車削加工中的機械負荷和切削槽型
2015-5-11 來源： 作者：
在金屬切削過程中，刀具將使材料發生變形，直至以切屑的形式被切除。
該變形過程需要消耗大量能量，并且刀具將承受各種機械、熱、化學和摩擦負荷。此類負荷最終會導致刀具出現損耗，并磨損或失效。因此，要實現良好的金屬切削加工過程必須要平衡刀具切除金屬時消耗的能量和刀具穩定承載切削負荷的能力。
正確地了解并處理切削參數、刀具槽型、刀具材料和其他因素之后，機械工程師就能實現高效、經濟的金屬切削工藝。機械負荷在車削加工中比較穩定，而在銑削中則會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和刀具槽型，稍后將探討銑削中的不同問題。
加工負荷
作用于切削刀具的負荷分為四個基本類別：機械、熱、化學和摩擦。
機械壓力會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切削會產生沖擊負荷，從而導致刀具崩刃或破損。
由于工件材料變形而產生的熱負荷會產生熱量，導致溫度上升到 800-900 攝氏度，從而造成刀具變形和變鈍。
熱與壓力的結合還會促使切削材料與工件材料之間發生化學變化，從而產生擴散或深坑形式的磨損。
刀具與切屑之間的摩擦力會產生摩擦磨損和沖蝕磨損，也就是摩擦負荷的結果；通過對表面彼此之間的接觸進行摩擦學檢查，可確定它們在特定的溫度和壓力下將對彼此的形狀變化造成多大的影響。
四種負荷類別并非獨立作用，而是相互作用并影響綜合的效果。所用機床的功率、機床和零件緊固裝置的剛性，甚至是機床操作者的技能，都會影響加工效果。負荷的相互作用會產生各種結果，并且最終都會導致刀具出現損耗并磨損或失效。
刀具使用壽命終結的速度和可預見性取決于刀具承受所產生負荷的能力。為盡量延長刀具使用壽命并確保工藝安全性，必須在一定時間內將加工負荷降至低于刀具負荷承受能力的水平。影響該能力的關鍵因素包括刀具的切削槽型以及切削材料和鍍層。
主動解決問題
為確保經濟高效，機械加工車間需要努力縮短用于機床設置、刀具裝卸和工件裝卸的時間以及其他空閑時間。但是，空閑時間時很少會將解決問題的時間包含在內。在加工開始之前主動應用適當的刀具槽型和切削參數，可以有效縮短問題診斷和解決的時間。
可加工性
主動的進行計劃是為了最大程度提高工序的可加工性。傳統的可加工性定義主要集中在特定工件材料上，并采用比例因子來測量該特定工件材料相比基準材料的加工難度。
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 需要達到的目標。這是在最高生產率和最低成本條件下，金屬切削操作可以達到的可靠性程度。
提高加工速度的簡化方法是改善切削條件，即切削深度、進給和切削速度。但是，改善加工條件會對切削刀具承受的負荷造成一些影響。在本次分析中，我們將著重探討機械負荷。
必須知道，切削刀具上的機械負荷與切削力并不是一回事。可以將機械負荷理解為壓力（單位表面積受到的力）。高切削力在較大面積上擴散，刀具承受的負荷就相對較小。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，也可能會導致出現負荷問題。切削力受工件材料、刀具槽型和影響。反過來，切削力又會影響能耗、振動、工件公差和刀具使用壽命。
切削參數的影響
切削深度、進給和切削速度的處理會對刀具負荷產生不同的影響。切削深度加倍會使切削力加倍，但是也會使切削刃作用于切削的長度加倍，因此單位切削刃長度所承受的負荷仍將保持相同。切削力還將隨著進給量的提高而提高，但程度較低且無線性關系。提高進給量對切削力的影響并不像加大切削深度那么大，因為提高進給量增加的是切屑厚度而不是刀具的切削長度。這樣會大大增加切削刃的負荷。
在加快切削速度時，切削力通常會保持不變，但是功率要求將會升高；根據基本機械公式計算，功耗等于力乘以速度。實際上，中等切削速度范圍內的切削力一般都會保持不變。但是研究和實際經驗表明，切削力在切削速度降低時將會升高，并在切削速度加快時將會降低。在低速度下，可能會由于積屑瘤而導致切削力增加，而積屑瘤本身就表示切削速度不恰當。根據柏林大學卡爾-薩洛蒙博士在上世紀二三十年代得出的研究結果，切削溫度會隨著切削速度上升而上升，但是隨著速度的進一步上升將會下降。涉及到真正的高速加工領域時，這些結果也同樣有效，但是原因和結果有所不同，這是另一個討論主題。
太快的切削速度會導致不可控的切屑形成、極快的刀具磨損以及可能會使刀具碎裂或破裂的振動，從而降低工藝的可靠性。實際結論表明，更高的進給率和切削厚度與中低等切削速度相結合時，最有可能提高操作的安全性和可靠性。如果切削厚度和進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率。
通過刀具槽型來解決問題
大家普遍都認為，提高金屬切削生產率及解決問題需要采用更先進的切削刀具材料，例如新的硬質合金材質等級、鍍層、陶瓷和 PCBN。不斷改善刀具材料技術具有無可爭辯的價值。但是，單獨依靠新切削材料來解決問題必然會起到反作用，可能會走入死胡同。例如，如果導致刀具破裂問題的原因是機械負荷過重，則解決方法是選擇一種更強壯的切削刀具材料。但是如果已無法找到更強壯的材料，也就無路可走了。
在主動解決問題的過程中，刀具槽型的作用并未引起重視。改變刀具槽型時，會以一種積極的方法改變變形材料的流動。例如，當預測切削力的公式（參見側邊欄）提示結果機械負荷將會較高時，從一開始就使用較鋒利的槽型可以降低切削力，并在問題發生之前盡量加以避免。使用不同的刀具槽型來改變切屑流向時，還可以使化學、熱和摩擦負荷的量和影響發生積極變化。
