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设计（论文）题目：双夹板式机器人手抓的系统设计
4 硬质材料加工
Wit Grzesik
Department of Manufacturing Engineering and Production Automation, Opole
University of Technology, P.O. Box 321, 45-271 Opole, Poland.
本章介绍了使用混合陶瓷或CBN刀具加工硬化至45-70HRC或更高硬度的工件材料的特殊加工过程的基本知识。与精磨以及其他研磨精加工工艺进行了扩展比较。从工艺条件出发，讨论了切削力、切屑形成机理、刀具磨损模式及相应的界面温度等切削特性。综述了目前发展中的有限元和分析建模技术。提供了表面完整性的完整表征，包括硬加工表面的几何特征，以及特定的微观结构变化和工艺诱导的残余应力。最后，针对许多切削操作，阐述了硬切削技术的发展现状，以说明如何在实践中有效地利用和优化制造链。
4.1 HM的基本特征
4.1.1硬加工的定义
基本上，硬车削是对硬化材料进行的主要加工操作，是指对硬度值超过45 HRC但通常在58-68 HRC范围内的零件进行单点切削的过程。世界领先的刀具制造商Sandvik Coromant将硬质材料定义为硬度在42 HRC至65 HRC之间的材料。
通常，硬加工材料包括白/冷硬铸铁、高速钢、工具钢、轴承钢、可热处理钢和表面硬化钢。有时，铬镍铁合金、哈氏合金、钨铬钴合金和其他外来材料被归类为硬车削材料。
图4.1 硬车削时可达到的表面粗糙度和ISO公差[1]
如图4.1所示，CBN高精度加工中1mu;m Rz（相当于0.1mu;m Ra）的值和相应的IT3尺寸公差是可能的。然而，对于公差非常严格的零件，硬车削也可以作为一种有效的预精加工操作，然后是精磨。它们的应用已经扩展到汽车、滚动轴承、液压、模具和模具等领先的工业部门。齿轮、齿轮轴、轴承环和其他传动部件通常是通过车削加工的，而高速铣削在模具工业中占主导地位。
一般来说，硬车削可以为许多硬零件提供相对较高的精度，但有时在表面完整性方面会出现重要问题，特别是在残余应力模式不理想和亚表层组织（即所谓的白层）变化的情况下，这会降低车削表面的疲劳寿命。这个问题将在下面的章节中讨论。
4.1.2与研磨操作的比较
传统上，在硬度值超过60hrc的高度回火或硬化状态下对机械零件进行的精加工操作是磨削过程，但最近使用具有几何定义的切削刃的刀具进行的硬切削操作越来越能够替换它们并保证可比的表面精加工。磨削和车削是相对的加工操作，它们的完全替代并不总是容易或可能的。
这些加工工艺之间的一些固有差异如下[2]：
1.硬车削是一个更快的操作，因为它可以在一个设置和通过在干燥的条件下。
2.车床提供了更多的生产灵活性。
3.粗加工和精加工操作可以用数控车床一次夹紧完成。
图4.2 用于比较磨削和硬切削操作的标准[1，3]
4.通过在车削中心或车削单元上更换刀具，多个车削操作更容易实现自动化。
5.由于硬车削是干车削的，所以冷却液、冷却液的维护或处理不需要成本。
特别地，使用陶瓷或CBN刀具进行的硬切削过程通常可以降低制造成本，缩短生产时间（提前期），提高整体产品质量，提供更大的灵活性，并允许通过消除冷却液进行干加工（图4.2）。
在对硬化铁质材料进行精加工时，有许多机会通过车削操作代替磨削。一般来说，硬车削降低了设备成本和个人开支，因为它可以在一次通过使用一个设置。另一方面，如图4.3所示，用CBN切削材料精车削硬度约为62HRC的齿轮毛坯所需的刀具成本几乎占总成本的50%。
图4.3 车削与磨削的成本比较[4]
4.1.3包括硬加工在内的工艺流程
如图4.4所示，第4.1.2节中规定的硬加工的优点导致在粗加工后通过热处理和精磨大大缩短了传统工艺链。
随着超硬切削材料的发展，淬硬钢高速切削技术已引起模具制造业的极大兴趣。预计约50%的传统加工作业可被高速切削作业取代，主要是铣削作业。特别是，推荐使用高体积折射率（90%）CBN刀具铣削淬硬钢，切削速度约为1000 m/m In[5]。图4.5说明了由于减少手工抛光和消除电火花加工，生产时间大大缩短。
