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PCBN刀具對淬硬鋼進行切槽加工

發(fā)布時間:2013-11-06 瀏覽:

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過去用聚晶立方氮化硼（PCBN）刀片對淬硬鋼零件進行精密切槽加工已逐漸取代了傳統(tǒng)的磨槽加工。美國Index公司的投標工程經理Tyler Economan說

，“一般而言，磨槽是一種更穩(wěn)定的加工方法

，能夠提供比切槽加工更高的尺寸精度

。然而

，人們還是希望能在車床上完成工件所需的各種加工

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經過淬硬處理的各種工件材料包括高速鋼

、模具鋼

、軸承鋼和合金鋼。只有黑色金屬可以進行淬硬處理

，淬硬工藝通常應用于低碳鋼

。通過淬硬處理，可使工件的外部硬度更高

、更耐磨，而內部則具有較好的韌性

。用淬硬鋼制成的零件包括心軸

、輪軸

、連接件

、驅動輪

、凸輪軸

、齒輪

、軸套

、傳動軸

、軸承等

。

但是，“硬材料”是一個相對的

、變化的概念

。有的人認為，硬度為40－55 HRC的工件材料屬于硬材料

；而另一些人則認為

，硬材料的硬度應為58－60 HRC或更高

，在此范疇，PCBN刀具可以大顯身手

。

經過感應淬硬處理的零件

，其表面淬硬層的厚度可達1.5mm，硬度可達58－60 HRC

，而表層以下的材料通常要軟得多。在這種情況下

，重要的是應確保大部分切削都在表面淬硬層以下進行。

具有足夠功率和剛性的機床是實現淬硬零件切槽加工的一個必要條件

。Economan說，“機床的剛性越好

、功率越大

，對淬硬材料的切槽加工就越高效。對于硬度超過50 HRC的工件材料

，許多輕型機床都達不到所要求的切削條件

。如果加工要求超過了機床能力（功率、扭矩

，尤其是剛性）

，就無法成功完成加工

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剛性對于工件夾持裝置非常重要

，因為切槽加工時

，切削刃與工件的接觸面很大，刀具會對工件產生極大的壓力

。夾持淬硬鋼工件時，采用寬大的夾具可以分散夾緊面

。住友電工硬質合金公司的營銷經理Paul Ratzki說

，“被加工部位必須獲得牢固的支撐。加工淬硬材料時

，產生的振動和刀具壓力比加工普通工件時大得多

，可能會導致工件夾持不住飛出機床

，或造成CBN刀片崩刃甚至破損?div id="4qifd00" class="flower right">

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夾持切槽刀片的刀柄應盡可能短

，以最大限度地縮短懸伸長度

、增加刀具剛性

。伊斯卡公司GRIP產品經理Matthew Schmitz指出，通常

，整體式刀具更適合淬硬材料的切槽加工

。不過

，該公司也提供模塊化的切槽加工系統(tǒng)。他說

，“模塊化刀柄可用于刀具容易突然失效的加工場合，此時你不必更換整個刀柄

，而只需更換一個不太昂貴的組件

。模塊化刀柄還可以提供多種加工選擇。伊斯卡的Grip模塊化系統(tǒng)能安裝各種不同的產品

。你可以使用一把刀柄配備7種不同的刀片

，用于加工7種產品線，或者配備任意數量的刀片

，用于加工具有不同槽寬的同一種產品線

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住友電工用于夾持CGA型刀片的刀柄采用能將刀片拉回刀座的頂部夾緊方式，這種刀柄還采用一個側面緊固螺釘來幫助提高夾持穩(wěn)定性和延長刀具壽命

。該公司設計部門助理經理Rich Maton說

，“這種刀柄專門用于淬硬工件的切槽加工。如果刀片在刀座中移動，隨著時間的推移

，刀片就會磨損

，刀具壽命就會發(fā)生變化。對于汽車工業(yè)的高生產率加工要求（如每個切削刃加工50－100或150件工件）來說

，刀具壽命的可預測性特別重要，刀具壽命的變化會對生產造成很大影響

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據報道，三菱材料公司的GY系列Tri-Lock模塊化切槽系統(tǒng)的剛性可與整體式刀片夾頭相媲美

