加工淬火钢怎么选择刀具

　　淬火钢是机械加工车间常见的一种钢件，淬火钢工件种类繁多，并且在加工过程中出现很多加工难题。目前，加工淬火钢的刀具材料有涂层硬质合金刀具，陶瓷刀具和立方氮化硼刀具，针对以上三种刀具做了简单的分析，并简单阐述了淬火钢的切削用量。

一、淬火件变形的因素

1.淬火件变形的原因：
1），碳含量及其对淬火变化量的影响；
2），合金元素对淬火变形的影响；
3），原始组织和应力状态对热处理变形的影响；
4），淬火前工件本身的应力状态对变形有重要影响。特别是形状复杂,经过大进给量切削加工的工件,其残余应力若未经消除,对淬火变形有很大影响。；
5)，工件几何形状对热处理变形的影响；
6)，工艺参数对热处理变形的影响。

二、淬火钢加工中遇到的问题

1、淬火钢的粗加工：
车削加工热处理过的齿轮，齿圈的生产过程中，一些齿轮、齿圈淬火或渗碳淬火后，硬度一般在HRC55以上，有的硬度达到HRC60甚至HRC65左右。齿轮常用一下材质：20Cr、20CrMnTi，40Cr、42CrMo、35CrMo。有的齿轮热处理后变形严重，特别是渗碳淬火后的大齿圈，大齿轮，如高铁齿轮，工程机械大齿圈，重工行业用大齿圈等，这些大型齿轮齿圈淬火后变形量非常大，这就涉及到淬火钢粗加工。同样，在模具钢生产过程中，淬火钢的粗加工也经常看到，但很多厂家采取的措施也五花八门，有的先把大余量线切割掉，有的用硬质合金刀具慢慢啃，有的用CBN刀具多次走刀才能完成加工，工人感慨粗加工淬火钢是有劲使不出，干着急，没办法。

2、淬火钢的断续加工：
间断切削加工一直是个难题，何况是动辄HRC60左右的淬火钢。特别是在高速车削淬火钢时，如果工件有间断切削，刀具在间断切削淬火钢时会以每分钟100次以上的冲击来完成加工，对刀具的抗冲击性能是个很大的挑战。以汽车齿轮加工为例，淬硬齿轮以车代磨已经成为一种趋势，据了解，作为齿轮产业的三大市场之一，车辆齿轮占据了齿轮市场总额的62%，其中汽车齿轮又占据了车辆齿轮市场份额的62%。也就是说，汽车所用齿轮占有了整个齿轮市场近40%的比重，可见齿轮对于汽车产业的重要性。虽然淬火钢的以车代磨和硬车削已经很普及，其实汽车淬硬齿轮加工过程中仍然遇到很多问题，如一些汽车齿轮内孔有油孔，这就出现间断切削加工难题，很多CBN刀具在高速运转时期遇到油孔容易崩刀，齿轮的位置公差难以保证，等等

3、淬火钢的切槽加工：
举一个简单的例子，同步器滑套啮合槽淬火后的硬车削加工，虽然CBN刀具厂家开发出了同步器滑套专用CBN切槽刀具，但CBN刀具的寿命仍然不尽如人意。

4、淬火钢车削的光洁度问题：
例如，轴承钢淬火后车削加工一般需要很好的表面光洁度，Gcr15钢是常用轴承钢，淬火后硬度一般在HRC62左右，在生产加工过称中，由于轴承的精度和光洁度要求非常高，如果设计调整好CBN刀具的刃口，淬火钢车削光洁度达到Ra0.4也不是不可能。

三、涂层硬质合金加工淬火钢

　　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。

四、陶瓷材料加工淬火钢

　　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。

五、立方氮化硼刀具（CBN刀具）加工淬火钢

　　立方氮化硼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。

　　立方氮化硼含量高的CBN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P立方氮化硼刀具中立方氮化硼 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，陶瓷刀具和立方氮化硼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。P立方氮化硼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陶瓷的成本低于立方氮化硼材料，陶瓷刀具具有良好的热化学稳定性，但却不及立方氮化硼刀具的韧性和硬度。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。立方氮化硼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，立方氮化硼刀具切削后的工件表面残余应力也比陶瓷刀具相对稳定。

　　使用立方氮化硼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 立方氮化硼刀具的磨损。此外，在小切探时也应尽可能采用立方氮化硼刀具，因立方氮化硼 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。

六、淬火钢的切削用量

　　切削加工淬火钢的切削用量，主要根据刀具材料、工件材料的物理力学性能、工件外形、工艺系统刚性和加工余量来选择。在选择切削用量三要素时， 先考虑选择公道的切削速度，其次是切削深度，再其次是进给量。

　　(1)淬火钢切削线速度：一般的淬火钢耐热性在200℃～600℃，而硬质合金的耐热性为800℃～1000℃，陶瓷刀具的耐热性为1100℃～1200℃，立方氮化硼的耐热性为1400℃～1500℃。除高速钢外，一般淬火钢达到400℃左右时，它的硬度开始下降，而上述刀具材料仍保持它原有的硬度。所以在切削淬火钢时，充分利用上述这一特性，切削速度不宜选择太低或太高，以保持刀具有一定的耐用度。从目前的经验来看，不同的刀具材料切削淬火钢的切削速度，硬质合金刀具Vc=30～75 m/min；陶瓷刀具Vc=60～120 m/min；立方氮化硼刀具Vc=100～200 m/min。在断续切削和工件材料硬度太高时，应降低切削速度，一般约为上面 低切削速度的1/2。在连续切削时的 佳切削速度，以切下的切屑呈暗红色为宜。

