PCBN刀具对淬硬钢进行开槽

使用 PCBN 刀具对淬硬钢进行开槽

在过去十年中，使用多晶立方氮化硼 (PCBN) 刀片对淬硬钢零件进行精密切槽已逐渐取代传统磨削。美国 Index 的招标工程经理 Tyler Economan 说：“一般来说，磨槽是一种更稳定的工艺，可提供比开槽更高的尺寸精度。但是，人们仍然希望能够在车床上完成工件。需要各种加工。”

已硬化的各种工件材料包括高速钢、模具钢、轴承钢和合金钢。只有黑色金属可以硬化，硬化工艺通常应用于低碳钢。通过硬化处理，可以使工件的外部硬度更高，耐磨，而内部具有更好的韧性。由硬化钢制成的零件包括心轴、车轴、连接器、驱动轮、凸轮轴、齿轮、衬套、驱动轴、轴承等。

然而，“硬材料”是一个相对的、不断变化的概念。有人认为硬度在40-55HRC的工件材料是硬质材料；也有人认为硬质材料的硬度应在 58-60 HRC 或更高。在这个类别中，可以使用 PCBN 工具。

感应淬火后，表面硬化层厚度可达1.5mm，硬度可达58-60 HRC，而表面层以下的材料通常要软得多。在这种情况下，重要的是要确保大部分切割都在表面硬化层下方进行。

具有足够功率和刚性的机床是对淬硬零件进行切槽的必要条件。根据 Economan 的说法，“机床的刚性越好，功率越大，对硬化材料进行切槽的效率就越高。对于硬度超过50HRC的工件材料，很多轻型机床不满足要求的切削条件。如果超出机器容量（功率、扭矩，尤其是刚度），则无法成功完成加工。”

刚性对于工件夹持装置来说非常重要，因为在切槽过程中，切削刃与工件的接触面很大，刀具对工件的压力也很大。夹持淬硬钢工件时，可用宽夹具分散夹持面。住友电工硬质合金公司营销经理 Paul Ratzki 说：“要加工的零件必须得到牢固的支撑。加工硬化材料时，产生的振动和刀具压力比加工普通工件时要大得多，可能会导致工件夹紧。不能飞出机器，否则会导致CBN刀片碎裂甚至断裂。”

固定切槽刀片的刀柄应尽可能短，以尽量减少悬伸并提高刀具刚度。 Isca 的 GRIP 产品经理 Matthew Schmitz 指出，总体而言，整体式刀具更适合对硬化材料进行开槽。但是，该公司还提供模块化开槽系统。 “模块化刀柄可用于刀具容易突然失效的加工情况，”他说。 “您不必更换整个刀柄，只需要更换一个较便宜的组件即可。模块化刀柄还提供多种加工选项。 Iskar 的 Grip 模块化系统可以安装在各种不同的产品中。您可以为 7 条产品线使用具有 7 种不同刀片的刀架，也可以为不同的加工使用任意数量的刀片，以使用具有槽宽的同一产品线。”

住友电工的用于夹持 CGA 型刀片的刀柄使用顶部夹紧方法，将刀片拉回刀柄中。该支架还具有侧面紧固螺钉，有助于提高握持稳定性并延长工具寿命。里奇·马顿，助理公司设计部经理介绍说：“这款刀柄是为淬硬工件切槽而设计的。如果刀片在刀柄中移动，刀片会随着时间的推移而磨损，刀具寿命会发生变化。针对汽车的高生产率加工要求。工业（例如每个切削刃加工 50-100 或 150 个工件），刀具寿命的可预测性尤为重要，刀具寿命的变化会对生产产生重大影响。”

据介绍，三菱综合材料的GY系列Tri-Lock模块化切槽系统在刚性上可与整体刀片卡盘相媲美。该系统从三个方向（周边、前部和顶部）可靠地夹持开槽刀片。它的两种结构设计防止刀片在切槽过程中移位：V形突起防止刀片向侧面移动；安全键消除了槽加工过程中切削力引起的刀片向前移动。

常用的用于淬硬钢零件的开槽刀片包括简单的方形刀片、成型刀片、开槽刀片等。一般要求切槽具有良好的表面光洁度，因为它们有配合部分，有些是O形圈或止动环槽。据三菱材料产品专家 Mark Menconi 介绍，“这些工艺可分为内径槽加工和外径槽加工，但大多数开槽操作都需要精细切削，包括从大约 0.25 毫米切削深度的轻触精度。切削到深度约为 0.5 毫米的完整切割。”

淬硬钢的切槽需要使用硬度更高、耐磨性更好、几何形状合适的刀具。关键是要弄清楚是否应该使用硬质合金刀片、陶瓷刀片或 PCBN 刀片。 Schmitz 说：“在加工硬度低于 50 HRC 的工件时，我几乎总是选择硬质合金刀片。对于硬度为 50-58 HRC 的工件，陶瓷刀片是非常经济的选择。只有当工件 CBN 刀片的硬度达到 58 HRC 时才应考虑。 CBN 刀片特别适合加工这种高硬度材料，因为加工机构不是切削材料，而是刀具/工件界面。熔化材料。

