【編者按】零部件制造商在精加工淬硬工件時往往面臨兩難選擇湘发。人們通常認(rèn)為沮明，硬車削比磨削更靈活矾麻、更環(huán)保和更高效。然而拘鞋，美國羅格斯大學(xué)工業(yè)與系統(tǒng)工程系副教授Tu?rul ?zel認(rèn)為窜旺，由于硬車削存在一些與刀具幾何形狀有關(guān)的問題，從而使磨削比硬車削更可靠驶闰，并能獲得更好的表面光潔度杏紫。

　　用戶通常采用聚晶立方氮化硼（PCBN）刀片來進(jìn)行硬車削，因為這種刀具材料的硬度高于硬質(zhì)合金阔垢。此外申蔗，PCBN刀具在切削鐵族材料時侯砸，不會像聚晶金剛石（PCD）刀具那樣，與工件材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)些玖，并導(dǎo)致刀具提前失效俗衍。

　　PCBN刀具能夠承受硬車削時產(chǎn)生的高溫，但當(dāng)切削溫度超過大約1,200℃后步垢，PCBN的金屬結(jié)合劑材料就會軟化簸隅，進(jìn)而導(dǎo)致刀具失效。

　    ?zel指出易解，發(fā)生在刀具副切削刃后刀面上的后刀面磨損撰钥，是伴隨著月牙洼磨損而出現(xiàn)的，而月牙洼磨損主要形成于靠近主切削刃的前刀面上腥椒，崩刃可能會導(dǎo)致災(zāi)難性的刀具失效阿宅。用PCBN刀具進(jìn)行硬車削加工時，為了提高生產(chǎn)率和可靠性笼蛛，獲得更好的表面光潔度洒放，以及保護(hù)刀具切削刃（尤其是刀尖附近的刃口），就需要對切削刃進(jìn)行優(yōu)化制備滨砍。

　    切削刃制備方式的選擇

　   刀具切削刃制備設(shè)備供應(yīng)商Conicity技術(shù)公司副總裁Bill Shaffer介紹說往湿，刀具制造商試圖采用一種適用于所有切削刃、具有統(tǒng)一尺寸和形狀的切削刃制備方法——通常是T型倒棱或刃口鈍化惨好。他補充說煌茴，T型倒棱是最常見的切削刃制備方式随闺，盡管它能有效減少崩刃的發(fā)生日川，但其相對于工件形成了一個很大的“負(fù)表面”，使切削圓角看起來更像是“犁頭”而不是切削刃矩乐。Shaffer解釋說龄句，“用這種負(fù)倒棱切削刃加工時，從工件上切離的切屑脫落時恋猜，會直接對T型棱帶表面造成沖擊畦洞。T型棱帶是負(fù)倒棱刀具會因為切削刃出現(xiàn)月牙洼而失效的原因之一》∪拢”

　    Shaffer指出铡捉，月牙洼會引起兩種類型的刀具失效。如果一個月牙洼足夠深泵位，切屑就可能對刀具形成沖擊劲徙，并造成刀具在與切削力一致的方向——垂直于刀具的后刀面——直接斷裂；或者辙肿，如果一個月牙洼造成了切屑的滯留堵塞秘挥，切削力就會變成水平方向昂待，并通過劈裂刀具的前刀面，造成PCBN刀尖斷裂功缤。

　    Conicity技術(shù)公司的切削試驗表明呜唁，制備標(biāo)準(zhǔn)T型棱帶刃口的PCBN刀片會產(chǎn)生不穩(wěn)定的切屑；制備瀑布型刃口的PCBN刀片則可形成穩(wěn)定的切屑斜劳。Shaffer解釋說导盅，與T型棱帶引起的刀具磨損（開始時發(fā)生在刃口處，然后向刀具中心部位移動）不同揍瑟，采用可變參數(shù)的切削刃制備方法形成的瀑布型或橢圓形圓角廓形造成的刀具磨損认轨，是開始時遠(yuǎn)離刃口，然后向刃口方向移動月培∴易郑“這就延緩了切削刃的磨損變形，并能實現(xiàn)更高水平的切屑控制杉畜〖脱眩”他補充說，切屑圍繞帶有瀑布型鈍化圓角的刀片端部形成此叠，并順利離開切削區(qū)纯续。

