硬车削技术及其优势

1.硬车削的定义

通常所说的硬车削是指用车刀对淬硬钢（50～63 HRC）材料进行的切削加工，这种加工通常是作为最终加工或精加工，实现以车代磨。淬硬钢材料通常是指淬火后具有马氏体组织，硬度高、强度也高、塑性很低的工件材料，硬度＞55HRC时，其强度σ_b约为2100～2600MPa。通常，工件在热处理淬硬之前就已经完成了粗加工工序，只有精加工在淬硬状态下进行。精磨是精加工最常用的加工工艺，但其加工范围窄，投资大，生产效率低。随着加工技术的发展，硬车削代替磨削已经成为可能。同样，钻削、铣削等也能实现硬切削。表4-1是包括硬车削在内的几种硬切削加工方法的常用切削参数及加工质量。

表4-1 几种硬切削加工方法的常用切削参数及加工质量

2.硬车削的特点

硬车削之所以受到重视，是因为硬车削与传统的磨削相比，具有以下特点：

1）硬车削的加工效率高。去除同样体积的材料，硬车削具有比磨削更高的加工效率，而加工能量消耗是磨削的1/5。硬车削相对磨削来说，可以采用大的背吃刀量、高的工件转速，因此，金属切除率是磨削加工的3～4倍。车削加工时，可在一次装夹中完成多表面加工。如图4-1所示零件，采用车削可非常容易地完成外圆、端面以及槽、球面等复杂形状的表面加工。若采用磨削加工，则需多次安装，非常困难。

2）硬车削是绿色制造工艺。磨削加工产生的废液和废弃物越来越难以处理和清除，且对人体有害。硬车削无须加切削液，加工中所产生的大部分热量被切屑带走。硬车削时，切削区的高温使工件材料退火变软，切屑形成容易，工件加工表面没有烧伤或裂纹。此时，若用切削液，刀具使用寿命和工件加工表面质量具有不确定性。同时硬车削可省去与切削液有关的装置，降低生产成本，简化生产系统，形成的切屑干净清洁，回收处理容易。

图4-1 复杂零件的硬车削

a）台阶孔车床上的镗削 b）内球面的镗削

3）硬车削的设备投资少，适合柔性生产要求。在生产率相同时，车床是磨床成本的1/3～1/2，占地面积小，辅助系统费用低。磨床则需要水槽、切削液、过滤器等辅助系统。车削是一种加工范围广的柔性加工方法，可配备多种刀具转盘、刀库等以实现加工转换。现代CNC车床尤其适合硬车削，对多品种、计划多变、交货期短、生产批量小的柔性化生产更显其优越性。

4）硬车削可使零件获得良好的整体加工精度。一般来说，硬车削比磨削更能保持工件表面性能的完整性。虽然目前磨削比硬车削的尺寸精度高（磨削可保证1μm，而硬车削通常≤13μm），但已有很多研究表明：硬车削的尺寸精度可达2～3μm，表面粗糙度值Ra可达0.5μm。

3.硬车削加工机理及应用研究

（1）硬车削的切削规律 硬车削条件下的进给速度、切削速度和背吃刀量都有别于普通切削，刀具一般采用负倒棱来保护刃口，在高速切削状态下，一般的金属切削理论已不完全适合硬质材料的切削过程分析，因此，必须根据硬质材料和所用刀具的特点来研究其切削加工过程。

从20世纪70年代起，人们已经开始研究硬质材料的切屑形成机理了，进入20世纪90年代，随着PCBN、陶瓷刀具的实用化及对硬态切削技术需求的日益迫切，对硬质材料加工技术的研究进入了高潮。淬硬钢的硬态干切削机理是在高速切削时产生的切削热使被切削金属层软化，切削温度对金属软化效应起决定性作用，即工件硬度随着切削温度的升高而降低，并进一步影响已加工表面的形成及其质量。研究表明，当淬硬材料硬度高于50HRC时，切削机理因金属软化效应的产生而发生变化。

以轴承钢GCr15的硬车削为例进行分析。在CA6140车床上，用PCBN（聚晶立方氮化硼）外圆车刀加工GCr15轴承钢。通过热处理得到30HRC、40HRC、50HRC、60HRC、64HRC等五种硬度的试验用料。试验用车刀的几何参数和选用的切削用量见表4-2和表4-3。

