涂层硬质合金

涂层硬质合金刀具是在韧性较好的硬质合金刀具上涂覆一层或多层耐磨性好的TiN、TiCN、TiAlN和Al2O3等，涂层的厚度为2～18µm，涂层通常起到以下两方面的作用：一方面，它具有比刀具基体和工件材料低得多的热传导系数，减弱了刀具基体的热作用；另一方面，它能够有效地改善切削过程的摩擦和粘附作用，降低切削热的生成。涂层硬质合金刀具与硬质合金刀具相比，无论在强度、硬度和耐磨性方面均有了很大的提高。对干硬度在HRC45～55HRC之间的工件的车削，低成本的涂层硬质合金可实现高速车削。近年来，一些厂家靠改进涂层材料与比例的方法，也使得涂层刀具的性能有极大的提高。如美国、日本一些厂家采用瑞士AlTiN涂层材料和新涂层专利技术生产的刀片，硬度高达4500 ～4900HV ，在车削温度高达1500℃～1600℃时硬度仍然不降低，不氧化，刀片寿命为一般涂层刀片的4倍．而成本只为30% ，且附着力好。它可以在498.56m/min的速度下加工硬度达47～52HRC 的模具钢。

陶瓷材料

陶瓷刀具具有高硬度(91～95HRA)、高强度(抗弯强度为750～1000 MPa)、耐磨性好、化学稳定性好、良好的抗粘结性能、摩擦系数低且价格低廉的特点。使用正常时，耐用度极高，车速可比硬质合金提高2～5倍，特别适合高硬度材料加工、精加工以及高速加工，可加工硬度为62HRC的各类淬硬钢和硬化铸铁。常用的有氧化铝基陶瓷、氮化硅基陶瓷、金属陶瓷和晶须增韧陶瓷。近年来通过大量的研究、改进和采用新的制作工艺，陶瓷材料的抗弯强度和韧性均有了很大的提高，如日本三菱金属公司开发的新型金属陶瓷NX2525及瑞典山特维克公司可乐满开发的金属陶瓷刀片新品CT系列和涂层金属陶瓷刀片系列，其晶粒组织的直径细小至1µm以下，抗弯强度和耐磨性均远高于普通的金属陶瓷，大大拓宽了陶瓷材料的应用范围。清华大学研制成功的氮化硅陶瓷材料刀具也达到了国际先进水平。

CBN

CBN的硬度和耐磨性仅次于金刚石，有极好的高温硬度，与陶瓷刀具相比，其耐热性和化学稳定性稍差，但冲击强度和抗破碎性能较好。它广泛适用于淬硬钢(50HRC以上)、珠光体灰铸铁、冷硬铸铁和高温合金等的切削加工，与硬质合金刀具相比，其切削速度甚至可提高一个数量级。

CBN含量高的PCBN刀具，硬度高、耐磨性好、抗压强度高及耐冲击韧性好，其缺点是热稳定性差和化学惰性低，适用于耐热合金、铸铁和铁系烧结金属的切削加工。复合PCBN刀具中CBN 颗粒含量较低，采用陶瓷作粘结剂，其硬度较低，但弥补了前一种材料热稳定性差、化学惰性低的特点，适用于淬硬钢的切削加工。

在切削灰铸铁和淬硬钢的应用领域，陶瓷刀具和CBN刀具是可同时选择的，因此进行成本效益和加工质量分析非常必要，以确定哪一种材料更经济。PCBN刀具材料切削性能优于Al2O3，和Si3N4淬硬钢的干式切削加工时，Al2O3陶瓷的成本低于PCBN材料，陶瓷刀具具有良好的热化学稳定性，但却不及PCBN刀具的韧性和硬度。在切削硬度低于6OHRC以下和小进给量情况下的工件时，陶瓷刀具是较好的选择。PCBN刀具适合于工件硬度高于60HRC情况，尤其是对于自动化加工和高精度加工时更为重要。除此之外，在相同后刀面磨损情况下，PCBN刀具切削后的工件表面残余应力也比陶瓷刀具相对稳定。

使用PCBN刀具干式切削淬硬钢还应遵循以下原则：在机床刚性允许条件下尽可能选择大切深，这样切削区生成的热量使得刃前区金属局部软化，能有效降低 PCBN刀具的磨损。此外，在小切探时也应尽可能采用PCBN刀具，因PcBN 刀具导热性差而使得切削区热量来不及扩散，剪切区也能产生明显的金属软化效应，减小切削刃的磨损。

刀片结构及几何参教确定

刀片形状及几何参数的合理确定对充分发挥刀具切削性能是至关重要的。按刀具强度来说，各种刀片形状的刀尖强度从高往低依次为：圆形、1 00°菱形、正方形、80°菱形、三角形、55°菱形、35°菱形。刀片材料选定后，应尽可能选用强度高的刀片形状。硬车削刀片也应选择尽可能大的刀尖圆弧半径，用圆形及大半径刀片粗加工，精加工时的刀尖半径约为0.8～1.2µm 。

