數控機床

         金屬切（qiē）削工藝的結果取決於多種因素。其中（zhōng）一個最重要（yào）但也最不為人所知的因素（sù）是切削刀具所切削下來的“切屑的厚度”。基本上，切屑厚度是指與切削刃呈直角的未變形材料的厚度測量結果。切屑厚度與某些因素相關，例如與影響刀具和工件的作用力密切相關。過大的切屑厚度會（huì）導（dǎo）致切削刃崩刃和斷裂，而切屑厚度過小會導致切削刃快速磨損。

     
        
  
         圖 1：HQ_ILL_Metal_Cutting_Tools_Cutting_Conditions.jpg
  
         通過確定（dìng）和控製切屑厚度（dù），製造商可以最大限度地提高金屬（shǔ）切削的生產率和效率（lǜ）、針對（duì）特定的工件材料定製切削工藝（yì）以及控製成本。由（yóu）於沒有充分認識到切屑厚度的重要性，很多製造（zào）商的切削刀具或者負載過重，或（huò）者（zhě）利用不足，這都會對刀具的使用壽命和（hé）生產率產生負麵影響。
  
         既然如此，我們可以（yǐ）借助一些數學模型來了解切屑厚度的功能（néng）意義。切屑厚度模型（xíng）最初是一些用（yòng）於計算在穩（wěn）定車削加工中產生的切屑的簡（jiǎn）單等式，後（hòu）來越來越複雜，並將斷續銑削環境中的多種變量納入考慮範圍。
   
         銑削應用中的切屑厚度模型
   
         在（zài）連（lián）續車削加（jiā）工（gōng）中，切屑厚度會（huì）保持不變。但在銑（xǐ）削加工中，切屑厚度會（huì）隨（suí）著切削刃（rèn）間歇性地出入工件而不斷變化。

  
  
        
  
         圖 2：HQ_ILL_Chip_Thickness_In_Milling.jpg
  
         為了簡化對銑削（xuē）切屑厚度的理解，大約 40 年前，金屬切（qiē）削研究人員提出了“平均切屑厚度”這（zhè）一概念。他們建立的公式以（yǐ）數學方式創造了具有一致平均厚度的理論切屑。平均切屑厚度（dù）模型（xíng）有助於更好地理解和（hé）控製銑削（xuē）加工。
  
         當確定平均切屑厚度時，必須考慮到刀具在工件中的徑向齧合（hé）量以及切削刃槽型（xíng）、刀具主偏角和進給量。通過調節進給量，機械（xiè）師可以控製切屑的厚度。
  
         刀具與工（gōng）件的齧合角度是可以（yǐ）根據刀具的直徑和切深由小到（dào）大變化的。徑（jìng）向齧合量越小，產生的切屑越薄。隨著（zhe）徑向齧合量的增大，當齧合量為刀具直徑的50% 時，切屑厚度將（jiāng）達到（dào）最大值。當（dāng）徑向齧合量超過 50%時（shí），切屑將開始（shǐ）再次變（biàn）薄。
  
         切削刃的刃口處理（lǐ）也會影響切屑厚度（dù）。切屑（xiè）厚度通常必須不小於切（qiē）削刃（rèn）刃口的半徑。例如，當切削刃的半徑為60 μm 時，需要調節進給量以產生至（zhì）少（shǎo） 60 μm 的切屑厚度。當（dāng）進給量過低時（shí），切削刃會與工件摩擦且無法切削工件材料。
  
         銑刀的切（qiē）削刃刃口（kǒu）處理（lǐ）常常通過增大刃口圓角半徑來提高刃（rèn）口的強度從而降低崩刃和刃口（kǒu）破（pò）損的風險。此類刃口處（chù）理包括研磨、倒角和倒棱。當銑削難加工材料或粗糙表麵時，這些刃口允許（xǔ）使用更激進的進給量。目標是（shì）在切削刃的後麵形成切屑，並因此避免由於集中產生壓力和影響而導致（zhì）切削刃加速（sù）磨損或斷裂。調節進給量可改變切屑的形成位置並控製切屑厚度。增大進（jìn）給量會導致切屑變厚，減小進給量則產生更薄的切屑。
   
         刀具的主偏角直接（jiē）影響切屑厚度。當刀具的主偏角為 90 度（就像方肩銑刀那樣）時，切（qiē）屑厚度就是 100%的進給量（liàng）。但當刀具的主偏角為 45 度時，切屑厚度是進給量的 70%，這是因為切屑是（shì）在更長的一段切削刃上形成的。減小切削刃的角度會導致切（qiē）屑變薄，必須增大進給量以保持（chí）所需的切屑厚度。

