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過去用聚晶立方氮化硼（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(tǒng)的磨槽加工。美國Index公司的投標工程經(jīng)理Tyler Economan說，“一般而言，磨槽是一種更穩(wěn)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。”
經(jīng)過淬硬處理的各種工件材料包括高速鋼、模具鋼、軸承鋼和合金鋼。只有黑色金屬可以進行淬硬處理，淬硬工藝通常應用于低碳鋼。通過淬硬處理，可使工件的外部硬度更高、更耐磨，而內部則具有較好的韌性。用淬硬鋼制成的零件包括心軸、輪軸、連接件、驅動輪、凸輪軸、齒輪、軸套、傳動軸、軸承等。
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(jīng)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。
具有足夠功率和剛性的機床是實現(xiàn)淬硬零件切槽加工的一個必要條件。Economan說，“機床的剛性越好、功率越大，對淬硬材料的切槽加工就越高效。對于硬度超過50 HRC的工件材料，許多輕型機床都達不到所要求的切削條件。如果加工要求超過了機床能力（功率、扭矩，尤其是剛性），就無法成功完成加工?！?/p>
剛性對于工件夾持裝置非常重要，因為切槽加工時，切削刃與工件的接觸面很大，刀具會對工件產生極大的壓力。夾持淬硬鋼工件時，采用寬大的夾具可以分散夾緊面。住友電工硬質合金公司的營銷經(jīng)理Paul Ratzki說，“被加工部位必須獲得牢固的支撐。加工淬硬材料時，產生的振動和刀具壓力比加工普通工件時大得多，可能會導致工件夾持不住飛出機床，或造成CBN刀片崩刃甚至破損。”
夾持切槽刀片的刀柄應盡可能短，以最大限度地縮短懸伸長度、增加刀具剛性。伊斯卡公司GRIP產品經(jīng)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(tǒng)。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(tǒng)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(shù)量的刀片，用于加工具有不同槽寬的同一種產品線?！?/p>
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(wěn)定性和延長刀具壽命。該公司設計部門助理經(jīng)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(fā)生變化。對于汽車工業(yè)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?！?/p>
據(jù)報道，三菱材料公司的GY系列Tri-Lock模塊化切槽系統(tǒng)的剛性可與整體式刀片夾頭相媲美。該系統(tǒng)可從三個方向（周邊、前面和頂面）可靠地夾緊切槽刀片。它的兩種結構設計可以防止刀片在切槽加工時發(fā)生位移：V型凸起能防止刀片向兩側移動；安全鍵則能消除插槽加工時由切削力引起的刀片向前移動。
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(huán)或止動環(huán)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?！?/p>
淬硬鋼的切槽加工需要采用硬度更高、耐磨性更好、具有適當幾何形狀的刀具。關鍵是要弄清楚應該采用硬質合金刀片、陶瓷刀片還是PCBN刀片。Schmitz說，“在加工硬度低于50 HRC的工件材料時，我?guī)缀蹩偸沁x擇硬質合金刀片。而對于硬度50－58 HRC的工件，采用陶瓷刀片是一種非常經(jīng)濟的選擇。只有當工件硬度達到58 HRC以上，才應該考慮采用CBN刀片，在此范圍其加工性能最佳?！?nbsp;CBN刀片特別適合加工這種高硬材料，因為其加工機理并不是切除材料，而是在刀具/工件界面處熔解材料。
對于硬度超過58 HRC的淬硬鋼零件切槽加工，切屑控制不會成為問題。由于通常采用干式切槽，切屑更像是粉塵或極小的顆粒，可以通過手動吹風予以去除。住友電工的Maton說，“通常，這種切屑碰到任何東西都會破碎崩解，因此切屑與工件接觸不會損傷工件。如果你抓起一把切屑，它們就會在你手里變得粉碎?！?/p>
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(tài)。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，最好使刀具在“倒置”狀態(tài)下進行加工。他解釋說，“在機床上安裝刀具時，機床制造商首選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(wěn)定。但是，當?shù)镀腥牍ぜ牧蠒r，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(qū)?！?/p>
表面淬硬是一種提高低碳鋼硬度的簡單方法，其原理是增加材料表層下一定深度的含碳量。當切槽加工深度超過表面淬硬層厚度時，由于切槽刀片從加工較硬的材料轉變?yōu)榧庸ぽ^軟的材料，因此可能會引發(fā)一些問題。為此，刀具制造商開發(fā)了幾種針對不同類型工件材料的刀片牌號。
Horn（美國）公司銷售經(jīng)理Duane Drape表示，“在從加工較硬的材料變?yōu)檩^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最佳刀具。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?！?/p>
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?！?/p>
該公司開發(fā)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。
另一種選擇是改變切削參數(shù)。Index公司的Economan指出 “一旦切穿了淬硬層，就可以采用更大的切削參數(shù)。如果淬硬深度只有0.13mm或0.25mm，在切過這一深度后，要么更換不同的刀片，要么仍然使用同樣的刀片，但應將切削參數(shù)增大到適當?shù)乃??！?/p>
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(wěn)定的加工環(huán)境。對于連續(xù)或斷續(xù)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(xù)切削時，對切削刃的制備應比連續(xù)切削時更大，采用的切削角度也應該更大?！?/p>
伊斯卡公司新開發(fā)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(xù)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(xù)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(xiàn)裂紋或破裂。
住友電工推出的BNC30G涂層PCBN牌號用于淬硬鋼工件的斷續(xù)切槽加工。對于連續(xù)切槽加工，該公司建議采用其BN250通用型刀片牌號。Maton說，“連續(xù)切槽時，刀片長時間處于切削狀態(tài)，會產生大量切削熱，因此需要采用耐磨性很好的刀片牌號。而在斷續(xù)切槽時，刀片不斷進入和退出切削，會對刀尖造成很大沖擊。因此，需要采用具有很好的韌性、能經(jīng)受斷續(xù)沖擊的刀片牌號。此外，刀片涂層也有助于延長刀具壽命。”
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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