1. 試驗背景

（1） 原加工工藝。某齒輪熱后加工作業(yè)流程為：硬車內(nèi)孔及錐面、磨齒輪凸端面。使用兩臺機(jī)床， 由兩位操作工完成加工。其相應(yīng)加工工序如圖1、圖2所示。



（2）試驗?zāi)康摹Ｄハ骷庸ば枰�高精度和穩(wěn)定的設(shè)備，由較高技能的人員來操作。為推進(jìn)現(xiàn)代化生產(chǎn)模式，提升生產(chǎn)能力，需要尋找相關(guān)替代工藝，以減少對設(shè)備和人員依賴程度，降低生產(chǎn)和質(zhì)量風(fēng)險。

本次試驗使用我廠現(xiàn)有設(shè)備，可以開發(fā)設(shè)備的加工能力，提高設(shè)備利用率和運轉(zhuǎn)率。通過探索硬車的優(yōu)勢和劣勢，積累工藝經(jīng)驗，為工藝不斷改善提供可能。

（3）試驗難點。由于工件內(nèi)孔較小，且刀桿需要從內(nèi)孔移動至工件上側(cè)采取反車的方式加工，故要求刀桿直徑較小，強(qiáng)度可能不足，且反車工藝本身就較易產(chǎn)生振顫。同時，被加工材料硬度為58～63HRC，硬度較高、切削抗力較大，故而工件加工表面質(zhì)量可能較差。

2. 試驗過程

（1）加工準(zhǔn)備。試驗方案：在現(xiàn)有加工設(shè)備和工藝裝備基礎(chǔ)上，根據(jù)裝夾方式不同，制定了兩套加工方案：①一次裝夾完成所有工序加工。②兩次裝夾，分為兩個工序完成加工。兩套方案均需要重新開發(fā)刀具，不同之處在于方案①僅需要對現(xiàn)有夾具進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，無夾具投資，但是單序加工節(jié)拍增加；方案②需要重新采購一套夾具，成本較高，同時需要另外使用一臺車床，但是可以降低加工節(jié)拍。為減少設(shè)備和工裝投資，同時考慮到原硬車工序節(jié)拍并非加工瓶頸，故決定采取方案①開展試驗。

試驗裝備。加工設(shè)備：Emag VSC 200 倒立車床；測量儀器：表面粗糙度儀、偏擺儀、高度儀；試驗材料：滲碳淬硬鋼16MnCr5。


夾具調(diào)整（見圖3）：該機(jī)床現(xiàn)使用夾具為SMW節(jié)圓夾，主要組件包括夾爪、定位塊、噴氣嘴及夾具本體。三個夾爪對工件節(jié)圓夾緊，定位塊作用于工件上端面，噴氣嘴位于夾具中心從工件內(nèi)孔向下噴氣，用于排除切屑。現(xiàn)由于需要使用車刀加工工件上端面，刀具需要從內(nèi)孔進(jìn)入工件上端，故與噴氣嘴干涉。通過查找夾具圖樣，確認(rèn)噴氣嘴可以拆卸，拆除后試裝夾，工件可以正常裝夾。

刀具選型： 在一次裝夾情況下，對工件正反兩面均需要車削，則反面必然需要采取反車工藝，需選取直徑較小、強(qiáng)度足夠的刀桿和合適的硬車刀片。經(jīng)過與多家刀具廠商溝通，獲得數(shù)種刀具方案如表1所示。



熱后硬車加工一般使用CBN和PCBN刀具，其中PCBN刀具具有更高的加工精度、切削效率及刀具壽命。在以上諸多刀具方案中，從品牌知名度和性價比的角度綜合考慮，本次試驗決定選用品牌A的刀具，刀具如圖4所示。切削路線： 此車床夾緊方式為節(jié)圓夾緊、端面定位，待加工凸端面在夾具內(nèi)側(cè)，故而要加工此凸端面，刀桿只能從直徑為20mm的內(nèi)孔伸入進(jìn)行反車。待加工凸端面最大直徑為36mm，故刀桿在內(nèi)孔還需要橫向移動至少8mm，加工完成以后，刀具需要脫離加工表面并從里孔退出。切削路線如圖5所示。


（2）試驗過程。首件試加工：根據(jù)刀具廠家建議的切削參數(shù)，首先選用線速度vc=80m/min、進(jìn)給f=0.05mm/r、切深ap=0.04mm，通過編制加工程序并進(jìn)行首件試加工， 加工首件表面粗糙度值Ra=0.069mm，端面跳動0.12mm，符合工藝要求。

修磨刀桿： 試加工首件凸端面并未完全加工完成，主要由于刀桿在內(nèi)孔活動空間不足，故而需對此刀桿進(jìn)行修磨，減小刀桿直徑1mm。此后增加刀桿橫向移動行程， 進(jìn)行試加工， 完成了對凸端面表面的全部加工。當(dāng)vc=80m/mi n、f=0.05mm/r、ap=0.05mm時，工件表面粗糙度值Ra=0.242mm，滿足工藝要求。

切削參數(shù)優(yōu)化： 由于此工件切削余量僅有0.1mm，剛好滿足硬車對切深的要求，故而本試驗并未考慮切深的改變，僅選取線速度vc和進(jìn)給f作為主要變化因素，探索其與表面粗糙度的關(guān)系，尋找最合適的切削參數(shù)（見圖6）。


