GCr18Mo軸承套圈硬態(tài)數(shù)控車(chē)削技術(shù)的研究

李 征 ，朱孝國(guó)，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(yíng)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(jī)械制造業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的重要基礎(chǔ)，是國(guó)民生產(chǎn)總值的主要組成部分，是國(guó)家綜合實(shí)力的重要標(biāo)志。21世紀(jì)的今天，作為機(jī)械制造業(yè)組成部分之一的軸承制造行業(yè)面臨著市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)強(qiáng)，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(wèn)題。為解決這些問(wèn)題，軸承制造行業(yè)必須發(fā)展集效率高、質(zhì)量?jī)?yōu)、柔性強(qiáng)、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(jī)械制造業(yè)中應(yīng)用最廣泛的基礎(chǔ)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(duì)適應(yīng)軸承行業(yè)的發(fā)展形勢(shì)，促進(jìn)企業(yè)可持續(xù)發(fā)展有著至關(guān)重要的作用。

以GCr15、GCr15SiMn、GCr18Mo為代表的淬硬軸承鋼經(jīng)過(guò)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(yán)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(duì)產(chǎn)品質(zhì)量造成不良的影響。

伴隨著機(jī)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(lǐng)域的發(fā)展，應(yīng)用陶瓷刀具對(duì)GCr18Mo材料進(jìn)行硬態(tài)數(shù)控車(chē)削是一個(gè)經(jīng)濟(jì)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(chē)削試驗(yàn)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?cái)U(kuò)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(yàn)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(fù)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(fù)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(lái)決定。硬態(tài)切削淬硬軸承鋼時(shí)，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(dá)到滿意的切削效果。前角的大小對(duì)切削淬火鋼有很大的影響。淬火鋼的硬度高、強(qiáng)度高，切削抗力大，為了避免陶瓷刀具的崩刃和打刀，前角應(yīng)選零度或負(fù)值，以此來(lái)增加切削刃的強(qiáng)度。陶瓷刀具后角的選擇應(yīng)比硬質(zhì)合金刀具的后角大一點(diǎn)，從而減少工件與陶瓷刀具后刀面的摩擦，同時(shí)可減小陶瓷刀具與工件已加工表面的接觸長(zhǎng)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(duì)陶瓷刀具的特有規(guī)律進(jìn)行合理選擇。陶瓷刀具的特點(diǎn)是硬度高、脆性大，在硬態(tài)切削過(guò)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(guān)鍵。

陶瓷刀具主要采用機(jī)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(diǎn)來(lái)合理選擇幾何參數(shù)。通過(guò)查找相關(guān)資料和以往的切削經(jīng)驗(yàn)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(yù)期的幾何參數(shù)，也就是說(shuō)，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(duì)圖1、圖2 軸承套圈進(jìn)行硬態(tài)數(shù)控車(chē)削試驗(yàn)。經(jīng)過(guò)大量的切削試驗(yàn)，硬態(tài)數(shù)控車(chē)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(fù)合陶瓷刀具尺寸

圖5 CNGN120708型Al2O3復(fù)合陶瓷刀具尺寸圖

表1 陶瓷刀具硬態(tài)車(chē)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(guò)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(lái)決定的。

陶瓷刀具切削用量的選擇在國(guó)內(nèi)外都沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)或定型的數(shù)據(jù)可以遵循，大部分都是通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)操作者的多年生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)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(chē)床上對(duì)圖1 、圖2 軸承套圈進(jìn)行硬態(tài)數(shù)控車(chē)削試驗(yàn)。研究切削用量對(duì)陶瓷刀具壽命的影響,即加工工件的數(shù)量。

運(yùn)用單因素的方法進(jìn)行切削用量選擇的試驗(yàn)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(jìn)行選擇。陶瓷刀具供應(yīng)商推薦的最高切削速度Vc=2m/s，根據(jù)切削速度的理論計(jì)算公式可以確定數(shù)控車(chē)床最高的主軸轉(zhuǎn)速n=150r/min，并且對(duì)切削用量三要素進(jìn)行適當(dāng)?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(chē)削試驗(yàn)具有比較明顯的試驗(yàn)結(jié)果，試驗(yàn)選用的具體切削用量見(jiàn)表2 。

表2 試驗(yàn)選用的切削用量

以硬態(tài)數(shù)控車(chē)削GCr18Mo軸承套圈外徑試驗(yàn)為例，硬車(chē)外徑時(shí)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(jìn)給量f分別為0.25mm/r、0.2mm/r、0.15mm/r三擋，分別做硬車(chē)套圈外徑試驗(yàn)。根據(jù)陶瓷刀具每個(gè)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(jìn)行比較，來(lái)選定合理的切削用量。各種試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3～表5 所示。

表3 陶瓷刀具每個(gè)刀刃加工的工件數(shù)試驗(yàn)統(tǒng)計(jì) 個(gè)

表4 陶瓷刀具硬車(chē)外徑試驗(yàn)表面粗糙度R a值統(tǒng)計(jì)表μm

表5 陶瓷刀具硬車(chē)外徑試驗(yàn)切削時(shí)間統(tǒng)計(jì)表s

當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速n≥140r/min，進(jìn)給量f≥0.2mm/r時(shí)，由于陶瓷刀具自身脆性較大，伴隨著高轉(zhuǎn)速切削和大進(jìn)給量的加工過(guò)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(dāng)主軸轉(zhuǎn)速n=120r/min，進(jìn)給量f≤0.2mm/r時(shí)，陶瓷刀具硬態(tài)切削過(guò)程相對(duì)穩(wěn)定，硬車(chē)加工的軸承套圈零件數(shù)量明顯上升，陶瓷刀具單個(gè)刀刃可加工軸承套圈零件30多個(gè)。

考慮到產(chǎn)品要求的生產(chǎn)周期短和車(chē)間生產(chǎn)任務(wù)多的問(wèn)題，低轉(zhuǎn)速必然導(dǎo)致加工時(shí)間長(zhǎng)，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(méi)有做切削速度低和走刀量小的試驗(yàn)。通過(guò)以上大量的硬車(chē)套圈外徑的試驗(yàn)，經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)分析可以得到符合生產(chǎn)實(shí)際的切削用量，即主軸轉(zhuǎn)速n=120r/min，進(jìn)給量f=0.2mm/r。硬態(tài)數(shù)控車(chē)削GCr18Mo軸承套圈其它表面的切削用量選取同硬車(chē)外徑試驗(yàn)的方法。硬態(tài)數(shù)控車(chē)削GCr18Mo軸承套圈各表面時(shí)，陶瓷刀具選擇的實(shí)際切削用量如表6 所示。

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

表6 陶瓷刀具的切削用量

表7 硬態(tài)車(chē)削后的尺寸精度、幾何精度和表面粗糙度

3 結(jié)論

通過(guò)應(yīng)用硬態(tài)數(shù)控車(chē)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(zhǎng)，單片刀具價(jià)格相對(duì)其它硬車(chē)刀具較低。從刀具整體的使用壽命和價(jià)格來(lái)說(shuō)，應(yīng)用陶瓷刀具進(jìn)行GCr18Mo軸承套圈的硬態(tài)數(shù)控車(chē)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(yīng)用和推廣對(duì)企業(yè)的發(fā)展有著十分重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。