零部件制造商在精加工淬硬工件時(shí)往往面臨兩難選擇。人們通常認(rèn)為，硬車削比磨削更靈活、更環(huán)保和更高效。然而，美國(guó)羅格斯大學(xué)工業(yè)與系統(tǒng)工程系副教授Tu?rul Özel認(rèn)為，由于硬車削存在一些與刀具幾何形狀有關(guān)的問(wèn)題，從而使磨削比硬車削更可靠，并能獲得更好的表面光潔度。

　　用戶通常采用聚晶立方氮化硼（PCBN）刀片來(lái)進(jìn)行硬車削，因?yàn)檫@種刀具材料的硬度高于硬質(zhì)合金。此外，PCBN刀具在切削鐵族材料時(shí)，不會(huì)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)，并導(dǎo)致刀具提前失效。

　　PCBN刀具能夠承受硬車削時(shí)產(chǎn)生的高溫，但當(dāng)切削溫度超過(guò)大約1,200℃后，PCBN的金屬結(jié)合劑材料就會(huì)軟化，進(jìn)而導(dǎo)致刀具失效。

　　Özel指出，發(fā)生在刀具副切削刃后刀面上的后刀面磨損，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，崩刃可能會(huì)導(dǎo)致災(zāi)難性的刀具失效。用PCBN刀具進(jìn)行硬車削加工時(shí)，為了提高生產(chǎn)率和可靠性，獲得更好的表面光潔度，以及保護(hù)刀具切削刃（尤其是刀尖附近的刃口），就需要對(duì)切削刃進(jìn)行優(yōu)化制備。
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(shuō)，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。他補(bǔ)充說(shuō)，T型倒棱是最常見(jiàn)的切削刃制備方式，盡管它能有效減少崩刃的發(fā)生，但其相對(duì)于工件形成了一個(gè)很大的“負(fù)表面”，使切削圓角看起來(lái)更像是“犁頭”而不是切削刃。Shaffer解釋說(shuō)，“用這種負(fù)倒棱切削刃加工時(shí)，從工件上切離的切屑脫落時(shí)，會(huì)直接對(duì)T型棱帶表面造成沖擊。T型棱帶是負(fù)倒棱刀具會(huì)因?yàn)榍邢魅谐霈F(xiàn)月牙洼而失效的原因之一。”

　　Shaffer指出，月牙洼會(huì)引起兩種類型的刀具失效。如果一個(gè)月牙洼足夠深，切屑就可能對(duì)刀具形成沖擊，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，如果一個(gè)月牙洼造成了切屑的滯留堵塞，切削力就會(huì)變成水平方向，并通過(guò)劈裂刀具的前刀面，造成PCBN刀尖斷裂。

　　Conicity技術(shù)公司的切削試驗(yàn)表明，制備標(biāo)準(zhǔn)T型棱帶刃口的PCBN刀片會(huì)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。Shaffer解釋說(shuō)，與T型棱帶引起的刀具磨損（開始時(shí)發(fā)生在刃口處，然后向刀具中心部位移動(dòng)）不同，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，是開始時(shí)遠(yuǎn)離刃口，然后向刃口方向移動(dòng)。“這就延緩了切削刃的磨損變形，并能實(shí)現(xiàn)更高水平的切屑控制。”他補(bǔ)充說(shuō)，切屑圍繞帶有瀑布型鈍化圓角的刀片端部形成，并順利離開切削區(qū)。
相比之下，采用T型負(fù)倒棱時(shí)，切屑被擠壓在刀具與工件之間，并垂直向上離開切削區(qū)。Shaffer說(shuō)，“采用這種刃口幾何廓形時(shí)，切屑沒(méi)有真正有效的排出路徑。”