　    相比之下，采用T型負(fù)倒棱時灭袁，切屑被擠壓在刀具與工件之間猬错，并垂直向上離開切削區(qū)。Shaffer說茸歧，“采用這種刃口幾何廓形時倦炒，切屑沒有真正有效的排出路徑【Щ幔”

　    標(biāo)準(zhǔn)型的刃口鈍化圓角會保持分解到刀具切向上的切向切削力毁兼，與之相比，橢圓形的幾何廓形則會引導(dǎo)切削力離開刀具切向禀瓜，并更深入作用于刀具內(nèi)部坝跃，從而減小刀具所受的壓力。在切削試驗和硬車削加工中丹仅，瀑布型刃口廓形可使刀具壓力減小40%鹅昭。

　    性能優(yōu)異的切削刃

　    Shaffer補充說，采用瀑布型鈍化刃口的可變參數(shù)制備方法贺壮，是基于刀具用于實際切削的方式來制備其切削刃束湃。制備時，主切削刃的特定尺寸是基于進(jìn)給率確定的仲它。當(dāng)切削刃圍繞刀尖圓角半徑過渡時宙娃，切削刃的鈍化尺寸逐漸減小拄弯，直至在刀尖圓角半徑和相鄰切削刃的切向上呈完全鋒利狀態(tài)，使其能進(jìn)行“仿形”切削幻林。Shaffer指出贞盯，“隨著刀尖半徑遠(yuǎn)離主切削刃，切屑負(fù)荷厚度也逐漸減小沪饺□锔遥”

　    在?zel等人發(fā)表于Elsevier期刊的一篇名為“用可變微小形狀刃口制備的PCBN刀具進(jìn)行硬車削”的論文中，從切削實驗和有限元模擬獲得的結(jié)果表明整葡，在車削硬度為HRC40的AISI 4340淬硬鋼時件余，如果能針對特定切削條件，恰當(dāng)?shù)卦O(shè)計可變?nèi)锌谥苽鋮?shù)遭居，經(jīng)過制備的刀片就能減少切削熱的產(chǎn)生啼器，從而減小工件的塑性應(yīng)變，并且刀具的磨損也小于采用標(biāo)準(zhǔn)刃口制備方式的同類刀具俱萍。此外端壳，該論文指出，在切削速度125 m/min枪蘑、進(jìn)給量0.15 mm/r损谦、切削深度1mm的切削條件下加工時，經(jīng)過瀑布型鈍化制備咆上、切削刃圓弧半徑范圍為30－60μm 的PCBN刀片產(chǎn)生的徑向力最小祝遗。

　    據(jù)?zel介紹，獲得這些實驗和模擬結(jié)果的原因是准贯，在硬車削時说拾，切削刃經(jīng)可變參數(shù)制備的PCBN刀片可以提供更大的剪切作用而不是耕犁作用。這是因為罪团，沿著刀片切削刃統(tǒng)一不變的刃口形狀會在尚未切除切屑厚度變得較小的副切削刃上理若，產(chǎn)生較小的尚未切除切屑厚度與切削刃半徑之比。他說嗤渔，“切除的材料被阻塞在沿刀尖圓角半徑尚未切除切屑形狀的末端附近。低效的切削使工件材料的應(yīng)變增大霸篡，這反過來又增大了機械負(fù)荷和熱負(fù)荷薯湾，并產(chǎn)生極高的切削溫度〈岛粒”

　    Shaffer指出线满，在某一點（通常是在刀尖圓角半徑的中間部位），尚未切除切屑的厚度正好等于統(tǒng)一采用的刃口制備尺寸龟卷。從該點繼續(xù)往前同诫，刃口制備尺寸就超過了尚未切除切屑厚度粤策，使尚未切除切屑在刀具與工件之間受到擠壓而不是被切削。他說误窖，“刀具的壓力增大叮盘，而切削效率下降。用于切削工件的能量被轉(zhuǎn)化為刀具刮擦而產(chǎn)生的摩擦熱霹俺∪岷穑”

