金屬切削原理

【作　者】劉培德

研究金屬切削加工過程中刀具與工件之間相互作用和各自的變化規律的一門學科。

在設計機床和刀具﹑制訂機器零件的切削工藝及其定額﹑合理地使用刀具和機床以及控制切削過程時﹐都要利用金屬切削原理的研究成果﹐使機器零件的加工達到經濟﹑優質和高效率的目的。



簡史

金屬切削原理的研究始於19世紀中葉。

1851年﹐法國人M.科克基拉最早測量了鑽頭切削鑄鐵等材料時的扭矩﹐列出了切除單位體積材料所需功的表格。

1864年﹐法國人若塞耳首先研究了刀具幾何參數對切削力的影響。

1870年﹐俄國人..季梅首先解釋了切屑的形成過程﹐提出了金屬材料在刀具的前方不僅受擠壓而且受剪切的觀點。

1896年﹐俄國人..布里克斯開始將塑性變形的概念引入金屬切削。至此﹐切屑形成才有了較完整的解釋。

1904年﹐英國人J.F.尼科爾森製造了第一台三向測力儀﹐使切削力的研究水平跨前了一大步。

1907年美國人泰勒﹐F.W.研究了切削速度對刀具壽命的影響﹐發表了著名的泰勒公式。

1915年﹐俄國人..烏薩喬夫將熱電偶插到靠近切削刃的小孔中測得了刀具表面的溫度(常稱人工熱電偶法)﹐並用實驗方法找出這一溫度同切削條件間的關係。

1924～1926年﹐英國人E.G.赫伯特﹑美國人H.肖爾和德國人K.科特文各自獨立地利用刀具同工件間自然產生熱電勢的原理測出了平均溫度(常稱自然熱電偶法)。

1938～1940年美國人H.厄恩斯特和M.E.麥錢特利用高速攝影機通過顯微鏡拍攝了切屑形成過程﹐並且用摩擦力分析和解釋了斷續切屑和連續切屑的形成機理。

40年代以來﹐各國學者系統地總結和發展了前人的研究成果﹐充分利用近代技術和先進的測試手段﹐取得了很多新成就﹐發表了大量的論文和專著。例如﹐美國人S.拉馬林加姆和J.T.布萊克於1972年通過掃描電鏡利用微型切削裝置對切屑形成作了動態觀察﹐得到用位錯力學解釋切屑形成的實驗根據。


學科內容
主要內容包括金屬切削中切屑的形成和變形﹑切削力和切削功﹑切削熱和切削溫度﹑刀具的磨損機理和刀具壽命﹑切削振動和加工表面質量等。


切屑形成機理
從力學的角度來看﹐根據簡化了的模型﹐金屬切屑的形成過程與用刀具把一疊卡片1﹑2﹑3﹑4﹑……等推到 1﹑2﹑3﹑4﹑……等位置的情形相似﹐卡片之間相互滑移即表示金屬切削區域的剪切變形。經過這種變形以後﹐切屑從刀具前面上流過時又在刀﹑屑界面處產生進一步的摩擦變形。通常﹐切屑的厚度比切削厚度大﹐而切屑的長度比切削長度短﹐這種現象就叫切屑變形。金屬被刀具前面所擠壓而產生的剪切變形是金屬切削過程的特徵。由於工件材料﹑刀具和切削條件不同﹐切屑的變形程度也不同﹐因此可以得到各種類型的切屑。


積屑瘤
在用低﹑中速連續切削一般鋼材或其他塑性材料時﹐切屑同刀具前面之間存在著摩擦﹐如果切屑上緊靠刀具前面的薄層在較高壓強和溫度的作用下﹐同切屑基體分離而黏結在刀具前面上﹐再經層層重疊黏結﹐在刀尖附近往往會堆積成一塊經過劇烈變形的楔狀切屑材料﹐叫做積屑瘤。

積屑瘤的硬度較基體材料高一倍以上﹐實際上可代替刀刃切削。

積屑瘤的底部較穩定﹐頂部同工件和切屑沒有明顯的分界線﹐容易破碎和脫落﹐一部分隨切屑帶走﹐一部分殘留在加工表面上﹐從而使工件變得粗糙。

所以在精加工時一定要設法避免或抑制積屑瘤的形成。

積屑瘤的產生﹑成長和脫落是一個週期性的動態過程(據測定﹐它的脫落頻率為30～170次/秒)﹐它使刀具的實際前角和切削深度也隨之發生變化﹐引起切削力波動﹐影響加工穩定性。

