传统车削技术的创新

传统ISO车削技术里的创新和高技术替代方案一样重要

正因为许多讲座、研讨会和专业刊物相当关注诸如高硬度材料车削、超精加工、干式和高速车削之类的先进技术，而传统ISO车削技术里的发展看起来似乎是停滞不前。但事实却远非如此。归因于例如象多方向车削这样的技术通常有更惊人的生产率提高而且成本降低也能通过非传统替代方案获得，但是通常起点成本要低得多。同时新的硬质合金材质等级研发使得ISO车削和如硬材料精密车削之间的界限似乎正变得模糊不清。有了诸如TP1000和TP2000之类的新的硬质合金材质等级，对于ISO车削我们距解决传统困境--加工刀具是关键但它们要花那么多钱--更进一步。

    在工程界所有的事情都围绕着提高生产率和降低成本。“生产率”是在给定时间内用现有的生产设施生产的合格产品数量。获得这些产品的总成本是材料成本、刀具成本、机床成本、工资支出加上为冷却、安全、基础设施等的企业一般管理费用的合计。

    如果我们只看刀具，那么提高质量和更高的切削参数提供增加生产率的机会。通过是用适当的刀具和降低切削参数而延长刀具寿命来降低成本是属于其它的可能因素。尽管刀具成本占总成本的比重较小，不管怎样增加刀具寿命对于总成本是有正面影响的。情形因切削参数而不同：名义上增加20%会引起生产成本大幅降低（例如10到15%）而且还明显增加生产率。如果不管怎样我们大幅提高切削速度，刀具寿命下降进而我们需要更多的刀具来生产同样数量的产品。为了缓和采购人员（采购预算）和生产经理（生产率）相互之间的利益冲突，接下来要做的事情就是研发更高级的刀具和切削材料。

图1：TP1000和TP2000形成ISO车削里第二次优化浪潮（降低成本和提高生产率）的基础。优化依靠以下三个方面：好的刀具，正确的切削参数，良好的加工工艺知识。

    例如象山高刀具TP1000和TP2000这样的新一代硬质合金材质等级扮演主要角色。现在既提高切削参数又延长刀具寿命是可能的。

    针对现有情况的对比试验显示--由于使用了TP1000和TP2000生产率至少增加30%而且同时成本降低至少20%。

传统车削

    尽管诸如硬车削（有时也叫做PCBN车削，因为通常最佳切削材料时PCBN）、干式车削（或者最小量润滑车削）和高速车削等新技术的到来，在多数工程公司里的车削技术仍然被称作是传统的。例如在铣削里实验日益采用更高切削速度的方法，在车削里仅仅是点点滴滴地使用。那部分是因为所谓的ISO车削的开发肯定不是停滞不前。这些新发展的优点是在没有很高初始费用（不必需要新机床或新设施）的前提下确实很快获得生产率提高并降低成本。我们将简单地举两个例子。

Secolor刀片选择系统

图2:Secolor系统帮助清晰地了解在某一特定情况下哪种刀片是最佳选择。所有相关信息（ISO和Secolor）均在山高刀片包装盒上给出。

    让我们回到90年代初期当山高开发Secolor系统，将其理念带入到数量品种巨大的硬质合金刀片，因为用户几乎分辨不轻该选什么型号的刀片。自那时起这种理念得到进一步深化并且还被其他刀具制造商模仿。

    当涉及到建立硬质合金材质等级和断屑槽形式可能的应用时，Secolor分类模型形成了解决现存的ISO标准模棱两可的一个答案。通过使用的工况就可确定选择什么样的刀片。针对很大的范围从技术角度来说是选择到了最合适的刀片。测试系列决定哪一种刀片和切削参数是最令人满意的。一个重要的评判准则还是刀片的刀具寿命。这种处理的结果可能是你持有大量的刀片在库存里--针对每一种工况都是最合适的。

    另一方面如果涉及许多小的系列，你将尝试用有限种的刀片去覆盖整个使用范围。对于试验系列经常没有时间。进一步，你不得不接受技术上最佳的刀片不能使用在每种应用里。于是评判准则就是：库存和切屑控制。