图4.6所示为粗糙零件成形后立即在盐浴中淬火环的工艺过程。优化后的工艺节能45%，降低成本35%。据德国DMG公司报道，高速铣削加工与激光精加工相结合，在高达42000转/分的转速下进行粗加工，对于硬零件的加工是非常有利的。消除了电火花加工操作和使用激光成形，使生产周期缩短了约六倍。该技术特别适用于由金属和非金属材料制成的小型精密零件的完全加工。
图4.4 常规生产工艺（a）和硬车削生产工艺（b）的技术链
图4.5 模具制造中传统工艺与高速加工工艺的比较
图4.6 轴承套圈生产新方法：（a）热锻，（b）盐浴淬火，（c）硬车削和（d）成品
4.2 设备和工装
4.2.1机床
现代机械制造厂证明，硬加工的最大成功来自于解决设计和施工中几个关键问题的机床。一般来说，机床的刚度和阻尼特性决定了硬加工精度和表面光洁度的高低。实践证明，振动水平较低的机械系统可以更好地发挥CBN切削材料的性能。通常，高动态刚度决定了在较宽的频率范围内的低振动水平，通过增加阻尼来增加。
下一个关键的机器属性是机床的运动能力和精度。这些要求有许多结构特征，包括复合填料底座（聚合物复合增强材料）、将主轴轴承定位在靠近工件的位置的直接座合收集主轴和静液压导轨，集成在加工中心进行硬车削或铣削。此外，硬车削加工需要刚性主轴刀具和刚性刀架。最大化系统冗余意味着最小化所有悬挑、刀具延伸和零件延伸，以及消除垫片和垫片。对于转向中心，目标是使一切尽可能靠近炮塔。
图4.7显示了一台数控模具铣床，该铣床具有专利的自调整预紧主轴，能够以20000 rpm的最大主轴转速、200 m/min（800 ipm）的最大快速进给和125 m/min（500 ipm）的最大进给速度对硬化为HRC40、HRC50甚至HRC62的材料进行高速硬铣削。此外，它还配备了热变形稳定系统，因为机器车间的温度波动和加工过程中产生的热量可能会影响性能。该系统通过机器的主要部件使温度控制流体循环，最大限度地减少机器结构的热变形。控制变形对于模具零件的最佳加工精度至关重要，特别是对于需要用同一刀具长时间切割（几个小时）的精加工操作，以及高精度加工应用。结果表明，定位精度达到正负0.002 mm，重复性达到0.001 mm。
主轴在整个主轴范围内自动调整并保持最佳预载（主轴刚度）。这保证了低速时的大预载，并根据高速产生的热量减少预载。此外，主轴和驱动电机通过无任何齿隙的膜片联轴器同轴连接的直接驱动系统（图4.7（b））旨在隔离主轴驱动电机的振动和跳动，并提高加工精度、刀具寿命性能和表面光洁度。膜片联轴器允许来自主轴驱动电机的负载惯性为主轴筒提供平滑、无振动和旋转精确的行程。
图4.7 Yasda高速硬铣数控模具铣床[6]：（a）总图，（b）主轴及驱动电机，（c）单块桥式混凝土施工
对于薄壁零件，采用传统的夹紧方法会使其回弹到原来的不圆状态，零件变形是一个严重的问题。通过在夹头上使用多个触点（例如，通过Hardinge[6]使用符合形状的夹头）并在不迫使零件直径变圆的情况下夹紧零件，可以消除这种负面影响。在硬铣削的情况下，由于提供了足够的夹紧力和一致的零件位置，磁性工件保持允许在单个设置中进行完整的三维（五轴）加工，提高了精度和更好的表面光洁度。
4.2.2切割工具和材料
硬加工可以通过使用涂层硬质合金、金属陶瓷、陶瓷、PCBN和PCD刀具执行的许多加工操作（车削、铣削、钻孔、拉削、铰孔和螺纹）来实现。一般来说，硬质合金刀具，如钻头、丝锥和铣刀（端铣刀和球头铣刀），涂有TiNAl（最近也涂有超氮化物）和TiCN层，可用于加工高达65 HRC的硬化材料，也可用于高速切削。金属陶瓷（固体碳化钛）对表面硬化材料的连续切割效果良好。
适用于加工硬质材料的陶瓷类型有铝基、混合和增强（晶须）级和氮化硅基。它们具有高耐磨性、高硬度和良好的化学稳定性。含TiC和显微组织的混合型陶瓷在钢和铸铁的连续或微间断硬加工中应用最为广泛。通常，当公差小于plusmn;0.025mm（plusmn;0.001英寸）时，不建议使用陶瓷。机床条件和性能、方法和刀片类型，以及边缘处理，对最终的加工效果也很重要。加工硬钢时，通常采用带-20°倒角的边缘加强件。