　    ?zel補充說，可變參數(shù)刃口制備還可以減輕作用于工件上的壓力丙唧，并使以更高的切削速度和進(jìn)給率愈魏、更小的刀具磨損進(jìn)行硬車削成為可能。他指出想际，除了淬硬鋼以外培漏，在鈦合金和鎳基合金的車削加工中，刃口制備也同樣有效胡本。

　    可變參數(shù)刃口制備技術(shù)的應(yīng)用

　    有幾種金屬材料適合用經(jīng)過可變參數(shù)刃口制備的PCBN刀片進(jìn)行硬車削加工北苟，其中包括高合金粉末冶金材料。美國Federal-Mogul公司開發(fā)了這種專有合金材料琉枚，用于制造發(fā)動機零部件（如發(fā)動機缸蓋的閥座密封圈）酌涮。該公司威斯康星州生產(chǎn)廠的全球研發(fā)經(jīng)理Denis Christopherson指出，這種材料是由高合金鋼與硬質(zhì)顆粒（包括陶瓷和鈷基添加物）復(fù)合而成更鼻，是一種非標(biāo)準(zhǔn)的特殊材料丑炒，其硬度可高達(dá)HRA70以上，其中硬質(zhì)顆粒的硬度高于HV 1,000措铸。

　    隨著發(fā)動機的體積越來越小芬阀、轉(zhuǎn)速越來越快、溫度越來越高废含，閥座密封圈的工作環(huán)境也變得越來越嚴(yán)酷讽渐，而這種高合金材料為其提供了良好的耐高溫性和耐磨性。然而锰玩，該公司開發(fā)的這種金屬材料雖然能勝任工作要求揭斥，但其確保加工工藝穩(wěn)定和刀具磨損一致的安全區(qū)卻在縮小，在硬車削時刀具破裂或產(chǎn)生月牙洼的風(fēng)險在增大辣胚。

　    Christopherson說眶衙， “這是有問題的。因為我們設(shè)計這種材料是為了獲得更好的耐用性柠横，但這通常會導(dǎo)致材料的可加工性更差窃款。”但他指出，可加工性并不是材料本身的屬性晨继，而是材料對某種加工工藝的響應(yīng)烟阐。因此，當(dāng)材料難于加工時紊扬，為了有效去除切屑蜒茄，工藝系統(tǒng)必須設(shè)計合理，并具有良好的剛性珠月。用戶必須遵循良好的加工習(xí)慣扩淀。只有控制好這些要素，才能增大加工安全區(qū)啤挎。而刀片的刃口制備也是工藝系統(tǒng)的組成部分驻谆。他說，“刃口制備對于加工的成敗可能會產(chǎn)生很大影響庆聘。雖然精細(xì)的刃口制備并非總是至關(guān)緊要胜臊，但隨著加工工藝變得越來越敏感，其作用也變得越來越重要商寝◇荼悖”

　　 Christopherson主要與原始設(shè)備制造商合作，開發(fā)這種高合金粉末冶金材料的切削工藝愁淀。他指出匆力，為了獲得最佳氣門配合表面，經(jīng)過熱處理的閥座密封圈要在發(fā)動機缸蓋中加工曙椎；為了將徑跳誤差減至最小龟些，并使氣門導(dǎo)孔與密封圈座表面之間達(dá)到要求的同心度，硬車削和鉸削加工通常要在同一機床主軸上進(jìn)行卤诗。

　    Christopherson指出棘扯，對于閥座密封圈來說，插切是最常見的加工方式事晶。在整個切削過程中肤币，切屑的厚度和負(fù)荷都在不斷變化，往往容易造成刀具崩刃或切削刃缺口峰裁，因此夏哭，研發(fā)團(tuán)隊的很多工作都集中在切削刃上。雖然制備T型倒棱會推擠工件材料和增大切削力贸诚，但為了增加刃口強度方庭，它可能仍然是必要的。無論是否采用T型倒棱酱固，為了消除強度薄弱的“絕對鋒利”狀態(tài)，對刃口轉(zhuǎn)折過渡形狀的設(shè)計都至關(guān)重要。

