相對于傳統(tǒng)磨削方案，硬車方案不需要繁雜的輔助設(shè)備，較短的零件更換調(diào)整時(shí)間，較低的設(shè)備采購價(jià)格，使產(chǎn)品有更短的交貨期。本文介紹硬車工藝的特點(diǎn)以及加工條件中的各種影響因素，并探討硬車的經(jīng)濟(jì)性。
一、何謂“硬車”技術(shù)
硬車過程通常被定義為車削硬度超過HRC45以上的零件，典型零件硬度在HRC58 ~ 68范圍。硬車的應(yīng)用場合很多，常見的有：汽車、軸承、船舶、模具、液壓、機(jī)床、航空航天等代表行業(yè)，當(dāng)然這些行業(yè)也在不斷的增加并且不斷的細(xì)分。硬車的材料也很多，軸承鋼、齒輪鋼、表面硬化鋼、鎳基合金、鎢鈷類合金最為常見，現(xiàn)在高頻淬火、滲碳鋼等材料開始應(yīng)用于硬車。
硬車技術(shù)可以在同一臺(tái)機(jī)床上完成產(chǎn)品的軟車和硬車，可以節(jié)省場地和投資，并且硬車的金屬切除率是磨削的4~6倍，效率極具優(yōu)勢。硬車是單點(diǎn)切削，在復(fù)雜輪廓加工方面有著獨(dú)到的優(yōu)勢，不需要類似磨床的成型砂輪，對于外圓、端面、內(nèi)孔組合的加工換刀非常方便，減少了砂輪架回轉(zhuǎn)輔助時(shí)間。硬車可以達(dá)到非常高的精度，表面粗糙度通?？梢宰龅絉a0.4以下，切屑更加容易處理，并且相對各種材質(zhì)的砂輪庫存，車床刀具的庫存費(fèi)用也是比較低廉的。
二、“硬車”加工的基礎(chǔ)
隨著硬車的使用越來越普遍，現(xiàn)代化的工廠已開始意識到硬車所帶來的收益。作為硬車技術(shù)成功應(yīng)用的一部分，設(shè)備投資也需要考慮針對硬車需求的關(guān)鍵性能。
硬車所使用的刀具通常有一個(gè)很大的負(fù)前角，在切削時(shí)能提供更大的剛性，與此同時(shí)，也對機(jī)床的剛性提出了更苛刻的要求。機(jī)床在設(shè)計(jì)制造過程中必須解決機(jī)床的動(dòng)態(tài)剛性問題，若機(jī)床動(dòng)態(tài)剛性差的話，機(jī)床在一個(gè)很寬的頻率下振動(dòng)，對工件的表面質(zhì)量和刀具使用壽命會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重影響。動(dòng)態(tài)剛性是現(xiàn)代機(jī)床行業(yè)的一個(gè)重要的指標(biāo)，作為經(jīng)驗(yàn)，硬車所需的切削剛性要比軟車大1.5至2倍，雖然應(yīng)用中可以采用小切深，但是小的切深不能減少對動(dòng)態(tài)剛性的需求，更小的振動(dòng)可以帶來更好的粗糙度和刀具使用壽命。
在靜態(tài)剛性達(dá)到一定的水平后，改善動(dòng)態(tài)剛性的唯一方式就是增加阻尼，哈挺公司T系列機(jī)床提供了填充花崗巖聚合物（HARCRETE）的方式來提高振動(dòng)阻尼，花崗巖聚合物的阻尼是鑄鐵的8倍，和普通的填充物不同，HARCRETE可以有和鑄鐵相同的熱穩(wěn)定性，不會(huì)受因?yàn)闊嶙冃蜗禂?shù)影響。機(jī)器動(dòng)態(tài)剛度的提高，減小了機(jī)床振動(dòng)的幅度，同時(shí)保持靜態(tài)剛度，導(dǎo)致的可評價(jià)的結(jié)果是刀具使用壽命的增加，更好的表面光潔度，增加零件的附加值，并提升產(chǎn)品的整體質(zhì)量。