。該系統(tǒng)可從三個方向（周邊、前面和頂面）可靠地夾緊切槽刀片

。它的兩種結構設計可以防止刀片在切槽加工時發(fā)生位移：V型凸起能防止刀片向兩側移動

；安全鍵則能消除插槽加工時由切削力引起的刀片向前移動。

加工淬硬鋼零件常用的切槽刀片包括簡單的方形刀片

、成形刀片、插槽刀片等

。通常

，切出的溝槽要求具有良好的表面光潔度，因為它們有的是配合部分

，有的是O形環(huán)或止動環(huán)槽。三菱材料公司產品專家Mark Menconi說

，“這些加工可分為內徑溝槽加工和外徑溝槽加工

，但大部分切槽加工都要求進行精切，包括從切深約0.25mm的輕觸式精切到切深約0.5mm的全精切

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淬硬鋼的切槽加工需要采用硬度更高

、耐磨性更好

、具有適當幾何形狀的刀具

。關鍵是要弄清楚應該采用硬質合金刀片

、陶瓷刀片還是PCBN刀片。Schmitz說

，“在加工硬度低于50 HRC的工件材料時

，我?guī)缀蹩偸沁x擇硬質合金刀片。而對于硬度50－58 HRC的工件，采用陶瓷刀片是一種非常經濟的選擇

。只有當工件硬度達到58 HRC以上

，才應該考慮采用CBN刀片

，在此范圍其加工性能最佳?div id="d48novz" class="flower left">

！?nbsp;CBN刀片特別適合加工這種高硬材料

，因為其加工機理并不是切除材料

，而是在刀具/工件界面處熔解材料。

對于硬度超過58 HRC的淬硬鋼零件切槽加工

，切屑控制不會成為問題。由于通常采用干式切槽

，切屑更像是粉塵或極小的顆粒

，可以通過手動吹風予以去除。住友電工的Maton說

，“通常

，這種切屑碰到任何東西都會破碎崩解，因此切屑與工件接觸不會損傷工件

。如果你抓起一把切屑

，它們就會在你手里變得粉碎?div id="d48novz" class="flower left">

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CBN刀片適合干切削的原因之一是，雖然其耐熱性很好

，但在溫度波動的情況下加工性能會大打折扣

。Economan說，“實際上

，當CBN刀片與工件材料接觸時，是在刀尖上產生切削熱

，但由于CBN刀片對溫度變化的適應性較差

，因此很難充分冷卻到可以保持較恒定溫度的狀態(tài)。CBN硬度很高

，但脆性也非常大

，可能會由于溫度的變化而破裂?div id="jfovm50" class="index-wrap">！?/p>

當用硬質合金

、陶瓷或PCBN刀片切削硬度較低（如45－50 HRC）的鋼件時，應使產生的切屑盡可能短小

。這樣能在切削過程中有效去除刀具材料中的切削熱，因為切屑可以帶走大量熱量

。

伊斯卡的Schmitz還建議

，最好使刀具在“倒置”狀態(tài)下進行加工。他解釋說

，“在機床上安裝刀具時

，機床制造商首選的刀具安裝方式是使刀片面朝上進行切削，因為這樣可使工件的旋轉對機床導軌施加向下的壓力

，以保持機床穩(wěn)定

。但是

，當刀片切入工件材料時

，形成的切屑可能會殘留在刀片和工件上

。如果翻轉刀架，倒置安裝刀具

，就看不見刀片了

，而切屑流會在重力作用下自動脫離切削區(qū)

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表面淬硬是一種提高低碳鋼硬度的簡單方法，其原理是增加材料表層下一定深度的含碳量