表4-2 试验用车刀的几何参数

表4-3 试验选用的切削用量

试验结果及分析如下：

1）切削力的变化规律符合一般金属切削理论。图4-2所示为在不同切削用量和工件材料硬度条件下，主切削力的变化规律。随切削用量和工件材料硬度的增加，主切削力增大。

2）切削温度变化规律不符合一般的金属切削理论。对工件材料GCr15而言，硬度约为50HRC时温度达到最高值，之后随着工件硬度增加，温度呈下降趋势。这是硬切削的特殊规律。50HRC就是工件材料为GCr15时区分普通切削和硬切削的临界硬度。

3）在实验范围内，切屑形态、已加工表面粗糙度和加工硬化层深度等的变化都是以50HRC为分界点。如图4-3所示，工件硬度低于50HRC时为带状切屑，达到50HRC时为锯齿形切屑。

图4-4和图4-5分别为工件不同硬度时的表面粗糙度和硬化层深度的变化情况。从两图中可以看出，工件硬度在50HRC左右时的表面粗糙度值最大，之后随硬度增加，表面粗糙度值呈下降趋势；已加工表面硬化层深度随着工件材料硬度的增加而增加，当工件硬度达到50HRC后，已加工表面硬化深度达到最大，而且随工件硬度的增加，硬化层深度基本上不变。

（2）硬车削加工条件的研究 硬车削虽然具有许多优点，但成功

图4-2 不同切削用量和工件材料硬度条件下的主切削力的变化规律

a）v_c-HRC变化时的切削力曲面 b）f-HRC变化时的切削力曲面 c）a_p-HRC变化时的切削力曲面

图4-3 不同工件硬度时的切屑形态

地进行硬车削必须满足必要的加工条件。这些条件包括适宜的刀具材料及涂层、合理的刀具几何参数、足够功率和刚性的机床及相应的工艺装备等。

图4-4 工件硬度不同时的表面粗糙度对比

1）硬车削的刀具材料。普通高速钢和硬质合金不能进行硬车削，必须用新型硬质合金、涂层硬质合金、陶瓷和聚晶立方氮化硼（PCBN）等刀具材料。

图4-5 工件硬度不同时的硬化层深度对比

当工件硬度为40～50HRC时，可采用新型硬质合金、涂层硬质合金刀具或陶瓷刀具。新型硬质合金刀具韧度高，价格低，但寿命较短。某些新型硬质合金可适应较大范围硬度的淬硬件的加工，这种硬质合金细化了碳化物颗粒，并同时增加了粘结剂的含量。含钴量w（Co）一般为9％～15％，使粘结层保持一定厚度。切削性能有很大的提高，为切削淬硬件创造了有利的条件。近年来，刀具生产企业靠改进涂层材料与比例，极大地改善了涂层刀具的性能。如美国、日本一些厂家采用瑞士AlTiN涂层材料和新涂层专利技术生产的刀片，硬度高达4500～4900HV，在切削温度高达1500～1600℃时硬度仍然不降低、不氧化，刀片寿命为一般涂层刀片的四倍，而成本只为一般涂层刀片的30％，且附着力好，并可以在498.56m/min的速度下，加工硬度达47～52HRC的模具钢。

金属陶瓷与陶瓷刀具是硬车削较理想的刀具，使用正常时，寿命很长，车削速度比硬质合金刀具提高2～5倍，特别适合高硬度材料加工、精加工以及高速加工，可加工硬度达62HRC的各类淬硬钢和硬化铸铁。在加工工件硬度低于45HRC时，会产生长带状切屑，使刀具前刀面产生月牙洼磨损，降低了刀具使用寿命，此时，陶瓷刀具是最好的选择。近年来，通过大量的研究、改进和采用新的制作工艺，陶瓷材料的抗弯强度和韧度均有了很大的提高，如日本三菱金属公司开发的新型金属陶瓷NX2525，以及瑞典山德维克公司开发的金属陶瓷刀片新品CT系列和涂层金属陶瓷刀片系列，其晶粒组织的直径细小至1μm以下，抗弯强度和耐磨性均远高于普通的金属陶瓷，大大拓宽了陶瓷材料的应用范围。