         平均切屑厚度（dù）等式的應用
   
         平均切屑厚度等式考慮到了刀具的切削刃角度和徑向齧合量。圖 3 分別以藍色和紅色展示了該等式在側銑和中心銑削的應用。在主圖中（zhōng），將刀具的徑（jìng）向齧合量與刀（dāo）具的直徑進行了比較，並將比較結果表示為Ae/Dc比率。圖（tú）一角的小圖顯（xiǎn）示了刀具的主偏角所產生的影響。

        
  
         圖 3：HQ_ILL_Average_Chip_Thickness.jpg
  
         此圖顯示了（le）當平均切屑厚度公式不（bú）完全有（yǒu）效時（shí）的情形。當側銑時，與刀（dāo）具直徑相比徑向切寬非常小時（shí），此公式不適用（請（qǐng）參見虛線）。而在中心銑削中，當刀具直徑的（de）50%以上參與（yǔ）切削時，紅線表明了進給量是需要不斷加大的。這與實（shí）踐經驗相悖（刀具的齧合量增大時，通常會導（dǎo）致進給量減小。因（yīn）此，當徑向齧合量大於刀具直徑的 20% 到 25% 和小於刀具直徑的 50% 到 75% 時，平均切屑厚度模型最為有用。
  
         平均切屑厚度模型基（jī）於幾何因素並對複雜情況進行了簡（jiǎn）化。數（shù）十年的應用表明，在刀具壽命等（děng）式中使用平均切屑厚度模型（xíng）可以得（dé）出誤差在 ±15% 以內的估算結果。如此高的精度足以滿足功率和扭（niǔ）矩計算以及多種常規工件材料加工的要求。此外，通過人工方式對平均切屑厚（hòu）度等（děng）式進行（háng）求解（jiě）時，所花費的時間和精力也在合理範（fàn）圍內（nèi）。
  
         但當應用場（chǎng）合需要（yào）更高的（de）精度或者（zhě）銑削難加工的材（cái）料時（shí），需要使用包含其他因素的（de）模型。
   
         等效切（qiē）屑厚度
  
         瑞典的研究人員 Sören Hägglund 開（kāi）發（fā）出了一種更全麵的模型，這種模型提供了一種稱為等效切屑厚度的（de）測（cè）量方法，可以得出誤（wù）差在 ±2% 以內的刀具壽命預（yù）測。在圖 4 顯示的模型中，黃色弧形代表銑刀所產生的實際切屑的厚度變化。橙色（sè）條形顯示了平均切（qiē）屑厚度（dù）方法，是（shì）黃色圖（tú）片（piàn）的展開版本。藍色條形代（dài）表等效切屑（xiè）厚度。它們的一個主要差別在於（yú），等效切屑厚度模型（xíng）考慮到（dào）了切（qiē）削刃在切削時所花費的時間。這一（yī）點非常重要，原因在於刀具在工件（jiàn）中的齧合量（liàng）並不固定，切削刃在切削時（shí）花費（fèi）的時間也不（bú）盡相同（tóng），而且所（suǒ）產生的切屑厚度也（yě）會發（fā）生變（biàn）化。

        
  
         圖 4：HQ_ILL_Equivalent_Chip_Thickness_For_Milling.jpg
  
         等效切屑厚度模型還考慮到了刀具的（de）刀尖圓弧半徑對切屑厚度的影響。該模型采用了（le）瑞典工程師 RagnarWoxén 在 20 世紀 30 年（nián）代初（chū）原本為車削加工開發的（de）一個概念。Woxén 的公式可計算出（chū）刀具刀（dāo）尖的理論切屑（xiè）厚度，非常透徹地分（fèn）析了刀（dāo）尖圓弧半徑，並能夠利用矩形來說明切屑麵積。

  
        
  
         圖 5：HQ_ILL_Equivalent_Chip_Thickness_Woxen_Model.jpg
  
         通（tōng）過計算切屑（xiè）厚度，製造商可以避免由於切屑的厚度小於特定的最（zuì）低水平或大於特定的最高水平而產生問題。當徑向齧合量相對於刀具的直徑增大時，必須減小進給量以保持相同的切屑厚度。這樣可以確保最大切屑厚度不會變得過大，否則會導致刀具壽命縮短並最終（zhōng）斷裂。
  
         另一方麵，當加工應變硬化的材料（例如超級合金和鈦合金（jīn））時，形成比特定最低水平更厚的切屑特別重（chóng）要。當切削刃產生過薄的切屑時，會導（dǎo）致後來使用的切削（xuē）刃切削出（chū）加工硬化的區域。切削最終產生（shēng）的這一層應變硬化材料時，會加速刀具磨（mó）損（sǔn），並（bìng）可能導致刀具壽命縮短三（sān）分（fèn）之二。
  