通過上述分析可見， 降低進(jìn)給可以明顯改善表面粗糙度質(zhì)量；提高線速度可以提高表面質(zhì)量，但是改善效果不明顯。故而進(jìn)給量對表面粗糙度的影響效果高于切削速度。當(dāng)進(jìn)給降低到0.06mm/r時，表面粗糙度變化幅度減小；當(dāng)線速度提升到120m/min時，表面粗糙度幾乎沒有變化。

針對本次試驗工件， 選用線速度vc=140m/m i n、進(jìn)給f=0.06mm/r，可達(dá)到表面粗糙度值Ra=0.11mm，跳動0.002mm，符合工藝要求。但是此時工件凸端面靠近外側(cè)部分表面存在振紋， 不滿足表面質(zhì)量要求。在采用線速度vc=120m/min，進(jìn)給f=0.07mm/r時，工件表面無振紋，表面粗糙度值Ra=0.21mm，跳動0.002mm，符合工藝要求。按此切削參數(shù)進(jìn)行小批量加工，工件表面粗糙度值基本穩(wěn)定為Ra=0.2mm，且達(dá)到了工藝要求。理化性能：按照產(chǎn)品設(shè)計要求，該零件凸端面需要跟滾針軸承配合，故而對其表面硬度要求為58～63HRC，對比磨削加工和硬車加工表面硬度如表2所示，可見硬車工件和磨削工件表面硬度變化基本持平，滿足工藝要求。



（3）試驗分析。加工質(zhì)量：在現(xiàn)有加工設(shè)備和夾具基礎(chǔ)上，完成了對試驗零件內(nèi)孔及錐面硬車、凸端面硬車兩道工序的加工。采用線速度vc=120m/min、進(jìn)給f=0.07mm/r的切削參數(shù)，從外端面向里孔方向車削的切削路線，端面表面粗糙度和跳動滿足工藝要求，達(dá)到了比較好的加工效果。且此加工方法為一次裝夾完成所有待加工表面的加工，避免了二次裝夾引起的裝夾誤差，從工藝角度提升了零件加工一致性。

硬車試驗過程中，加工表面粗糙度值最優(yōu)為Ra=0.069mm，調(diào)整切削參數(shù)以后穩(wěn)定至Ra=0.21mm。磨削加工表面粗糙度值一般為Ra=0.2～0.3mm。故相較磨削而言，硬車加工表面質(zhì)量更高。

在試驗過程中，當(dāng)切削參數(shù)不合理的情況下，出現(xiàn)了部分工件加工表面產(chǎn)生振紋的現(xiàn)象，后通過優(yōu)化切削參數(shù)，解決了此問題。

通過對零件加工表面硬度的對比分析，總結(jié)發(fā)現(xiàn)硬車過程中會產(chǎn)生切削熱量，由于僅采用氣冷，熱量主要靠鐵銷排走，熱量排除效率不是很高，對零件表面硬度存在一定影響，但是整體而言硬車零件表面硬度仍在較為穩(wěn)定和可控范圍之內(nèi)。

加工成本：該刀片有雙刃，單價311元，每個切削刃加工壽命約為100件，故該工件硬車刀具成本為311÷100÷2=1.55（元）。

由于硬車不需要切削液，僅使用氣冷，故節(jié)約了切削油成本。此車床可以全自動加工，若取代磨床加工，則減少了一位操作工，故硬車的單件加工成本為1.55元。磨床砂輪價格為9 000元，其加工壽命約為8 000件。砂輪需要使用金剛石修磨，金剛石價格為3 000元，其壽命約為10 000件。故該工件磨削刀具成本為9 000÷8 000+3 000÷10 000=1.425（元）。磨床必須使用切削液，且需要手動加工，故加工成本需要包含其他輔料費用和人工成本，預(yù)計單件加工成本超過1.55元。故而硬車加工成本較低。

加工節(jié)拍：op050硬車內(nèi)孔及錐面原節(jié)拍為50s，反車凸端面加工時間為10s，故采用新工藝方案后，硬車內(nèi)孔及反車凸端面總節(jié)拍為60s。

op055磨削凸端面原節(jié)拍為65s，需要人工上下料 。且加工5個工件需要修磨砂輪，加工效率較低。通過上述對比可知，采取硬車方案較原磨削節(jié)拍更短，提升了生產(chǎn)線產(chǎn)能。

3. 結(jié)語

本文通過對某變速器零件的硬車加工試驗，克服了反車過程中切削抗力較大和加工表面振紋等困難，最終加工零件質(zhì)量滿足產(chǎn)品工藝要求。驗證了硬車工藝在汽車變速器行業(yè)的適用性，總結(jié)了硬車相較磨削而言具有低成本、高效率和高質(zhì)量的優(yōu)勢。

在試驗中，當(dāng)切削參數(shù)不合理的情況下，硬車表面容易產(chǎn)生振紋；硬車過程中切削熱排除效率不高，對零件表面硬度有一定影響。在硬車工藝應(yīng)用過程中，需考慮硬車潛在的相關(guān)質(zhì)量問題，通過充分的驗證以確保質(zhì)量。

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