零部件制造商在精加工淬硬工件時往往面臨兩難選擇。人們通常認為，硬車削比磨削更靈活、更環保和更高效。然而，美國羅格斯大學工業與系統工程系副教授Tu?rul Özel認為，由于硬車削存在一些與刀具幾何形狀有關的問題，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）刀片來進行硬車削，因為這種刀具材料的硬度高于硬質合金。此外，PCBN刀具在切削鐵族材料時，不會像聚晶金剛石（PCD）刀具那樣，與工件材料發生化學反應，并導致刀具提前失效。

　　PCBN刀具能夠承受硬車削時產生的高溫，但當切削溫度超過大約1,200℃后，PCBN的金屬結合劑材料就會軟化，進而導致刀具失效。

　　Özel指出，發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，崩刃可能會導致災難性的刀具失效。用PCBN刀具進行硬車削加工時，為了提高生產率和可靠性，獲得更好的表面光潔度，以及保護刀具切削刃（尤其是刀尖附近的刃口），就需要對切削刃進行優化制備。
切削刃制備方式的選擇

　　刀具切削刃制備設備供應商Conicity技術公司副總裁Bill Shaffer介紹說，刀具制造商試圖采用一種適用于所有切削刃、具有統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。他補充說，T型倒棱是最常見的切削刃制備方式，盡管它能有效減少崩刃的發生，但其相對于工件形成了一個很大的“負表面”，使切削圓角看起來更像是“犁頭”而不是切削刃。Shaffer解釋說，“用這種負倒棱切削刃加工時，從工件上切離的切屑脫落時，會直接對T型棱帶表面造成沖擊。T型棱帶是負倒棱刀具會因為切削刃出現月牙洼而失效的原因之一。”

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

　　Conicity技術公司的切削試驗表明，制備標準T型棱帶刃口的PCBN刀片會產生不穩定的切屑；制備瀑布型刃口的PCBN刀片則可形成穩定的切屑。Shaffer解釋說，與T型棱帶引起的刀具磨損（開始時發生在刃口處，然后向刀具中心部位移動）不同，采用可變參數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，是開始時遠離刃口，然后向刃口方向移動。“這就延緩了切削刃的磨損變形，并能實現更高水平的切屑控制。”他補充說，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。
相比之下，采用T型負倒棱時，切屑被擠壓在刀具與工件之間，并垂直向上離開切削區。Shaffer說，“采用這種刃口幾何廓形時，切屑沒有真正有效的排出路徑。”

　　標準型的刃口鈍化圓角會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引導切削力離開刀具切向，并更深入作用于刀具內部，從而減小刀具所受的壓力。在切削試驗和硬車削加工中，瀑布型刃口廓形可使刀具壓力減小40%。
性能優異的切削刃

　　Shaffer補充說，采用瀑布型鈍化刃口的可變參數制備方法，是基于刀具用于實際切削的方式來制備其切削刃。制備時，主切削刃的特定尺寸是基于進給率確定的。當切削刃圍繞刀尖圓角半徑過渡時，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，使其能進行“仿形”切削。Shaffer指出，“隨著刀尖半徑遠離主切削刃，切屑負荷厚度也逐漸減小。”
在Özel等人發表于Elsevier期刊的一篇名為“用可變微小形狀刃口制備的PCBN刀具進行硬車削”的論文中，從切削實驗和有限元模擬獲得的結果表明，在車削硬度為HRC40的AISI 4340淬硬鋼時，如果能針對特定切削條件，恰當地設計可變刃口制備參數，經過制備的刀片就能減少切削熱的產生，從而減小工件的塑性應變，并且刀具的磨損也小于采用標準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、進給量0.15 mm/r、切削深度1mm的切削條件下加工時，經過瀑布型鈍化制備、切削刃圓弧半徑范圍為30－60µm 的PCBN刀片產生的徑向力最小。

　　據Özel介紹，獲得這些實驗和模擬結果的原因是，在硬車削時，切削刃經可變參數制備的PCBN刀片可以提供更大的剪切作用而不是耕犁作用。這是因為，沿著刀片切削刃統一不變的刃口形狀會在尚未切除切屑厚度變得較小的副切削刃上，產生較小的尚未切除切屑厚度與切削刃半徑之比。他說，“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變增大，這反過來又增大了機械負荷和熱負荷，并產生極高的切削溫度。”

　　Shaffer指出，在某一點（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一采用的刃口制備尺寸。從該點繼續往前，刃口制備尺寸就超過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，“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化為刀具刮擦而產生的摩擦熱。”

　　Özel補充說，可變參數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給率、更小的刀具磨損進行硬車削成為可能。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。
可變參數刃口制備技術的應用

