。經過分析認為，切槽刀寬度越窄，受到的徑向力會越小，阻力也小，表面粗糙度也就越小，因此較小的單側余量可以獲得較高的加工質量和較長的刀具壽命。最終綜合考慮加工效率，選取5號實驗參數作為優化后的工藝參數，即切削速度90 m/min，進給量9 mm/min，徑向余量0.4 mm，單側余量0.15 mm。

3.3 密封槽加工工藝設計

(1)粗車密封槽

以圖2所示齒條活塞密封槽為例，在數控車床上使用硬質合金刀片粗車密封槽。如圖3所示，在密封槽兩側均留出0.15 mm的切削余量，而在槽底則給精車密封槽工序留出0.4 mm的余量。為防止熱處理出現應力集中，槽底留出了圓角。

圖3 粗車齒條活塞密封槽工序尺寸

(2)齒條活塞熱處理

對齒條活塞滲碳淬火，保證表面硬度HRC58～63，滲碳層深1.1～1.7 mm，里層硬度為30～45HRC。

(3)精車密封槽

按照經過正交試驗選定的切削參數精車密封槽，不使用切削液，因為PCBN刀片加工時更適合干切削加工。使用切削液反而會大大降低刀具的壽命，實驗表明使用切削液后立方氮化硼刀具的實際壽命下降50%以上[10]。干態切削密封槽有利于保護環境和工人身體健康，實現綠色切削，還能充分發揮刀具的切削性能和金屬軟化效應[9]。

4 綜合經濟效果分析

4.1 效率與質量提升

以某型號齒條活塞為例，磨削密封槽工藝平均加工節拍5.5 min/件，車削密封槽平均加工節拍1.5 min/件，效率提升267%。磨削密封槽時，砂輪磨粒脫落而導致外形輪廓失真，難以保證密封槽形狀要求。而精車密封槽采用耐磨的高硬刀具立方氮化硼成型車刀，從而消除了磨削工藝易產生的密封槽上寬下窄現象，更好的滿足產品要求。熱處理后精車密封槽，因為加工余量小，產生的切削力和切削熱小，不易造成應力和變形，有利于保證密封槽質量。

4.2 成本降低

一臺國產數控環槽磨床60～80萬元，而數控車床價格為30～40萬元/每臺，單臺設備投資金額降低50%，節約了設備成本。經過測算，磨削齒條活塞密封槽工藝加工成本4.28元/件，車削密封槽工藝加工成本2.45元/件，降低加工成本1.83元/件，按生產綱領15萬件/年計算，每年將至少節約加工成本27.45萬元。

5 結論

針對以車代磨車削淬硬鋼密封槽時刀具不能適應硬度變化范圍過大的問題，提出了一種高效的淬硬鋼密封槽加工工藝方案，經過正交試驗發現切削密封槽時單側余量的影響尤為顯著。采用優化的切削參數進行密封槽的車削加工，不使用切削液，代替磨削工藝，提高了加工質量和生產效率、降低成本，同時綠色環保，也為其他類似零件的加工提供了新的選擇方案。