硬车削（以车代磨）——淬火钢的切削加工

  以车代磨是近几年慢慢流行起来的新技术，硬车削是指把淬硬钢的车削作为最终加工或精加工的工艺方法。淬火钢是指金属经过淬火后，组织为马氏体，硬度大于HRC50的钢。

  随着我国工业飞速发展，对机械零件的性能要求越来越高。为了提高机械零件的耐磨性，延长其使用寿命，很多结构钢零件常常采用淬火处理。但淬火后的零件强度和硬度较高，塑性较差，这就给切削加工带来了难题。

  硬车削

  一、淬火钢的加工特点：

  （1）硬度高、强度高，几乎没有塑性：这是淬火钢的主要切削特点。当淬火钢的硬度达到HRC50～60时，其强度可达σb=2100～2600MPa，按照被加工材料加工性分级规定，淬火钢的硬度和强度均为9a级，属于最难切削的材料。

  （2）切削力大、切削温度高：要从高硬度和高强度的工件上切下切屑，其单位切削力可达4500MPa。为了改善切削条件，增大散热面积，刀具选择较小的主偏角和副偏角。这时会引起振动，要求要有较好的工艺系统刚性。

  （3）不易产生积屑瘤：淬火钢的硬度高、脆性大，切削时不易产生积屑瘤，被加工表面可以获得较低的表面粗糙度。

  （4）刀刃易崩碎、磨损：由于淬火钢的脆性大，切削时切屑与刀刃接触短，切削力和切削热集中在刀具刃口附近，易使刀刃崩碎和磨损。

  （5）导热系数低：一般淬火钢的导热系数为7.12W/(m·K)，约为45号钢的1/7。材料的切削加工性等级是9a级，属于很难切削的材料。由于淬火钢的导热系数低，切削热很难通过切屑带走，切削温度很高，加快了刀具磨损。

  二、淬火钢的热处理工艺：

  淬火钢之所以具有良好的使用性能，热处理是不可避免的工序，淬火钢常见的热处理工艺包括退火、淬火、回火。退火是在在切削加工之前，目的是降低金属材料的硬度，提高塑性，以利切削加工或压力加工，减少残余应力。

  淬火、回火是一起的，淬火后直接回火，在精加工之前进行，淬火的目的：使钢件获得所需的马氏体组织，提高工件的硬度，强度和耐磨性，为后道热处理作好准备等。回火的目的：主要是消除钢件在淬火时所产生的应力，使钢件具有高的硬度和耐磨性外，并具有所需要的塑性和韧性等。

  淬火钢热处理

  经过热处理之后，工件的硬度一般在HRC45以上，有的甚至达到HRC60以上，不同的工件，工作性质不同，故热处理后的硬度也不同，如汽车变速箱齿轮热处理后的硬度一般在HRC58-63之间，回转支承轴承热处理后的硬度在HRC47-55之间，滚珠丝杠热处理后的硬度一般在HRC60-62之间。

  三、淬火钢的机械加工工艺：

  淬火钢经过热处理之后需精加工，保证图纸要求的尺寸和表面粗糙度，但热处理后的淬火钢件硬度高难加工，部分工件需要断续切削或表面精度要求高，以前常采用磨削方式来提高工件精度，下面就简单介绍几种淬火钢的机械加工工艺。

  齿轮的加工工艺：下料—锻造—正火—粗车—调质热处理(淬火+高温回火)—精车—齿面磨削加工--检验入库。

  滚珠丝杠的加工工艺：下料—锻造—退火—切削加工—热处理—磨削加工—检验入库。

  汽车半轴的加工工艺：下料—锻造—正火—车削加工—拉花键—热处理—磨削加工。

  淬火钢切削加工

  从加工工艺来看，以上几种淬火钢件均需要磨削加工来保证图纸的尺寸和粗糙度要求，齿轮是由于带断续切削，车刀无法加工；而滚珠丝杠和汽车半轴就属于表面精度高，采用磨削方式来达到表面光洁度。