    对于一个给定的车削应用使用Secolor系统你就能容易地、系统地并且快速地选择一种合适的刀片（在技术上性能良好和具备应用范围广两者之间获得最佳平衡）。这是通过使用三种基本种类的材料（碳钢、不锈钢和铸铁）和三种加工工况（精加工、半精加工和粗加工）组成的矩阵来实现的。这对九个基本应用里的每一个都因此定义一个推荐的基本刀片。接着在第二阶段，这种选择进一步被优化，硬质合金材质等级和断屑槽形两者都被考虑进去了。根据Secolor系统，可行的刀片实际上被标记在刀片包装盒上。刀片包装盒上表示了应用的范围（在九个方块组成的矩阵里）和基本切削参数（推荐的切削速度、进给量和切削深度）。

多方向车削

    在传统车削里获得生产率主要提高的第二个例子是由所谓的多方向车削（MDT）形成的。想法是简单的：是用一把刀具完成涉及端面和轴向车削、内孔和外圆车削、切断、仿形车削、割槽以及最近增加的螺纹车削在内的所有车削加工。具备这种万能功能的刀片在各个方向都受到交变应力。因此这牵涉到刀片和刀杆之间的完美连接问题。山高已经为此选择了一种顶部V形压紧同一种锯齿形刀片接触表面结合的方案。

图3：由于将顶部V形压紧面同锯齿形接触表面结合，山高的MDT夹紧系统使市场上最牢固、最精确的。山高的MDT还代表可靠性。

    这些保证在换刀片时有一个精确的位置（精确度）和在刀杆里的刀片有最大的稳定性。对于安全性、加工能力、工件表面质量、避免振动和重复精度来说，稳定性是关键因素之一。

图4：对于有许多不同的直径、窄槽和轮廓的小型复杂工件来说，多方向车削是一种有优势的技术。

    多方向车削特别适用于有许多不同的直径、窄槽和轮廓的中小型复杂工件。其典型例子是齿轮箱的轴、曲轴、凸轮轴、接头等。对于这种类型的复杂工件用一把MDT车刀就能代替一整套其他刀具，其结果是节约了加工成本。这里还有一个明显的物流方面的好处：库存刀具数量大量下降。

    山高的MDT系统包括不同的刀杆基本种类和有很多品种的刀片供选择：单头或双头；有断屑槽和无断屑槽；有不同的刀尖圆弧半径；有不同的几何形状；由不同种类的硬质合金制成；有不同的刀片宽度。

图5：山高的MDT范围现在还包括用于螺纹车削的刀片。现在山高的MDT因此能真正地完成每一种车削加工。

    最经济的当然是一种双头刀片（刀片的两端都有切削刃）。如果是应用场合的原因需要整个刀片长度上都要有后角，于是最好选择单头刀片。当在低速低进给下应该选择窄刀片也是重要的。二大切深高进给时推荐宽的刀片。所需的刃口形状直接和应用有关。例如有针对精加工和切深槽、普通车削和切浅槽、普通仿形车削、切锁紧环槽、动态和静态O形圈槽等各种形状。针对特殊应用山高的MDT系列包括许多特殊形状和槽形的刀片。最后，你当然可选择不同的硬质合金材质等级。

新的硬质合金材质等级

    在ISO车削范畴里自从有了诸如山高MDT这样一种可依赖的系统出现后，MDT车削在早已家喻户晓的ISO刀具里赢得一席之地。可是这些ISO刀具仍然继续扮演一个很重要的角色，即使是仅仅因为它们仍然代表刀具预算里最大的成本项目。目前的趋势是朝向进一步成本控制，这就是为什么那个领域的开发是如此的重要。用这些刀具来既提高生产率又控制成本就显得尤其重要。

图6：断屑槽图给出了根据可能的应用和进给量的不同断屑槽形的图例解释。选择一种良好的断屑槽和正确的进给量形成了任何优化程序的基础。

    断屑槽形当然是首要的要素。如果在车削过程里切屑形成和控制未达到最优化，我们能忘记任何事情。针对提高生产率而不成比例地增加成本的一个要素是高进给量车削。获得最优化（高效和便宜）车削的基本原则仍然是以可能的最高进给量进行加工。而且当然要保证断屑槽形适合这样做。对这个基本原理有严格影响的工艺是精加工。但自从有了修光刃刀片上述的基本原理也能应用到精加工。

