現(xiàn)在，車削淬硬零件的切削刀具及其應(yīng)用方面的最新進(jìn)展正在將車削工藝提升到更高的效率水平。作為磨削工序的替換或補(bǔ)充工序，硬零件車削具有諸多優(yōu)勢(shì) – 獨(dú)特的新刀片概念令這種工序更具吸引力。
最近….
最近，兩家制造商在淬硬零件加工的生產(chǎn)效率方面作出了立竿見影的改進(jìn) – 生產(chǎn)效率分別提高116%和322%。既無需更換設(shè)備，也不用引入新的加工方法，只需在他們各自的數(shù)控車床上執(zhí)行車削工序時(shí)改變可轉(zhuǎn)位刀片的類型即可實(shí)現(xiàn)。與之前相比，一種新型的刀片能夠使刀具的進(jìn)給率較之前提高三倍。眾所周知，進(jìn)給決定了車削時(shí)所花費(fèi)的切削時(shí)間。這樣一來，每年就能節(jié)省相當(dāng)多的生產(chǎn)時(shí)間，對(duì)成本而言也是如此。
“進(jìn)給率就是我們將要真正作出改進(jìn)的地方，正如兩個(gè)生產(chǎn)效率改進(jìn)實(shí)例所展示的一樣，”車削應(yīng)用專家Martin Saunders解釋道。“并且，好消息是，在保證更高的進(jìn)給率的同時(shí)還能夠保持不錯(cuò)的表面光潔度。例如，0.3 mm/r的進(jìn)給可生成低于Rz 1微米的表面光潔度，即便進(jìn)給為0.５ mm/r，所生成的表面光潔度也不會(huì)低于Rz 5。若置于一定背景下會(huì)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)車削零件的常見表面光潔度為Rz 6.3時(shí)，您可以看到如果使用具有刀尖和圓角半徑的標(biāo)準(zhǔn)刀片，就需要降低60 – 65%的進(jìn)給。
使生產(chǎn)效率獲得如此大幅提升的刀片為Xcel型刀片，這種切削刃技術(shù)方面的創(chuàng)新對(duì)硬零件車削產(chǎn)生了深刻的影響。”
在零件的硬化條件下（無論是通過淬硬還是表面硬化）進(jìn)行加工具有諸多好處 – 有助于以更有效的方式獲得更高的精度。 作為一種應(yīng)用愈發(fā)廣泛的加工領(lǐng)域，硬零件車削一直是最近一些刀具發(fā)展的重點(diǎn)所在。許多年前所克服的一個(gè)障礙就是獲得適用的機(jī)床，雖然某些車床在穩(wěn)定性上要優(yōu)于其他機(jī)床，但該加工領(lǐng)域裝夾要求還是比較苛刻，還好大多數(shù)現(xiàn)代數(shù)控車床的性能相當(dāng)出色。
硬零件車削….
硬零件車削在切削力方面有其自己的一套要求，并且在正常工況下，刀具上受到的壓力也比加工其它材料更為嚴(yán)峻。此外，硬工件材料具有磨蝕性，因此刀具更易磨損且會(huì)產(chǎn)生更多熱量。然而也有刀具材料非常適合于該加工領(lǐng)域，此類材料主要為立方氮化硼（CBN），在硬度方面僅次于金剛石。現(xiàn)在，一系列主要成分為CBN顆粒的高性能刀片材質(zhì)可用于硬零件車削。
Xcel刀片概念將硬零件車削的性能整整提升了一代。另一位應(yīng)用專家Sacha Kotarac在幫助許多工程公司的過程中積累了豐富經(jīng)驗(yàn)，他往往根據(jù)表面光潔度來確定刀片的具體應(yīng)用。“對(duì)于精車工序，只要表面光潔度要求可以滿足，我就會(huì)盡可能地引入Xcel刀片”，Sacha說道，“并且，對(duì)于粗加工工序，我也會(huì)盡可能地利用其進(jìn)給能力。當(dāng)正常穩(wěn)定性得到保證時(shí)，只要沿著臺(tái)肩有足夠的間隙，便可采用Xcel刀片獲得至多0.5 mm/r的進(jìn)給。我們還談?wù)摰竭M(jìn)給率兩倍于普通刀具的Wiper（修光刃）刀片。Xcel與Wiper（修光刃）刀片也應(yīng)看作相互補(bǔ)充，這樣往往可以確保穩(wěn)定的工序和可預(yù)測(cè)的加工結(jié)果。”
“針對(duì)硬零件車削，與我們合作的一家制造企業(yè)正計(jì)劃將他們的磨床替換為車床。在這種情況下，我們認(rèn)為最佳的解決方案是粗加工時(shí)采用Xcel刀片，隨后的精加工工序則采用具有WG槽形的Wiper（修光刃）刀片。對(duì)此我們?cè)谒麄兊臋C(jī)床上進(jìn)行了一次試驗(yàn)，并提供了相應(yīng)的加工結(jié)果和切削時(shí)間。
