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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(jīng)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?div id="jfovm50" class="index-wrap">！?/p>

經(jīng)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(nèi)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(qū)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(jīng)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(xiàn)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

。”

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(chǎn)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(zhì)合金公司的營銷經(jīng)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(chǎn)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

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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(chǎn)品經(jīng)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(chǎn)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(chǎn)品線

，或者配備任意數(shù)量的刀片，用于加工具有不同槽寬的同一種產(chǎn)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(cè)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(jīng)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(chǎn)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(chǎn)造成很大影響

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據(jù)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(jié)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(cè)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(chǎn)品專家Mark Menconi說

，“這些加工可分為內(nèi)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(zhì)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(zhì)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(jīng)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

。” 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

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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(chǎn)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

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當用硬質(zhì)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(chǎn)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(zhuǎn)對機床導軌施加向下的壓力，以保持機床穩(wěn)定

。但是

，當?shù)镀腥牍ぜ牧蠒r，形成的切屑可能會殘留在刀片和工件上

。如果翻轉(zhuǎn)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)

。”

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(zhuǎn)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(jīng)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(zhì)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(zhì)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="jpandex" class="focus-wrap mb20 cf">！?/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(diào)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(chǎn)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="jfovm50" class="index-wrap">！?/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(cè)切削刃上各有一個刮削平面。

另一種選擇是改變切削參數(shù)

。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(shù)。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(shù)增大到適當?shù)乃?div id="jfovm50" class="index-wrap">。?/p>

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?div id="jpandex" class="focus-wrap mb20 cf">！?/p>

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(chǎn)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(xiàn)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(chǎn)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(jīng)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(zhuǎn)換為用PCBN刀具進行切槽加工來提高生產(chǎn)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

。

以上資料由蘇州碩朔五金工具有限公司整理發(fā)布（www.openvp.cn）

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