□ 劉 亮 □ 陳有光 □ 丁紅漢 □ 趙 成

1.上海市軸承技術(shù)研究所 上海 201801

2.上海工程技術(shù)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 上海 201620

精密硬車削代替磨削加工的試驗(yàn)研究

□ 劉 亮1□ 陳有光1□ 丁紅漢2□ 趙 成1

1.上海市軸承技術(shù)研究所 上海 201801

2.上海工程技術(shù)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 上海 201620

簡要介紹了精密硬車削在軸承行業(yè)的應(yīng)用，以7016AC/TAP4軸承套圈為試驗(yàn)對(duì)象，從試樣的加工精度指標(biāo)和表面完整性分析精密硬車削的特點(diǎn)，證明了在軸承零件加工中精密硬車削工藝代替磨削加工的可行性。

精密硬車 尺寸精度 表面完整性 殘余應(yīng)力 遺傳關(guān)系

硬車削是指使用多晶立方氮化硼（PCBN）或立方氮化硼（CBN）刀具、陶瓷刀具或涂層硬質(zhì)合金刀具等在車床或車削加工中心上對(duì)淬硬鋼（55～66 HRC）進(jìn)行切削加工，可以代替磨削的硬態(tài)切削加工方式。與磨削相比，硬車削具有良好的加工柔性、經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性。

我國是軸承制造大國，但軸承制造的技術(shù)水平和質(zhì)量并不高。國產(chǎn)軸承在尺寸精度方面（如圓度和粗糙度）與國外軸承有可比性，但軸承的壽命和可靠性不穩(wěn)定，且加工離散性較大。近年來，為提高軸承的耐疲勞壽命和使用壽命，國內(nèi)軸承行業(yè)開展了大量的試驗(yàn)研究，其中，硬車削工藝作為一種探索研究，在國內(nèi)軸承行業(yè)中的應(yīng)用研究明顯增加。鐘萬勝［1］采用正交試驗(yàn)法對(duì)切削速度、進(jìn)給量和切削深度三個(gè)參數(shù)進(jìn)行分析，得出了以硬車削加工代替磨削加工的可行性。謝華永［2］分析了精密硬車削終加工在選定參數(shù)下加工工件的各項(xiàng)精度指標(biāo)，證明了精密硬車削在軸承零件加工中應(yīng)用的可能性。肖露［3］從表面粗糙度、白層、殘余應(yīng)力、側(cè)向塑性流動(dòng)等方面對(duì)精密硬態(tài)切削已加工表面完整性的影響因素進(jìn)行了分析。

由于受到機(jī)床精度的限制，硬車削加工工藝在國內(nèi)軸承行業(yè)中的應(yīng)用主要為粗硬車削 （代替粗磨），基本沒有精密硬車削工藝的應(yīng)用。本文拋棄傳統(tǒng)的四道磨削加工（磨平面→磨外圓→磨孔→磨溝道），用一道精密硬車削代替，針對(duì)7016AC/TAP4內(nèi)圈試樣以生產(chǎn)P4級(jí)軸承為指標(biāo)，從試樣的加工精度指標(biāo)和表面完整性分析精密硬車削的特點(diǎn)，驗(yàn)證“以車代磨”的可行性。

1 工藝參數(shù)設(shè)置和試驗(yàn)

1.1 樣件選擇

試驗(yàn)選擇已經(jīng)過熱處理的7016AC/TAP4內(nèi)圈，試樣的硬度為60～64 HRC，基準(zhǔn)面（磁性卡盤吸附面）平面度為0.2～1.0 μm。

1.2 試驗(yàn)條件

硬車削選用荷蘭汗布雷格公司生產(chǎn)的機(jī)床，刀具選用進(jìn)口的CBN刀具，其相關(guān)參數(shù)見表1。

表1 CBN刀具相關(guān)參數(shù)

1.3 工藝參數(shù)的設(shè)置

由于7016AC/TAP4試樣是淬火軸承鋼薄壁零件，采用磁性卡盤裝夾，以避免三爪卡盤帶來的裝夾變形，實(shí)驗(yàn)過程中端面、孔徑和溝道采用不同的切削參數(shù)。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 尺寸精度分析

對(duì)工藝試驗(yàn)后的樣件進(jìn)行檢驗(yàn)，主要精度檢測指標(biāo)見表2。

表2 精密硬車削后尺寸精度

從檢測結(jié)果可知，精密硬車削加工的尺寸精度達(dá)到了磨削加工的尺寸精度要求，且一定程度上優(yōu)于磨削加工精度，滿足軸承P4級(jí)的加工要求。從加工精度方面考慮，精密硬車削完全能代替磨削加工工藝。

2.2 表面完整性檢測及分析

表面完整性是對(duì)工件表面質(zhì)量的綜合評(píng)價(jià)，包括工件的表面粗糙度、硬度、硬化層深度、熱損傷和殘余應(yīng)力等指標(biāo)［4］。表面粗糙度的優(yōu)劣直接影響軸承的裝配精度和潤滑；燒傷會(huì)導(dǎo)致軸承表面組織發(fā)生嚴(yán)重的損壞，加速軸承在工作過程中的疲勞和磨損，降低軸承的耐腐蝕性能，影響軸承的使用壽命；殘余應(yīng)力不僅影響零件的加工精度，而且影響其疲勞性能。因此，良好的表面完整性能改善軸承的抗疲勞壽命和使用壽命。