当工件硬度达到55～65HRC时，可采用PCBN刀具进行硬车削。PCBN刀具广泛适用于淬硬钢（50HRC以上）、珠光体灰铸铁、冷硬铸铁和高温合金等的切削加工，与硬质合金刀具相比，其切削速度甚至可提高一个数量级。

CBN含量高的PCBN刀具硬度高、耐磨性好、抗压强度高及冲击韧度好，其缺点是热稳定性差和化学惰性低，适用于耐热合金、铸铁和铁系烧结金属的切削加工。复合PCBN刀具中CBN颗粒含量较低时，采用陶瓷作粘结剂，其硬度较低，但弥补了前一种材料热稳定性差、化学惰性低的特点，适用于淬硬钢的切削加工。

在车削灰铸铁和淬硬钢时，可选用陶瓷刀具或PCBN刀具，但干车削淬硬钢时，Al₂O₃、陶瓷刀具的成本低于PCBN材料，虽然陶瓷刀具具有良好的热化学稳定性，但韧度和硬度却不如PCBN刀具。在车削硬度低于60HRC及小进给量的加工工件，陶瓷刀具是较好的选择。PCBN刀具适合加工硬度高于60HRC的工件，尤其适合自动化加工和高精度加工。除此之外，在相同后刀面磨损情况下，PCBN刀具切削后的工件表面残余应力也比陶瓷刀具稳定，如图4-6所示。

2）刀片结构及几何参数。各种刀片形状的刀尖强度从高往低依次为：圆形、100°菱形、正方形、80°菱形、三角形、55°菱形、35°菱形。刀片材料选定后，应选用强度尽可能大的刀片形状，同时应选择尽可能大的刀尖圆弧半径。粗加工时通常选用圆形或大圆弧半径的刀片。为改善刀片受力状况，使切削力方向由切削刃向内对着刀体，并对刀片刃口进行钝化处理，如图4-7所示。

图4-6 陶瓷和PCBN刀具切削淬硬钢的残余应力

图4-7 推荐的硬车削刃口参数

刀具的刃磨和研磨质量对其切削性能影响很大。硬车削刀具一般用金刚石砂轮在工具磨床上进行刃磨，以保证刃磨质量。

硬车削时，由于切削速度高，导致切削温度很高，切屑呈红而酥软的、易于碎断的缎带状，不会产生积屑瘤，切屑易于清理。硬车削时，切削力比较大，所以刀具宜采用负前角（γ₀≤－5°）和较大的后角（α₀＝10°～15°）；主偏角取决于工艺系统的刚性，一般在30°～75°之间取值；刃倾角λ_s＝0°～10°；倒棱宽度b_r1＝0.1～0.3mm，倒棱前角为－15°～25°；刀尖圆弧半径r_ε＝0.2～1.2mm。

3）硬车削的切削用量。合理选择切削用量是充分发挥刀具切削性能的重要因素之一。它直接影响加工生产率、加工成本、加工质量和刀具寿命。

陶瓷刀具硬度高、耐磨性好，但脆性大、强度较低。硬车削淬硬钢时，进给量对刀具破损影响最大，所以应选择较小的进给量，一般f＝0.1～0.3mm/r。较高的切削速度（80～100m/min）可获得酥化易碎的切屑，同时切削温度升高可改变工件材料性能和提高陶瓷刀具韧度，减少刀具破损。

背吃刀量受机床功率和工艺系统刚性限制。硬车削时，若工艺系统的刚性较差应选择较小的背吃刀量，以免引起振动使刀具破损。

聚晶立方氮化硼刀具（PCBN）硬车削淬硬钢时推荐的切削用量见表4-4。

表4-4 PCBN硬车削淬硬钢时推荐的切削用量（＞45HRC）

切削速度对PCBN刀具切削性能的影响见图4-8。切削速度有着严格的最佳范围。

图4-8 切削速度对PCBN刀具切削性能的影响

用FD22（TiC（CN）-Al₂O₃）陶瓷刀具干车削淬火轧辊钢86CrMoV7（60HRC）时，切削速度为60m/min，背吃刀量为0.8mm，进给量为0.11～0.21mm/r，加工表面粗糙度值Ra可达0.8μm，可以代替半精磨；进给量取0.07mm/r时，表面粗糙度值Ra可达0.4μm，达到精磨水平。试验表明，当表面粗糙度值Ra为0.3～0.6μm时，硬车削比磨削经济得多。若用PCBN刀具，可以选择更高的切削速度，效果将更好。