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

　　Shaffer補(bǔ)充說(shuō)，采用瀑布型鈍化刃口的可變參數(shù)制備方法，是基于刀具用于實(shí)際切削的方式來(lái)制備其切削刃。制備時(shí)，主切削刃的特定尺寸是基于進(jìn)給率確定的。當(dāng)切削刃圍繞刀尖圓角半徑過(guò)渡時(shí)，切削刃的鈍化尺寸逐漸減小，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。Shaffer指出，“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。”
在Özel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(shí)驗(yàn)和有限元模擬獲得的結(jié)果表明，在車削硬度為HRC40的AISI 4340淬硬鋼時(shí)，如果能針對(duì)特定切削條件，恰當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)可變?nèi)锌谥苽鋮?shù)，經(jīng)過(guò)制備的刀片就能減少切削熱的產(chǎn)生，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。此外，該論文指出，在切削速度125 m/min、進(jìn)給量0.15 mm/r、切削深度1mm的切削條件下加工時(shí)，經(jīng)過(guò)瀑布型鈍化制備、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。

　　據(jù)Özel介紹，獲得這些實(shí)驗(yàn)和模擬結(jié)果的原因是，在硬車削時(shí)，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?yàn)椋刂镀邢魅薪y(tǒng)一不變的刃口形狀會(huì)在尚未切除切屑厚度變得較小的副切削刃上，產(chǎn)生較小的尚未切除切屑厚度與切削刃半徑之比。他說(shuō)，“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?cè)龃螅@反過(guò)來(lái)又增大了機(jī)械負(fù)荷和熱負(fù)荷，并產(chǎn)生極高的切削溫度。”

　　Shaffer指出，在某一點(diǎn)（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。從該點(diǎn)繼續(xù)往前，刃口制備尺寸就超過(guò)了尚未切除切屑厚度，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(shuō)，“刀具的壓力增大，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。”

　　Özel補(bǔ)充說(shuō)，可變參數(shù)刃口制備還可以減輕作用于工件上的壓力，并使以更高的切削速度和進(jìn)給率、更小的刀具磨損進(jìn)行硬車削成為可能。他指出，除了淬硬鋼以外，在鈦合金和鎳基合金的車削加工中，刃口制備也同樣有效。
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(guò)可變參數(shù)刃口制備的PCBN刀片進(jìn)行硬車削加工，其中包括高合金粉末冶金材料。美國(guó)Federal-Mogul公司開發(fā)了這種專有合金材料，用于制造發(fā)動(dòng)機(jī)零部件（如發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋的閥座密封圈）。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，是一種非標(biāo)準(zhǔn)的特殊材料，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。

　　隨著發(fā)動(dòng)機(jī)的體積越來(lái)越小、轉(zhuǎn)速越來(lái)越快、溫度越來(lái)越高，閥座密封圈的工作環(huán)境也變得越來(lái)越嚴(yán)酷，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，該公司開發(fā)的這種金屬材料雖然能勝任工作要求，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(shí)刀具破裂或產(chǎn)生月牙洼的風(fēng)險(xiǎn)在增大。

　　Christopherson說(shuō)， “這是有問(wèn)題的。因?yàn)槲覀冊(cè)O(shè)計(jì)這種材料是為了獲得更好的耐用性，但這通常會(huì)導(dǎo)致材料的可加工性更差。”但他指出，可加工性并不是材料本身的屬性，而是材料對(duì)某種加工工藝的響應(yīng)。因此，當(dāng)材料難于加工時(shí)，為了有效去除切屑，工藝系統(tǒng)必須設(shè)計(jì)合理，并具有良好的剛性。用戶必須遵循良好的加工習(xí)慣。只有控制好這些要素，才能增大加工安全區(qū)。而刀片的刃口制備也是工藝系統(tǒng)的組成部分。他說(shuō)，“刃口制備對(duì)于加工的成敗可能會(huì)產(chǎn)生很大影響。雖然精細(xì)的刃口制備并非總是至關(guān)緊要，但隨著加工工藝變得越來(lái)越敏感，其作用也變得越來(lái)越重要。”

　　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。他指出，為了獲得最佳氣門配合表面，經(jīng)過(guò)熱處理的閥座密封圈要在發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋中加工；為了將徑跳誤差減至最小，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(jī)床主軸上進(jìn)行。