对于硬度超过 58 HRC 的淬硬钢零件的切槽，切屑控制不是问题。由于通常使用干式切槽，因此切屑更像是灰尘或非常小的颗粒，可以用手吹除。住友电工的 Maton 说，“通常这种切屑碰到任何东西都会碎裂解体，所以切屑与工件的接触不会损坏工件。如果你抓住切屑，它们就会在你的手中粉碎。”

CBN刀片适合干切削的原因之一是虽然它们的耐热性非常好，但在温度波动的情况下加工性能大大降低。 Economan 说：“事实上，当 CBN 刀片与工件材料接触时，会在刀尖产生切削热，但由于 CBN 刀片对温度变化的适应能力较差，因此很难充分冷却以保持恒定温度。状态。 CBN 很硬，但也很脆，可能会因温度变化而破裂。”

用硬质合金、陶瓷或PCBN刀片切削低硬度（如45-50 HRC）钢件时，产生的切屑应尽可能短。这有效地去除了切削过程中刀具材料中的切削热，因为切屑可以带走大量的热量。

Iskar 的 Schmitz 还建议在“倒置”状态下加工该工具。他解释说：“在机床上安装刀具时，机床制造商首选的刀具是通过将刀片面朝上切割来安装的，因为这样可以使工件的旋转对机器导轨施加向下的压力，以保持机器稳定。然而，当刀片切入工件材料时，所形成的切屑可能会残留在刀片和工件上。如果将刀架翻转，将刀具倒装，将看不见刀片，切屑流会在重力作用下自动从切削区域逸出。”

表面硬化是提高低碳钢硬度的一种简便方法。其原理是在材料表面下一定深度增加碳含量。当切槽深度超过表面硬化层的厚度时，由于切槽刀片从较硬的材料变为较软的材料，可能会出现一些问题。为此，刀具制造商针对不同类型的工件材料开发了几种刀片牌号。

Horn（美国）销售经理 Duane Drape 说：“当从较硬的材料更换为较软的材料时，用户并不总是想更换刀片，因此我们必须为此类加工找到最佳刀具.如果使用硬质合金刀片，在切削坚硬表面时会遇到过度磨损的问题。如果使用适合切削高硬材料的CBN刀片切削较软的零件，则容易损坏刀片。刀片。我们可以使用折衷方案：高硬度硬质合金刀片 + 超级润滑涂层，或相对较软的 CBN 刀片牌号 + 适合切削普通材料（而不是硬加工）的切削刀片。”

Drape 说：“您可以使用 CBN 刀片有效切割硬度为 45-50 HRC 的工件材料，但必须调整刀片几何形状。典型的 CBN 刀片在切削刃上有一个负倒角。这种负倒角 CBN 刀片更易于加工。工件材料使用时，材料会产生拔出效应，缩短刀具寿命。如果使用硬度较低的 CBN 材质，改变切削刃的几何形状，可以成功切削硬度为 45-50 HRC 的工件材料。”

本公司研发的S117 HORN切槽刀片采用PCBN刀尖，齿宽精密切削时切深约为0.15-0.2mm。为了获得良好的表面光洁度，刀片在两侧的每个切削刃上都有一个刮削平面。

另一种选择是更改切割参数。根据 Index 的 Economan 的说法，“切割硬化层后，可以使用更大的切割参数。如果硬化深度只有0.13mm或0.25mm，切过这个深度后，要么更换不同的刀片，要么仍然使用相同的刀片，但将切削参数提高到适当的水平。”

为了覆盖更广泛的加工范围，PCBN刀片等级不断增加。硬度较高的牌号可实现更快的切削速度，而韧性较好的牌号可用于更不稳定的加工环境。对于连续或断续切削，也可以使用不同的 PCBN 刀片牌号。住友电工的 Maton 指出，由于 PCBN 刀具的脆性，在加工淬硬钢时，锋利的切削刃容易出现崩刃。 “一定要保护好切削刃，尤其是断续切削，比连续切削要多准备切削刃，切削角度要大一些。”

Iskar 新开发的 IB10H 和 IB20H 牌号进一步扩展了其 Groove Turn PCBN 产品线。 IB10H是一种细晶粒PCBN牌号，用于淬硬钢的中高速连续切削；而 IB20H 由细粒度和中等粒度的 PCBN 晶粒组成，具有良好的耐磨性和抗冲击性。天平可以承受更严酷的淬硬钢断续切削条件。 PCBN刀具的正常失效模式应该是切削刃磨损而不是突然开裂或开裂。

住友电工推出的BNC30G涂层PCBN牌号用于淬硬钢工件的断续切槽。对于连续切槽，该公司推荐其 BN250 通用刀片等级。 Maton 说：“连续切割时，刀片切割时间长，会产生大量切割热。因此，必须使用耐磨性好的刀片。在断续切槽的情况下，刀片连续进出切削。对笔尖的影响很大。因此，必须使用韧性好、能承受间歇性冲击的刀片。此外，刀片涂层还有助于延长刀具寿命。”

无论加工哪种类型的槽，以前依靠磨削来完成硬化钢零件的车间都可以转换为使用 PCBN 工具进行槽加工，以提高生产率。硬切槽可以达到与磨削相当的尺寸精度，同时显着减少加工时间。