硬零件車削時采用獨特的可轉(zhuǎn)位刀片獲得高成本效益

　　作者：Christer Richt

　　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充工序，硬零件車削具有諸多優(yōu)勢 – 獨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 – 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)行車削工序時改變可轉(zhuǎn)位刀片的類型即可實現(xiàn)。與之前相比，一種新型的刀片能夠使刀具的進給率較之前提高三倍。眾所周知，進給決定了車削時所花費的切削時間。這樣一來，每年就能節(jié)省相當(dāng)多的生產(chǎn)時間，對成本而言也是如此。

　　“進給率就是我們將要真正作出改進的地方，正如兩個生產(chǎn)效率改進實例所展示的一樣，”車削應(yīng)用專家Martin Saunders解釋道。“并且，好消息是，在保證更高的進給率的同時還能夠保持不錯的表面光潔度。例如，0.3 mm/r的進給可生成低于Rz 1微米的表面光潔度，即便進給為0.5 mm/r，所生成的表面光潔度也不會低于Rz 5。若置于一定背景下會發(fā)現(xiàn)，當(dāng)車削零件的常見表面光潔度為Rz 6.3時，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)展的重點所在。許多年前所克服的一個障礙就是獲得適用的機床，雖然某些車床在穩(wěn)定性上要優(yōu)于其他機床，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峻。此外，硬工件材料具有磨蝕性，因此刀具更易磨損且會產(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，他往往根據(jù)表面光潔度來確定刀片的具體應(yīng)用。“對于精車工序，只要表面光潔度要求可以滿足，我就會盡可能地引入Xcel刀片”，Sacha說道，“并且，對于粗加工工序，我也會盡可能地利用其進給能力。當(dāng)正常穩(wěn)定性得到保證時，只要沿著臺肩有足夠的間隙，便可采用Xcel刀片獲得至多0.5 mm/r的進給。我們還談?wù)摰竭M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)看作相互補充，這樣往往可以確保穩(wěn)定的工序和可預(yù)測的加工結(jié)果。”

　　“針對硬零件車削，與我們合作的一家制造企業(yè)正計劃將他們的磨床替換為車床。在這種情況下，我們認為最佳的解決方案是粗加工時采用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。對此我們在他們的機床上進行了一次試驗，并提供了相應(yīng)的加工結(jié)果和切削時間。

　　其結(jié)果是客戶認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床的機會。我們建議采用Xcel刀片進行粗加工，當(dāng)進給率為0.4 mm/r時可生成Ra 0.5微米的表面光潔度。 而對于具有WG槽形的刀片，進給率為0.33 mm/r時可生成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刀片更強調(diào)這一點。當(dāng)涉及到Xcel時，為確保具有獲得成功的最佳條件，長徑比應(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，但進給率嚴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)刀片在較高的進給率下可獲得良好的表面光潔度，并且對穩(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，其表現(xiàn)就獨樹一幟，在高進給率下可獲得較高的表面光潔度，但對穩(wěn)定性的要求也越高。即使在較低的進給率下，Xcel刀片也能夠生成極好的表面光潔度。當(dāng)關(guān)注的焦點是盡可能減少切削時間時，則應(yīng)注重進給率與表面光潔度之間的關(guān)系。

　　當(dāng)?shù)镀褂梅浅Ｐ〉闹髌?10度)時，其切深會受到限制 – 但在硬零件車削時切深總是被受限。采用傳統(tǒng)圓頭刀片時，切屑厚度沿著切削刃而變化，但使用Xcel刀片時，切屑厚度薄且均勻，這樣就能提供高進給的加工能力。Xcel概念方面的主要創(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，但對車削而言通常綽綽有余，與磨削相比，車削時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，此時通過切深能力來使用整個切削刃，并且采用表面光潔度所允許的最高進給。 對于半精加工工序，穩(wěn)定性有時是限制因素。

　　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進行改進在一定程度上是由于更短的切削接觸時間會產(chǎn)生更低的溫度，并且沿著更長的直刃擴散。因此，即使大幅提升進給率，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，在加工淬硬材料時允許應(yīng)用較高的進給和切削速度組合。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，最佳選擇是韌性更強的材質(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，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)代細晶粒CBN材質(zhì)，具有足以滿足此類需求的強度。

　　Xcel背景資料

　　理想情況下，Xcel刀片的進給率應(yīng)在0.3到0.5mm/r的范圍之內(nèi)。采用Xcel刀片時推薦的最大切削深度為0.25 mm。采用CNGX刀片加工到臺肩時，由于刀片形狀特殊而必須作出規(guī)定：除非臺肩處有退刀槽設(shè)計，否則至少避讓2.7 mm。切削速度最高能達到300 m/min，但推薦值通常介于150到200 m/min之間，切削時首先應(yīng)確定進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)可以對此類切削進行最佳優(yōu)化。表面質(zhì)量通常可達到Rz 1或Ra 0.25 微米，尺寸公差保持在0.01 mm以內(nèi)。采用高進給可獲得良好的表面光潔度：進給率為0.3 mm/r時，光潔度為Ra 0.3微米;進給率為0.4 mm/r時，光潔度可達Ra 0.5微米;進給率為0.5mm/r時，光潔度可達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。

　　
        圖 1
        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充。現(xiàn)代CBN材質(zhì)意味著可提供更多堅固耐用的刀具，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。

       　　
        圖 2
        將最大切屑厚度作為進給率的基礎(chǔ)時，相比標(biāo)準(zhǔn)圓角刀尖刀片，Xcel提供了更高的進給能力。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。銑削時也可利用此概念 – 高進給刀具具有更高的加工能力。

　
    　圖 3
        Xcel刀片是一種獨特的、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)對表面光潔度和安全性要求較高，并且需要進行具有高材料去除率的粗加工時，XCEL就非常合適。

　
    　圖 4
       機械鎖定的CBN刀片圓角可提供多刃口刀片所需的強度和安全性，既經(jīng)濟實用又優(yōu)化了可靠性。Safe-Lok多圓角技術(shù)具有安全焊接的CBN圓角，這使其能夠遠離硬零件車削時所形成的熱切削區(qū)。