（3）硬车削加工机床 硬车削与非淬硬钢车削相比，切削力增加30％～100％，切削功率增加1.5～2倍，所以硬车削对机床有更高的要求，机床应具有高刚性、高转速、大功率等特点。机床主轴系统必须进行良好平衡，以防止振动。主轴的径向圆跳动和端面圆跳动不得大于3μm。机床必须具有良好的热稳定性。导轨系统精度要求较高，要求导轨直线性好、间隙小，不能有爬行现象。

同时，刀具、工件、夹具也应有足够的刚性。刀具安装的悬伸长度要尽可能短，夹具采用刚性夹紧装置，工件长径比不要太大，一般限制在6∶1以内。若能满足以上要求，卧式车床也能很好地完成硬车削。

4.硬车削应用举例

硬车削是目前应用最广，也是应用效果最好的干车削加工方法。下面给出一些国内外企业应用硬车削加工的实例：

1）美国某公司用热压陶瓷刀片车削淬火钢（＞50HRC）轧辊的外圆、端面、槽和成形表面，粗车切削速度为137m/min，精车切削速度为198m/min，进给量为0.13～0.33mm/r，背吃刀量为0.51～0.89mm，切削用量较大，切削效率高。

2）德国某公司在加工100Cr6材料的摩擦盘（60～62HRC）时，用车削代替磨削，加工时间缩短60％。

3）我国某机车车辆厂，加工硬度为60HRC（其中硬质点硬度近70HRC）的轴承内圈（GCr15材料），直径为285mm，采用磨削工艺需2h，采用硬车削加工，用优质硬质合金刀片（726），切削速度为20m/min，进给量为0.18mm/r，背吃刀量为0.5～1.5mm，仅用了45min。

4）北美最大的齿轮制造厂用PCBN刀具硬车削粉末冶金（PM）金属齿轮坯件，切削速度为200m/min，背吃刀量为0.25mm，进给量为0.09mm/r，选用SNG-434形刀片，刃口倒棱－15°×0.2mm，加工表面粗糙度值Ra为0.18μm，不仅实现了以车代磨，而且大大提高了生产效率。

用立方氮化硼（CBN）刀具进行硬车削，加工时间、设备成本、切削刀具的成本比磨削加工成本下降40％，从而使每个零件的加工成本下降了55％，如图4-9所示。

5）图4-10a是弹簧销（材料为淬硬的16MnCr5），图4-10b是支撑钉（材料为淬硬的9S20k，9S20k是德国钢号）。由于弹簧销刚性较差，车削加工时通常采用小的切削用量，用新型硬质合金GC4025进行粗车，用金属陶瓷CT5015对球部进行精车，可以获得满意的加工精度。支撑钉的外圆精车后，用TiNAl钻头和TiN涂层丝锥，即可完成钻孔和内螺纹加工，加工后工件温度不超过55℃，并达到h6的加工精度。

图4-9 硬车削与磨削成本比较

粗精加工总成本设备成本 □其他

注：1是相对硬车削而选择的一个任意数。

图4-10 零件图

a）弹簧销 b）支撑钉

6）轧辊的硬车削。目前，国内十几家大型轧辊企业已经在冷硬铸铁、淬硬钢等各类轧辊的加工中采用了硬车削技术，对轧辊进行荒车、粗车和精车等，取得了很好的效果。采用硬车削技术后，平均提高加工效率2～6倍，节约加工工时和电力50％～80％。例如，武汉钢铁公司轧辊厂，对硬度为60～80HS的冷硬铸铁轧辊粗车、半精车时，切削速度提高了三倍，每车一根轧辊，节约电力、工时费400多元，节约刀具费近100元，取得了巨大的经济效益。又如某校机电工程实验中心，用FD22金属陶瓷刀具车削55～63HRC的86CrMoV7淬硬钢轧辊，切削速度为60m/min，进给量为0.2mm/r，背吃刀量为0.8mm，单刃连续切削轧辊路径达15000m，满足了以精车代替磨削的要求。