淬硬钢切屑为红而酥软的锻带状，脆性大，易折断，不粘结，一般在切削表面不产生积屑瘤，加工的表面质量高，但淬硬钢切削力比较大，特别是径向切削力比主切削力还要大，所以刀具宜采用负前角(go≥-5°)和较大的后角(ao=10°～15°)，主偏角取决于机床刚性，一般取45°～60°，以减少工件和刀具颤振。

切削参数的选择

工件材料硬度越高，其切削速度应越小。硬车削精加工的适宜切削速度为80～200m/min，常用范围为10～150m/min ，采用大切深或强烈断续功削高硬度材料，切速应保持在80～100m/min。一般情况下，切深为0.1～0.3mm。加工表面粗糙度要求高时可选小的切削探度，但不能太小，要适宜。进给量通常可以选择0.05～0.25mm/r，具休数值视表面粗糙度数值和生产率要求而定。当表面粗糙度为Ra0.3～0.6µm时，硬车削比磨削经济的多。

对工艺系统的要求

除选择合理的刀具外，硬车削对车床或车削中心并无特殊要求，若车床或车削中心刚度足够，且加工软的工件时能得到所要求的精度和表面粗糙度，即可用于淬硬钢的加工。为了保证车削操作的平稳和连续，常用的方法是采用刚性夹紧装置和中等前角刀具。不过人们普遍认为，硬车削需要高刚性的车床，即硬车削的关键是机床具有足够的刚性，同时刀具、工件、夹紧装置结构紧凑目具有同等的刚性。若工件在切削力作用下其定位、支承和旋转可以保持相当平稳，现有的设备就可以用于硬车削 。

硬车削技术经过十年的发展及推广应用，获得了巨大的经济效益和社会效益。下面举例说明硬车削技术在轧辊加工等行业生产中的推广应用情况。

轧棍加工行业

国内十儿家大型轧辊企业已使用硬车削技术对冷硬铸铁、淬硬钢等各类轧辊进行荒车、粗车和精车等切削加工，均取得了良好的效益。平均提高加工效率2～6倍，节约加工工时和电力50%～80%。如在武汉钢铁公司轧辊厂，对硬度为60～80HS的冷硬铸铁轧辊粗车、半精车时．切削速度提高了3倍，每车一根轧辊，节约电力、工时费400多元，节约刀具费近100元，取得了巨大的经济效益。如我校机电实验中心．用FD22金属陶瓷刀具车削HRC58～63的 86CrMoV7淬硬钢轧辊时(v=60m/min，f=0.2mm/r，ap=0.8mm)单刃连续切削轧辊路径达15000m(VCmax=0.2mm) ，满足了以精车代磨削的要求。

工业泵加工行业

国内碴浆泵生产厂的70%～80%已采用硬车削技术。碴浆泵广泛应用于矿山、电力等行业，是国内外急需的产品，其护套、护板是63～67HRC的 Cr15Mo3高硬铸铁件。过去由于各种刀具难以车削它．所以只得采用退火软化后粗加工，然后再悴火加工的工艺。采用硬车削技术以后，顺利解决了一次硬化加工问题，免除了退火再淬火两道工序，节约了大量工时和电力。

汽车加工行业

在汽车、拖拉机等大批量生产行业中的曲轴、凸轮轴及传动轴、刀量具行业及设备维修中经常会碰到淬硬件的加工难题。如我国某机车车辆厂，在设备维修中需要对轴承内圈进行加工，轴承内圈(材料Gcr15)的硬度为60HRC，内圈直径为285mm，采用磨削工艺，磨削余量不均匀，需2h才能磨好；而采用硬车削加工，仅用45min就加工好一个内圈 。

由于现代科学技术的发展，各种高强度、高硬度的工程材料越来越多地被采用，传统的车削技术难以胜任或根本无法实现对某些高强度、高硬度材料的加工，而现代的硬车削技术使之成为可能，并在生产中取得明显效益。淬硬钢通常指淬火后具有马氏体组织，硬度高，强度也高，几乎没有塑性的工件材料。当淬硬钢的硬度 >55HRC时，其强度sb约为2100～2600N/mm²。通常，工件在热处理淬硬之前就已完成粗加工工序，只有精加工在淬硬状态下进行。精磨是精加工最常用的加工工艺，但其加工范围窄、投资大、生产效率低，易造成环境污染，一直困扰着淬硬钢的经济有效加工。随着加工技术的发展．硬车削代替磨削已成为可能，并在生产中取得明显效益。采用多晶立方氮化硼 (PCBN)刀具、陶瓷刀具或涂层硬质合金刀具等在车床或车削加工中心上对淬硬钢(55～65HRC)进行切削加工 。

