硬零件车削时采用独特的可转位刀片获得高成本效益
作者：Christer Richt
现在，车削淬硬零件的切削刀具及其应用方面的最新进展正在将车削工艺提升到更高的效率水平。作为磨削工序的替换或补充工序，硬零件车削具有诸多优势 – 独特的新刀片概念令这种工序更具吸引力。
最近….
最近，两家制造商在淬硬零件加工的生产效率方面作出了立竿见影的改进 – 生产效率分别提高116%和322%。既无需更换设备，也不用引入新的加工方法，只需在他们各自的数控车床上执行车削工序时改变可转位刀片的类型即可实现。与之前相比，一种新型的刀片能够使刀具的进给率较之前提高三倍。众所周知，进给决定了车削时所花费的切削时间。这样一来，每年就能节省相当多的生产时间，对成本而言也是如此。
“进给率就是我们将要真正作出改进的地方，正如两个生产效率改进实例所展示的一样，”车削应用专家Martin Saunders解释道。“并且，好消息是，在保证更高的进给率的同时还能够保持不错的表面光洁度。例如，0.3 mm/r的进给可生成低于Rz 1微米的表面光洁度，即便进给为0.5 mm/r，所生成的表面光洁度也不会低于Rz 5。若置于一定背景下会发现，当车削零件的常见表面光洁度为Rz 6.3时，您可以看到如果使用具有刀尖和圆角半径的标准刀片，就需要降低60 – 65%的进给。
使生产效率获得如此大幅提升的刀片为Xcel型刀片，这种切削刃技术方面的创新对硬零件车削产生了深刻的影响。”
在零件的硬化条件下(无论是通过淬硬还是表面硬化)进行加工具有诸多好处 – 有助于以更有效的方式获得更高的精度。 作为一种应用愈发广泛的加工领域，硬零件车削一直是最近一些刀具发展的重点所在。许多年前所克服的一个障碍就是获得适用的机床，虽然某些车床在稳定性上要优于其他机床，但该加工领域装夹要求还是比较苛刻，还好大多数现代数控车床的性能相当出色。
硬零件车削….
硬零件车削在切削力方面有其自己的一套要求，并且在正常工况下，刀具上受到的压力也比加工其它材料更为严峻。此外，硬工件材料具有磨蚀性，因此刀具更易磨损且会产生更多热量。然而也有刀具材料非常适合于该加工领域，此类材料主要为立方氮化硼(CBN)，在硬度方面仅次于金刚石。现在，一系列主要成分为CBN颗粒的高性能刀片材质可用于硬零件车削。
Xcel刀片概念将硬零件车削的性能整整提升了一代。另一位应用专家Sacha Kotarac在帮助许多工程公司的过程中积累了丰富经验，他往往根据表面光洁度来确定刀片的具体应用。“对于精车工序，只要表面光洁度要求可以满足，我就会尽可能地引入Xcel刀片”，Sacha说道，“并且，对于粗加工工序，我也会尽可能地利用其进给能力。当正常稳定性得到保证时，只要沿着台肩有足够的间隙，便可采用Xcel刀片获得至多0.5 mm/r的进给。我们还谈论到进给率两倍于普通刀具的Wiper(修光刃)刀片。Xcel与Wiper(修光刃)刀片也应看作相互补充，这样往往可以确保稳定的工序和可预测的加工结果。”
“针对硬零件车削，与我们合作的一家制造企业正计划将他们的磨床替换为车床。在这种情况下，我们认为最佳的解决方案是粗加工时采用Xcel刀片，随后的精加工工序则采用具有WG槽形的Wiper(修光刃)刀片。对此我们在他们的机床上进行了一次试验，并提供了相应的加工结果和切削时间。
其结果是客户认为值得改变他们所有的零件图纸，以便留出足够的间隙充分利用Xcel刀片的加工能力，并且也为我们提供了完全装配机床的机会。我们建议采用Xcel刀片进行粗加工，当进给率为0.4 mm/r时可生成Ra 0.5微米的表面光洁度。 而对于具有WG槽形的刀片，进给率为0.33 mm/r时可生成Ra 0.42微米的表面光洁度。”
稳定性
稳定性当然是所有CBN材质刀片应用的成功要素，但Xcel刀片更强调这一点。当涉及到Xcel时，为确保具有获得成功的最佳条件，长径比应保持在4:1以内。这倒不是说超过此比例刀片就无法工作，而是在该比例以内可提供绝对最佳的切削条件。
标准的圆头刀片可产生最低的切削力，但进给率严格受限于刀尖半径与表面光洁度之间的关系。具有WH槽形的Wiper(修光刃)刀片在较高的进给率下可获得良好的表面光洁度，并且对稳定性要求较低。其次，具有WG槽形的Wiper(修光刃)刀片在很高的进给率下可获得更为理想的表面光洁度，但需要更高的稳定性。当可以使用Xcel刀片时，其表现就独树一帜，在高进给率下可获得较高的表面光洁度，但对稳定性的要求也越高。即使在较低的进给率下，Xcel刀片也能够生成极好的表面光洁度。当关注的焦点是尽可能减少切削时间时，则应注重进给率与表面光洁度之间的关系。