　　(2)切削深度：一般根据加工余量和工艺系统刚性选择，一般情况下，αp=0.1～3 mm，目前针对大余量切削淬火钢的刀具材质有KBN700，吃刀深度达到7-10mm，针对淬火后变形工件，淬火钢加工余量难以控制需要退火处理再加工等难题给出了满意的刀具选择，改变了固有的淬火钢切削加工工艺；

　　(3)进给量：一般为0.05～0.4 mm/r。在工件材料硬度高或断续切削时，为了减小单位切削力，应当减小进给量，以防崩刃和打刀；对于加工进给量的选择，建议根据工件的形状尺寸选择刀具角度，能提高加工效率同时，更能有效提高刀具的使用寿命。

七、加工淬火钢的立方氮化硼刀具的创新

　　随着淬火钢件的应用越来越多，也出现很多不同加工工况，如连续切削、中等断续切削和强断续切削的均有出现，尤其强断续切削淬火钢件更是难上加难，切削过程中切削刀具很容易出现崩刃现象，影响淬火钢件的表面质量，为了更好的满足淬火钢的不同加工工况，超硬刀具企业不断的研发和创新，终研制出一整套的以车代磨淬火钢的加工方案，针对淬火钢的不同工况研制出KBN100,KBN150和KBN200三款材质，分别针对连续切削，中等断续切削和强断续切削工况。表面光洁度达到Ra0.8，同时提高生产效率。

　　以上三款材质属于复合式CBN刀片，其迟到深度控制在0.5mm以内为好，如大雨量加工（风电轴承等）大型淬火钢件，可选择KBN700材质，这款材质属于整体聚晶CBN刀片，其吃刀深度可达到1-10mm/次。
　　
八、立方氮化硼刀具加工淬火钢的案例参数

1、KBN100材质连续切削加工淬火钢的案例参数：
加工材料：20CrMnTi齿轮，HRC58-62，
选用刀片：KBN100 CNGA120408，
切削参数：ap=0.1mm，Fr=0.1mm/r，Vc=180m/min，干切 ，
加工效果：其刀具寿命是某品牌CBN刀具的1.45倍。

2、KBN150材质中等断续切削加工淬火钢的案例参数：
加工材料：20CrMnTi齿轮，HRC58-62，
选用刀片：KBN150 CCGW09T304，
切削参数：ap=0.25mm，Fr=0.08mm/r，Vc=135m/min，干切，
加工效果：刀具寿命是某欧系品牌CBN刀具的1.7倍，效率提供22%。

3、KBN200材质强断续切削加工淬火钢的案例参数：
加工材料：20CrMnTi齿轮，HRC58-62，
选用刀片：KBN200 WNGA080404，
切削参数：ap=0.15mm，Fr=0.1mm/r，Vc=117m/min，干切，
加工效果：刀具寿命是某品牌CBN刀片的6倍。

推荐选用立方氮化硼。不过前提条件是你使用的机床主轴精度要好，一般跳动不能超过0.01mm左右。另外加工时注意选用合适的加工参数，线速要在6-8米左右，太慢了刀具反而发挥不了性能。不过这样加工有一个不太好的地方是切削温度会很高

精车淬火钢BN-H11牌号硬车刀片：连续切削淬火硬钢，切削参数：Vc=120-230m/min；fn=0.1-0.25mm/r
精车淬火钢BN-H20牌号刀片：中等断续切削，切削参数：Vc=100-180m/min,fn=0.07-0.15mm/r。
粗车加工淬火钢BN-S20牌号：整体PCBN刀片，华菱非金属粘合剂CBN刀具配方，可粗加工和断续加工淬火件。吃刀量可达7.5mm，用于修复模具，以车代粗磨从单边背吃刀量方面提高加工效率。Vc=90--150m/min,Fn=0.1-0.45mm/r.

加工淬火钢推荐的PCBN立方氮化硼刀具牌号：
1、BN-H05牌号：适用于高速连续精车淬火钢，达到以车代磨的效果，可以代替进口CBN刀具，光洁度可达Ra0.2,可承受高速切削，加工效率高。
2、BN-H10牌号:适用于连续或者轻微断续精车淬火钢，优势是单刃口的耐磨性好，并且光洁度可以实现Ra0.4以内，精度公差0.02以内，可以替代进口的同质产品。
3、BN-H21牌号:适用于强断续精车加工，就是工件的加工面有键槽或者油孔的断续工况，比如:淬火后齿轮端面（带油孔）、齿轮内孔（带键槽）的精车加工，实现以车代磨工艺，这款刀具的优势就是可以承受中等断续切削，抗冲击性好，并且加工完的工件精度和光洁度都不错。
4、BN-S20牌号：适用于大余量车削淬火钢，比如粗车加工齿轮齿顶，齿圈，可承受强断续，整体式CBN刀具，抗冲击性和耐磨性兼备。

加工淬火钢主要根据加工工况，加工余量来选择刀具，CBN刀具是加工淬火钢的主流刀具，但CBN刀具里面有很多材质，是针对淬火钢不同工况，不同加工余量所研制的。
不同淬火钢件加工余量不同，加工工况不同，所选择的刀具也不同，如淬火钢加工余量0.5mm以内，连续切削工况用BN-H05，轻微断续切削工况用BN-H10，强断续切削工况用BN-H21，如淬火钢加工余量在1mm左右，用BN-H200全贴面复合式CBN刀片合适，不崩刀，耐磨性好，如淬火钢加工余量在2mm以上，用BN-S20整体式CBN刀片合适，抗冲击抗崩损。