加工效率高

硬车削具有比磨削更高的加工效率，且其所消耗的能量是普通磨削加工的1/5 。硬车削往往采用大切削深度、高的工件转速，其金属切除率通常是磨削加工的3～4倍。车削加工时一次装夹可完成多种表面加工(如车外圆、车内孔、车槽等)，而磨削则需要多次安装，因此，其辅助时间短，加工表面之间位置精度高。

硬车削是洁净加工工艺

大多数情况下，硬车削无须冷却液。事实上，使用冷却液会给刀具寿命和表面质量带来不利影响。因为，硬车削是通过使剪切部分的材料退火变软而形成切削的，若冷却率过高，就会减小由切削力而产生的这种效果，从而加大机械磨损，缩短刀具寿命。同时硬车削可省去与冷却液有关的装置，降低生产成本，简化生产系统，形成的切屑干净清洁，回收处理容易。

设备投资少，适合柔性生产要求

在生产率相同时，车床投资是磨床的1/3～1/2，其辅助系统费用也低。对于小批量生产而言，硬车削不需特殊设备，而大批量加工高精度零件则需耍刚性好、定位精度和重复定位精度高的数控机床。

车床本身就是一种加工范围广的柔性加工方法，车削装夹快速，采用配有多种刀具转盘或刀库的现代CNC车床很容易实现两种不同工件之问的加工转换，硬车削尤其适合此类加工。因此，与磨削相比，硬车削能更好地适应柔性化生产要求。

硬车削可使零件获得良好的整体加工精度

硬车削中生产的大部分热量被切屑带走，不会产生像磨削加工的表面烧伤和裂纹，具有优良的加工表面质量，有精确的加工圆度，能保证加工表面之间较高的位置精度 。

经过多年的研究和探索，我国硬车削技术取得了很大的进展，但是，硬车削技术在生产中的应用还不广泛。原因主要有以下几个方面：

(1)生产企业、操作者对硬车削的效果了解不够，普遍认为硬材料只能磨削；

(2)认为刀具成本太高。硬车削最初的刀具成本是比普通硬质合金昂贵(如CBN比普通硬质合金贵10多倍)，但其分摊在每个零件上的成本比磨削低，带来的效果比普通硬质合金要好得多；

(3)对硬车削加工机理研究不够；

(4)硬车削加工的规范不足以指导生产实践。因此，除了对硬车削机理进行深入研究外，必须加强硬车削加工知识的培训、成功经验演示及严格操作规范，使这种高效、洁净的加工方法更多地应用于生产实际。如果将硬车削与精磨结合起来，则加工一个一般零件所花的成本将比磨床上完成粗加工和精加工所花成本降低40%～60% 。

首先合理的硬车削系统可以减少甚至省去磨削以及与之相关的高昂的刀具成本和太长的加工时间。采用合理的硬车削工艺可获得0.0028mm表面光洁度、0.0002mm圆度和±0.005mm直径公差，硬车削的目标是随切屑带走至少80%热量。这样的精度在对淬硬前工件进行“软车削”相同机床上同样可以达到从而最大限度地提高了设备利用率。但有些工厂由于错误地选用了刀片或不清楚所用机床是否具有足够的刚性以承受二倍于普通车削的压力，从而使得硬车削工艺没有充分发挥出其高效应。

1．冷却液

其最大问题是用还是不用冷却液。对于齿轮之类的断续切削零件来说，最好采用“干车削”，否则进刀和退刀时的热冲击很可能引起刀片破裂。至于连续切削，刀头在干车削过程中产生的高温足以韧化（软化）预切削区域，从而降低材料硬度使之易于剪切。这个现象说明了干切削时增大速度是有益的。同时，无冷却液切削方式具有明显的成本优势。

在连续切削中，冷却液可能有助于延长刀具寿命和提高表面光洁度。问题的关键是要使冷却液能够到达刀头，高压冷却液是解决这个问题的最好办法，因为它不容易在高温下蒸发。此外，高压可以减少切屑堆积，从而减少因为切屑阻塞对冷却液流至刀头的影响。另一个办法是将冷却液同时释放到刀片的顶部和底部，以确保冷却液连续到达刀头。 如果使用冷却液，必须是水基的。在完全匹配的硬车削过程中形成的切屑可以带走80%～90%的热量（切削区域最高温度可达1700°F）。如此炽热的切屑一旦接触低燃点冷却油，整个工序将有可能遭到彻底破坏。如果在敞开式机床上进行硬车削，必须增加适当的保护装置，避免操作人员被切屑烫伤。