图7：有了修光刃槽形就能在高进给量下获得良好的表面粗糙度。因此在精加工时你也能针对更好的生产率和更低的成本进行优化。

    为了获得良好的表面粗糙度必须使用相对较低的进给量。自从车刀片有了修光刃槽形，情况就不再这样了。精车时选择高到很高的进给量而且仍获得好的表面粗糙度现在是可能的。使用这些修光刃槽形的另外一种可能形势仍保持低进给量，但是因此可获得相当于磨削的表面粗糙度。其他的要素是硬质合金材质等级。如果我们确信排屑良好可靠，我们就能够把硬质合金材质等级（和切削速度）作为优化的目标。

图8：用于车削的山高硬质合金材质等级（包括新的TP1000和TP2000）按照新的有关应用领域的ISO提议进行排列。该表还显示了PCBN的特性。很明显PCBN的应用范围是车削硬材料。

    在山高的系列里最近开发的新一代硬质合金材质等级TP1000和TP2000代表了极其重要的一步。刀片的加工范围是基于覆盖ISO P类应用的多数。应用领域明显大于其它硬质合金材质等级，归因于切削刃的更高的耐磨性（=更高的切削速度）和韧性的提高（=更高的进给量）。这种新的幸好适用于更宽范围的钢件和铸铁牌号。

    TP1000和TP2000以一种耐磨性和韧性独特的结合而被开发。执行广泛的材料试验、计算机仿真、实验室测试和加工测试以确保这些新材质等级的性能表现。

图9：新一代CVD涂层举例。这是用于TP1000和TP2000信涂层的基本结构。

    新的硬质合金材质等级的特点是基体由一层硬的内层和一层韧性很好的外层组成，其结果是既获得了极佳的抵抗塑性变形能力又获得了好的切削刃韧性。加上山高已经开发的新的革命性的涂层，可充分利用基体的可能性。

图10：依据ISO给出的TP1000和TP2000的基础范围。

    优化的涂层结构是由三个功能部分和许多中间层构成。内基层（碳氮化钛）担负起几家的粘着力和基本的切削刃强度。中间的氧化铝基层作为一种有效的热屏障以允许更高的切削速度，而其它的碳氮化钛外层和氮化钛顶层一起保证极佳的抗前刀面和后刀面磨损能力。

图11：总的Secolor概念（ISO基础、硬质合金材质等级、断屑槽形和切削参数）被布置在一个简单的图表里。TP2000的万能应用能力可清楚地看到，同时具备提高切削速度的可能性。因此TP2000是第一个能以有限数量刀片提供从工艺角度切削最优化可能性的硬质合金材质等级。

    当高速切削时，具有更硬基体的硬质合金材质等级TP1000同TP2000相比其耐高温性能更好而且塑性变形更小。TP1000还有更好的耐磨性，在稳定的切削工况下TP1000的生产率完全是优异的。TP1000很适用于优化是有优势、必要或重要的应用场合。作为结果而言如果要完成的系列相当大，TP1000使更好的选择。在很多诸如高速切削、干车削和硬车削等的其它应用场合里TP1000还是一种有优势的硬质合金材质等级。

图12：TP1000和TP2000的优势能容易地被显示出来。用TP1000和TP2000替代现有的硬质合金材质等级，提高斜削速度并尽可能提高进给量，直接从成本降低和生产率提高获利，所有这些得取得并没有高的初始成本。

    在另一方面TP2000具有更好的切削刃韧性而且在可能引起切削刃微崩的切削工况里表现更好。其更好的韧性还能用于因切削工况不可与继而需提高安全性的场合。有了TP2000生产率和可靠性能被带入一个新的水平。TP2000的韧性相当于很多用于ISO P30应用领域的硬质合金材质等级。而同时硬度和耐热性却和ISO P20应用领域的材质等级相当。这使得TP2000成为在很宽范围里的钢件和合金钢车削应用（如果需要更高的切削速度）的可靠选择。