在一般情況下﹐當切削速度很低或很高時﹐因沒有產生積屑瘤的必要條件(較大的切屑與刀具前面間的摩擦力和一定的溫度)﹐不產生積屑瘤。


切削力
切削時刀具的前面和後面上都承受法向力和摩擦力﹐這些力組成合力F ﹐在外圓車削時﹐一般將這個切削合力F 分解成三個互相垂直的分力﹕

切向力F ──它在切削速度方向上垂直於刀具基面﹐常稱主切削力﹔

徑向力F ──在平行於基面的平面內﹐與進給方向垂直﹐又稱推力﹔

軸向力F ──在平行於基面的平面內﹐與進給方向平行﹐又稱進給力。

一般情況下﹐F 最大﹐F 和F 較小﹐由於刀具的幾何參數﹑刃磨質量和磨損情況的不同和切削條件的改變﹐F ﹑F 對F 的比值在很大的範圍內變化。

切削過程中實際切削力的大小﹐可以利用測力儀測出。
測力儀的種類很多﹐較常用的是電阻絲式和壓電晶體式測力儀。測力儀經過標定以後就可測出切削過程中各個分力的大小。


切削熱
切削金屬時﹐由於切屑剪切變形所作的功和刀具前面﹑後面摩擦所作的功都轉變為熱﹐這種熱叫切削熱。使用切削液時﹐刀具﹑工件和切屑上的切削熱主要由切削液帶走﹔不用切削液時﹐切削熱主要由切屑﹑工件和刀具帶走或傳出﹐其中切屑帶走的熱量最大﹐傳向刀具的熱量雖小﹐但前面和後面上的溫度卻影響著切削過程和刀具的磨損情況﹐所以瞭解切削溫度的變化規律是十分必要的。



切削溫度
切削過程中切削區各處的溫度是不同的﹐形成一個溫度場﹐這個溫度場影響切屑變形﹑積屑瘤的大小﹑加工表面質量﹑加工精度和刀具的磨損等﹐還影響切削速度的提高。

一般說來﹐切削區的金屬經過剪切變形以後成為切屑﹐隨之又進一步與刀具前面發生劇烈摩擦﹐所以溫度場中溫度分布的最高點不是在正壓力最大的刃口處﹐而是在前面上距刃口一段距離的地方。切削區的溫度分布情況﹐須用人工熱電偶法或紅外測溫法等測出。

用自然熱電偶法測出的溫度僅是切削區的平均溫度。



刀具磨損
刀具在切削時的磨損是切削熱和機械摩擦所產生的物理作用和化學作用的綜合結果。

刀具磨損表現為在刀具後面上出現的磨損帶﹑缺口和崩刃等﹐前面上常出現的月牙窪狀的磨損﹐副後面上有時出現的氧化坑和溝紋狀磨損等﹐當這些磨損擴展到一定程度以後就引起刀具失效﹐不能繼續使用。

刀具逐漸磨損的因素﹐通常有磨料磨損﹑黏著磨損﹑擴散磨損﹑氧化磨損﹑熱裂磨損和塑性變形等。在不同的切削條件下﹐尤其是在不同切削速度的條件下﹐刀具受上述一種或幾種磨損機理的作用。

例如﹐在較低切削速度下﹐刀具一般都因磨料磨損或黏著磨損而破損﹔在較高速度下﹐容易產生擴散磨損﹑氧化磨損和塑性變形。


刀具壽命
刀具由開始切削達到刀具壽命判據以前所經過的切削時間叫做刀具壽命(曾稱刀具耐用度)﹐刀具壽命判據一般採用刀具磨損量的某個預定值﹐也可以把某一現象的出現作為判據﹐如振動激化﹑加工表面粗糙度惡化﹐斷屑不良和崩刃等。

達到刀具壽命後﹐應將刀具重磨﹑轉位或廢棄。

刀具在廢棄前的各次刀具壽命之和稱為刀具總壽命。

生產中常根據加工條件按最低生產成本或最高生產率的原則﹐來確定刀具壽命和擬定工時定額。


切削加工性
指零件被切削加工成合格品的難易程度。

它根據具體加工對象和要求﹐可用刀具壽命的長短﹑加工表面質量的好壞﹑金屬切除率的高低﹑切削功率的大小和斷屑的難易程度等作為判據。

在生產和實驗研究中﹐常以作為某種材料的切削加工性的指標﹐它的含義是﹕當刀具壽命為分鐘時﹐切削該材料所允許的切削速度。

越高﹐表示加工性越好﹐一般取60﹑30﹑20或10分鐘。


加工表面質量
通常包括表面粗糙度﹑加工硬化﹑殘餘應力﹑表面裂紋和金相顯微組織變化等。

切削加工中影響加工表面質量的因素很多﹐例如刀具的刀尖圓弧半徑﹑進給量和積屑瘤等是影響表面粗糙度的主要因素﹔刀具的刃口鈍圓半徑和磨損及切削條件是影響加工硬化和殘餘應力的主要因素。因此﹐生產中常通過改變刀具的幾何形狀和選擇合理的切削條件來提高加工表面質量。


