最高效的硬零件車削

　　Getting the Most Out of Hard Part Turning

　　作者：山特維克可樂滿道格•埃文斯

　　By Doug Evans, Sandvik Coromant

　　從傳統來看，對材料硬度達到或超過HRC45的零件進行加工需要采用專用的磨削設備和工藝。而今天隨著機床和切削刀具技術的穩步發展，為零件制造商提供了更多的新工藝方法，越來越多的制造商都在探索適合他們的新加工方案。

　　對于很多應用而言，相對于磨削加工，硬零件車削具有幾方面的優點：一般來說，車削中心的成本低于精密磨床，并可在同一機床中加工零件的多部位，大大提高了操作的靈活性;降低了刀具庫存，并且車削中心比磨床更容易與自動化系統集成。此外，車削過程產生的切屑是可以被再利用的，而磨削產生的細切屑必須被處理。磨削雖然可加工出公差在± 0.005mm以內的尺寸，但硬零件車削被證明是適用于大多數其他應用的卓越工藝技術。當制造商決定從硬零件車削中獲益時，應重視以下幾個關鍵方面。

　　機床設計

　　要想成功進行硬零件的車削，機床至關重要。目前，大多數機床制造商都提供了為實現最佳加工性能而專門設計的機床模塊。無論考慮新的投資機床還是改造機床，需要考慮以下幾個因素：

　　機床底座會大大影響加工剛性，鑄鐵或者鑄鐵加強型底座可以提供最佳的穩定性。

　　機床的轉塔結構也會影響硬零件車削。理想來說，制造商會關注轉塔的剛性和集成模塊化刀柄系統，這有助于通過縮短刀具懸伸來減少振動。為了優化其性能，集成模塊化刀柄系統應該是圓周各向夾緊，而不是緊靠兩個螺釘來夾緊。

　　最后，根據加工零件的規格，需要慎重考慮投資帶尾座的機床。因為零件懸伸超過四倍直徑(從卡盤處算起)，一般必須使用尾座，以獲得一致性和穩定性。

　　“軟狀態”準備

　　在考慮硬零件車削應用時，零件的“軟狀態準備”對總體加工的成功有著巨大影響。要想獲得一致的“輸出”需要使用一致的“輸入”。在淬硬前，零件余量要均勻。各加工廠往往只注重最終成品的質量，而忽視了這一關鍵因素。結果由于切削深度的變化使刀具受到不同切削條件的影響，從而直接影響到切削質量、刀具壽命和生產效率。在硬零件車削中，去除0.0008英寸或0.0012英寸的材料都會對刀具施加很大的外力，從而損害整體的加工穩定性。這同樣適用于材料的硬度，硬度為58 HRC的零件與硬度為62 HRC零件的加工要求是不同的。雖然對于成品零件這些變量是可以接受的，但是出于對加工效率和效用的考慮，還是應盡量避免這些情況。

　　除了確保各零件的材料和尺寸的一致性外，制造商還應尋找更好的設計方法來準備要硬化的零件。如果可能的話，任何孔、鍵槽和溝槽都應做倒角加工。這樣就可以在斷續切削時通過平穩的進入和退出刀具來減少刀具和加工過程中的沖擊應力。

　　刀片的選擇

　　刀片選擇是硬零件車削配刀時首先考慮的因素之一。硬質合金刀片可以加工硬度為40 HRC - 50 HRC的材料并具有很好的性能，是低硬度范圍材料的不錯選擇。

　　常見的硬度范圍在50 HRC - 55 HRC的材料包括含碳量低的低碳鋼。這類材料一般都是表面淬硬，因此，要求刀具具有很高的抗月牙洼磨損性。陶瓷刀片是這類應用的出色選擇。

　　硬度超過55 HRC包括表面硬化鋼和大多數整體淬火鋼在內的材料，都需要特別的抗后刀面磨損性。CBN(立方氮化硼)在這類型材料的粗加工和精加工方面表現突出。人類已知的第二大最硬材料——立方氮化硼具有優異的耐磨損性，并且能夠應對高切削溫度所產生的不利影響。

　　對于硬度高于HRC 55的材料，確定采用含多少碳含量的CBN非常重要。含碳量高的材料磨蝕性就很強，那么刀片的材料成分應該是立方氮化硼含量更高，陶瓷粘合料含量較低 —— 這可以最大限度地減少刀片的后刀面磨損，但需要采用較低的切削速度，約400英尺/分鐘，以避免產生月牙洼磨損。相反，對碳含量低的材料而言，后刀面磨損不是大問題，可以考慮使用陶瓷粘結劑高抗月牙洼磨損更好的CBN刀片，其速度范圍通常在600英尺/分鐘。