。當切槽加工深度超過表面淬硬層厚度時

，由于切槽刀片從加工較硬的材料轉變?yōu)榧庸ぽ^軟的材料

，因此可能會引發(fā)一些問題。為此

，刀具制造商開發(fā)了幾種針對不同類型工件材料的刀片牌號

。

Horn（美國）公司銷售經理Duane Drape表示，“在從加工較硬的材料變?yōu)檩^軟的材料時

，用戶并不總是希望更換刀片

，因此我們必須找到一種適合這種加工的最佳刀具

。如果使用硬質合金刀片，就會遇到刀片切削較硬的表層時磨損過快的問題

。如果用適合切削高硬材料的CBN刀片來切削較軟的部位

，也很容易損壞刀片。因此

，我們可以采用某種折衷方案：高硬度的硬質合金刀片+超強潤滑涂層

，或相對較軟的CBN刀片牌號+適合切削普通材料（而不是硬加工）的切削刃制備?div id="jfovm50" class="index-wrap">！?/p>

Drape說，“你可以用CBN刀片有效切削硬度45－50 HRC的工件材料

，但必須調整刀片幾何形狀

。典型CBN刀片的切削刃上有負倒棱。用這種負倒棱CBN刀片加工較軟的工件材料時

，會對材料產生拉出效應

，而刀具壽命也會縮短

。如果使用硬度較低的CBN牌號并改變切削刃幾何形狀

，就能成功地切削硬度45－50 HRC的工件材料?div id="m50uktp" class="box-center"> ！?/p>

該公司開發(fā)的S117 HORN切槽刀片采用PCBN刀尖

，在精切齒輪槽寬時

，切深量約為0.15－0.2mm。為了獲得良好的表面光潔度

，該刀片在兩側切削刃上各有一個刮削平面

。

另一種選擇是改變切削參數

。Index公司的Economan指出 “一旦切穿了淬硬層

，就可以采用更大的切削參數。如果淬硬深度只有0.13mm或0.25mm

，在切過這一深度后

，要么更換不同的刀片，要么仍然使用同樣的刀片

，但應將切削參數增大到適當的水平

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為了涵蓋更廣泛的加工范圍，PCBN刀片牌號在不斷增多

。硬度更高的牌號允許提高切削速度

，而韌性更好的牌號可以用于更不穩(wěn)定的加工環(huán)境。對于連續(xù)或斷續(xù)切削

，也可以采用不同的PCBN刀片牌號

。住友電工的Maton指出，由于PCBN刀具脆性大

，在加工淬硬鋼時

，鋒利的切削刃容易崩刃。 “我們必須保護切削刃

，尤其在斷續(xù)切削時

，對切削刃的制備應比連續(xù)切削時更大

，采用的切削角度也應該更大

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伊斯卡公司新開發(fā)的IB10H和IB20H牌號進一步擴充了其Groove Turn PCBN產品線。IB10H是一種用于中速到高速連續(xù)切削淬硬鋼的細晶粒PCBN牌號

；而IB20H則由細晶粒和中等粒度PCBN晶粒構成

，在耐磨性與抗沖擊性之間提供了良好的平衡，可以承受更嚴酷的淬硬鋼斷續(xù)切削條件

。PCBN刀具的正常失效模式應是切削刃逐漸磨損——而不是突然出現裂紋或破裂

。

住友電工推出的BNC30G涂層PCBN牌號用于淬硬鋼工件的斷續(xù)切槽加工

。對于連續(xù)切槽加工，該公司建議采用其BN250通用型刀片牌號

。Maton說

，“連續(xù)切槽時

，刀片長時間處于切削狀態(tài)

，會產生大量切削熱，因此需要采用耐磨性很好的刀片牌號

。而在斷續(xù)切槽時

，刀片不斷進入和退出切削

，會對刀尖造成很大沖擊

。因此，需要采用具有很好的韌性

、能經受斷續(xù)沖擊的刀片牌號

。此外，刀片涂層也有助于延長刀具壽命

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無論加工何種類型的溝槽

，以前主要依靠磨削方式對淬硬鋼零件進行精加工的車間

，都可以通過轉換為用PCBN刀具進行切槽加工來提高生產率。硬切槽加工可以達到與磨削不相上下的尺寸精度

，同時大幅縮短加工時間。

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