用PCBN刀具对淬硬钢进行切槽加工

　　在过去十年中，用聚晶立方氮化硼（PCBN）刀片对淬硬钢零件进行精密切槽加工已逐渐取代了传统的磨槽加工。美国Index公司的投标工程经理Tyler Economan说，“一般而言，磨槽是一种更稳定的加工方法，能够提供比切槽加工更高的尺寸精度。然而，人们还是希望能在车床上完成工件所需的各种加工。”

　　经过淬硬处理的各种工件材料包括高速钢、模具钢、轴承钢和合金钢。只有黑色金属可以进行淬硬处理，淬硬工艺通常应用于低碳钢。通过淬硬处理，可使工件的外部硬度更高、更耐磨，而内部则具有较好的韧性。用淬硬钢制成的零件包括心轴、轮轴、连接件、驱动轮、凸轮轴、齿轮、轴套、传动轴、轴承等。

　　但是，“硬材料”是一个相对的、变化的概念。有的人认为，硬度为40－55 HRC的工件材料属于硬材料；而另一些人则认为，硬材料的硬度应为58－60 HRC或更高，在此范畴，PCBN刀具可以大显身手。

　　经过感应淬硬处理的零件，其表面淬硬层的厚度可达1.5mm，硬度可达58－60 HRC，而表层以下的材料通常要软得多。在这种情况下，重要的是应确保大部分切削都在表面淬硬层以下进行。

　　具有足够功率和刚性的机床是实现淬硬零件切槽加工的一个必要条件。Economan说，“机床的刚性越好、功率越大，对淬硬材料的切槽加工就越高效。对于硬度超过50 HRC的工件材料，许多轻型机床都达不到所要求的切削条件。如果加工要求超过了机床能力（功率、扭矩，尤其是刚性），就无法成功完成加工。”

　　刚性对于工件夹持装置非常重要，因为切槽加工时，切削刃与工件的接触面很大，刀具会对工件产生极大的压力。夹持淬硬钢工件时，采用宽大的夹具可以分散夹紧面。住友电工硬质合金公司的营销经理Paul Ratzki说，“被加工部位必须获得牢固的支撑。加工淬硬材料时，产生的振动和刀具压力比加工普通工件时大得多，可能会导致工件夹持不住飞出机床，或造成CBN刀片崩刃甚至破损。”

　　夹持切槽刀片的刀柄应尽可能短，以最大限度地缩短悬伸长度、增加刀具刚性。伊斯卡公司GRIP产品经理Matthew Schmitz指出，通常，整体式刀具更适合淬硬材料的切槽加工。不过，该公司也提供模块化的切槽加工系统。他说，“模块化刀柄可用于刀具容易突然失效的加工场合，此时你不必更换整个刀柄，而只需更换一个不太昂贵的组件。模块化刀柄还可以提供多种加工选择。伊斯卡的Grip模块化系统能安装各种不同的产品。你可以使用一把刀柄配备7种不同的刀片，用于加工7种产品线，或者配备任意数量的刀片，用于加工具有不同槽宽的同一种产品线。”

　　住友电工用于夹持CGA型刀片的刀柄采用能将刀片拉回刀座的顶部夹紧方式，这种刀柄还采用一个侧面紧固螺钉来帮助提高夹持稳定性和延长刀具寿命。该公司设计部门助理经理Rich Maton说，“这种刀柄专门用于淬硬工件的切槽加工。如果刀片在刀座中移动，随着时间的推移，刀片就会磨损，刀具寿命就会发生变化。对于汽车工业的高生产率加工要求（如每个切削刃加工50－100或150件工件）来说，刀具寿命的可预测性特别重要，刀具寿命的变化会对生产造成很大影响。”

　　据报道，三菱材料公司的GY系列Tri-Lock模块化切槽系统的刚性可与整体式刀片夹头相媲美。该系统可从三个方向（周边、前面和顶面）可靠地夹紧切槽刀片。它的两种结构设计可以防止刀片在切槽加工时发生位移：V型凸起能防止刀片向两侧移动；安全键则能消除插槽加工时由切削力引起的刀片向前移动。

　　加工淬硬钢零件常用的切槽刀片包括简单的方形刀片、成形刀片、插槽刀片等。通常，切出的沟槽要求具有良好的表面光洁度，因为它们有的是配合部分，有的是O形环或止动环槽。三菱材料公司产品专家Mark Menconi说，“这些加工可分为内径沟槽加工和外径沟槽加工，但大部分切槽加工都要求进行精切，包括从切深约0.25mm的轻触式精切到切深约0.5mm的全精切。”

　　淬硬钢的切槽加工需要采用硬度更高、耐磨性更好、具有适当几何形状的刀具。关键是要弄清楚应该采用硬质合金刀片、陶瓷刀片还是PCBN刀片。Schmitz说，“在加工硬度低于50 HRC的工件材料时，我几乎总是选择硬质合金刀片。而对于硬度50－58 HRC的工件，采用陶瓷刀片是一种非常经济的选择。只有当工件硬度达到58 HRC以上，才应该考虑采用CBN刀片，在此范围其加工性能最佳。” CBN刀片特别适合加工这种高硬材料，因为其加工机理并不是切除材料，而是在刀具/工件界面处熔解材料。

