鏜削加工中避免工件材料加工硬化的技巧

對易加工硬化材料進行鏜削加工時，其中一個挑戰是提前識別預鑽孔是否已經硬化。但大多數時候，鏜孔作業的工作人員並沒有意識到這個問題。於是，他們通常會按非硬化條件下軟鋼的切削參數對工具機編程鏜孔，如此就會降低刀具壽命。然而，這個孔可能因為用了磨鈍或不適合的鑽頭加工而已經硬化，由此帶來的問題便留給了後續的加工或最終用戶。

加州西米谷科學刀具公司的產品開發經理Harvey Patterson說，很多時候，鏜刀的製造商會接到電話抱怨刀具不像以前那麼好用了，甚至懷疑刀具製造商正在製造不合格的刀具。

威斯康辛州沃喀沙瓦爾特美國刀具有限公司負責車、鏜和可轉位鑽削刀具的產品經理Sarang Garud也認同這點。他認為，磨鈍的鑽頭或誤用鑽頭會使所加工的孔處於非常糟糕的硬化狀態。不管你在鏜孔作業中使用了多少好的辦法，都將為一個糟糕的粗加工而付出代價。一個好的應用工程師應該能夠根據刀具使用狀況及時發現工件材料的加工硬化情況而不是指責刀具的製造商。

Garud指出，容易產生加工硬化的材料包括鎳基超合金如Inconel 718、奧氏體不鏽鋼和雙相不鏽鋼。切削加工產生的熱會使工件材料的加工硬化傾向增加。即使在冷加工中（如拉伸、擠壓或拋光等過程）材料的晶體結構也會趨於硬化。然而，材料的晶體結構在加熱狀態下更容易重新排列而硬化。

查看切屑顏色

Patterson說，要想知道鑽孔時是否導致了材料的加工硬化，可以對加工過程中產生的切屑進行視覺檢查。因為切屑的流動和切削液的飛濺使得無法在鏜孔加工時確定加工硬化的跡象，機械師需要通過檢查鑽削時產生的較大切屑而發現問題所在。

當鏜削易加工硬化工件時，瓦爾特刀具公司建議使用較小切削刃鈍圓半徑和刀尖圓弧半徑的刀具，以減少徑向切削力，並使切削深度大於刀尖圓弧半徑　　

在談到硬化材料的切屑時，Garud說，切屑的顏色可能會較暗黑，說明較多的熱量致使材料硬化。觀察先前加工產生的切屑可能是最快的檢查方式。

根據Garud的說法，另一種加工硬化的視覺跡象是鏜孔表面不一致的光滑程度。當鏜孔出現加工硬化時，通常會在第一次走刀後在刀具的切深位置處出現溝槽和崩刃之類的磨損問題。此外，當鏜削薄壁零件時出現加工硬化，薄壁會因切削力過大而彎曲。

他認為，一些先進的非破壞性技術如超聲波，可能會有所幫助，但並不是所有的車間都配有此類設備並培訓所有人員使用。實驗室測試或破壞性測試，如在加工之前和之後切開鑽孔並在硬度試驗機上測試也是可行的。

美國俄亥俄州多佛聯合機械工程公司的產品經理Ben Morrett補充說，切屑的形成和控制提供了進一步的線索。在切削加工易引起刀具崩刃的材料時，如果切屑易斷，說明該材料可能已經硬化。

刀具幾何參數

為了在防止加工硬化的同時有效地鏜孔，Morrett說，聯合機械工程公司提供了一個符合ISO標準的刀片，它具有正前角切削刃，在切屑下面實現剪切，可以減少在鏜孔過程中產生的熱量。刀具設計為這種幾何形狀是解決易硬化材料加工硬化的一個良好開端，目前此類刀具提供三種不同ISO尺寸規格。

對切削刃稍加打磨有益於鏜削易加工硬化材料。Patterson指出，在鏜孔時刀具上的溝槽磨損在刀具的切深位置處形成，而打磨切削刃則有利於阻止這種溝槽的形成。

Garud建議，如果切削過程和切削餘量允許的話，可以改變每次切削的切削深度。當這種方法不可行時，則用一個較小切削刃鈍圓半徑和刀尖圓弧半徑的刀具，以減少徑向切削力，事先計劃好切削深度，使切削深度大於刀尖圓弧半徑。

Morrett表示，聯合機械工程公司還有一款PVD TiAlN多塗層刀片，用於加工難加工材料高溫合金和不鏽鋼。這種塗層能夠很好地阻熱，減少工件材料粘刀和積屑瘤的形成，公司生產的WHC111塗層刀片非常適合於硬度高達58HRC材料的加工。