图13：左边的图显示TP1000的磨损而右边的图显示TP2000的磨损，使用相同的工况。第一排的图显示TP1000当用在更高的切削速度时有更好的耐热性和抗塑性变形能力。中间一排的图显示用在工况不好时的磨损率。TP2000有更好的切削刃韧性是清晰可见的。如果工况不好或不可预计TP2000还是一个更好的选择就是这个原因。底下一排显示工况良好时的磨损。这里可看到TP1000具有更好的耐磨性。因此TP1000是工况良好并且看重生产率时的基本选择。

    总结：如果对用户来说加工时间是首要关心的并且车削工况良好，TP1000是首选。高的切削速度不是问题。TP1000是针对优化的基本选择。TP2000是特别针对可靠性是主要考虑因素的大多数应用的基本选择。由于其耐磨性和高韧性的有机结合，TP2000是一种在很宽范围车削应用里可以来的硬质合金材质等级，即使需要高的切削速度时也是这样。

 技巧、信息和经验

    这篇文章简明地解释了诸如MDT车削何最近研发的ISO车削立的新硬质合金材质等级TP1000和TP2000这样的新技术的可能性。

    这些优势提供的实际效果要靠生产人员的响应。不管怎样他们一定要有必要的技巧、信息和兴趣，才能把刀具的潜在可能性转化成真正的优势。在这点上供应商的角色和关系不能充分地被强调。

    山高是一家只做刀具的公司，以一种组织的方法提供技巧和信息方面的进步。全世界每年有数以千计的人在山高刀具的技术中心参加不同的活动。提供的信息和技巧帮助刀具用户获取‘高效、廉价加工’的目标。

山高刀具的机加工导航者是全面了解关于现代刀具和切削材料可能性的最新信息的平台。

结论

车削是一种和铣削相比而言近年来亮点较少的工艺。不管怎样其开发并没有停滞不前，而能得到的生产率提高和成本节约是使人印象深刻的。

图14：现代车削刀片的可能性由硬质合金材质等级（基体和涂层）、宏观角度、断屑槽形、刀尖角度和微观角度（切削刃角度）决定。

    一方面有许多技术上的变化，其中硬车或许被认为是最重要的。另一方面有许多刀具技术里的重要变化，其中MDT刀具技术是最耀眼的。但是绝大多数的车削加工（当然是小批量生产）仍使用传统ISO刀具。为了使这些刀具和相应的切削工况有利可图，对车削过程进行优化当然是值得注意的。在上世纪80年代中期最初的优化浪潮之后，最近开发的断屑槽和刀尖角度（例如山高的Crossbill修光刃刀尖角度）和象山高的TP1000和TP2000那样的新一代硬质合金材质等级形成了第二波优化浪潮的推动力。

    关于技术、道具、刀片和切削材料讨论的更多信息可从山高刀具得到。

    确定TP1000和TP2000切削参数的软件包也有供应。这个软件包可在山高刀具网站(暂不可见)上下载。

新技术：高速硬车

图15：当不同的技术结合在一起时就真正有优势了。这个例子展示了硬车和多方向车削的结合。

    除了本文前面描述的ISO车削的开发之外，近10年来个各种各样的创新交替也已经代表了他们本身。从一个相当玩世不恭的出发点来看，除了市场的极大兴趣之外，他们也有关于真正应用的普遍冷门。

    硬车削（工件材料硬度高于HRC45的车削）是一种有优势的替代磨削的方法。车削是一种柔性更大的加工方法，能省略冷却，切屑回收较容易，生产率更高。除了机床，能源和刀具成本比磨削更低。对于精密硬车，切削材料是用陶瓷和日益增长而且更好的PCBN。不管怎样新的硬质合金材质等级TP1000提供针对精密硬车有吸引力的前景，特别是在小批量时。

新技术：干车削

图16：在所有的新技术里，干车削是最早使用的。关闭机床上的冷却泵是绰绰有余的。干车削的能否是用不仅和使用的刀具有关，还和诸如机床、工件、操作工等其他因素综合起来看。

    当干车削时冷却完全省略或调到最小量（微剂量），每个工件节约总加工成本的15到20%。是否能使用干车削的问题不仅取决于工件的材料和外形，而且还取决于实际的工艺、机床和环境因素，尤其是员工。硬材料粗加工用PCBN干车削事实上是唯一可接受的替代方案。对于干车削TP1000和TP2000也提供有优势的可能性。

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