决定拓展新市场的工厂通常会被要求添加新的加工设备或采用新的加工工艺来支持他们的工作。以 True Die 为例，它通过制造用于深冲金属板成型应用的精密圆形工具来实现产品多样化，这促使它开发出一种有效的硬车削策略。目标是消除对（主要）硬化粉末金属圆形工具（硬度范围为 64 HRC）的内径 (ID) 和外径 (OD) 磨削的需求，使其能够实现更高的材料去除率，同时在同心度、表面光洁度和尺寸精度方面达到磨削所能达到的水平。它已经做到了这一点，建立了将直径和半径硬车削到 ±0.0002 英寸精度的能力。

事实上，密歇根州泽兰工厂最近新增的两台机床都是车削中心，主要用于硬车削。Mitch Stahl 是 True Die 的技术专家，他与车削协调员 Chris McCleary 一起领导一个机械师团队制定了工厂的硬车削策略。简而言之，他说工厂的方法归结为三个相互关联的概念：建立整体工艺刚性、实施正确类型的切削刀具和应用适当的切削数据。

这里的关键词是相互关联。Stahl 先生坚持认为，只实施其中一两个概念是行不通的；必须适当解决所有问题才能实现有效的硬车削。“在实施这样的工艺时，注意细节也同样重要，”他指出。

真死该公司前身为 Contour Tool and Engineering，2015 年被收购，擅长设计、加工和组装塑料注塑模具和渐进式模具组。该公司在其 10,000 平方英尺的工厂中拥有各种加工设备，包括 CNC 铣床、车削中心、磨床以及线切割和电火花成型设备。

True Die 总裁 Brian Brown 表示，深冲金属成型行业为工厂提供了一个机会，使其能够开拓一个新市场，从而补充其服务的其他市场。“我们在深冲压应用方面的专业知识使我们成为独一无二的工具供应商，使我们能够为市场带来切实可行的解决方案和性能更高的工具，”Brown 先生说。“我们在设计、开发和生产深冲压件方面拥有超过 100 年的综合经验，我们已做好充分准备，彻底了解该行业的独特要求。”

在收购时，Contour 仅生产模具和冲模。与一家深冲压公司和另外两家客户建立战略合作伙伴关系，为业务提供了多样化和快速增长的机会，该工厂通过建立 Brown 先生所说的“细节部门”完善了其产品线，该部门为新的和现有的深冲压工具和自动装配设备提供单独的组件。事实上，细节工作目前占该工厂销售额的 50%，自进入细节市场以来的两年内，该公司增长了近 700%。

这种圆形工具用于复杂的渐进式深拉模具，用于制造金属板（通常为不锈钢）的部件（通常是圆柱形），主要用于汽车应用，例如燃料、制动和安全气囊系统的部件。“我们最初认为我们需要购买一台功能更强大的圆柱磨床来达到圆形工具所需的公差和光洁度，”布朗先生说。“然而，鉴于他在硬车削方面的经验，斯塔尔先生认为硬车削工艺可以达到工具所需的精度，并且由于材料去除率更高，因此比磨削可以实现更快的生产速度。此外，我们还可以高效地车削硬化材料中的复杂轮廓，而磨削的成本过高，可能需要成形磨削操作。”

由于 True Die 是一家加工车间，其圆形模具的批量较小（通常从 1 件到 6 件不等），产品组合丰富。模具长度可达 20 英寸，直径为 0.1 至 12 英寸，许多型号的长径比 (L:D) 较高。

该车间主要用粉末金属合金棒料制造圆形工具，粉末金属合金由各种金属和合金元素的组合颗粒制成。粉末金属“配方”被压缩成棒料形式，车间首先在其软态或“绿色”状态下进行加工，然后进行热处理，将各个颗粒粘合在一起以形成硬化部件。根据具体的粉末金属合金，绿色状态下的工具硬度基本上可以忽略不计，可以使用传统的车削方法有效加工。然而，经过热处理后，工具硬度可达到 64 HRC。该车间加工的常见粉末金属钢包括 CPM 3V、9V 和 10V，以及 M2 和 M4。