当刀片使用非常小的主偏角(10度)时，其切深会受到限制 – 但在硬零件车削时切深总是被受限。采用传统圆头刀片时，切屑厚度沿着切削刃而变化，但使用Xcel刀片时，切屑厚度薄且均匀，这样就能提供高进给的加工能力。Xcel概念方面的主要创新是切削刃的直线部分与专门开发的Wiper(修光刃)融为一体的方法，该方法形成了到切削刃纵向后角的过渡。
切深由直刃决定，但对车削而言通常绰绰有余，与磨削相比，车削时往往需要较大的加工余量。执行一次走刀工序可以最合理地利用刀片的加工能力，此时通过切深能力来使用整个切削刃，并且采用表面光洁度所允许的最高进给。 对于半精加工工序，稳定性有时是限制因素。
刀具寿命
采用Xcel刀片概念也使刀具寿命得以提高。对于标准的圆头刀片，切削刃上的沟槽磨损非常广泛，这大大限制了其耐用性，而在Xcel刀片上，磨损呈均匀分布。采用Xcel进行改进在一定程度上是由于更短的切削接触时间会产生更低的温度，并且沿着更长的直刃扩散。因此，即使大幅提升进给率，采用Xcel刀片也能加工出更多的零件。
Xcel刀片有两种基于立方氮化硼(CBN)的材质。这种刀具材料具有非常高的热硬度，能够抵抗塑性变形，在加工淬硬材料时允许应用较高的进给和切削速度组合。目前所使用的材质也具有良好的韧性和强度以及较高的耐热冲击性。此类材质中CBN含量为40到65%，并且含陶瓷粘结剂，在高温下具有更高的抗化学腐蚀性。由于材质质地坚硬，因此具有抗磨料磨损性。此外，也提供CBN含量更高的材质，其中添加了金属粘结剂，韧性更高。
连续或断续切削….
连续或断续切削对切削刀具提出了不同的要求。为了优化硬零件车削工序，采用最合适的材质就很重要。对于连续精加工车削，尤其是需要最佳耐磨性的表面硬化零件加工，CB7015可提供高金属去除率与耐用性的完美结合，这种细晶粒材质具有专门开发的陶瓷粘结剂，这样就能够使磨损以可控制的方式沿着Xcel刀片的切削刃缓慢蔓延。有或无轻微间断的连续切削非常适合于此类材质。
当重型断续切削占上风时，最佳选择是韧性更强的材质，比如CB7025。当表面存在间断(例如齿轮或轴槽)，并且装夹不太稳定时，该材质能够生成更高的表面光洁度。这也是一种含陶瓷粘结剂的现代细晶粒CBN材质，具有足以满足此类需求的强度。
Xcel背景资料
理想情况下，Xcel刀片的进给率应在0.3到0.5mm/r的范围之内。采用Xcel刀片时推荐的最大切削深度为0.25 mm。采用CNGX刀片加工到台肩时，由于刀片形状特殊而必须作出规定：除非台肩处有退刀槽设计，否则至少避让2.7 mm。切削速度最高能达到300 m/min，但推荐值通常介于150到200 m/min之间，切削时首先应确定进给率以获得更高的加工率，然后确定切削速度以优化生产效率。
理想的零件为大直径轴、套筒和齿轮，其中涉及到纵向车削和端面加工，并且稳定性良好。工件材料通常为淬硬钢或表面硬化钢，可能包含16MnCr5(硬度高于60HRc)或17CrNiMo6。尤其是加工齿轮时存在硬-软切削，其中外径处的材料硬度为62 HRc，而中心处的材料硬度则会降至30 HRc。硬度低于45 HRc的工件材料不推荐使用CBN，但在应用和材质均合适的情况下，可以将CBN与硬质合金一起组合使用。
切削可以为连续或断续切削，就如齿轮轮齿或轴特性一样，通过选择合适的刀片材质可以对此类切削进行最佳优化。表面质量通常可达到Rz 1或Ra 0.25 微米，尺寸公差保持在0.01 mm以内。采用高进给可获得良好的表面光洁度：进给率为0.3 mm/r时，光洁度为Ra 0.3微米;进给率为0.4 mm/r时，光洁度可达Ra 0.5微米;进给率为0.5mm/r时，光洁度可达Ra 0.8微米。
在半精加工能力方面，Xcel刀片将获得无与伦比的加工率。
图 1
硬零件车削是淬硬零件(硬度范围通常在55到65 HRc之内)磨削的替代选择，两种加工方法可互为补充。现代CBN材质意味着可提供更多坚固耐用的刀具，目前的刀片技术也促成了生产效率和精加工能力均大幅提升的切削刃。
图 2
将最大切屑厚度作为进给率的基础时，相比标准圆角刀尖刀片，Xcel提供了更高的进给能力。在较小的主偏角下，直刃所生成的薄切屑可提供更大的生产效率提升空间。铣削时也可利用此概念 – 高进给刀具具有更高的加工能力。
图 3
Xcel刀片是一种独特的、已获专利的刀片概念，特别适合于高效率的硬零件车削，当对表面光洁度和安全性要求较高，并且需要进行具有高材料去除率的粗加工时，XCEL就非常合适。
图 4
机械锁定的CBN刀片圆角可提供多刃口刀片所需的强度和安全性，既经济实用又优化了可靠性。Safe-Lok多圆角技术具有安全焊接的CBN圆角，这使其能够远离硬零件车削时所形成的热切削区。