　　对于硬度超过58 HRC的淬硬钢零件切槽加工，切屑控制不会成为问题。由于通常采用干式切槽，切屑更像是粉尘或极小的颗粒，可以通过手动吹风予以去除。住友电工的Maton说，“通常，这种切屑碰到任何东西都会破碎崩解，因此切屑与工件接触不会损伤工件。如果你抓起一把切屑，它们就会在你手里变得粉碎。”

　　CBN刀片适合干切削的原因之一是，虽然其耐热性很好，但在温度波动的情况下加工性能会大打折扣。Economan说，“实际上，当CBN刀片与工件材料接触时，是在刀尖上产生切削热，但由于CBN刀片对温度变化的适应性较差，因此很难充分冷却到可以保持较恒定温度的状态。CBN硬度很高，但脆性也非常大，可能会由于温度的变化而破裂。”

　　当用硬质合金、陶瓷或PCBN刀片切削硬度较低（如45－50 HRC）的钢件时，应使产生的切屑尽可能短小。这样能在切削过程中有效去除刀具材料中的切削热，因为切屑可以带走大量热量。

　　伊斯卡的Schmitz还建议，最好使刀具在“倒置”状态下进行加工。他解释说，“在机床上安装刀具时，机床制造商首选的刀具安装方式是使刀片面朝上进行切削，因为这样可使工件的旋转对机床导轨施加向下的压力，以保持机床稳定。但是，当刀片切入工件材料时，形成的切屑可能会残留在刀片和工件上。如果翻转刀架，倒置安装刀具，就看不见刀片了，而切屑流会在重力作用下自动脱离切削区。”

　　表面淬硬是一种提高低碳钢硬度的简单方法，其原理是增加材料表层下一定深度的含碳量。当切槽加工深度超过表面淬硬层厚度时，由于切槽刀片从加工较硬的材料转变为加工较软的材料，因此可能会引发一些问题。为此，刀具制造商开发了几种针对不同类型工件材料的刀片牌号。

　　Horn（美国）公司销售经理Duane Drape表示，“在从加工较硬的材料变为较软的材料时，用户并不总是希望更换刀片，因此我们必须找到一种适合这种加工的最佳刀具。如果使用硬质合金刀片，就会遇到刀片切削较硬的表层时磨损过快的问题。如果用适合切削高硬材料的CBN刀片来切削较软的部位，也很容易损坏刀片。因此，我们可以采用某种折衷方案：高硬度的硬质合金刀片+超强润滑涂层，或相对较软的CBN刀片牌号+适合切削普通材料（而不是硬加工）的切削刃制备。”

　　Drape说，“你可以用CBN刀片有效切削硬度45－50 HRC的工件材料，但必须调整刀片几何形状。典型CBN刀片的切削刃上有负倒棱。用这种负倒棱CBN刀片加工较软的工件材料时，会对材料产生拉出效应，而刀具寿命也会缩短。如果使用硬度较低的CBN牌号并改变切削刃几何形状，就能成功地切削硬度45－50 HRC的工件材料。”

　　该公司开发的S117 HORN切槽刀片采用PCBN刀尖，在精切齿轮槽宽时，切深量约为0.15－0.2mm。为了获得良好的表面光洁度，该刀片在两侧切削刃上各有一个刮削平面。

　　另一种选择是改变切削参数。Index公司的Economan指出 “一旦切穿了淬硬层，就可以采用更大的切削参数。如果淬硬深度只有0.13mm或0.25mm，在切过这一深度后，要么更换不同的刀片，要么仍然使用同样的刀片，但应将切削参数增大到适当的水平。”

　　为了涵盖更广泛的加工范围，PCBN刀片牌号在不断增多。硬度更高的牌号允许提高切削速度，而韧性更好的牌号可以用于更不稳定的加工环境。对于连续或断续切削，也可以采用不同的PCBN刀片牌号。住友电工的Maton指出，由于PCBN刀具脆性大，在加工淬硬钢时，锋利的切削刃容易崩刃。 “我们必须保护切削刃，尤其在断续切削时，对切削刃的制备应比连续切削时更大，采用的切削角度也应该更大。”

　　伊斯卡公司新开发的IB10H和IB20H牌号进一步扩充了其Groove Turn PCBN产品线。IB10H是一种用于中速到高速连续切削淬硬钢的细晶粒PCBN牌号；而IB20H则由细晶粒和中等粒度PCBN晶粒构成，在耐磨性与抗冲击性之间提供了良好的平衡，可以承受更严酷的淬硬钢断续切削条件。PCBN刀具的正常失效模式应是切削刃逐渐磨损——而不是突然出现裂纹或破裂。

　　住友电工推出的BNC30G涂层PCBN牌号用于淬硬钢工件的断续切槽加工。对于连续切槽加工，该公司建议采用其BN250通用型刀片牌号。Maton说，“连续切槽时，刀片长时间处于切削状态，会产生大量切削热，因此需要采用耐磨性很好的刀片牌号。而在断续切槽时，刀片不断进入和退出切削，会对刀尖造成很大冲击。因此，需要采用具有很好的韧性、能经受断续冲击的刀片牌号。此外，刀片涂层也有助于延长刀具寿命。”

　　无论加工何种类型的沟槽，以前主要依靠磨削方式对淬硬钢零件进行精加工的车间，都可以通过转换为用PCBN刀具进行切槽加工来提高生产率。硬切槽加工可以达到与磨削不相上下的尺寸精度，同时大幅缩短加工时间。

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