PCBN刀具對淬硬鋼進行開槽

使用 PCBN 刀具對淬硬鋼進行開槽

在過去十年中，使用多晶立方氮化硼 (PCBN) 刀片對淬硬鋼零件進行精密切槽已逐漸取代傳統磨削。美國 Index 的招標工程經理 Tyler Economan 說：“一般來說，磨槽是一種更穩定的工藝，可提供比開槽更高的尺寸精度。但是，人們仍然希望能夠在車床上完成工件。需要各種加工。”

已硬化的各種工件材料包括高速鋼、模具鋼、軸承鋼和合金鋼。只有黑色金屬可以硬化，硬化工藝通常應用於低碳鋼。通過硬化處理，可以使工件的外部硬度更高，耐磨，而內部具有更好的韌性。由硬化鋼製成的零件包括心軸、車軸、連接器、驅動輪、凸輪軸、齒輪、襯套、驅動軸、軸承等。

然而，“硬材料”是一個相對的、不斷變化的概念。有人認為硬度在40-55HRC的工件材料是硬質材料；也有人認為硬質材料的硬度應在 58-60 HRC 或更高。在這個類別中，可以使用 PCBN 工具。

感應淬火後，表面硬化層厚度可達1.5mm，硬度可達58-60 HRC，而表面層以下的材料通常要軟得多。在這種情況下，重要的是要確保大部分切割都在表面硬化層下方進行。

具有足夠功率和剛性的機床是對淬硬零件進行切槽的必要條件。根據 Economan 的說法，“機床的剛性越好，功率越大，對硬化材料進行切槽的效率就越高。對於硬度超過50HRC的工件材料，很多輕型機床不滿足要求的切削條件。如果超出機器容量（功率、扭矩，尤其是剛度），則無法成功完成加工。”

剛性對於工件夾持裝置來說非常重要，因為在切槽過程中，切削刃與工件的接觸面很大，刀具對工件的壓力也很大。夾持淬硬鋼工件時，可用寬夾具分散夾持面。住友電工硬質合金公司營銷經理 Paul Ratzki 說：“要加工的零件必須得到牢固的支撐。加工硬化材料時，產生的振動和刀具壓力比加工普通工件時要大得多，可能會導致工件夾緊。不能飛出機器，否則會導致CBN刀片碎裂甚至斷裂。”

固定切槽刀片的刀柄應盡可能短，以盡量減少懸伸並提高刀具剛度。 Isca 的 GRIP 產品經理 Matthew Schmitz 指出，總體而言，整體式刀具更適合對硬化材料進行開槽。但是，該公司還提供模塊化開槽系統。 “模塊化刀柄可用於刀具容易突然失效的加工情況，”他說。 “您不必更換整個刀柄，只需要更換一個較便宜的組件即可。模塊化刀柄還提供多種加工選項。 Iskar 的 Grip 模塊化系統可以安裝在各種不同的產品中。您可以為 7 條產品線使用具有 7 種不同刀片的刀架，也可以為不同的加工使用任意數量的刀片，以使用具有槽寬的同一產品線。”

住友電工的用於夾持 CGA 型刀片的刀柄使用頂部夾緊方法，將刀片拉回刀柄中。該支架還具有側面緊固螺釘，有助於提高握持穩定性並延長工具壽命。里奇·馬頓，助理公司設計部經理介紹說：“這款刀柄是為淬硬工件切槽而設計的。如果刀片在刀柄中移動，刀片會隨著時間的推移而磨損，刀具壽命會發生變化。針對汽車的高生產率加工要求。工業（例如每個切削刃加工 50-100 或 150 個工件），刀具壽命的可預測性尤為重要，刀具壽命的變化會對生產產生重大影響。”

據介紹，三菱綜合材料的GY系列Tri-Lock模塊化切槽系統在剛性上可與整體刀片卡盤相媲美。該系統從三個方向（周邊、前部和頂部）可靠地夾持開槽刀片。它的兩種結構設計防止刀片在切槽過程中移位：V形突起防止刀片向側面移動；安全鍵消除了槽加工過程中切削力引起的刀片向前移動。

常用的用於淬硬鋼零件的開槽刀片包括簡單的方形刀片、成型刀片、開槽刀片等。一般要求切槽具有良好的表面光潔度，因為它們有配合部分，有些是O形圈或止動環槽。據三菱材料產品專家 Mark Menconi 介紹，“這些工藝可分為內徑槽加工和外徑槽加工，但大多數開槽操作都需要精細切削，包括從大約 0.25 毫米切削深度的輕觸精度。切削到深度約為 0.5 毫米的完整切割。”

淬硬鋼的切槽需要使用硬度更高、耐磨性更好、幾何形狀合適的刀具。關鍵是要弄清楚是否應該使用硬質合金刀片、陶瓷刀片或 PCBN 刀片。 Schmitz 說：“在加工硬度低於 50 HRC 的工件時，我幾乎總是選擇硬質合金刀片。對於硬度為 50-58 HRC 的工件，陶瓷刀片是非常經濟的選擇。只有當工件 CBN 刀片的硬度達到 58 HRC 時才應考慮。 CBN 刀片特別適合加工這種高硬度材料，因為加工機構不是切削材料，而是刀具/工件界面。熔化材料。