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，會導致更輕的負荷。較大且堅固的刀片有助于實現更高生產率的進給率和切削深度。但是，大刀片可能無法用于加工較小的零件特征。對于刀片形狀，也存在類似的考慮因素。圓形刀片具有最高的強度，而 90 度刀尖角方形刀片的強度也要高于 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。在強度與應用靈活性之間，需要作出一定的權衡。
另一個槽型因素涉及到刀具如何進入工件，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，則會將刀具前角視為負數。切削力將傳遞至刀具的本體或最強壯部分。另一方面，當切削刃從工件表面向后傾斜時，會將刀具前角視為正數。切削力集中在刀刃上，但此處不如本體強壯。此外，以正前角插入的刀片的后刀面必須具有楔角或后角，這樣會進一步降低刀具強度。
負前角加工可以有效處理較強壯材料（例如鋼和鑄鐵），但是也會產生更大的切削力，這樣可能會限制切屑流動，而在剛性較低的機床、夾具或工件中也可能會導致振動。正前角產生的切削力較小，切屑流動也更自由，但刀具更容易崩刃或破損，并且切屑也可能無法控制。正前角切削適用于需要鋒利切削刃的粘性材料和超級合金。
斷屑槽型
車削刀片斷屑槽型由三個基本部分組成：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。切削刃輪廓開始切屑的剪切過程；排屑槽決定了切屑的形成方式；倒棱負責管理兩者之間的過渡。所有三個部分都會影響刀具所產生切削力的大小。
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的刀具使用壽命。但是，工件、機床和夾具必須堅固且穩定，否則切削刃在受到不均勻的力時會容易碎裂。倒圓和帶倒角的切削刃可以提高強度級別，并增強抗崩刃和破損的能力。
極其普遍的情況是，最適合切削鋼材（對韌性要求較高）的刀具都有著較強壯的切削刃；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。當然也可以用鋒利切削刃來切削鋼材，或者使用強壯切削刃來切削不銹鋼，但是必須進行調整，并且生產率可能不會太高。機械工程師可能需要在更靈活的多用途刀具與優化用于某些工件材料應用的刀具之間進行選擇。
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間，才能達到最佳結果。打個比方，就好像使用鋒利的小刀來削蘋果皮。最鋒利的刀可能會更難削皮，因為刀鋒可能會刺入果肉內，而不僅僅是揭起果皮。絕對鋒利的金屬切削刀具很大程度上也會如此，可能會被拉入工件并造成表面粗糙度較差。只有在經過輕微磨損之后，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，正值倒棱也會將應力集中在更小面積上，可能導致更快的磨損和崩刃。反之，負值或基本為平面的倒棱會引導切削材料穿過更寬的區域，這樣可以保護刀片，但也會增大切削力、熱生成和磨損。
斷屑槽的槽型存在類似的兩面性。開放或平底輪廓可以減輕切屑變形并產生較小的切削力。封閉或更窄小的輪廓可以更精確地卷曲切屑，但更大的變形會產生更高的切削溫度。
開放或平底斷屑槽型的設計可最大程度地增加切屑與刀具之間的接觸，并在更寬的區域分配切削力。如果切削力較高，則開放槽型將產生較低的機械負荷，刀片崩刃或破損的風險也會更低。但是，開放槽型產生的切屑會更長。如果切屑不受控制并導致清理出現問題，則會給工件、機床或操作人員造成危險，而封閉斷屑槽型可以解決此問題。
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，此結果的代價是切削壓力更高。切屑太短可能會損壞切削刃，并導致刀具使用壽命縮短。即使切削力較低，機械負荷也仍然可能會較大。封閉槽型最適用于切削力較輕的情況，比如精加工因為其切削深度和進給率都較低。機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，所加工的材料是關鍵所在。例如，鋁可能需要封閉切屑控制槽型以可靠地切斷較長的切屑，而鑄鐵產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。
在切削參數方面，更快的進給率一般都會產生更短的切屑，而較小的切削深度通常會產生更長的切屑。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。目標在于控制機械負荷的所有影響因素，在產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。
槽型開發和應用
為充分利用刀片槽型的能力來重塑材料流動，切削刀具制造商針對粗加工或精加工等特定工序開發了各種槽型。不同的配置以及切削刃、倒棱和斷屑槽型的組合經過設計，適用于不同的應用領域和工件材料。
Seco 的 M3 和 M5 槽型就是不錯例子，是為了在既定操作和材料中達到所需效果而設計的不同刀具槽型。M3槽型的設計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。但是，較高級別的機械負荷可能需要切換至 M5 槽型，該槽型設計用于較高進給的粗加工工序，強度高而產生的切削力較低。。通過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法預計，則機械工程師可以對刀具槽型和切削條件進行調整，以盡量提高生產率并延長刀具使用壽命。但即使這些努力都成功發揮了作用，刀具損耗也仍然會貫穿其始終。目標在于建立一種新的損耗模式：使損耗盡量變慢且可預計。
投稿箱：
如果您有機床行業、企業相關新聞稿件發表，或進行資訊合作，歡迎聯系本網編輯部， 郵箱：skjcsc@vip.sina.com
如果您有機床行業、企業相關新聞稿件發表，或進行資訊合作，歡迎聯系本網編輯部， 郵箱：skjcsc@vip.sina.com
更多相關信息