         很多車間會（huì）采用與加工淬硬鋼相同的策略來加工容易出現加工硬化的材料，並且使用更小的切削深度和進給量。結果，銑（xǐ）刀運行時（shí）使用的參數通常無法達到足夠大的切屑厚度，銑削質量（liàng）也會不盡如人意（yì）。選擇傳（chuán）統銑削策略或順銑策略（參閱附注）也會影響切屑厚度以及容易出現加工硬化材（cái）料的加工。

         結論
  
         控製切屑厚度是成功進行銑削加工的一個關鍵因素。要充（chōng）分利用切屑厚度概（gài）念（niàn），需要首先（xiān）計算等效切屑厚度，然後確定切屑厚度（dù）的（de）下限和上限。
  
         由（yóu）於（yú）複雜的等效切屑厚度模型包含一組變量，因此對等式進行求解時需要（yào）花費的時間和精力要比經過簡化的平均切屑厚度模（mó）型（xíng）多（duō）很（hěn）多。在生產環境中通過人工方式進行這些計算時，既不劃算（suàn），也非（fēi）常耗時。
  
         但可以利用計算機軟件程序（xù）來計算加工參數（例（lì）如山高提供的程序），用戶在幾秒鍾內即可輸入數據並求出等式的結果。這可優（yōu）化銑削工藝，從而提高生產率和盈利能力。

  
         附注
  
         切屑厚度和銑削技術
  
         采用等效（xiào）切屑厚度這一概念時，需要考慮切屑的形成方式。進行銑削（xuē）加工時，會以兩種不同的方式形成切屑，具體情況（kuàng）取（qǔ）決於相對於（yú）工件移動方（fāng）向的刀具旋轉方向。這兩（liǎng）種方法（fǎ）是（shì）傳統銑削（xuē）（向（xiàng）上）和順銑（向（xiàng）下）。在傳（chuán）統銑削（xuē）中，刀具的旋轉方向與工件進給方向相（xiàng）反。在順銑（xǐ）中，刀具的旋轉方向與工件進給方向相同。

         
  
         圖 6：HQ_ILL_Up_Milling_Versus_Down_Milling.jpg
   
         在傳統銑削中，切削刃以零切削深度進入工件。切屑的厚度在開始形成時最小，在結束時達到最大值。相反，順銑時形成的切屑厚度在開始（shǐ）時達到最大值，然後逐漸減小到最（zuì）小值。
  
         使用傳統方法進行銑（xǐ）削時（shí），切削刃會在切削之（zhī）前摩擦工件，而且薄切屑的吸熱能力較差。這兩種情況都會（huì）導致工件表麵（miàn）發生應（yīng）變硬化以及刀（dāo）具壽命縮短。切屑（xiè）會掉落在刀具的前麵，因（yīn）此可能被再次切削並（bìng）導致表麵粗糙度下降。在水平銑削中，向上的切削力可能會將工件提（tí）起，因此需要使用（yòng）複雜的（de）工（gōng）件夾（jiá）具。
  
         順銑（xǐ）之所以倍受青睞，是多種原因造成的。切（qiē）削（xuē）刃在（zài）進入工件進行（háng）切削時無需摩擦，因此最（zuì）大限度延長了刀具壽命、減少了所產（chǎn）生的熱量。需要的機床（chuáng）功率更小（xiǎo），切屑掉落在刀具的後麵，可最大限度避免再次切削而且提（tí）高了表麵粗糙度、延長了刀具壽命。切削動作會產生向下的力，有助於穩定工件和簡化夾具。當加工超級合金、不鏽鋼和（hé）鈦合金等材料時，切屑（xiè）的初始厚度可實現散熱並（bìng）最大限度減少工件表麵的應變硬化。
  
         然而，順銑時（shí）產生的向下的力可能會導致機床工（gōng）作台反衝，尤其是在較舊和/或手動銑削的設備上。反衝（chōng）會影（yǐng）響精度（dù）並導致刀具由於切屑負載增大而可能斷裂。因此，當（dāng）使用不太穩定的（de）機（jī）床和工件時，可能需要采（cǎi）用（yòng）傳（chuán）統銑削方法。
  
         當銑削鑄（zhù）件、鍛（duàn）件和表麵硬化材料時（shí），也可以優先使用傳統銑削方法。這是因（yīn）為傳統方法會在材料的硬化表（biǎo）麵或粗糙表麵（miàn）的下方開始切削，而在順銑中，刀具（jù）以完整的切屑厚度進入到零（líng）件中，因此可能會導致（zhì）切削刃在遇到材料（liào）的硬化區域時崩刃。