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在金屬切削過(guò)程中，刀具將使材料發(fā)生變形，直至以切屑的形式被切除。 該變形過(guò)程需要消耗大量能量，并且刀具將承受各種機(jī)械、熱、化學(xué)和摩擦負(fù)荷。此類負(fù)荷最終會(huì)導(dǎo)致刀具 出現(xiàn)損耗，并磨損或失效。因此，要實(shí)現(xiàn)良好的金屬切削加工過(guò)程必須要平衡刀具切除金屬時(shí)消耗的能量和 刀具穩(wěn)定承載切削負(fù)荷的能力。

正確地了解并處理切削參數(shù)、刀具槽型、刀具材料和其他因素之后，機(jī)械工程師就能實(shí)現(xiàn)高效、經(jīng)濟(jì)的金屬切削工藝。機(jī)械負(fù)荷在車削加工中比較穩(wěn)定，而在銑削中則會(huì)從小到大再到小不斷變化。本次分析將集中介紹車削操作中的參數(shù)和刀具槽型，稍后將探討銑削中的不同問(wèn)題。

加工負(fù)荷

作用于切削刀具的負(fù)荷分為四個(gè)基本類別：機(jī)械、熱、化學(xué)和摩擦。

機(jī)械壓力會(huì)加快刀具的磨損和失效。加工零件中的氣孔或夾渣所造成的斷續(xù)切削會(huì)產(chǎn)生沖擊負(fù)荷，從而導(dǎo)致刀具崩刃或破損。

由于工件材料變形而產(chǎn)生的熱負(fù)荷會(huì)產(chǎn)生熱量，導(dǎo)致溫度上升到 800-900 攝氏度，從而造成刀具變形和變鈍。

熱與壓力的結(jié)合還會(huì)促使切削材料與工件材料之間發(fā)生化學(xué)變化，從而產(chǎn)生擴(kuò)散或深坑形式的磨損。

刀具與切屑之間的摩擦力會(huì)產(chǎn)生摩擦磨損和沖蝕磨損，也就是摩擦負(fù)荷的結(jié)果;通過(guò)對(duì)表面彼此之間的接觸進(jìn)行摩擦學(xué)檢查，可確定它們?cè)谔囟ǖ臏囟群蛪毫ο聦��?duì)彼此的形狀變化造成多大的影響。

四種負(fù)荷類別并非獨(dú)立作用，而是相互作用并影響綜合的效果。所用機(jī)床的功率、機(jī)床和零件緊固裝置的剛性，甚至是機(jī)床操作者的技能，都會(huì)影響加工效果。負(fù)荷的相互作用會(huì)產(chǎn)生各種結(jié)果，并且最終都會(huì)導(dǎo)致刀具出現(xiàn)損耗并磨損或失效。

刀具使用壽命終結(jié)的速度和可預(yù)見(jiàn)性取決于刀具承受所產(chǎn)生負(fù)荷的能力。為盡量延長(zhǎng)刀具使用壽命并確保工藝安全性，必須在一定時(shí)間內(nèi)將加工負(fù)荷降至低于刀具負(fù)荷承受能力的水平。影響該能力的關(guān)鍵因素包括刀具的切削槽型以及切削材料和鍍層。

主動(dòng)解決問(wèn)題

為確保經(jīng)濟(jì)高效，機(jī)械加工車間需要努力縮短用于機(jī)床設(shè)置、刀具裝卸和工件裝卸的時(shí)間以及其他空閑時(shí)間。但是，空閑時(shí)間時(shí)很少會(huì)將解決問(wèn)題的時(shí)間包含在內(nèi)。在加工開(kāi)始之前主動(dòng)應(yīng)用適當(dāng)?shù)牡毒卟坌秃颓邢鲄��?shù)，可以有效縮短問(wèn)題診斷和解決的時(shí)間。

