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CBN刀具在汽车变速器制造中的应用是嘛

发布时间:2021-07-21 01:05:25 阅读: 来源:玻璃钢穿孔器厂家

CBN刀具在汽车变速器制造中的应用

目前,PCBN刀具的应用相当普遍,而CBN成形磨削由于设备、刀具的经济性,普及面不广。如何提高生产效率、降低制造成本,以具有竞争力的价格向客户提供高质量的产品,通过不断的努力,杭齿实现了满足产品零件精度要求的CBN成形磨削工业应用,在设备投资、CBN磨轮制造成本和刀具使用寿命等方面均具有较好的经济性。

CBN是立方氮化硼英文名称(Cubic Boron Nitride)的缩写,它是硬度仅次于金刚石的一种人工合成无机晶体材料,广泛地用于机械加工工业。各工业发达国家都把CBN作为达到高效率、节约能源、超精密和操作自动化加工等目的的重要材料加以发展。

专家研究表明(如图1所示):当温度达到700℃左右时,金刚石的硬度会有较明显的下降趋势,而CBN材料仍能保持相当的硬度。这说明CBN 的热稳定性(红硬性)明显优于金刚石。由于铁系金属高温时对碳元素有着很强的亲和作用,因此,由纯碳元素组成的金刚石不宜用作加工铁系金属的刀具材料。而CBN由硼、氮两种元素组成,高温时不容易和铁系金属发生化学反应,CBN刀具的出现使得对淬火钢的切削成为了可能。

图1 温度-硬度变化表

我公司从1996年开始批量生产重型汽车变速器,涉及的部分典型零件经过渗碳淬火,表面硬度为HRC58~63。为了达到零件设计要求,迫切需要应用CBN刀具来解决传统用鼠标可找到曲线上任1点所对应的实验数据;工艺方法中遇到的加工难题。

在工作实践中,我公司对CBN刀具的应用主要体现在两方面:一是采用PCBN刀具车削淬硬钢实现“以车代磨”工艺;二是采用自制CBN磨轮实现CBN成形磨削的工木塑项目均被列入《国家战略性新兴产业重点产品和服务目录》;2012年“木塑复合材料挤出成型技术利用及推行”荣获国家科技进步2等奖;2016年木塑制品入选国家第1批(20类)《绿色产品目录》;2017年以来业应用。

应用PCBN刀具实现“以车代磨”

PCBN是聚晶立方氮化硼英文名称(Polycrystalline Cubic Boron Nitride)的缩写。由PCBN刀具坯料经过切割、焊接和刃磨制成的PCBN刀具具有良好的切削性能,主要表现在以下几个方面:

1. 高硬度和耐磨性

CBN的硬度仅次于金刚石,对于可切削黑色金属的刀具材料来说,PCBN刀具的硬度最高。PCBN刀具的耐磨性可以达到涂层刀具和陶瓷刀具的5~10倍,因此,使用PCBN刀具能够明显减少生产加工中的换刀次数,提高被加工工件的精度与互换性,缩短产品生产周期。

2. 良好的导热性和热稳定性

PCBN刀具在800℃时的硬度仍高于硬质合金刀具和陶瓷刀具的常温硬度,在1200℃时仍能保持较高的硬度,而且随着温度的升高,其导热系数也随之升高。因此,PCBN刀具能够很好地满足硬态切削、高速切削和干切削时的恶劣加工条件对刀具材料的要求。

3. 高的化学稳定性

由于CBN的化学惰性特别大,在1200~1300℃时也不会与Fe、Ni、Co等元素发生化学反应,所以PCBN刀具在切削加工时的化学磨损相对于其它刀具材料较小,可用于加工各种材料的工件。

4. 较低的摩擦系数

CBN与不同材料间的摩擦系数为0.1~0.3,而且随着切削速度的提高,PCBN的摩擦系数呈减小趋势,从而使切削力减小,减少切削时的刀屑粘结现象,有利于提高加工精度以及表面质量。

我公司重型汽车变速器中的二轴部电液伺服万能实验机具有单空间结构情势和双空间结构情势件因功能、结构的需要,二轴的多档花键沉割槽、各挡圈槽侧面轴向尺寸精度高,公差范围为±0.03~±0.10mm,且均有较苛刻的端面跳动和表面粗糙度要求。零件采用20CrMnTiHA3材料,渗碳淬火,表面硬度为HRC58~63。由于材料稳定性、热处理技术水平等方面原因,零件在热后往往有较大的变形量。为了达到设计要求,传统工艺方法往往通过磨削来实现零件热后的精加工工序。该轴形状较复杂,普通磨削设备难以满足加工要求,必须引进专用磨床。但此类设备在国内外较少生产,而且价格高昂,适用性方面也不理想。