影響設(shè)備加工能力和精度的因素很多，包括聯(lián)動(dòng)的軸，重復(fù)性，控制功能，誤差補(bǔ)償，幾何能力，軸的剛度和熱穩(wěn)定性，機(jī)床整體的熱穩(wěn)定性等等。以上因素將決定設(shè)備的加工范圍和精度，包括輪廓和輪廓精度等都是硬車設(shè)備設(shè)計(jì)和制造時(shí)需要充分考慮到的因素。另外，數(shù)字化的數(shù)控系統(tǒng)可以優(yōu)化調(diào)整機(jī)床的精度，提高機(jī)床的輪廓控制精度，而這些需要更高剛性和精度的絲桿和導(dǎo)軌支撐。提高精度是機(jī)床設(shè)計(jì)制造的系統(tǒng)工程，需要在不同溫度條件下根據(jù)ASME B5.57標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測試。以上是確保機(jī)床硬車能力的精度和剛性基礎(chǔ)。
三、如何選擇“硬車”的刀具
硬車可供選擇的刀具通常有三種材質(zhì)：立方氮化硼（CBN），陶瓷和金屬陶瓷。刀具選擇應(yīng)與生產(chǎn)效率、經(jīng)營成本相匹配。對尺寸和粗糙度更為苛刻的加工場合首選立方氮化硼。一般來說，當(dāng)公差帶大于0.05mm的時(shí)候，陶瓷刀具或許是一個(gè)更具性價(jià)比的選擇。眾所周知，硬質(zhì)合金對加工不同的材料有各種相對應(yīng)的材質(zhì)和涂層，與此類似，CBN刀具也有各種不同的選擇，例如，在斷續(xù)車削的時(shí)候需要采用高CBN含量的刀具，因?yàn)檫@樣的刀片有足夠的韌性抵抗斷削沖擊，一般來說，在斷續(xù)車削中高CBN含量的刀具比低CBN含量的刀具由于有更好的韌性可以提供更好的刀具壽命。
由于CBN材質(zhì)相當(dāng)昂貴，相對于整體的CBN刀具，焊接的CBN刀片是最常見的選擇。操作員和技術(shù)員都有這樣的認(rèn)識，當(dāng)系統(tǒng)的震動(dòng)較大時(shí)，采用CBN刀具加工并不經(jīng)濟(jì)，而機(jī)械振動(dòng)較低的設(shè)備卻可以更好地利用CBN切削材料的能力。哈挺的試驗(yàn)證明，采用高精度的主軸及花崗巖聚合物填充的機(jī)床可以確保更長的刀具壽命，因此在這種情況下，CBN刀片在很多場合比使用硬質(zhì)合金刀片更經(jīng)濟(jì)。
其他在硬車應(yīng)用方面需要注意的是刀具的幾何形狀和刀尖的中心高，將影響切削質(zhì)量。刀具的方向也應(yīng)該注意，切向切削力選擇應(yīng)進(jìn)入機(jī)床基體，而不是遠(yuǎn)離機(jī)床，也就是說通常采用左手刀具。
硬車過程還需要高剛性的主軸夾具和剛性刀柄。主軸夾持工件要盡可能的靠近主軸軸承，盡可能使用夾頭夾具，哈挺公司設(shè)計(jì)的夾頭主軸，能提供更好的夾具系統(tǒng)，從而可以最大限度地提高工件夾持的剛度。當(dāng)工件或者刀具缺乏剛性，往往會(huì)出現(xiàn)顫紋或零件表面質(zhì)量不佳。此時(shí)，需要面對的問題是如何增強(qiáng)工件及刀具與機(jī)床連接剛性。通常情況下“硬碰硬”的車削方法是最安全和最可靠的?？鞊Q主軸夾具及高剛性的刀具連接系統(tǒng)，在硬車應(yīng)用中會(huì)獲得更大的青睞。