　　Christopherson指出，對(duì)于閥座密封圈來(lái)說(shuō)，插切是最常見(jiàn)的加工方式。在整個(gè)切削過(guò)程中，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，因此，研發(fā)團(tuán)隊(duì)的很多工作都集中在切削刃上。雖然制備T型倒棱會(huì)推擠工件材料和增大切削力，但為了增加刃口強(qiáng)度，它可能仍然是必要的。無(wú)論是否采用T型倒棱，為了消除強(qiáng)度薄弱的“絕對(duì)鋒利”狀態(tài)，對(duì)刃口轉(zhuǎn)折過(guò)渡形狀的設(shè)計(jì)都至關(guān)重要。

　　但是，即使采用了能增大刃口強(qiáng)度的設(shè)計(jì)，將切屑推向T型倒棱面的很大的切削力仍然會(huì)引起微小振動(dòng)。Christopherson說(shuō)，“在一臺(tái)剛性非常好的CNC加工中心上，用制備了T型倒棱、直徑19mm的鏜刀加工時(shí)，產(chǎn)生了900Hz的微小振動(dòng)。而當(dāng)我們采用刃口經(jīng)過(guò)輕微鈍化的刀具加工，并使切屑順暢地流過(guò)整個(gè)前刀面而不發(fā)生擠壓時(shí)，則能獲得良好、安靜、平穩(wěn)、無(wú)振動(dòng)的加工過(guò)程。” 據(jù)Federal-Mogul公司報(bào)告，在一次切削性能試驗(yàn)中，經(jīng)過(guò)大約600次切削后，刀具發(fā)生破損，刀尖處的T型棱帶不復(fù)存在。切削力和聲音頻率的測(cè)量值馬上減小，因?yàn)閿D壓在T型棱帶處的切屑消除。表面光潔度測(cè)量值也有所減小，表明切屑的形成和流過(guò)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)，但它證明了在切削加工時(shí)，T型棱帶刃口制備方式對(duì)切削力、振動(dòng)和切屑流動(dòng)的影響。
如果一家刀具制造商尚未對(duì)刀具刃口進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化制備，Christopherson建議由一家專業(yè)的刀具刃口制備商來(lái)提供特殊刃口（如瀑布型刃口）的設(shè)計(jì)與制備。他說(shuō)，“我還沒(méi)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。”
但是，即使制備出了恰當(dāng)?shù)牡毒呷锌冢矡o(wú)法克服加工系統(tǒng)本身的弱點(diǎn)。Christopherson說(shuō)，“如果加工系統(tǒng)剛性不足、調(diào)整不佳，或

　　工件和刀具夾持系統(tǒng)存在設(shè)計(jì)缺陷，而你卻要求它完成對(duì)高合金材料的10,000次切削，這是不可能實(shí)現(xiàn)的。要完成對(duì)難加工材料的高效加工，你首先必須建立堅(jiān)實(shí)的工藝基礎(chǔ)。”
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 Özel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，但是，刀具涂層可以提供額外的加工優(yōu)勢(shì)，這是因?yàn)橥繉涌梢缘钟邢鳠帷⒃鰪?qiáng)潤(rùn)滑性、提高刀具硬度和提供磨損標(biāo)識(shí)（取決于不同的涂層類型）。然而，采用涂層會(huì)使刃口鈍化，例如，涂層本身的厚度可能會(huì)使5μm的刃口圓弧半徑增大到10μm或15μm。
為了克服這一缺陷，可以對(duì)涂層刀具進(jìn)行刃口制備。Özel說(shuō)，“當(dāng)然，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(huì)變得更薄一些。”。

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

　　Özel補(bǔ)充說(shuō)，他和Conicity公司，以及不同的研究機(jī)構(gòu)、山高刀具公司及其涂層事業(yè)部正在參與一個(gè)國(guó)際研究項(xiàng)目，該項(xiàng)目是在國(guó)際生產(chǎn)工程學(xué)會(huì)（CIRP）的成員中進(jìn)行的，旨在研究對(duì)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。他說(shuō)，“由于有不同的企業(yè)參與，我們可能會(huì)在大約一年后得出研究結(jié)果。”