经技术资料检索、设备调研和经济技术分析,我们认为硬切削工艺的综合经济指标优于磨削工艺。于是,最终决定采用PCBN刀具硬切削(如图2所示),实现“以车代磨”。

图2 PCBN刀具硬切削

由于硬切削要求加工机床的刚性好、基础稳定、工作轴运动精度高,我们选用了长城机床厂的CK7820数控车床。

硬切削的切削力较大,切削温度较高,为保证加工精度、表面质量及刀具寿命,通过多次切削试验,我们选择了合适的PCBN刀具和冷却润滑液,确定了合适的切削参数,积累了实用的加工经验。

“以车代磨”工艺在我公司重型汽车变速器批量生产中的应用,解决了传统工艺难以实现的加工难题,生产效益显著。另外,“以车代磨”工艺产生的切屑可回收处理市面上有1些高级拉力机除以上项目外,不象传统磨削工艺产生的特殊垃圾难以处理。因此,新工艺的应用对保护环境也是十分有利的。

CBN成形磨削工业应用

CBN砂轮可以高效高质量地高速磨削金属工件,在德国乃至欧洲的磨床上已得到了广泛的应用。应用CBN砂轮的磨削速度已接近于声速,从而大大提高了生产效率。由于CBN砂轮的损耗非常小,其成型磨削的精度极易保证。但是,CBN砂轮的制作技术却制约着高速磨削技术的发展。因此,如何高精度地制作CBN砂轮成为了高速磨削技术的关键。

我公司近年来引进的HOFFLER HELIX 400、Gleason? 245TWG Threaded Wheel Grinder等高端数控磨床均能很好地实现CBN砂轮成形磨削工艺,但由于综合成本高昂,同类设备的总体数量又不多,难以形成经济的规模加工能力。

我公司自1996年开始批量生产重型汽车变速器时,其中的中间轴由于结构限制,一端齿宽125mm的直齿无法使用普通磨齿设备磨削。为此,我们分析了该零件的精度要求和现有设备的可用性,提出了一种比较经济的CBN砂轮成形磨削工艺(如图3、4所示)。首先,我们利用公司内部现有的高精度CNC车床、CNC磨床突破了CBN砂轮基体的加工难题。然后,工艺部门的工程师通过技术文献检索和技术试验,较好地掌握了CBN镀覆技术(The Electroplating Process)。此外,CBN砂轮的重镀与翻新技术(The Replating and Refurbishment)在保持砂轮重复使用精度的条件下,也保证了砂轮基体的高利用率,降低刀具制造成本。第三,我们通过改造M8612A花键轴磨床作为专用磨床,节省了高昂的设备投资。第四,通过工艺实验,选用适当的矿物油作为冷却润滑液,并确定了合适的切削参数。

图3 CBN砂轮成形磨削 图4 CBN砂轮及主轴

通过上述工作,我们实现了满足产品零件精度要求的CBN成形磨削工业应用。在设备投资、CBN磨轮制造成本和刀具使用寿命等方面,我们现有的工艺均具有较好的经济性。

结论

PCBN刀具应用目前是相当普遍的,CBN成形磨削由于设备、刀具的经济性,普及面不广。我公司的CBN成形磨削虽然是因陋就简的“土办法”,却具有较好的经济性。国外进口CBN磨轮、CNC设备的优越性当然是无法回避的,所以我在本文中的叙述更多地强调了“满足产品零件精度要求”的“实用”型工业应用。

尽管我们在实践中取得了进步,但实际生产中仍然存在许多不足,主要表现在以下四方面。

1. 合理使用PCBN刀具,准确判断PCBN刀具的耐用度是关键。

有关文献要求在PCBN刀具后刀面磨损标准达0.3~0.5mm(精车时取小值)时,进行定期重磨为好。但是重磨需要一定的设备和技巧,最好是能引进多功能工具磨床。由于条件所限,我公司目前仍在普通工具磨床上刃磨,就设备、人员技术素质而言,难以保证刀具的重磨质量;

2. PCBN刀具焊接技术仍需提高,目前仍有10%~30%的刀具损坏是由焊接质量不好所引起;

3. CBN磨轮使用寿命仍有待于提高,其中CBN镀覆技术的切实提高是关键;

4. CBN磨轮基体的制造精度仍不能令人十分满意。(end)

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