四、“硬車”的干切與濕切
硬車通常采用干式切削，刀尖的表面溫度非常高，會(huì)在切削過程中退火并軟化工件表面，經(jīng)檢測切屑的硬度可下降到一半以下，這也解釋了為何更快的切削速度可以減少工件退火的風(fēng)險(xiǎn)。需要注意的是，絕大部分的熱量是被切屑帶走的，典型的干式切削過程中，應(yīng)盡可能的減少切刀次數(shù)和余量，使得零件不處于高溫狀態(tài)，尤其在加工較小的零件時(shí)，需要考慮以下四個(gè)因素：首先需要考慮減少工件余量；其次可以考慮采用高壓冷卻液切削；第三可以采用高溫的刀片，這個(gè)需要刀具供應(yīng)商的配合；最后選擇更適合的刀具夾具和工件材料。
當(dāng)前的機(jī)床冷卻技術(shù)使客戶可以選擇干式或者濕式硬車，在濕式硬車的過程中，有幾個(gè)問題必須確認(rèn)：第一，不要采用切削油，避免火災(zāi)的隱患，這點(diǎn)非常重要。第二，必須采用較高壓力確保刀尖的冷卻。切屑經(jīng)常會(huì)阻撓冷卻液對刀尖的冷卻，因此冷卻液必須有足夠的壓力吹斷切屑，減少刀片因受到熱沖擊而尖端退化。高壓冷卻70公斤的冷卻壓力可以使得刀具的耐用度更好。第三，冷卻液的清潔度、濃度和PH值也對冷卻效果有影響。在濕式硬車的加工過程中，不可忽略因冷卻液中斷所造成的影響。在邏輯上，冷卻液的忽然中斷將對刀尖的熱沖擊非常大，要極力避免這樣的情況。在采用陶瓷刀片硬車加工的時(shí)候，冷卻液的熱沖擊會(huì)使得刀片破碎，故在陶瓷刀片加工的時(shí)候不能采用普通壓力的冷卻液切削方式，70公斤高壓冷卻是必選項(xiàng)。哈挺公司已經(jīng)在T系列機(jī)床上開始提供70公斤的高壓冷卻系統(tǒng)，相較于常見的干式硬車，刀具壽命延長了3倍以上。
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五、哈挺“硬車”的經(jīng)濟(jì)效益優(yōu)勢
1. “硬車”的性價(jià)比計(jì)算
在國內(nèi)，許多客戶已經(jīng)開始嘗試在現(xiàn)有的機(jī)床上使用硬車方案，與磨方案比較，由于CBN刀具太昂貴，很多客戶難以接受硬車的成本，舉例分析如下：
一個(gè)直徑50mm長度40mm的外圓需要硬車，采用CBN刀具，加工線速度為120m，機(jī)床轉(zhuǎn)速為765rpm，車削走刀速度為0.06mm，硬車切削時(shí)間為52秒。而采用磨床加工，磨削該零件的節(jié)拍約為220秒。
一個(gè)典型的硬車刀尖價(jià)格在250元左右，刀具商通常提供的刀具耐用度為刀尖加工距離8KM，該零件單件加工距離為50*3.14*40/0.06=106666mm，即104.7m，單個(gè)刀尖可以加工的件數(shù)為8000/104.7=76件，硬車刀具單件成本為3.27元。
按照上面的例子，若用一般40萬左右的車床，操作兩班，每周工作五天，83％的利用率，在一年的生產(chǎn)時(shí)間里，加工20萬件工件，將消耗CBN刀片價(jià)值65.4萬人民幣。這是基于250元一個(gè)刀刃，每個(gè)刀刃加工76件計(jì)算的。耗材成本一年等于或超過了原設(shè)備的投資成本。
相對外圓磨床國產(chǎn)砂輪的消耗，這個(gè)單件零件的成本相對較高。
2. 哈挺“硬車”以車代磨的優(yōu)勢