可加工性

主動(dòng)的進(jìn)行計(jì)劃是為了最大程度提高工序的可加工性。傳統(tǒng)的可加工性定義主要集中在特定工件材料上，并采用比例因子來(lái)測(cè)量該特定工件材料相比基準(zhǔn)材料的加工難度。

但是在本次討論中，可加工性定義為在提高單位功率金屬切除率方面 需要達(dá)到的目標(biāo)。

這是在最高生產(chǎn)率和最低成本條件下，金屬切削操作可以達(dá)到的可靠性程度。

提高加工速度的簡(jiǎn)化方法是改善切削條件，即切削深度、進(jìn)給和切削速度。但是，改善加工條件會(huì)對(duì)切削刀具承受的負(fù)荷造成一些影響。在本次分析中，我們將著重探討機(jī)械負(fù)荷。

必須知道，切削刀具上的機(jī)械負(fù)荷與切削力并不是一回事。可以將機(jī)械負(fù)荷理解為壓力(單位表面積受到的力)。高切削力在較大面積上擴(kuò)散，刀具承受的負(fù)荷就相對(duì)較小。另一方面，即使是較低的切削力，如果集中在刀具的極小一部分上，也可能會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)負(fù)荷問(wèn)題。切削力受工件材料、刀具槽型和影響。反過(guò)來(lái)，切削力又會(huì)影響能耗、振動(dòng)、工件公差和刀具使用壽命。

切削參數(shù)的影響

切削深度、進(jìn)給和切削速度的處理會(huì)對(duì)刀具負(fù)荷產(chǎn)生不同的影響。切削深度加倍會(huì)使切削力加倍，但是也會(huì)使切削刃作用于切削的長(zhǎng)度加倍，因此單位切削刃長(zhǎng)度所承受的負(fù)荷仍將保持相同。切削力還將隨著進(jìn)給量的提高而提高，但程度較低且無(wú)線性關(guān)系。提高進(jìn)給量對(duì)切削力的影響并不像加大切削深度那么大，因?yàn)樘岣哌M(jìn)給量增加的是切屑厚度而不是刀具的切削長(zhǎng)度。這樣會(huì)大大增加切削刃的負(fù)荷。

在加快切削速度時(shí)，切削力通常會(huì)保持不變，但是功率要求將會(huì)升高;根據(jù)基本機(jī)械公式計(jì)算，功耗等于力乘以速度。實(shí)際上，中等切削速度范圍內(nèi)的切削力一般都會(huì)保持不變。但是研究和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)表明，切削力在切削速度降低時(shí)將會(huì)升高，并在切削速度加快時(shí)將會(huì)降低。在低速度下，可能會(huì)由于積屑瘤而導(dǎo)致切削力增加，而積屑瘤本身就表示切削速度不恰當(dāng)。根據(jù)柏林大學(xué)卡爾-薩洛蒙博士在上世紀(jì)二三十年代得出的研究結(jié)果，切削溫度會(huì)隨著切削速度上升而上升，但是隨著速度的進(jìn)一步上升將會(huì)下降。涉及到真正的高速加工領(lǐng)域時(shí)，這些結(jié)果也同樣有效，但是原因和結(jié)果有所不同，這是另一個(gè)討論主題。

太快的切削速度會(huì)導(dǎo)致不可控的切屑形成、極快的刀具磨損以及可能會(huì)使刀具碎裂或破裂的振動(dòng)，從而降低工藝的可靠性。實(shí)際結(jié)論表明，更高的進(jìn)給率和切削厚度與中低等切削速度相結(jié)合時(shí)，最有可能提高操作的安全性和可靠性。如果切削厚度和進(jìn)給率低到足以限制切削力的程度，則更高的切削速度可以提供更高的生產(chǎn)率。