　    但是运悲，即使采用了能增大刃口強度的設(shè)計龄减，將切屑推向T型倒棱面的很大的切削力仍然會引起微小振動。Christopherson說班眯，“在一臺剛性非常好的CNC加工中心上希停，用制備了T型倒棱、直徑19mm的鏜刀加工時署隘，產(chǎn)生了900Hz的微小振動宠能。而當(dāng)我們采用刃口經(jīng)過輕微鈍化的刀具加工，并使切屑順暢地流過整個前刀面而不發(fā)生擠壓時磁餐，則能獲得良好棵薛、安靜、平穩(wěn)瞪殖、無振動的加工過程抗该。” 據(jù)Federal-Mogul公司報告咪朴，在一次切削性能試驗中庙曹，經(jīng)過大約600次切削后，刀具發(fā)生破損蘑瓢，刀尖處的T型棱帶不復(fù)存在班痹。切削力和聲音頻率的測量值馬上減小，因為擠壓在T型棱帶處的切屑消除梦铭。表面光潔度測量值也有所減小蔚抖，表明切屑的形成和流過前刀面變得更容易。盡管切削刃破損并不是一種令人滿意的狀態(tài)仙商，但它證明了在切削加工時砚凳，T型棱帶刃口制備方式對切削力、振動和切屑流動的影響钞钙。

　    如果一家刀具制造商尚未對刀具刃口進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化制備鳄橘，Christopherson建議由一家專業(yè)的刀具刃口制備商來提供特殊刃口（如瀑布型刃口）的設(shè)計與制備。他說芒炼，“我還沒有發(fā)現(xiàn)有太多技術(shù)人員能夠制備出理想的瀑布型刃口瘫怜。”

　    但是本刽，即使制備出了恰當(dāng)?shù)牡毒呷锌诰ㄅ龋矡o法克服加工系統(tǒng)本身的弱點。Christopherson說子寓，“如果加工系統(tǒng)剛性不足暗挑、調(diào)整不佳，或工件和刀具夾持系統(tǒng)存在設(shè)計缺陷，而你卻要求它完成對高合金材料的10,000次切削炸裆，這是不可能實現(xiàn)的垃它。要完成對難加工材料的高效加工，你首先必須建立堅實的工藝基礎(chǔ)烹看」矗”

　    可變參數(shù)刃口制備與刀具涂層

　    據(jù)羅格斯大學(xué)的Tu?rul ?zel介紹，大部分進(jìn)行可變參數(shù)刃口制備的刀具都是未涂層刀具郭宪，但是燃灿，刀具涂層可以提供額外的加工優(yōu)勢，這是因為涂層可以抵御切削熱息扶、增強潤滑性敦璧、提高刀具硬度和提供磨損標(biāo)識（取決于不同的涂層類型）。然而闯智，采用涂層會使刃口鈍化害媚，例如，涂層本身的厚度可能會使5μm的刃口圓弧半徑增大到10μm或15μm犹耻。

　    為了克服這一缺陷财军，可以對涂層刀具進(jìn)行刃口制備。?zel說春探，“當(dāng)然欧移，當(dāng)你在5μm或10μm厚的涂層上進(jìn)行切削刃制備后，涂層就會變得更薄一些辑皿∈濒ぃ”。

　    Conicity技術(shù)公司的Bill Shaffer指出赖晶，該公司已能對涂層硬質(zhì)合金刀具提供各種刃口制備服務(wù)律适，但尚未對涂層PCBN刀具進(jìn)行刃口制備。

　    ?zel補充說遏插，他和Conicity公司捂贿，以及不同的研究機構(gòu)、山高刀具公司及其涂層事業(yè)部正在參與一個國際研究項目胳嘲，該項目是在國際生產(chǎn)工程學(xué)會（CIRP）的成員中進(jìn)行的厂僧，旨在研究對涂層刀具進(jìn)行刃口制備的影響，并確定哪些制備方法可以獲得最佳刀具壽命和加工效率了牛。他說颜屠，“由于有不同的企業(yè)參與，我們可能會在大約一年后得出研究結(jié)果鹰祸「撸”

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