7）碴浆泵是广泛应用于矿山、电力等行业的配套产品，其护套、护板材料是63～67HRC的Cr15Mo3高硬铸铁件。过去由于刀具材料的限制，这种材料很难进行车削加工，因而不得不采用先退火软化后进行粗加工，然后淬火再进行车削加工的工艺。采用硬车削加工技术以后，顺利地解决了一次硬化加工问题，免除了退火、再淬火两道工序，节约了大量的工时和电力。目前国内碴浆泵生产企业约有70％～80％已经采用了硬车削加工技术。

8）柴油机气阀的硬车削。柴油机的气阀分进气阀和排气阀，进气阀的材料为4Cr9Si2，排气阀的材料为4Cr4Ni14W2Mo。这两种材料经热处理后，硬度高达48～52HRC。为了提高气阀的耐高温、耐腐蚀、耐磨损、抗冲击的能力，进气阀堆焊钴基合金，排气阀堆焊铬基合金，如图4-11所示。

钴基合金与铬基合金硬度高达50～60HRC左右，材料的可加工性极差。用YG3硬质合金刀具加工，刀具磨损快，加工质量差，切削效率低，生产成本高。若采用合理设计的PCBN刀具进行硬车削，不仅加工质量好，而且切削效率高。气阀硬车削的PCBN刀具结构如图4-12所示。

图4-11 气阀加工示意图

图4-12 气阀硬车削的PCBN刀具结构

PCBN刀坯层厚为0.8mm，总厚度为3.18mm。刀坯型号可选De Beers公司产品DBA80、日本住友工电产品BN600或国内产品。刀片为圆形，几何参数为前角－7°，刃倾角为0°，刀具悬伸25～30mm。采用PCBN刀具不仅刀具寿命长，通常是硬质合金刀具的50～100倍，当机床转速为1600r/min时，一个切削刃可连续加工500件气阀，而且加工质量容易保证，例如，当背吃刀量为1～2mm，进给量为0.1mm/r，切削速度为200m/min或800～1000m/min时，加工表面粗糙度值Ra小于0.4μm。

9）某企业加工几何精度和表面粗糙度均要求较高的薄壁套工件，该工件材料为Cr12MoV，淬火硬度为59～62HRC，如图4-13所示。原先采用的磨削工艺为：磨两平面→磨内孔→磨外圆→靠磨B端面。由于磨削加工中的热变形和多次装夹，加工效率低（磨削一件需要28～30h），废品率高，很难满足加工质量要求。现改用PCBN车刀进行硬车削，较好地解决了这一问题。

图4-14是PCBN车刀的几何结构。前角γ₀＝0°，主副后角相同，CBN部位的后角α₀＝6°，硬质合金和刀片部位的后角α₁＝8°～10°，主偏角κ_r＝45°，刀尖圆弧半径r＝0.2～0.3mm。PCBN车刀前面、刀尖圆弧及后面等部分的表面粗糙度值Ra均为0.2_μm，其余部位Ra为0.2～1.6μm。

图4-13 薄壁套工件

图4-14 PCBN车刀的几何结构

采用的切削参数为：切削速度为235～243m/min，转速为250r/min，半精车的进给量为0.15mm/r（37.5mm/min），精车的进给量为0.07mm/r（17.5mm/min），半精车的背吃刀量为0.2mm，精车的背吃刀量为0.05mm，加工过程中不使用切削液。磨削与硬车削的加工效果对比如表4-5所示。

表4-5 磨削与硬车削的加工效果对比 （单位：mm）

从表4-5中可以看出：

① 两种工艺方法的尺寸公差都能达到图样要求，但磨削工艺误差略大于硬车削工艺。

② 硬车削加工工艺达到了图样要求的几何公差，而磨削加工有两种超差。

③ 两种工艺方法的加工表面粗糙度均达到了图样要求，而硬车削的值略小于磨削加工。

④ 硬车削的加工效率是磨削的五倍。

10）某企业生产的五十铃汽车变速器中三只同步器齿套上的拨叉槽，改原先的磨削加工为硬车削，取得了满意的效果。工件的加工过程如图4-15所示。工件材料为20CrMnH，渗碳淬火后的硬度为58～62HRC，不用切削液，在CK7815数控车床上加工。选用了Sandvik公司的CBN刀 片，切槽刀杆为LF151.22—2525—30，切槽刀片为N151.2—400—30E—GCB20，刀片宽度4mm。