通過(guò)刀具槽型來(lái)解決問(wèn)題

大家普遍都認(rèn)為，提高金屬切削生產(chǎn)率及解決問(wèn)題需要采用更先進(jìn)的切削刀具材料，例如新的硬質(zhì)合金材質(zhì)等級(jí)、鍍層、陶瓷和 PCBN。不斷改善刀具材料技術(shù)具有無(wú)可爭(zhēng)辯的價(jià)值。但是，單獨(dú)依靠新切削材料來(lái)解決問(wèn)題必然會(huì)起到反作用，可能會(huì)走入死胡同。例如，如果導(dǎo)致刀具破裂問(wèn)題的原因是機(jī)械負(fù)荷過(guò)重，則解決方法是選擇一種更強(qiáng)壯的切削刀具材料。但是如果已無(wú)法找到更強(qiáng)壯的材料，也就無(wú)路可走了。

在主動(dòng)解決問(wèn)題的過(guò)程中，刀具槽型的作用并未引起重視。改變刀具槽型時(shí)，會(huì)以一種積極的方法改變變形材料的流動(dòng)。例如，當(dāng)預(yù)測(cè)切削力的公式(參見(jiàn)側(cè)邊欄)提示結(jié)果機(jī)械負(fù)荷將會(huì)較高時(shí)，從一開(kāi)始就使用較鋒利的槽型可以降低切削力，并在問(wèn)題發(fā)生之前盡量加以避免。使用不同的刀具槽型來(lái)改變切屑流向時(shí)，還可以使化學(xué)、熱和摩擦負(fù)荷的量和影響發(fā)生積極變化。

刀具槽型的元素

刀具的槽型包括其宏觀和微觀層面的形狀和尺寸。在宏觀方面，切削刀片的基本大小和形狀決定了其強(qiáng)度。作用于較大刀片的切削力與作用于較小刀片的相同切削力相比，會(huì)導(dǎo)致更輕的負(fù)荷。較大且堅(jiān)固的刀片有助于實(shí)現(xiàn)更高生產(chǎn)率的進(jìn)給率和切削深度。但是，大刀片可能無(wú)法用于加工較小的零件特征。對(duì)于刀片形狀，也存在類似的考慮因素。圓形刀片具有最高的強(qiáng)度，而 90 度刀尖角方形刀片的強(qiáng)度也要高于 35 度刀尖角的金剛石刀片。但是，圓形刀片可切削的零件輪廓種類要少于 35 度刀具。在強(qiáng)度與應(yīng)用靈活性之間，需要作出一定的權(quán)衡。

另一個(gè)槽型因素涉及到刀具如何進(jìn)入工件，這取決于切削刃角度、刃傾角和刀具前角。如果刀具頂面(前刀面)與加工表面垂直，則會(huì)將刀具前角視為負(fù)數(shù)。切削力將傳遞至刀具的本體或最強(qiáng)壯部分。另一方面，當(dāng)切削刃從工件表面向后傾斜時(shí)，會(huì)將刀具前角視為正數(shù)。切削力集中在刀刃上，但此處不如本體強(qiáng)壯。此外，以正前角插入的刀片的后刀面必須具有楔角或后角，這樣會(huì)進(jìn)一步降低刀具強(qiáng)度。

負(fù)前角加工可以有效處理較強(qiáng)壯材料(例如鋼和鑄鐵)，但是也會(huì)產(chǎn)生更大的切削力，這樣可能會(huì)限制切屑流動(dòng)，而在剛性較低的機(jī)床、夾具或工件中也可能會(huì)導(dǎo)致振動(dòng)。正前角產(chǎn)生的切削力較小，切屑流動(dòng)也更自由，但刀具更容易崩刃或破損，并且切屑也可能無(wú)法控制。正前角切削適用于需要鋒利切削刃的粘性材料和超級(jí)合金。

斷屑槽型

車削刀片斷屑槽型由三個(gè)基本部分組成：切削刃輪廓、切屑控制輪廓或排屑槽，以及切削刃與刀屑槽之間的倒棱。切削刃輪廓開(kāi)始切屑的剪切過(guò)程;排屑槽決定了切屑的形成方式;倒棱負(fù)責(zé)管理兩者之間的過(guò)渡。所有三個(gè)部分都會(huì)影響刀具所產(chǎn)生切削力的大小。。