  四、淬火钢的加工难点：

  （1）淬火钢的粗加工：车削加工热处理过的齿轮、齿圈的生产过程中，一些齿轮、齿圈淬火或渗碳淬火后，硬度一般在HRC55以上，有的硬度达到HRC60甚至HRC65左右。有的齿轮热处理后变形严重，特别是渗碳淬火后的大齿圈、大齿轮（如高铁齿轮、工程机械大齿圈、重工行业用大齿圈等），这些大型齿轮齿圈淬火后变形量非常大，这就涉及到淬火钢粗加工。

  （2）淬火钢的断续加工：断续切削加工一直是个难题，何况是动辄HRC60左右的高硬度淬火钢。特别是在高速车削淬火钢时，如果工件有断续切削，刀具在断续切削淬火钢时会受到每分钟100次以上的冲击来完成加工，对刀具的抗冲击性能是个很大的挑战。以汽车齿轮加工为例，淬硬齿轮以车代磨已经成为一种趋势，据了解，作为齿轮产业的三大市场之一，车辆齿轮占据了齿轮市场总额的62%，其中汽车齿轮又占据了车辆齿轮市场份额的62%。也就是说，汽车所用齿轮占有了整个齿轮市场近40%的比重，可见齿轮对于汽车产业的重要性。虽然淬火钢的以车代磨和硬车削已经很普及，但汽车淬硬齿轮加工过程中仍然遇到很多问题，如一些汽车齿轮内孔有油孔，刀具在高速运转时期遇到油孔容易崩刀、齿轮的位置公差难以保证等等。

  切削工况：连续-断续-强断续

  （3）淬火钢的切槽加工：如同步器滑套啮合槽淬火后的硬车削加工，虽然刀具制造商开发出了同步器滑套专用切槽刀具，但刀具的寿命仍然不尽如人意。

  （4）淬火钢车削的光洁度问题：如轴承钢淬火后车削加工一般要求很好的表面光洁度，Gcr15钢是常用轴承钢，淬火后硬度一般在HRC62左右，在生产加工过称中，由于轴承的精度和光洁度要求非常高，如果设计调整好刀具的刃口，使用CBN刀具加工淬火钢时车削光洁度可达到Ra0.4。

  五、淬火钢切削加工案例（典型零部件——齿轮）

  （1）齿轮的连续切削工况：

  加工材质：20CrMnTi齿轮，硬度HRC58-62，选用优质CBN刀具材质BN-H05，刀片CNGA120408，切削参数：ap=0.1mm，Fr=0.1mm/r，Vc=180m/min，干切；加工工件的表面粗糙度≦Ra0.8，BN-H05材质刀具寿命>800件，比普通CBN材质刀具寿命提升45%。

  齿轮的连续切削工况

  （2）齿轮的中等断续切削工况：

  加工材料：20CrMnTi齿轮，硬度HRC58-62，选用国产CBN刀具材质BN-H10，刀片CCGW09T304，切削参数：ap=0.25mm，Fr=0.08mm/r，Vc=135m/min，干切；BN-H10材质刀具的切削速度和寿命相比进口PCBN刀具均有提升，加工效率提升22%。

  齿轮的中等断续切削工况

  （3）齿轮的强断续切削工况：

  加工材料：20CrMnTi齿轮，硬度HRC58-62，由于强断续工况，使用普通CBN刀具崩刀严重，而选用强断续优势CBN刀具材质BN-H21，刀片WNGA080404，切削参数：ap=0.15mm，Fr=0.1mm/r，Vc=117m/min，干切，刀具寿命提升6倍，正常磨损。

  齿轮的强断续切削工况

  随着现代技术的不断发展，越来越多的淬火钢件出现在机械加工车间，机械制造商一直在寻找高效率低成本的车削刀具，这对于刀具行业来说，只有不断研发出高性能高质量的刀具材料或刀具材质，才能占领刀具市场，并进一步推动中国制造业的发展。