加工过程如图4-15所示。加工余量各单边均为0.15mm；共分四次走刀完成槽的加工，①②③三次径向进给后，各侧面留余量均为0.02～0.05mm，切削速度为100m/min（转速258r/min），进给量为0.08mm/r；④为径向轴向进给加工至工艺要求。其中径向进给参数如①②③，轴向切削时的切削速度为150m/min（转速388r/min），进给量为0.08～0.15mm/r。

图4-15 工件的加工过程

每一个新刀片能加工200～300个零件，若继续加工，则会使工件表面粗糙度增大，刀片产生崩裂，此时可将刀片取下进行重磨，修磨后的刀片寿命约为新刀片的70％～80％。而且硬车削的生产效率高于原来的磨削加工，加工成本约为磨削的32％～50％。

11）轴承锥面硬车削加工。轴承内外圈（轴承钢，w（C）1％，w（Cr）1.5％；热处理后的硬度为62HBC）的壁很薄，而要求达到的精度却很高，为减小装夹变形，采用磁性卡盘夹持。

传统的加工工艺：精磨前三道工序，三次装夹，调整共耗时165min，实际加工工时19min。

用硬车削工艺：精磨前一道工序，一次装夹，调整共耗时55min，实际加工工时8min。加工所用刀具为CBN。其加工精度的测量结果为：圆度误差为0.85～1.5μm；表面粗糙度值Ra为0.5～1.2μm；同轴度误差为1.5～2.5μm；尺寸精度为±10μm。

由此可见，采用硬车削加工工艺不仅减少了准备工时和实际工时，提高了机床利用率，而且由于加工工序的减少，也减少了造成同轴度误差的因素，提高了加工质量。

12）液压卡盘零件的硬车削加工。传统的加工工艺：精磨前四道工序，四次装夹，调整共耗时210min，实际加工工时759min。用硬车削工艺：精磨前两道工序，两次装夹，调整共耗时75min，实际加工工时16min。因此，硬车削明显地提高了加工效率。

13）齿轮内孔的硬车削。汽车、摩托车齿轮零件的材料一般为20CrMnTi，经渗碳淬火后，表面硬度为60～62HRC，齿轮孔公差等级为IT6，表面粗糙度值Ra≤0.8μm。传统加工工艺为：车削加工→热处理→磨削。采用超硬刀具“以车代磨”的加工工艺为：粗车加工→热处理→精车加工。新工艺可大幅度提高加工效率，降低加工成本，原来用磨削工艺一班仅能加工100个小齿轮，现采用PCBN刀具车削（切削参数υ_c＝60～120m/min，f≤0.12mm/r，a_p≤0.1mm），一班能加工400个小齿轮，而且分摊到每个齿轮的加工成本明显下降。

虽然硬车削有很多优点，但目前在生产中应用还不广泛，其主要原因是：

1）操作者对硬车削的效果了解不够，通常认为淬硬材料只能磨削。

2）认为用于硬车削的刀具成本太高。

3）对硬车削加工机理研究不够，没有足够的规范来指导生产实践。

因此，除了对硬车削机理进行深入研究外，必须加强硬车削加工知识的培训、成功经验演示及严格操作规范，使这种高效、洁净的加工方法更多地用于生产实践。

为了促进硬车削的应用，需在现有基础上进行以下几方面研究：

1）加强设备改造与研制，提高机床的转速、功率、刚性等性能。

2）试验研究各种硬度材料的合理切削用量，如陶瓷、PCBN等刀具材料的硬车削特性和优化的几何参数，积累更多的加工数据，建立各种参数选择标准。

3）研究硬车削机理，为提高表面质量和解决断屑等问题提供理论依据。

4）研究开发新型刀具材料，降低刀具成本。