切削刃可以是鋒利的、倒鈍的、倒圓或帶倒角的。每種不同的輪廓都各有好處，效果也各有不同。在某些情況下，鋒利的切削刃可提供更長(zhǎng)的刀具使用壽命。但是，工件、機(jī)床和夾具必須堅(jiān)固且穩(wěn)定，否則切削刃在受到不均勻的力時(shí)會(huì)容易碎裂。倒圓和帶倒角的切削刃可以提高強(qiáng)度級(jí)別，并增強(qiáng)抗崩刃和破損的能力。

極其普遍的情況是，最適合切削鋼材(對(duì)韌性要求較高)的刀具都有著較強(qiáng)壯的切削刃;最適合切削不銹鋼(一般具有粘性)的刀具都有較鋒利的切削刃。當(dāng)然也可以用鋒利切削刃來(lái)切削鋼材，或者使用強(qiáng)壯切削刃來(lái)切削不銹鋼，但是必須進(jìn)行調(diào)整，并且生產(chǎn)率可能不會(huì)太高。機(jī)械工程師可能需要在更靈活的多用途刀具與優(yōu)化用于某些工件材料應(yīng)用的刀具之間進(jìn)行選擇。

值得注意的是，極鋒利的切削刃并不一定能提供最佳的表面粗糙度。通常需要讓切削刃工作一段時(shí)間，才能達(dá)到最佳結(jié)果。打個(gè)比方，就好像使用鋒利的小刀來(lái)削蘋果皮。最鋒利的刀可能會(huì)更難削皮，因?yàn)榈朵h可能會(huì)刺入果肉內(nèi)，而不僅僅是揭起果皮。絕對(duì)鋒利的金屬切削刀具很大程度上也會(huì)如此，可能會(huì)被拉入工件并造成表面粗糙度較差。只有在經(jīng)過(guò)輕微磨損之后，才能提供最好的表面粗糙度。

切削刃與斷屑槽型之間的倒棱可以配置為正值或負(fù)值。如果使用正值倒棱，則可以使用更快的切削速度，并降低切削溫度和磨損。但是，正值倒棱也會(huì)將應(yīng)力集中在更小面積上，可能導(dǎo)致更快的磨損和崩刃。反之，負(fù)值或基本為平面的倒棱會(huì)引導(dǎo)切削材料穿過(guò)更寬的區(qū)域，這樣可以保護(hù)刀片，但也會(huì)增大切削力、熱生成和磨損。

斷屑槽的槽型存在類似的兩面性。開(kāi)放或平底輪廓可以減輕切屑變形并產(chǎn)生較小的切削力。封閉或更窄小的輪廓可以更精確地卷曲切屑，但更大的變形會(huì)產(chǎn)生更高的切削溫度。

開(kāi)放或平底斷屑槽型的設(shè)計(jì)可最大程度地增加切屑與刀具之間的接觸，并在更寬的區(qū)域分配切削力。如果切削力較高，則開(kāi)放槽型將產(chǎn)生較低的機(jī)械負(fù)荷，刀片崩刃或破損的風(fēng)險(xiǎn)也會(huì)更低。但是，開(kāi)放槽型產(chǎn)生的切屑會(huì)更長(zhǎng)。如果切屑不受控制并導(dǎo)致清理出現(xiàn)問(wèn)題，則會(huì)給工件、機(jī)床或操作人員造成危險(xiǎn)，而封閉斷屑槽型可以解決此問(wèn)題。

另一方面，封閉斷屑槽型可以卷曲切屑以使其斷裂為更小的碎片。但是，此結(jié)果的代價(jià)是切削壓力更高。切屑太短可能會(huì)損壞切削刃，并導(dǎo)致刀具使用壽命縮短。即使切削力較低，機(jī)械負(fù)荷也仍然可能會(huì)較大。封閉槽型最適用于切削力較輕的情況，比如精加工因?yàn)槠淝邢魃疃群瓦M(jìn)給率都較低。機(jī)械工程師需要找到一種折衷方案，確定在切屑仍然可控的情況下可以使用的最寬槽型。