2．白化层

“白化层（热影响区）”可能令人讨厌地出现在硬车削和磨削操作中，即在材料表面形成一层肉眼看不见的非常薄（通常1μm）的硬壳。在硬车削过程中形成白化层，一般是因为刀片钝化导致过多的热量传递到零件内。白化层经常在轴承钢上形成，而且对于轴承圈之类需要承受高接触压力的零件是非常有害的，随着时间的推移，白化层可能剥离并导致轴承失效。

对于刚开始从事硬车削的工厂，建议在生产的头几周内进行随机抽查，以确定每个刀片能够车削多少零件而不形成白化层。另外，一个刀片即使可加工400个零件，也有可能在加工300件后就变钝并且开始使零件产生白化层。

3．机床

机床刚度决定了硬车削的加工精度。近15～20年内制造的机床几乎都有很好的刚性，足以承受硬车削。在许多情况下，机床的总体状况很大程度上比使用年限更重要，精心维护的普通车床也可以用于硬车削。

为了给硬车削机床增加刚性和阻尼特性，哈挺将许多先进机床的特性用于了车削中心，其中包括聚合物复合材料增强机座、带弹簧夹头（使主轴支撑靠近工件）的直接配合式主轴和静压导轨。

系统刚性最大化意味着尽量减少悬空、刀具延伸和零件伸出，并取消调隙片和垫圈，其目标是保持所有零部件尽可能地接近转塔刀架。

4．车螺纹

采用合适的刀片几何形状是在淬硬材料上车螺纹的关键，最好的螺纹刀片是类似于镗杆上安装的三角形刀片。在淬硬材料上车螺纹时，为了控制切削压力和延长刀片寿命，有必要增加走刀次数并减小切深。另一种选择是采用交替式侧面切入方式，可改变切削力承受位置并延长刀具寿命。

5．工件

尽管45HRC硬度是硬车削的起始点，但硬车削经常在60HRC以上硬度的工件上进行。硬车削材料通常包括工具钢、轴承钢、渗碳钢以及铬镍铁合金、耐蚀耐热镍基合金、钨铬钴合金等特殊材料。根据冶金学，在切深范围内硬度偏差小（小于2个HRC）的材料可显示出最好的过程可预测性。最适合于硬车削的零件具有较小的长径比（L/D），一般说来，无支撑工件的L/D之比不大于4:1，有支撑工件的L/D之比不大于8:1。尽管细长零件有尾架支撑，但是由于切削压力过大仍有可能引起刀振。 为了最大限度地增加硬车削的系统刚性，应尽量减小悬伸。刀具伸出长度不得大于刀杆高度的1.5倍。

6．镗孔

镗削淬硬材料需要很大的切削压力，因此往往需成倍增加镗杆承受的扭力和切向力。采用正前角（35°或55°）、小刀尖半径刀片可以减小切削压力。在增加切削速度的同时减小切深和进刀速度，也是减小切削压力的办法。

镗孔时，刀具必须与零件同心或略高于零件中心，因为切削引起的挠曲变形使实际中心线的位置降低了。最好的夹紧形式是全长度对开套筒，在镗削淬硬材料时，全长度对开套筒夹头可提供最高的刀夹刚度。其次是弹簧夹头和单点螺丝夹头。

7．工艺

因为硬车削产生的热量大部分由切屑带走，加工前后对切屑进行检查可以发现整个过程是否协调。连续切削时，切屑应该呈炽燃的橙黄色，并象一根缎带似地飘逸而出。如果切屑冷却后用手一压基本断裂，表明切屑带走的热量是正常的。

8．刀片

尽管立方氮化硼（CBN）刀片的价格昂贵，但CBN刀片最适合于硬车削。CBN刀片能够在断续切削过程中保持定位不变，在连续切削过程中提供安全的刀具磨损率。当采用合理的硬车削工艺时，CBN刀片除了在控制直径公差方面比不上磨削以外，其它性能都是首屈一指的。

陶瓷不如CBN耐磨，因此一般不用于公差小于±0.025mm的加工。陶瓷不适合于断续切削，而且不能加冷却液，因为热冲击可能造成刀片破裂。刀片的钝缘几何形状是陶瓷材料的固有特点，这一特点使切削力增大而工件表面光洁度下降。另外，陶瓷刀片刃口断裂可能是灾难性的，它可能导致所有切削刃均不能使用。金属陶瓷（立方碳化钛）对连续切削渗碳硬化材料很有效，尽管它不具备CBN那样的耐磨性，但刀片在大多数情况下会成比例地磨损而不断裂。正前角刀片由于其切削力较小，通常用在刚性不高的机床上进行硬车削。关于刀片的最合理应用，建议与刀具供应商密切合作，特别是在最初阶段，以迅速达到最佳切削速度。