　　有幾種金屬材料適合用經過可變參數刃口制備的PCBN刀片進行硬車削加工，其中包括高合金粉末冶金材料。美國Federal-Mogul公司開發了這種專有合金材料，用于制造發動機零部件（如發動機缸蓋的閥座密封圈）。該公司威斯康星州生產廠的全球研發經理Denis Christopherson指出，這種材料是由高合金鋼與硬質顆粒（包括陶瓷和鈷基添加物）復合而成，是一種非標準的特殊材料，其硬度可高達HRA70以上，其中硬質顆粒的硬度高于HV 1,000。

　　隨著發動機的體積越來越小、轉速越來越快、溫度越來越高，閥座密封圈的工作環境也變得越來越嚴酷，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定和刀具磨損一致的安全區卻在縮小，在硬車削時刀具破裂或產生月牙洼的風險在增大。

　　Christopherson說， “這是有問題的。因為我們設計這種材料是為了獲得更好的耐用性，但這通常會導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，而是材料對某種加工工藝的響應。因此，當材料難于加工時，為了有效去除切屑，工藝系統必須設計合理，并具有良好的剛性。用戶必須遵循良好的加工習慣。只有控制好這些要素，才能增大加工安全區。而刀片的刃口制備也是工藝系統的組成部分。他說，“刃口制備對于加工的成敗可能會產生很大影響。雖然精細的刃口制備并非總是至關緊要，但隨著加工工藝變得越來越敏感，其作用也變得越來越重要。”

　　Christopherson主要與原始設備制造商合作，開發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，經過熱處理的閥座密封圈要在發動機缸蓋中加工；為了將徑跳誤差減至最小，并使氣門導孔與密封圈座表面之間達到要求的同心度，硬車削和鉸削加工通常要在同一機床主軸上進行。

　　Christopherson指出，對于閥座密封圈來說，插切是最常見的加工方式。在整個切削過程中，切屑的厚度和負荷都在不斷變化，往往容易造成刀具崩刃或切削刃缺口，因此，研發團隊的很多工作都集中在切削刃上。雖然制備T型倒棱會推擠工件材料和增大切削力，但為了增加刃口強度，它可能仍然是必要的。無論是否采用T型倒棱，為了消除強度薄弱的“絕對鋒利”狀態，對刃口轉折過渡形狀的設計都至關重要。

　　但是，即使采用了能增大刃口強度的設計，將切屑推向T型倒棱面的很大的切削力仍然會引起微小振動。Christopherson說，“在一臺剛性非常好的CNC加工中心上，用制備了T型倒棱、直徑19mm的鏜刀加工時，產生了900Hz的微小振動。而當我們采用刃口經過輕微鈍化的刀具加工，并使切屑順暢地流過整個前刀面而不發生擠壓時，則能獲得良好、安靜、平穩、無振動的加工過程。” 據Federal-Mogul公司報告，在一次切削性能試驗中，經過大約600次切削后，刀具發生破損，刀尖處的T型棱帶不復存在。切削力和聲音頻率的測量值馬上減小，因為擠壓在T型棱帶處的切屑消除。表面光潔度測量值也有所減小，表明切屑的形成和流過前刀面變得更容易。盡管切削刃破損并不是一種令人滿意的狀態，但它證明了在切削加工時，T型棱帶刃口制備方式對切削力、振動和切屑流動的影響。
如果一家刀具制造商尚未對刀具刃口進行標準化制備，Christopherson建議由一家專業的刀具刃口制備商來提供特殊刃口（如瀑布型刃口）的設計與制備。他說，“我還沒有發現有太多技術人員能夠制備出理想的瀑布型刃口。”
但是，即使制備出了恰當的刀具刃口，也無法克服加工系統本身的弱點。Christopherson說，“如果加工系統剛性不足、調整不佳，或

　　工件和刀具夾持系統存在設計缺陷，而你卻要求它完成對高合金材料的10,000次切削，這是不可能實現的。要完成對難加工材料的高效加工，你首先必須建立堅實的工藝基礎。”
可變參數刃口制備與刀具涂層

　　據羅格斯大學的Tu?rul Özel介紹，大部分進行可變參數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勢，這是因為涂層可以抵御切削熱、增強潤滑性、提高刀具硬度和提供磨損標識（取決于不同的涂層類型）。然而，采用涂層會使刃口鈍化，例如，涂層本身的厚度可能會使5μm的刃口圓弧半徑增大到10μm或15μm。
為了克服這一缺陷，可以對涂層刀具進行刃口制備。Özel說，“當然，當你在5μm或10μm厚的涂層上進行切削刃制備后，涂層就會變得更薄一些。”。

　　Conicity技術公司的Bill Shaffer指出，該公司已能對涂層硬質合金刀具提供各種刃口制備服務，但尚未對涂層PCBN刀具進行刃口制備。

　　Özel補充說，他和Conicity公司，以及不同的研究機構、山高刀具公司及其涂層事業部正在參與一個國際研究項目，該項目是在國際生產工程學會（CIRP）的成員中進行的，旨在研究對涂層刀具進行刃口制備的影響，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，“由于有不同的企業參與，我們可能會在大約一年后得出研究結果。”