在選擇切屑控制槽型時(shí)，所加工的材料是關(guān)鍵所在。例如，鋁可能需要封閉切屑控制槽型以可靠地切斷較長(zhǎng)的切屑，而鑄鐵產(chǎn)生的較短切屑則一般需要最小甚至是不帶切屑形成功能的幾何槽型。

在切削參數(shù)方面，更快的進(jìn)給率一般都會(huì)產(chǎn)生更短的切屑，而較小的切削深度通常會(huì)產(chǎn)生更長(zhǎng)的切屑。切削速度可能是切屑控制的重要影響因素，具體取決于工件材料。目標(biāo)在于控制機(jī)械負(fù)荷的所有影響因素，在產(chǎn)生可接受切屑的情況下盡量減輕甚至是避免刀具崩刃和破損。

槽型開(kāi)發(fā)和應(yīng)用

為充分利用刀片槽型的能力來(lái)重塑材料流動(dòng)，切削刀具制造商針對(duì)粗加工或精加工等特定工序開(kāi)發(fā)了各種槽型。不同的配置以及切削刃、倒棱和斷屑槽型的組合經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)，適用于不同的應(yīng)用領(lǐng)域和工件材料。

Seco 的 M3 和 M5 槽型就是不錯(cuò)例子，是為了在既定操作和材料中達(dá)到所需效果而設(shè)計(jì)的不同刀具槽型。M3 槽型的設(shè)計(jì)屬于中等粗度加工通用型刀具，適用于范圍廣泛的工件材料和切削參數(shù)。但是，較高級(jí)別的機(jī)械負(fù)荷可能需要切換至 M5 槽型，該槽型設(shè)計(jì)用于較高進(jìn)給的粗加工工序，強(qiáng)度高而產(chǎn)生的切削力較低。通過(guò)選用適用于特定加工條件的槽型，可以盡量減少破損情況并提高操作可靠性。

結(jié)論

加工期間的刀具損耗是不可避免的，它貫穿著刀具使用壽命的始終。如果刀具使用壽命縮短至不可接受、刀具崩刃或破損，或者磨損或失效變得無(wú)法預(yù)計(jì)，則機(jī)械工程師可以對(duì)刀具槽型和切削條件進(jìn)行調(diào)整，以盡量提高生產(chǎn)率并延長(zhǎng)刀具使用壽命。但即使這些努力都成功發(fā)揮了作用，刀具損耗也仍然會(huì)貫穿其始終。目標(biāo)在于建立一種新的損耗模式：使損耗盡量變慢且可預(yù)計(jì)。

Sidebar

切削力預(yù)計(jì)

可以使用德國(guó)生產(chǎn)工藝和機(jī)床研究所 (IFW) 奧托-金茨勒博士在上世紀(jì)五十年代開(kāi)發(fā)的切削力計(jì)算公式，對(duì)切削參數(shù)的相互作用及平衡進(jìn)行建模。通過(guò)該公式所預(yù)計(jì)的切削力級(jí)別，機(jī)械工程師可以主動(dòng)在切削刀具上應(yīng)用槽型和其他因素，并對(duì)負(fù)荷進(jìn)行控制。該公式采用基于材料的常量 kc11，這是在特定材料上切削一片面積為 1 mm2、厚度為 1 mm 的區(qū)域所需的單位切削力(測(cè)量單位為 N/mm2)。在公式 Fc =kc11*b*h 1-MC 中，切削力 (Fc) 等于 kc11 常量乘以“b”(切削的切屑寬度/深度)，再乘以“h”(切屑厚度/進(jìn)給率)和功率系數(shù)指數(shù) 1-mc，該指數(shù)將結(jié)合考慮切削刀具的槽型和工件材料。