True Die 通常会在预硬化状态下车削工具后留下大约 0.010 到 0.012 英寸的额外余量，以便进行后续硬车削。它可能会为热处理后容易严重翘曲的部件（例如 L:D 较高的部件）留下更多余量。在严重翘曲的情况下，挑战不在于实现尺寸公差，而是严格的同心度公差。“有时，让翘曲的部件变直比让它达到尺寸更困难，”Stahl 先生说。

True Die 最近购买的两台用于硬车削的车削中心是 马扎克Quick Turn Nexus 250 II 型号配备 12 工位刀塔（均无实时刀具工位）。Stahl 先生说，第一台机器于 2016 年 4 月购买，第二台于同年 8 月购买，它们为车间提供了所需的刚性，为其硬车削工艺奠定了基础。

据机床经销商代表 Mike Utter 介绍 艾迪机械（密歇根州大急流城）的一家公司，该公司将机器出售给 True Die，其 MX 混合滚柱导轨系统是其刚性的主要贡献者。“滚柱比滚珠轴承提供更多的表面接触，但摩擦力却比滑块小，”他解释道。“该系统还能有效处理重负载能力，因为滚柱的弹性变形较小，并且它们具有高度的阻尼能力，从而延长了刀具寿命。它还具有 X 型设计，可有效地将负载分配到四个方向 - 径向（顺时针和逆时针）、反向径向和横向 - 并减少执行转弯运动时的反转误差。”此外，据说这些机器使用的整体主轴电机在重载切削期间比采用皮带传动主轴的机器提供更好的同心度。

Stahl 先生说，在硬车削过程中，考虑工件夹持和切削刀具的刚性同样重要。为了解决前者，车间使用夹头代替夹爪，以提供与棒料的更多表面接触。“此外，平行夹紧更容易实现，因为使用夹头时不会抬升夹爪，”Stahl 先生说。“所有配合面也必须清洁，包括工件、夹头和主轴鼻端。”

True Die 使用 哈丁格FlexC 快速更换夹头系统安装在其 Nexus 机床上（以及车间中的许多其他车削中心上），可提供 0.0004 英寸以内的总指示跳动 (TIR)。与传统的爪式卡盘相比，FlexC 还可加快设置和更换时间。该系统具有主轴安装组件、夹头头和带扳机释放装置的手动扳手，用于在机床卡盘处于未夹紧位置时手动安装或更换夹头头。

夹头由硬化钢段组成，这些段通过硫化工艺连接在一起。由于没有夹头柄，夹头段与坯料保持平行。据说平行夹紧可最大限度地减少坯料“回推”，并且需要较小的拉杆力来实现与传统夹头相同的夹持能力。该系统可容纳直径范围为 3.25 英寸的棒料，典型的 FlexC 夹头的夹持范围比其公称尺寸小和大 ±0.020 英寸，以适应棒料尺寸变化，而无需更换不同尺寸的夹头。对于直径大于 3.25 英寸的工件，该车间使用标准三爪和六爪卡盘。

McCleary 先生解释说，为了确保切削刀具的刚性，首先重要的是将刀具定位在适当的刀具中心高度。“偏离中心仅 0.002 英寸就会引起颤动和振动，”他说。“此外，工件直径越小，刀具中心高度就越重要。”这是因为，如果刀具与工件中心的距离相同，工件直径越小，误差的比例就越大。

刀具从刀架伸出和悬伸也应最小化。通常，决定因素是使用尾座时外径车削的刀具间隙和镗孔内径时的孔深。“如果悬伸导致振动，第一步是修改速度和进给，”McCleary 先生解释道。“下一步是考虑不同的切削刀具刀片鼻尖半径或边缘准备。”

在几乎所有情况下，True Die 都使用立方氮化硼 (CBN) 切削刀具进行硬车削，主要来自 住友。该车间发现，对于非常硬的材料，CBN 比陶瓷的使用寿命更长，重复性更好，并且可以使用冷却液。但代价是 CBN 刀具的成本高于陶瓷。通常，它使用 Sumiboron BNC200 等级进行连续切削，使用 BNC300 等级进行断续切削（大约 25% 的圆形刀具有断续切削）。据说这些刀片在抗断裂和耐磨性之间实现了良好的平衡，并具有氮化钛铝 (TiAlN) 涂层。