Patterson認為，TiAlN塗層的工具適於易硬化材料的鏜削加工。然而，許多零件製造商喜歡使用無塗層的刀具，因為其成本更低，而且能用於較軟的金屬材料。但如果材料加工硬化了，則可能需要塗層刀具。

減小切削熱

當終端用戶意識到並非在鏜削軟質材料（如退火鋼），而是一個已經硬化的孔時，Patterson建議減少30%以上的切削速度。

F101 02 GN 200 WHC111正前角刀具適於易加工

硬化的材料鏜削加工當鏜削易於加工硬化材料時，Morrett也認為有必要降低切削速度，但是可以增加進給速度以保持材料切除率並防止加工硬化。為了迅速執行和完成切削過程，不能害怕使用較高的進給速度，因為切削時間越長，就越有可能使材料產生加工硬化。鏜削這些材料的方法與鑽削方法相似。

Garud補充說，極低的進給速度會使刀具耕犁而不是剪切材料。而做同樣的切削，剪切意味著更少的能量需求和更少的加工硬化。

另一種常見的方法是使用冷卻液，特別是使它精確對準刀具/工件接觸面。Patterson說，穿過刀具實現內冷的冷卻液確實有幫助，冷卻液會進入孔底，然後從孔內部由裡往外衝洗。如果冷卻液不是通過鏜杆內部進入孔底而是外部路徑，則切屑、鏜杆本身會對冷卻液形成障礙。如此，發生加工硬化的可能性就會增大。Morrett說，可在一定的壓力下使用冷卻液，多數情況下使用壓力為400psi或500psi以下的切削液就能夠滿足應用，沒有必要在1000psi的壓力下使用冷卻液。

有關硬度

雖然聚晶立方氮化硼（PCBN）是硬鏜加工時的首選刀具材料，但它不適用於未經過熱處理材料孔的鏜削，即使該材料有加工硬化傾向。這是因為，正如前面所提到的，很難知道材料是否已硬化，而且在整個制孔和精加工過程中不可能只使用鋒利的新刀具。

科學刀具公司的鏜刀系列

Patterson說，如果材料硬度低於45HRC，不適合選用CBN刀具。當使用CBN刀具切削軟鋼時，CBN刀具磨損得非常快，比硬質合金刀具磨損得更快。但當材料硬度超過45HRC時，CBN刀具性能明顯優於標準硬質合金刀具。

此外，Morrett說，PCBN—鑲嵌刀片切削刃鈍化，切削時會增加切削熱的產生。CBN適用於經過熱處理或其他措施硬化的材料——這些材料不同於不鏽鋼或耐熱高溫合金。根據Garud的說法，通過熱處理或預硬化獲得的硬度範圍比加工硬化導致的硬度範圍更容易控制，因為後者會隨著加工參數和刀具狀態的變化而變化。Garud強調，從某種意義上說，硬質材料的差異在於硬化層的一致性。

為了避免鏜削易硬化材料時刀片溝槽磨損和崩刃、減少刀具壽命和其他缺陷的發生，Patterson建議制孔過程中常檢查所用刀具，包括鑽孔刀具、鉸刀、鏜刀，判斷刀具是否仍然鋒利，有無粘結切屑或裂紋等。一般裸眼觀察就足夠了，但在10倍顯微鏡下觀察則更容易發現問題。而一些年輕的操作工經常只看一把刀具、觀察一種切屑。

鏜削列印金屬材料

隨著越來越多的金屬部件被3D列印出來和所使用金屬粉末種類的數量不斷增加，零部件製造商可能會面臨這些零件鏜削加工時的困難。不幸的是，幾乎沒有任何針對3D列印金屬部件機械加工的建議。

科學刀具公司的Harvey Patterson說，據我所知，目前還沒有人在3D列印材料上做刀具壽命的測試，以便給那些需要加工3D列印材料零件廠商提供切削加工信息，比如，你會因為困難而放慢速度嗎？這種材料的橫向斷裂強度真的很高嗎？需要很大的切削力嗎?他補充說，橫向斷裂強度越高，需要施加在刀片上的力越大。這會增加刀具的撓度，因此需要更小的切深。

然而，目前鏜削3D列印部件的案例數量似乎還很少。Patterson說:「我只接到過一個客戶來電說他正在進行此類加工。」客戶面臨刀具過早磨損的問題，確切的材料性能仍在討論中。

聯合機械工程公司的Ben Morrett估計只有少數客戶需要切削加工3D列印材料。他表示沒有足夠的信息來確定他能否使用CBN或金剛石刀具進行此類切削，或者他如何處理刀具磨損問題。他們正在使用我們的一些粗加工刀具（如雙刃刀）來更好地進行孔加工。

《工具展望》   

 

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