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(tǒng)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(shè)備和工藝。而今天隨著機床和切削刀具技術(shù)的穩(wěn)步發(fā)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(yīng)用而言，相對于磨削加工，硬零件車削具有幾方面的優(yōu)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(tǒng)集成。此外，車削過程產(chǎn)生的切屑是可以被再利用的，而磨削產(chǎn)生的細(xì)切屑必須被處理。磨削雖然可加工出公差在± 0.005mm以內(nèi)的尺寸，但硬零件車削被證明是適用于大多數(shù)其他應(yīng)用的卓越工藝技術(shù)。當(dāng)制造商決定從硬零件車削中獲益時，應(yīng)重視以下幾個關(guān)鍵方面。

　　機床設(shè)計

　　要想成功進行硬零件的車削，機床至關(guān)重要。目前，大多數(shù)機床制造商都提供了為實現(xiàn)最佳加工性能而專門設(shè)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(wěn)定性。

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

　　最后，根據(jù)加工零件的規(guī)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(wěn)定性。

　　“軟狀態(tài)”準(zhǔn)備

　　在考慮硬零件車削應(yīng)用時，零件的“軟狀態(tài)準(zhǔn)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(zhì)量，而忽視了這一關(guān)鍵因素。結(jié)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(zhì)量、刀具壽命和生產(chǎn)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(wěn)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(yīng)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(yīng)尋找更好的設(shè)計方法來準(zhǔn)備要硬化的零件。如果可能的話，任何孔、鍵槽和溝槽都應(yīng)做倒角加工。這樣就可以在斷續(xù)切削時通過平穩(wěn)的進入和退出刀具來減少刀具和加工過程中的沖擊應(yīng)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(zhì)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(yīng)用的出色選擇。

　　硬度超過55 HRC包括表面硬化鋼和大多數(shù)整體淬火鋼在內(nèi)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(xiàn)突出。人類已知的第二大最硬材料——立方氮化硼具有優(yōu)異的耐磨損性，并且能夠應(yīng)對高切削溫度所產(chǎn)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(yīng)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(chǎn)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(jié)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(shè)計也會影響到CBN 刀片的選擇。對于長時間連續(xù)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(xù)切削不嚴(yán)重的加工場合，如已經(jīng)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(xù)切削很嚴(yán)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(yīng)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(jīng)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(zhì)量和生產(chǎn)效率。一般而言，Wiper(修光刃)槽形和標(biāo)準(zhǔn)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(guān)重要，尤其是較小的零件。保持中心高在0.002英寸以內(nèi)，再大就會極大地影響加工質(zhì)量。內(nèi)圓鏜削時，其定位取決于刀具懸伸量。鏜桿設(shè)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(xiàn)更好的加工質(zhì)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(zhì)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(zhì)量。當(dāng)發(fā)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(zhì)量的加工結(jié)果。

　　監(jiān)控刀具磨損

　　所有刀片最終都會出現(xiàn)磨損形式，因此，注意觀察這些磨損形式可以了解如何優(yōu)化切削過程。當(dāng)采用陶瓷或CBN刀片進行硬零件車削時，容易發(fā)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(xiàn)溝槽磨損，通常會發(fā)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(yīng)用于汽車業(yè)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(yī)療產(chǎn)品零件。制造商面對前述所有因素挑戰(zhàn)時應(yīng)做更多的考慮。雖然CBN刀片在這類應(yīng)用中具有良好的精加工表現(xiàn)，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(shù)瑞士縱切機床配有油基的冷卻液系統(tǒng)，致使大量熱量被滯留在切削區(qū)。由于硬零件車削中會產(chǎn)生高溫，水溶性冷卻液系統(tǒng)具有更優(yōu)異的冷卻效果，并提高了刀具壽命和生產(chǎn)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(yōu)勢，無需安裝專業(yè)化的機器設(shè)備，大大提高了加工靈活性并實現(xiàn)了最大的生產(chǎn)效率。文中前述的各種問題是涉足該領(lǐng)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(yīng)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(yōu)化攻關(guān)。不管是第一次進行硬零件車削還是僅僅希望從現(xiàn)有工藝中獲得更多改進，向?qū)＜覀冏稍兛倳屇@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(lǐng)先的金屬切削刀具制造商和供應(yīng)商，在全球130多個國家設(shè)有代表機構(gòu)。在世界范圍內(nèi)設(shè)有25家水平一流的效率中心，持續(xù)為客戶和山特維克可樂滿的銷售人員提供獲得更高生產(chǎn)效率的刀具解決方案和加工方法的培訓(xùn)。山特維克可樂滿是山特維克集團刀具業(yè)務(wù)的一部分。

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