其結(jié)果是客戶認(rèn)為值得改變他們所有的零件圖紙，以便留出足夠的間隙充分利用Xcel刀片的加工能力，并且也為我們提供了完全裝配機(jī)床的機(jī)會(huì)。我們建議采用Xcel刀片進(jìn)行粗加工，當(dāng)進(jìn)給率為0.4 mm/r時(shí)可生成Ra 0.5微米的表面光潔度。 而對(duì)于具有WG槽形的刀片，進(jìn)給率為0.33 mm/r時(shí)可生成Ra 0.42微米的表面光潔度。”
穩(wěn)定性
穩(wěn)定性當(dāng)然是所有CBN材質(zhì)刀片應(yīng)用的成功要素，但Xcel刀片更強(qiáng)調(diào)這一點(diǎn)。當(dāng)涉及到Xcel時(shí)，為確保具有獲得成功的最佳條件，長(zhǎng)徑比應(yīng)保持在4:1以內(nèi)。這倒不是說超過此比例刀片就無法工作，而是在該比例以內(nèi)可提供絕對(duì)最佳的切削條件。
標(biāo)準(zhǔn)的圓頭刀片可產(chǎn)生最低的切削力，但進(jìn)給率嚴(yán)格受限于刀尖半徑與表面光潔度之間的關(guān)系。具有WH槽形的Wiper（修光刃）刀片在較高的進(jìn)給率下可獲得良好的表面光潔度，并且對(duì)穩(wěn)定性要求較低。其次，具有WG槽形的Wiper（修光刃）刀片在很高的進(jìn)給率下可獲得更為理想的表面光潔度，但需要更高的穩(wěn)定性。當(dāng)可以使用Xcel刀片時(shí)，其表現(xiàn)就獨(dú)樹一幟，在高進(jìn)給率下可獲得較高的表面光潔度，但對(duì)穩(wěn)定性的要求也越高。即使在較低的進(jìn)給率下，Xcel刀片也能夠生成極好的表面光潔度。當(dāng)關(guān)注的焦點(diǎn)是盡可能減少切削時(shí)間時(shí)，則應(yīng)注重進(jìn)給率與表面光潔度之間的關(guān)系。
當(dāng)?shù)镀褂梅浅Ｐ〉闹髌牵?0度）時(shí)，其切深會(huì)受到限制 – 但在硬零件車削時(shí)切深總是被受限。采用傳統(tǒng)圓頭刀片時(shí)，切屑厚度沿著切削刃而變化，但使用Xcel刀片時(shí)，切屑厚度薄且均勻，這樣就能提供高進(jìn)給的加工能力。Xcel概念方面的主要?jiǎng)?chuàng)新是切削刃的直線部分與專門開發(fā)的Wiper（修光刃）融為一體的方法，該方法形成了到切削刃縱向后角的過渡。
切深由直刃決定，但對(duì)車削而言通常綽綽有余，與磨削相比，車削時(shí)往往需要較大的加工余量。執(zhí)行一次走刀工序可以最合理地利用刀片的加工能力，此時(shí)通過切深能力來使用整個(gè)切削刃，并且采用表面光潔度所允許的最高進(jìn)給。 對(duì)于半精加工工序，穩(wěn)定性有時(shí)是限制因素。
刀具壽命
采用Xcel刀片概念也使刀具壽命得以提高。對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)的圓頭刀片，切削刃上的溝槽磨損非常廣泛，這大大限制了其耐用性，而在Xcel刀片上，磨損呈均勻分布。采用Xcel進(jìn)行改進(jìn)在一定程度上是由于更短的切削接觸時(shí)間會(huì)產(chǎn)生更低的溫度，并且沿著更長(zhǎng)的直刃擴(kuò)散。因此，即使大幅提升進(jìn)給率，采用Xcel刀片也能加工出更多的零件。
Xcel刀片有兩種基于立方氮化硼（CBN）的材質(zhì)。這種刀具材料具有非常高的熱硬度，能夠抵抗塑性變形，在加工淬硬材料時(shí)允許應(yīng)用較高的進(jìn)給和切削速度組合。目前所使用的材質(zhì)也具有良好的韌性和強(qiáng)度以及較高的耐熱沖擊性。此類材質(zhì)中CBN含量為40到65%，并且含陶瓷粘結(jié)劑，在高溫下具有更高的抗化學(xué)腐蝕性。由于材質(zhì)質(zhì)地堅(jiān)硬，因此具有抗磨料磨損性。此外，也提供CBN含量更高的材質(zhì)，其中添加了金屬粘結(jié)劑，韌性更高。
連續(xù)或斷續(xù)切削….
