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機床怎樣選擇適合的硬質合金刀具?

機床怎樣選擇適合的硬質合金刀具?

在過去十年中,用聚晶立方氮化硼(PCBN)刀片對淬硬鋼零件進行精密切槽加工已逐漸取代了傳統的磨槽加工。美國Index公司的投標工程經理Tyler Economan說,“一般而言,磨槽是一種更穩定的加工方法,能夠提供比切槽加工更高的尺寸精度。然而,人們還是希望能在車床上完成工件所需的各種加工。”
        
但是,“硬材料”是一個相對的、變化的概念。有的人認為,硬度為40-55 HRC的工件材料屬于硬材料;而另一些人則認為,硬材料的硬度應為58-60 HRC或更高,在此范疇,PCBN刀具可以大顯身手。
    
經過感應淬硬處理的零件,其表面淬硬層的厚度可達1.5mm,硬度可達58-60 HRC,而表層以下的材料通常要軟得多。在這種情況下,重要的是應確保大部分切削都在表面淬硬層以下進行。
        
夾持切槽刀片的刀柄應盡可能短,以****限度地縮短懸伸長度、增加刀具剛性。伊斯卡公司GRIP產品經理Matthew Schmitz指出,通常,整體式刀具更適合淬硬材料的切槽加工。不過,該公司也提供模塊化的切槽加工系統。他說,“模塊化刀柄可用于刀具容易突然失效的加工場合,此時你不必更換整個刀柄,而只需更換一個不太昂貴的組件。模塊化刀柄還可以提供多種加工選擇。伊斯卡的Grip模塊化系統能安裝各種不同的產品。你可以使用一把刀柄配備7種不同的刀片,用于加工7種產品線,或者配備任意數量的刀片,用于加工具有不同槽寬的同一種產品線。”

住友電工用于夾持CGA型刀片的刀柄采用能將刀片拉回刀座的頂部夾緊方式,這種刀柄還采用一個側面緊固螺釘來幫助提高夾持穩定性和延長刀具壽命。該公司設計部門助理經理Rich Maton說,“這種刀柄專門用于淬硬工件的切槽加工。如果刀片在刀座中移動,隨著時間的推移,刀片就會磨損,刀具壽命就會發生變化。對于汽車工業的高生產率加工要求(如每個切削刃加工50-100或150件工件)來說,刀具壽命的可預測性特別重要,刀具壽命的變化會對生產造成很大影響。”
    
加工淬硬鋼零件常用的切槽刀片包括簡單的方形刀片、成形刀片、插槽刀片等。通常,切出的溝槽要求具有良好的表面光潔度,因為它們有的是配合部分,有的是O形環或止動環槽。三菱材料公司產品專家Mark Menconi說,“這些加工可分為內徑溝槽加工和外徑溝槽加工,但大部分切槽加工都要求進行精切,包括從切深約0.25mm的輕觸式精切到切深約0.5mm的全精切。”
      
CBN刀片適合干切削的原因之一是,雖然其耐熱性很好,但在溫度波動的情況下加工性能會大打折扣。Economan說,“實際上,當CBN刀片與工件材料接觸時,是在刀尖上產生切削熱,但由于CBN刀片對溫度變化的適應性較差,因此很難充分冷卻到可以保持較恒定溫度的狀態。CBN硬度很高,但脆性也非常大,可能會由于溫度的變化而破裂。”
    
當用硬質合金、陶瓷或PCBN刀片切削硬度較低(如45-50 HRC)的鋼件時,應使產生的切屑盡可能短小。這樣能在切削過程中有效去除刀具材料中的切削熱,因為切屑可以帶走大量熱量。
    
伊斯卡的Schmitz還建議,****使刀具在“倒置”狀態下進行加工。他解釋說,“在機床上安裝刀具時,機床制造商****的刀具安裝方式是使刀片面朝上進行切削,因為這樣可使工件的旋轉對機床導軌施加向下的壓力,以保持機床穩定。但是,當刀片切入工件材料時,形成的切屑可能會殘留在刀片和工件上。如果翻轉刀架,倒置安裝刀具,就看不見刀片了,而切屑流會在重力作用下自動脫離切削區。”
       
Horn(美國)公司銷售經理Duane Drape表示,“在從加工較硬的材料變為較軟的材料時,用戶并不總是希望更換刀片,因此我們必須找到一種適合這種加工的****刀具。如果使用硬質合金刀片,就會遇到刀片切削較硬的表層時磨損過快的問題。如果用適合切削高硬材料的CBN刀片來切削較軟的部位,也很容易損壞刀片。因此,我們可以采用某種折衷方案:高硬度的硬質合金刀片+超強潤滑涂層,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)的切削刃制備。”
    
Drape說,“你可以用CBN刀片有效切削硬度45-50 HRC的工件材料,但必須調整刀片幾何形狀。典型CBN刀片的切削刃上有負倒棱。用這種負倒棱CBN刀片加工較軟的工件材料時,會對材料產生拉出效應,而刀具壽命也會縮短。如果使用硬度較低的CBN牌號并改變切削刃幾何形狀,就能成功地切削硬度45-50 HRC的工件材料。”
    
該公司開發的S117 HORN切槽刀片采用PCBN刀尖,在精切齒輪槽寬時,切深量約為0.15-0.2mm。為了獲得良好的表面光潔度,該刀片在兩側切削刃上各有一個刮削平面。
        
為了涵蓋更廣泛的加工范圍,PCBN刀片牌號在不斷增多。硬度更高的牌號允許提高切削速度,而韌性更好的牌號可以用于更不穩定的加工環境。對于連續或斷續切削,也可以采用不同的PCBN刀片牌號。住友電工的Maton指出,由于PCBN刀具脆性大,在加工淬硬鋼時,鋒利的切削刃容易崩刃。 “我們必須保護切削刃,尤其在斷續切削時,對切削刃的制備應比連續切削時更大,采用的切削角度也應該更大。”
    
伊斯卡公司新開發的IB10H和IB20H牌號進一步擴充了其Groove Turn PCBN產品線。IB10H是一種用于中速到高速連續切削淬硬鋼的細晶粒PCBN牌號;而IB20H則由細晶粒和中等粒度PCBN晶粒構成,在耐磨性與抗沖擊性之間提供了良好的平衡,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是切削刃逐漸磨損-而不是突然出現裂紋或破裂。
        
無論加工何種類型的溝槽,以前主要依靠磨削方式對淬硬鋼零件進行精加工的車間,都可以通過轉換為用PCBN刀具進行切槽加工來提高生產率。硬切槽加工可以達到與磨削不相上下的尺寸精度,同時大幅縮短加工時間。

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