切削振動
切削過程中﹐刀具與工件之間經常會產生自由振動﹑強迫振動或自激振動(顫振)等類型的機械振動。

自由振動是由機床零部件受到某些突然衝擊所引起﹐它會逐漸衰減。

強迫振動是由機床內部或外部持續的交變干擾力(如不平衡的機床運動件﹑斷續切削等)所引起﹐它對切削產生的影響取決於干擾力的大小及其頻率。

自激振動是由於刀具與工件之間受到突然干擾力(如切削中遇到硬點)而引起初始振動﹐使刀具前角﹑後角和切削速度等發生變化﹐以及產生振型耦合等﹐並從穩態作用的能源中獲得週期性作用的能源﹐促進並維持振動。

通常﹐根據切削條件可能產生各種原生型自激振動﹐從而在加工表面上留下的振紋﹐又會產生更為常見的再生型自激振動。上述各種振動通常都會影響加刀表面質量﹐降低機床和刀具的壽命﹐降低生產率﹐並引起噪聲﹐極為有害﹐必須設法消除或減輕。


切屑控制
指控制切屑的形狀和長短。

通過控制切屑的捲曲半徑和排出方向﹐使切屑碰撞到工件或刀具上﹐而使切屑的捲曲半徑被迫加大﹐促使切屑中的應力也逐漸增加﹐直至摺斷。

切屑的捲曲半徑可以通過改變切屑的厚度﹑在刀具前面上磨製捲屑槽或斷屑台來控制﹐其排出方向則主要靠選擇合理的主偏角和刃傾角來控制。

現代人們已能用兩位或三位數字編碼的方式來表示各種切屑的形狀﹐通常認為短弧形切屑是合理的斷屑形狀。


切削液
也稱冷卻潤滑液﹐用於減少切削過程中的摩擦和降低切削溫度﹐以提高刀具壽命﹑加工質量和生產效率。常用的切削液有切削油﹑乳化液和化學切削液3類。





金屬切削原理在生產中的應用

在設計和使用機床和刀具時﹐需要應用切削原理中有關切削力﹑切削溫度和刀具切削性能方面的數據。

例如﹐在確定機床主軸的最大扭矩和剛性等基本參數時﹐要應用切削力的數據﹔
在發展高切削性能的新材料時﹐需掌握刀具磨損和破損的規律﹔
在切削加工中分析熱變形對加工精度的影響時﹐要研究切削溫度及其分布﹔
在自動生產線和數字控制機床上﹐為了使機床能正常地穩定工作﹐甚至實現無人化操作﹐更要應用有關切屑形成及其控制方面的研究成果﹐並在加工中實現刀具磨損的自動補償和刀具破損的自動報警。

為此﹐各國研製了品種繁多的在線檢測刀具磨損和破損的傳感器﹐其中大多數是利用切削力或扭矩﹑切削溫度﹑刀具磨損作為傳感信號。

此外﹐為了充分利用機床﹐提高加工經濟性和發展計算機輔助製造(CAM)﹐常需要應用切削條件﹑刀具幾何形狀和刀具壽命等的優化數據。

因此﹐金屬切削原理這門學科在生產中的應用日益廣泛﹐各國都通過切削試驗或現場採集積累了大量的切削數據﹐並用數學模型來表述刀具壽命﹑切削力﹑功率和加工表面粗糙度等同切削條件之間的關係﹐然後存入計算機﹐建立金屬切削數據庫或編製成切削數據手冊﹐供用戶查用。





參考書目

華南工學院﹑甘肅工業大學主編﹕《金屬切削原理及刀具設計》上冊﹐第2版﹐上海科學技術出版社﹐上海﹐1981。

布思羅伊德著﹐山東工學院機製教研室譯﹕《金屬切削加工的理論基礎》﹐山東科學技術出版社﹐濟南﹐1980。(G. Boothroyd﹐ Fundamentals of metal machining and machine tools﹐Scripta Book Co.﹐Washington.)