連續(xù)或斷續(xù)切削對(duì)切削刀具提出了不同的要求。為了優(yōu)化硬零件車削工序，采用最合適的材質(zhì)就很重要。對(duì)于連續(xù)精加工車削，尤其是需要最佳耐磨性的表面硬化零件加工，CB7015可提供高金屬去除率與耐用性的完美結(jié)合，這種細(xì)晶粒材質(zhì)具有專門開發(fā)的陶瓷粘結(jié)劑，這樣就能夠使磨損以可控制的方式沿著Xcel刀片的切削刃緩慢蔓延。有或無輕微間斷的連續(xù)切削非常適合于此類材質(zhì)。
當(dāng)重型斷續(xù)切削占上風(fēng)時(shí)，最佳選擇是韌性更強(qiáng)的材質(zhì)，比如CB7025。當(dāng)表面存在間斷（例如齒輪或軸槽），并且裝夾不太穩(wěn)定時(shí)，該材質(zhì)能夠生成更高的表面光潔度。這也是一種含陶瓷粘結(jié)劑的現(xiàn)代細(xì)晶粒CBN材質(zhì)，具有足以滿足此類需求的強(qiáng)度。
Xcel背景資料
理想情況下，Xcel刀片的進(jìn)給率應(yīng)在0.3到0.5mm/r的范圍之內(nèi)。采用Xcel刀片時(shí)推薦的最大切削深度為0.25 mm。采用CNGX刀片加工到臺(tái)肩時(shí)，由于刀片形狀特殊而必須作出規(guī)定：除非臺(tái)肩處有退刀槽設(shè)計(jì)，否則至少避讓2.7 mm。切削速度最高能達(dá)到300 m/min，但推薦值通常介于150到200 m/min之間，切削時(shí)首先應(yīng)確定進(jìn)給率以獲得更高的加工率，然后確定切削速度以優(yōu)化生產(chǎn)效率。
理想的零件為大直徑軸、套筒和齒輪，其中涉及到縱向車削和端面加工，并且穩(wěn)定性良好。工件材料通常為淬硬鋼或表面硬化鋼，可能包含16MnCr5（硬度高于60HRc）或17CrNiMo6。尤其是加工齒輪時(shí)存在硬-軟切削，其中外徑處的材料硬度為62 HRc，而中心處的材料硬度則會(huì)降至30 HRc。硬度低于45 HRc的工件材料不推薦使用CBN，但在應(yīng)用和材質(zhì)均合適的情況下，可以將CBN與硬質(zhì)合金一起組合使用。
切削可以為連續(xù)或斷續(xù)切削，就如齒輪輪齒或軸特性一樣，通過選擇合適的刀片材質(zhì)可以對(duì)此類切削進(jìn)行最佳優(yōu)化。表面質(zhì)量通?？蛇_(dá)到Rz 1或Ra 0.25 微米，尺寸公差保持在0.01 mm以內(nèi)。采用高進(jìn)給可獲得良好的表面光潔度：進(jìn)給率為0.3 mm/r時(shí)，光潔度為Ra 0.3微米；進(jìn)給率為0.4 mm/r時(shí)，光潔度可達(dá)Ra 0.5微米；進(jìn)給率為0.5mm/r時(shí)，光潔度可達(dá)Ra 0.8微米。
在半精加工能力方面，Xcel刀片將獲得無與倫比的加工率。
硬零件車削是淬硬零件（硬度范圍通常在55到65 HRc之內(nèi)）磨削的替代選擇，兩種加工方法可互為補(bǔ)充。現(xiàn)代CBN材質(zhì)意味著可提供更多堅(jiān)固耐用的刀具，目前的刀片技術(shù)也促成了生產(chǎn)效率和精加工能力均大幅提升的切削刃。
將最大切屑厚度作為進(jìn)給率的基礎(chǔ)時(shí)，相比標(biāo)準(zhǔn)圓角刀尖刀片，Xcel提供了更高的進(jìn)給能力。在較小的主偏角下，直刃所生成的薄切屑可提供更大的生產(chǎn)效率提升空間。銑削時(shí)也可利用此概念 – 高進(jìn)給刀具具有更高的加工能力。
Xcel刀片是一種獨(dú)特的、已獲專利的刀片概念，特別適合于高效率的硬零件車削，當(dāng)對(duì)表面光潔度和安全性要求較高，并且需要進(jìn)行具有高材料去除率的粗加工時(shí)，XCEL就非常合適。
機(jī)械鎖定的CBN刀片圓角可提供多刃口刀片所需的強(qiáng)度和安全性，既經(jīng)濟(jì)實(shí)用又優(yōu)化了可靠性。Safe-Lok多圓角技術(shù)具有安全焊接的CBN圓角，這使其能夠遠(yuǎn)離硬零件車削時(shí)所形成的熱切削區(qū)。