哈挺公司的中端的70萬的車床由于主軸跳動(dòng)小于1μm，帶來了極小的震動(dòng)，使得刀具耐用度大幅度提高到16KM，按上面的例子，同樣零件加工數(shù)量提高到16000/104.7=153件，硬車刀具單件成本縮減為1.63元。要注意，更長的刀具壽命還會(huì)直接關(guān)系到停機(jī)時(shí)間。同樣加工20萬件，將消耗CBN刀片32.7萬元，一年硬車刀具節(jié)省的費(fèi)用就超過了設(shè)備的差價(jià)，并且尺寸穩(wěn)定性、圓度、粗糙度也非普通機(jī)床可以媲美的，若用哈挺采用花崗巖聚合物床身的高端的車床通過提升零件的附加值能帶來更大的效益，這也就是哈挺為何力挺將中高精度機(jī)床作為硬車基礎(chǔ)機(jī)床的原因。
考慮到加工的效率，機(jī)床投資成本，場地占用，人工費(fèi)用綜合考慮，硬車有相對優(yōu)勢的。倘若該零件還需要同時(shí)鏜一個(gè)Φ25深20mm的孔及加工端面的話，用磨床需要三個(gè)砂輪工位加工，需要高端的帶砂輪架回轉(zhuǎn)的磨床加工，磨削時(shí)間需要超過5分鐘，若用硬車加工僅需更換三個(gè)刀位，硬車時(shí)間不超過100秒，硬車優(yōu)勢更加明顯。
與其他設(shè)備相比較，哈挺高端的T系列機(jī)床提供了極高的尺寸穩(wěn)定性和圓度，在相同的走刀速度下，零件可以獲得更長穩(wěn)定的粗糙度及圓度，可以給客戶提供真正的以車代磨效果，舉例來說，若是該硬車零件的尺寸公差為0.03mm，圓度要求6μm，這樣的零件采用硬車或者進(jìn)口的磨床都是不經(jīng)濟(jì)的，然而當(dāng)公差為8μm，圓度為2μm，零件的附加值較高，客戶愿意承受高端的磨床成本時(shí)，高端的硬車就可作為一個(gè)替代的方案被接受。在哈挺的機(jī)床上，通過提高刀具使用壽命、提高零件附加值及更高效幾個(gè)方面為硬車的性價(jià)比成為可能，滿足客戶以車代磨的需求。
六、硬車的適用范圍
由于硬車的刀具成本較高，故在目前的條件下，批量生產(chǎn)場合里適合硬車的零件主要是小零件的加工。大零件的硬車和磨床相比不具有成本優(yōu)勢，除非是高溫合金等不易磨削的材料。而帶有復(fù)雜輪廓的零件的精加工，零件批量不大，附加值高，交貨期緊的工件更加適合采用硬車工藝。典型的應(yīng)用行業(yè)有：汽車中的高精度乘用車零件，液壓泵閥零件、模具行業(yè)零件、軍工行業(yè)零件等等。
硬車也是一種磨削替代方案，常用于不需要高端磨床加工的場合，或者替代粗磨加工，并不能完全替代磨床，尤其是涉及易變形的難加工材料，及超高精度零件，磨床還是必不可少的。硬車并不是取代磨床，而是提供更經(jīng)濟(jì)高效的工藝解決手段，在典型的加工領(lǐng)域，若是粗糙度需要批量做到Ra0.3，圓度小于0.25微米，以及公差帶小于0.005mm時(shí)候，高端磨床的精度優(yōu)勢還是非常明顯的。
七、“硬車”應(yīng)用技術(shù)的展望
還有個(gè)因素會(huì)影響硬車應(yīng)用，美國哈挺的試驗(yàn)表明：當(dāng)材料的洛式硬度變化超過兩度時(shí)，加工尺寸有0.004mm的變化，而硬度的變化也同時(shí)影響到零件的表面粗糙度。國內(nèi)現(xiàn)在的情況是，很多廠家由于熱處理設(shè)備原因做到零件硬度恒定非常困難，常見的淬火硬度范圍為58~62，偏差超過洛式硬度4度，而實(shí)際情況是國內(nèi)很多客戶雖然難以保證所有零件的硬度一致性，事實(shí)上卻能夠做到同一爐淬火零件的硬度一致性，故在加工現(xiàn)場只要不混淆兩批次熱處理的零件，高尺寸精度的硬車同樣可以實(shí)現(xiàn)。