對(duì)硬車削后的樣件進(jìn)行表面完整性檢測，檢測結(jié)果見表3，表中1#、2#、3#為其中的3件示例樣件。

表3 套圈表面完整性檢測結(jié)果

提高工件表面殘余壓應(yīng)力有利于提高工件的耐疲勞性能和使用壽命，而殘余拉應(yīng)力則降低了其耐疲勞性能并縮短使用壽命［5，6］。圖1表示磨削加工和硬車削加工后表面殘余應(yīng)力的變化情況［7，8］，磨削后工件的最大壓應(yīng)力主要集中在工件表面，其殘余壓應(yīng)力深度較淺，在磨削過程中，砂輪與工件接觸面的冷熱交替和熱循環(huán)使壓應(yīng)力與拉應(yīng)力交替變化，導(dǎo)致離散性較大。而硬車削克服了磨削加工的這些缺點(diǎn)，其殘余壓應(yīng)力值較大，深度較深，可控性好。

根據(jù)對(duì)軸承套圈的表面完整性測試分析可知，用超精密硬車削工藝加工的試樣表面粗糙度Ra為0.1 μm左右，精密硬車削工藝的工件表面顯微硬度幾乎無變化，在工件深度方面對(duì)硬度無影響，切削表面無燒傷，殘余應(yīng)力為壓應(yīng)力，可控。

2.3 樣圈基準(zhǔn)面平面度對(duì)溝道圓度的影響

▲圖1 硬車削與磨削的表面殘余應(yīng)力對(duì)比圖

選取平面度不同的兩組試樣，采用相同的切削參數(shù)加工，樣圈的基準(zhǔn)面平面度和加工后溝道圓度測量結(jié)果見表4。

表4 試樣加工前后基準(zhǔn)面平面度和溝道圓度檢測結(jié)果

由表4可知，基準(zhǔn)面的平面度對(duì)精密硬車削加工試樣溝道圓度有直接影響，試樣平面度越小，精密硬車削加工后試樣溝道圓度越小。這是由于基準(zhǔn)面平面度越大的試樣，其基準(zhǔn)面與吸盤的接觸面積較小，在加工過程中易發(fā)生微振動(dòng)。另外，當(dāng)試樣的基準(zhǔn)面平面度較大時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)溝道軸線與卡盤吸附面的夾角為銳角的情況，在此狀態(tài)下加工溝道時(shí)，刀尖與溝道的接觸面是橢圓，故精密硬車削加工后試樣溝道的圓度較差。

3 結(jié)論

采用精密硬車削加工軸承套圈，突破了傳統(tǒng)的采用多道磨削加工的方法，精密硬車削的工藝試驗(yàn)表明如下。

（1）采用精密硬車削工藝，通過合理選擇切削用量，試樣的加工精度能達(dá)到磨加工精度要求，且具有良好的表面完整性，證明以車代磨的可行性。

（2）前道工序的加工質(zhì)量對(duì)后續(xù)工序的加工質(zhì)量有直接影響，即加工過程的遺傳關(guān)系，在加工過程中應(yīng)重視每道工序的加工質(zhì)量。

（3）一道精密硬車削代替?zhèn)鹘y(tǒng)的四道磨削加工的工藝改進(jìn)，一方面減少了軸承套圈的加工工序，具有更高的加工效率和更低的能量消耗，降低了生產(chǎn)成本，簡化了生產(chǎn)系統(tǒng)；另一方面裝夾次數(shù)的減少，提高了套圈尺寸一致性，大大提高了經(jīng)濟(jì)效益。

［1］ 鐘萬勝，喬?hào)|旭.硬車削在滾動(dòng)軸承套圈加工中的應(yīng)用［J］.軸承，2010（12）：10-12.

［2］ 謝華永，董漢杰，張玉玲.精密硬車終加工工藝試驗(yàn)［J］.軸承，2014（7）：22-24.

［3］ 肖露，文東輝.硬態(tài)切削已加工表面完整性分析［J］.三峽大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，31（5）：57-59.

［4］ 岳彩旭，劉獻(xiàn)禮.硬態(tài)切削與磨削工藝的表面完整性［J］.工具技術(shù)，2008（42）：13-18.

［5］ 李振，張相琴.軸承鋼硬切削表面殘余應(yīng)力對(duì)滾動(dòng)接觸界面疲勞壽命的影響［J］.上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，45（1）：50-53.

［6］Domenico Umbrello.Influence of Material Microstructure Changes on Surface Integrity in Hard Machining of AISI

52100 Steel［J］.The International Journal of Advanced Manufacturing Technology，2011，54（9-12）：887-898.

［7］Smith S，Melkote S N，Lara-Curzio E，et al Effect of Surface Integrity of Hard Turned AISI 52100 Steel on Fatigue Performance ［J］.Materials Science and Engineering：A 2007，459（1-2）：337-346.

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（編輯 丁 罡）

TH161；TG51

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1000-4998（2015）08-0054-03

2015年1月