True Die 使用 25 至 80 度的菱形刀片（通常具有负几何形状），刀尖半径范围为 0.004 至 0.031 英寸。55 度刀片通常用于外径车削，0.030 英寸刀尖半径用于粗加工，0.015 英寸刀尖半径用于精加工。强度更高的 80 度菱形刀片用于重度断续切削。对于镗孔操作，车间通常使用具有正几何形状的 80 度刀片。

McCleary 先生表示，在选择正向或负向几何形状的刀片时，需要权衡利弊。“我们发现，负向几何形状的刀片比正向几何形状的刀片更坚固，而且可以翻转以提供四个可用的刀刃，”他解释道。然而，这些刀片会产生更大的切削压力，并提供较小的间隙。正向几何形状的刀片切削更自由，间隙更大，但切削刃较弱。

就切削数据而言，True Die 的每种硬车削应用都没有固定值，因为它会根据材料类型、硬度、工件 L:D、切削条件等而变化。对于非常硬的材料，车间可能以低至 150 sfm 的速度进行严重断续切削，而对于硬度等级适中的较软的材料，则可能以高达 550 sfm 的速度进行切削。

Stahl 先生说，尽管切削刀具代表建议 DOC 至少应为刀具鼻尖半径的量，但车间用于精加工操作的典型切削深度 (DOC) 为 0.003 至 0.004 英寸。然而，True Die 发现，在某些情况下，例如当工件 L:D 高于 20:1 时，更深的切削压力会导致工件偏转过多，并经常阻止其保持公差。这种压力甚至会将应力传递到部件中，导致其弯曲。

通过在热处理后留下 0.010 至 0.012 英寸的待去除库存，可以在相同的 0.003 或 0.004 英寸 DOC 或大约相同的 DOC 处执行三次硬车削。这样，每次车削的工具压力都相同。

“如果之前的部件已达到规格要求，操作员应能够将刀具后退刚刚去除的毛坯总量，这样刀具几乎不会刮擦部件，”Stahl 先生解释道。“然后，只需进行第一次加工，以提供良好的表面来测量工件，进行第二次加工并进行测量，以确保操作重复，然后进行最后一次加工，使工件达到最终尺寸。”

使用这种方法，车间可以推动刀具，直到其停止重复。磨损是正常且可预料的，只要刀片的磨损量可重复，就可以控制。但是，如果当前刀刃不重复，则必须更换刀片或将其转位到新刀刃。

除了断续切削，车间几乎在所有情况下都使用冷却液。冷却液的使用不是为了冲洗切屑或提供润滑，而是为了保持部件冷却。“我们有时会引导冷却液流远离惰性尖端，在某些情况下甚至引导到部件的另一侧，”McCleary 先生说。“高硬度粉末金属材料在硬车削过程中会产生大量热量，以至于热量的热膨胀会超过我们允许的公差。此外，如果不使用冷却液，操作员必须在硬车削后冷却工件，然后才能测量。使用冷却液使我们能够立即测量部件。”车间不使用冷却液进行断续切削，因为切削刃可能会发生热裂纹。

True Die 的两台 Quickturn Nexus 机床中有一台专门用于硬车削工作，而另一台有时用于需要传统车削能力时。事实上，Stahl 先生认为，如果可能的话，将车削中心专门用于硬车削工艺非常重要。“如果您有工作要用硬车削精加工操作来填满机床的时间表，那么为什么要用它进行粗加工呢？”他问道。“从长远来看，最好让一台机床专门用于硬车削，因为我相信这样可以延长机床有效执行这些精确操作的时间。此外，它使您能够在机床上安装所有适当的车削、端面和镗孔工具，从而加快设置速度。话虽如此，让机床用于硬车削并不总是可行的，尤其是在小批量、高混合车间。”