模具行業(yè)開始利用目前最新的材料技術(shù)。在幾個(gè)方面進(jìn)行研究了解并嘗試了解表面硬化白亮層。該層實(shí)際是一個(gè)附著在材料表面的一層金相結(jié)構(gòu)，名義上厚度小于1毫米，很難觀察出來，通常需要通過破壞性的切片金相檢驗(yàn)才能確定它的存在。由于淬火方式及高應(yīng)力的加工方式，在零件表面形成的晶粒結(jié)構(gòu)造成特有的機(jī)械性能，請注意，白亮層在磨削及車削過程中，無論干式還是濕式加工都會(huì)出現(xiàn)，目前的超精加工技術(shù)如絎磨白亮層可以被切除，在某些應(yīng)用領(lǐng)域，特別是那些高接觸應(yīng)力的地方不希望出現(xiàn)白亮層，如軸承座圈，若接觸表面出現(xiàn)高應(yīng)力的白亮層將會(huì)造成表面疲勞壽命降低。白亮層還沒有被完全了解，但有一點(diǎn)已經(jīng)確認(rèn)，相對鋒利的刀具，鈍化的刀具由于切削溫度和壓力更高更容易產(chǎn)生白亮層。有趣的是，白亮層不僅在車削中出現(xiàn)，同樣也可能出現(xiàn)在磨削中。由于觀察到白亮層的形成是由于鈍化的工具產(chǎn)生，研究人員已經(jīng)采用越來越多的有效途徑檢測工裝夾具及優(yōu)化的刀具壽命，以確定相應(yīng)的參數(shù)設(shè)定，防止白亮層的形成。并且一個(gè)自動(dòng)化的工具狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)正在研究中，將會(huì)發(fā)揮這方面的作用。
對于未來的硬車技術(shù)，哈挺首先更多考慮的是薄壁零件的裝夾，還將考慮采用主動(dòng)提高振動(dòng)阻尼技術(shù)的夾具系統(tǒng)，最大限度地減少失圓和提高機(jī)床轉(zhuǎn)速。同樣，需要探索加強(qiáng)在高品質(zhì)的螺紋切削領(lǐng)域的硬車解決方案。在材料領(lǐng)域可以預(yù)料將繼續(xù)推出新的適合硬車的材料，或許會(huì)造成戲劇性的工藝技術(shù)效果。
硬車是一種具有一定的經(jīng)濟(jì)和質(zhì)量效益的工藝手段。成功的硬車取決于整個(gè)加工系統(tǒng)，而不是某些單一元素，作為總結(jié)，下列元素都會(huì)影響成功硬車。
（1）具有很高的動(dòng)態(tài)剛度和更為苛刻圓度和輪廓控制能力的機(jī)床；
（2）高效穩(wěn)定的夾緊裝置；
（3）選擇正確的CBN刀具材料類型；
（4）高品質(zhì)的切削刃；
（5）具有高剛性的刀具安裝方式；
（6）適當(dāng)?shù)募庸?shù)；
（7）零件的裝夾剛性；
（8）加工工藝和冷卻系統(tǒng)。
盡管已經(jīng)有許多用戶開始嘗試并采用了硬車工藝，成功運(yùn)用硬車的業(yè)務(wù)相對還是較少。所以針對在硬車領(lǐng)域廣泛持續(xù)的研究并廣泛推廣這種工藝方案顯得尤為必要，無論是工藝還是機(jī)床領(lǐng)域，哈挺將進(jìn)一步研究與強(qiáng)化這一工藝過程，并期待取得更高的競爭力?！?/p>