多晶CBN是加工铁基工件材料的理想刀具材料，但在生产环境中，单件成本是最终考虑的因素之一。在良好、稳定的加工条件下可以获得良好的表面光洁度，工件材料越硬，CBN的使用就越有利。通常，CBN工具建议硬度在50 HRC以上至70 HRC左右，以产生小于Ra=0.3mu;m的光洁度。低含量CBN（45–65%）与陶瓷粘合剂结合，具有更好的抗冲击性、耐磨性和化学稳定性，更适合于硬质钢部件。相反，CBN含量越高，硬度越高，更适合于硬质铸铁和高温合金。足够大的刀具半径和适当的边缘强化也很重要。刀刃的珩磨减少了微芯片的风险。典型的S边处理结合了0.1 mmtimes;20°倒角和切削刃上的半径。最近，混合陶瓷和CBN嵌件都以所谓的刮片结构提供，具有特殊的烟雾微边缘或具有较小接近角的Xcel几何结构，导致相对于进给速度的切屑厚度减小[6]。
一些新设计的CBN插件如图4.8所示。图4.8（a）显示了小刀片（由三菱碳化物公司切割的新小刀片），其中CBN尖端直接钎焊到主硬质合金刀片上。这将产生一个更强的CBN空白，并允许更多的产生的热量被吸收。Sandvik Coromant生产的所有阴性CBN插入件均配有机械联锁CBN钎焊角（称为Safe Lok），如图4.8（c）所示。这种设计提供了超高强度和安全的切削刃，特别是有益的时候，机加工到肩膀，底切和其他轮廓操作。为了简化对使用过的边缘的检测，插入物被涂上一层薄薄的金色锡膜。
图4.8 CBN嵌件示例：（a）CBN尖端直接钎焊到主硬质合金嵌件上，（b）双面多角嵌件，（c）嵌件带有机械联锁的CBN实心角，钎焊远离热工具-切屑接触，（d）CBN嵌件配有切屑断路器和（e）覆有铜色（Ti，c）Al层的实心PCBN嵌件[6]
4.2.3使用混合工艺的完整加工
在车削中心和研磨机上加工的大多数应用不需要在所有表面上进行研磨。例如，电机轴需要在轴承或磨损表面上研磨。对于其余的功能，硬车削是远远不够的。对于某些应用，多功能机器有可能将零件循环时间减少25%，主要是通过消除粗磨步骤。
在这一制造业中，包括硬车削和CBN磨削在内的联合/同时加工操作是使用一台配备有两个加工站的机床对齿轮和轴承部件进行的[7，8]。这种特定类型的完整加工如图4.9所示。如图4.9所示，在四个加工站上依次完成淬火状态齿轮的加工：两个用于硬车削，两个用于磨削或超精加工。使用CBN刀具以300 m/m in的切削速度（图4.9（b）中的1号和2号工作站）进行硬车削操作后，使用CBN砂轮以100 m/s的极高速度进行精磨只剩下20-30mu;m的小加工余量。
图4.9 车削和磨削加工中心：（a）具有两个独立工位的工作区和（b）在硬化状态下完成齿轮加工
另一个例子是按索引[9]的车削磨削中心，该中心配备有一个反心轴、一个安装在15°角处的外径（OD）磨削主轴和一个内径（ID）磨削主轴，用于生产具有HSK63接口的多种刀具固定夹具，确保高精度和高工艺安全性。先前在四台单机上进行的工艺流程包括定心、外磨、硬车削（vc=150 m/min，f=0.1 mm/rev）和孔（内）磨削。外圆磨削后，锥面达到1mu;m Rz，圆度和形位公差小于1mu;m。更先进的索引和Junker全加工机床[10]可容纳各种加工模块，如车削和铣削模块以及OD和ID磨削。也可以安装激光装置进行加工硬化。
4.3硬加工工艺特性
4.3.1切削力
硬加工是在独特的工艺和热机械条件下进行的，正如预期的那样，切削过程机理（切屑形成、热产生、刀具磨损）与加工软材料时观察到的有很大不同。如[1–4，11]所述，HM也作为干燥和HSM过程执行。特别是，当使用小切削深度（0.05–0.3 mm）和进给速度（0.05–0.2 mm/rev）时，在这些过程中获得了未成形切屑厚度和未成形切屑厚度与切削刃半径之比的小值。这些几何关系导致有效前角为-60°至-80°并因此产生极高的压力来去除切削刃附近的材料。此外，较大的拐角半径会导致合成切削力的分量很高，同时产生极高的热应力，如图4.10所示。在图4.10（c）中可以观察到，当
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