　　除了材料的碳含量外，零件設計也會影響到CBN 刀片的選擇。對于長時間連續切削的零件加工場合，通常使用CBN含量約40%左右的刀片。對于斷續切削不嚴重的加工場合，如已經做了倒角的孔或鍵槽，50% - 60%的CBN含量可以將韌性提高到所需的水平，同時仍具有很好的耐磨性。對于斷續切削很嚴重的加工場合，須采用70% - 75%CBN含量的刀片，以達到所需刃線的韌性要求，從而滿足加工應用的需要。

　　刃口處理也會影響到硬零件車削的加工工藝。不同工況下，刀片需要的刃口處理的角度就不同。不同的角度和刃帶寬度帶來不同的刃口處理。T-形刃口是最常見的，使用圓角來分散刃口處集中切削力。S-形刃口與T-形刃口相似，但刀刃經過磨削，在此處刃帶角和刀片表面可以接觸，從而提高了耐磨性。使用E-land槽型，無需進行磨削，但刀片是有15 µm – 20 µm研磨刃帶，保護刀片不會崩刃。

　　最后，采用Wiper(修光刃)槽形的刀片可大大提高加工質量和生產效率。一般而言，Wiper(修光刃)槽形和標準的刀尖半徑相比，Wiper可以在兩倍進給率下獲得同樣的表面光潔度。相反，使用Wiper修光刃槽形并保持相同的進給率可達到更高的表面光潔度。這是因為Wiper(修光刃)槽形作用在刀片上的切削力分布比較大。

　　編程考慮因素

　　外圓車削時(O.D.)，中心高至關重要，尤其是較小的零件。保持中心高在0.002英寸以內，再大就會極大地影響加工質量。內圓鏜削時，其定位取決于刀具懸伸量。鏜桿設置略高于其中心會有利于加工，這樣切削力靠近中心，而不是將其推離最佳位置。

　　如果可能的話，最好將刀具正面朝上固定在機床上。這將使切削壓力回到機床上，從而在加工過程中減少振動和增加剛性，實現更好的加工質量。

　　編程員必須考慮：硬零件車削是采取1次切削還是2次切削策略。在高品質的機床和正確的配刀情況下，通常1次切削即可完成合格的加工形狀和表面質量。當發生最常見的異常情況時，不管是硬度還是形狀，熱處理過程都會使零件變形。在此情況下，很可能需要采取2次切削策略，以確保高質量的加工結果。

　　監控刀具磨損

　　所有刀片最終都會出現磨損形式，因此，注意觀察這些磨損形式可以了解如何優化切削過程。當采用陶瓷或CBN刀片進行硬零件車削時，容易發生月牙洼磨損，如果磨損過快，就可能需要降低切削速度，或換成CBN含量較低更耐磨的刀片。在硬零件車削中，后刀面磨損也是常見的問題，通常表明需要降低切削速度。如果刀片出現溝槽磨損，通常會發生在切深處，改變主偏角可以減少影響，而且能使切屑更薄。

　　使用瑞士縱切機床進行硬零件切削

　　雖然迄今為止硬零件車削已廣泛應用于汽車業和通用機械的零件加工，但越來越多的工廠使用瑞士縱切機床來加工醫療產品零件。制造商面對前述所有因素挑戰時應做更多的考慮。雖然CBN刀片在這類應用中具有良好的精加工表現，但刀具壽命在很大程度上取決于所用的切削液的類型。大多數瑞士縱切機床配有油基的冷卻液系統，致使大量熱量被滯留在切削區。由于硬零件車削中會產生高溫，水溶性冷卻液系統具有更優異的冷卻效果，并提高了刀具壽命和生產效率。

　　專家知識的價值

　　硬零件車削為今天的制造商提供了非常明顯的優勢，無需安裝專業化的機器設備，大大提高了加工靈活性并實現了最大的生產效率。文中前述的各種問題是涉足該領域的制造商們都要面對的最常見的問題。但是，卓越的專家知識是無可取代的。機床制造商和刀具供應商都擁有龐大的工程師團隊，針對各種零件的加工工藝進行優化攻關。不管是第一次進行硬零件車削還是僅僅希望從現有工藝中獲得更多改進，向專家們咨詢總會讓您獲益頗豐。

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　　【山特維克可樂滿】

　　山特維克可樂滿是全球領先的金屬切削刀具制造商和供應商，在全球130多個國家設有代表機構。在世界范圍內設有25家水平一流的效率中心，持續為客戶和山特維克可樂滿的銷售人員提供獲得更高生產效率的刀具解決方案和加工方法的培訓。山特維克可樂滿是山特維克集團刀具業務的一部分。

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