對於硬度超過 58 HRC 的淬硬鋼零件的切槽，切屑控制不是問題。由於通常使用乾式切槽，因此切屑更像是灰塵或非常小的顆粒，可以用手吹除。住友電工的 Maton 說，“通常這種切屑碰到任何東西都會碎裂解體，所以切屑與工件的接觸不會損壞工件。如果你抓住切屑，它們就會在你的手中粉碎。”

CBN刀片適合幹切削的原因之一是雖然它們的耐熱性非常好，但在溫度波動的情況下加工性能大大降低。 Economan 說：“事實上，當 CBN 刀片與工件材料接觸時，會在刀尖產生切削熱，但由於 CBN 刀片對溫度變化的適應能力較差，因此很難充分冷卻以保持恆定溫度。狀態。 CBN 很硬，但也很脆，可能會因溫度變化而破裂。”

用硬質合金、陶瓷或PCBN刀片切削低硬度（如45-50 HRC）鋼件時，產生的切屑應盡可能短。這有效地去除了切削過程中刀具材料中的切削熱，因為切屑可以帶走大量的熱量。

Iskar 的 Schmitz 還建議在“倒置”狀態下加工該工具。他解釋說：“在機床上安裝刀具時，機床製造商首選的刀具是通過將刀片面朝上切割來安裝的，因為這樣可以使工件的旋轉對機器導軌施加向下的壓力，以保持機器穩定。然而，當刀片切入工件材料時，所形成的切屑可能會殘留在刀片和工件上。如果將刀架翻轉，將刀具倒裝，將看不見刀片，切屑流會在重力作用下自動從切削區域逸出。”

表面硬化是提高低碳鋼硬度的一種簡便方法。其原理是在材料表面下一定深度增加碳含量。當切槽深度超過表面硬化層的厚度時，由於切槽刀片從較硬的材料變為較軟的材料，可能會出現一些問題。為此，刀具製造商針對不同類型的工件材料開發了幾種刀片牌號。

Horn（美國）銷售經理 Duane Drape 說：“當從較硬的材料更換為較軟的材料時，用戶並不總是想更換刀片，因此我們必須為此類加工找到最佳刀具. 如果使用硬質合金刀片，在切削硬質表面時會遇到刀片磨損過大的問題。如果使用適合切削高硬材料的CBN刀片切削較軟的零件，則容易損壞刀片。刀片。我們可以使用折衷方案：高硬度硬質合金刀片 + 超級潤滑塗層，或相對較軟的 CBN 刀片牌號 + 適合切削普通材料（而不是硬加工）的切削刀片。”

Drape 說：“您可以使用 CBN 刀片有效切割硬度為 45-50 HRC 的工件材料，但必須調整刀片幾何形狀。典型的 CBN 刀片在切削刃上有一個負倒角。這種負倒角 CBN 刀片更易於加工。工件材料使用時，材料會產生拔出效應，縮短刀具壽命。如果使用硬度較低的 CBN 材質，改變切削刃的幾何形狀，可以成功切削硬度為 45-50 HRC 的工件材料。”

本公司研發的S117 HORN切槽刀片採用PCBN刀尖，齒寬精密切削時切深約為0.15-0.2mm。為了獲得良好的表面光潔度，刀片在兩側的每個切削刃上都有一個刮削平面。

另一種選擇是更改切割參數。根據 Index 的 Economan 的說法，“切割硬化層後，可以使用更大的切割參數。如果硬化深度只有0.13mm或0.25mm，切過這個深度後，要么更換不同的刀片，要么仍然使用相同的刀片，但將切削參數提高到適當的水平。”

為了覆蓋更廣泛的加工範圍，PCBN刀片等級不斷增加。硬度較高的牌號可實現更快的切削速度，而韌性較好的牌號可用於更不穩定的加工環境。對於連續或斷續切削，也可以使用不同的 PCBN 刀片牌號。住友電工的 Maton 指出，由於 PCBN 刀具的脆性，在加工淬硬鋼時，鋒利的切削刃容易出現崩刃。 “一定要保護好切削刃，尤其是斷續切削，比連續切削要多準備切削刃，切削角度要大一些。”

Iskar 新開發的 IB10H 和 IB20H 牌號進一步擴展了其 Groove Turn PCBN 產品線。 IB10H是一種細晶粒PCBN牌號，用於淬硬鋼的中高速連續切削；而 IB20H 由細粒度和中等粒度的 PCBN 晶粒組成，具有良好的耐磨性和抗衝擊性。天平可以承受更嚴酷的淬硬鋼斷續切削條件。 PCBN刀具的正常失效模式應該是切削刃磨損而不是突然開裂或開裂。

住友電工推出的BNC30G塗層PCBN牌號用於淬硬鋼工件的斷續切槽。對於連續切槽，該公司推薦其 BN250 通用刀片等級。 Maton 說：“連續切割時，刀片切割時間長，會產生大量切割熱。因此，必須使用耐磨性好的刀片。在斷續切槽的情況下，刀片連續進出切削。對筆尖的影響很大。因此，必須使用韌性好、能承受間歇性衝擊的刀片。此外，刀片塗層還有助於延長刀具壽命。”

無論加工哪種類型的槽，以前依靠磨削來完成硬化鋼零件的車間都可以轉換為使用 PCBN 工具進行槽加工，以提高生產率。硬切槽可以達到與磨削相當的尺寸精度，同時顯著減少加工時間。