切削加工中切屑的處理

葉陳新

（福建工程學(xué)院， 福建 福州 350118）

1 切屑的產(chǎn)生

切削加工中切屑是如何產(chǎn)生的?我們以外徑車削加工為例說明切屑產(chǎn)生的基本過程。如圖1所示，當(dāng)車刀主切屑刃在合適的工件轉(zhuǎn)速和工作臺(tái)的進(jìn)給配合下切入金屬，被切金屬在切削力的作用下受擠壓部位的應(yīng)力逐漸增大并超過材料的屈服點(diǎn)，此時(shí)未發(fā)生變形的金屬結(jié)晶粒組織在擠壓力作用之下，其穩(wěn)定的結(jié)晶組織結(jié)構(gòu)開始分裂并滑移形成變形金屬結(jié)晶粒組織，即開始產(chǎn)生塑性變形，變形金屬結(jié)晶粒組織沿前刀面排出時(shí)受到刀片斷屑槽的擠壓、摩擦以及切屑區(qū)域高溫作用逐漸產(chǎn)生金屬纖維硬化，切屑形成并繼續(xù)流入斷屑槽后部，切屑受壓再度卷曲變形，進(jìn)一步硬化和脆化，并折斷排出。采用內(nèi)徑車削或銑削、鉆削等其他加工方式切屑，其產(chǎn)生方式基本相同。

常見的切屑有線狀長(zhǎng)條形屑、彈簧狀卷屑、螺旋段卷屑、C形片狀屑、崩碎狀屑等，如圖2所示的上排為加工余量比較大時(shí)切削形成的切屑，多為粗加工所形成的切屑，下排為加工余量比較小時(shí)切削形成的切屑，多為精加工所形成的切屑。

圖1 切屑產(chǎn)生示意圖

圖2 切屑的形狀示意圖

2 控制切屑的必要性

經(jīng)切削產(chǎn)生如圖2所示的線狀長(zhǎng)條形屑或彈簧狀卷屑后，若沒有及時(shí)將切屑排除，切屑達(dá)到一定長(zhǎng)度隨工件或刀具的旋轉(zhuǎn)慣力纏繞于工件或刀具上，當(dāng)?shù)度星邢鞯嚼p繞的經(jīng)高溫和塑性變形而硬化的切屑，致使刀刃崩缺。纏繞的切屑在工件已加工表面因旋轉(zhuǎn)慣力的拉扯或因刀具的擠壓摩擦，劃傷已加工表面致工件報(bào)廢。纏屑情況嚴(yán)重的甚至可能引發(fā)安全事故?，F(xiàn)代切削加工早已實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化或半自動(dòng)化，若工序中有一把刀具因切屑纏繞或堵塞而損壞，未及時(shí)發(fā)現(xiàn)，則會(huì)引發(fā)后續(xù)工序刀具的一并損壞，工件報(bào)廢，生產(chǎn)線停機(jī)，造成刀具成本上升、廢品率上升、生產(chǎn)效率降低，所以在現(xiàn)代切削加工中刀具使用的可靠性很重要，要保證刀具預(yù)先設(shè)定的耐用度和壽命，盡量減少刀具破損的發(fā)生，切屑處理又是關(guān)鍵，這樣才能保證自動(dòng)化生產(chǎn)線的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。因此，控制切屑和掌握斷屑方法一直是金屬切削加工中非常重要的工藝環(huán)節(jié)。

3 切屑的處理方式

3.1 利用斷屑槽方式控制切屑

斷屑槽是最基本、最常用也最有效的切屑處理方式，在切削加工中斷屑槽控制著切屑的卷曲、流向、成型、折斷，同時(shí)具有與切削刃的前角、主偏角、刃傾角等幾何角度配合實(shí)現(xiàn)降低切削阻力，提高刀具的耐磨性，改善被加工件表面質(zhì)量等功能。

如圖3所示的是一種適用于精加工的斷屑槽，藍(lán)色區(qū)域?yàn)榈都饧扒暗睹娌课唬暗睹娴慕孛鎴D如圖3右上方所示，前角設(shè)計(jì)為15°，前刀面是利于切屑流動(dòng)的直線型設(shè)計(jì)，寬度為0.5 mm，適合加工余量為0.5～1 mm的精加工。當(dāng)切屑產(chǎn)生后隨前刀面流出，遇到前刀面后部的黃色斜面凸起部分，即受壓產(chǎn)生塑性變形并隨凸臺(tái)面卷曲硬化。紅色區(qū)域是輔助斷屑槽部分，除了與黃色凸臺(tái)配合完成卷屑斷屑的功能外，還兼具提高切削鋒利性與增強(qiáng)切削刃強(qiáng)度的作用，并具有優(yōu)異的抑制毛刺的功能。如圖3右下方所示的是紅色區(qū)域橫截面，20°前角的設(shè)計(jì)，與15°的前刀面之間形成一個(gè)小退刀槽區(qū)域，在提高切削刃鋒利性的同時(shí)防止切削刃損傷并使流出的切屑卷屑更順暢，紅色凸臺(tái)部分的高度比黃色凸臺(tái)更高且傾斜的角度也更大，迫使切屑流過時(shí)產(chǎn)生向內(nèi)的翻卷，凸臺(tái)的棱角能讓流過卷曲的切屑同時(shí)產(chǎn)生波浪形的凸起變形，這樣就能讓切屑更厚，產(chǎn)生更大的變形量更易于折斷，如圖4所示。

圖3 斷屑槽示意圖

圖4 斷屑槽凸起產(chǎn)生的斷屑效果示意圖

斷屑槽前刀面的槽形有圓弧也有直線或圓弧與直線的組合，視不同的被加工材質(zhì)而實(shí)現(xiàn)斷屑的目的。斷屑槽的大小或?qū)挾仍O(shè)計(jì)與進(jìn)給量或切深應(yīng)相匹配，否則無法起到卷屑及斷屑的效果。國(guó)內(nèi)外各大刀具廠商設(shè)計(jì)和生產(chǎn)了大量不同的斷屑槽的刀具，以滿足各種切削加工工藝中不同材質(zhì)的工件達(dá)到斷屑目的。斷屑槽的設(shè)計(jì)方式多種多樣，能適應(yīng)不同的加工需求，本文不再做詳細(xì)闡述。

3.2 改變刀具的幾何角度

1）前角：剪切角與切削變形關(guān)系最為密切，剪切角是決定切削變形程度的關(guān)鍵參數(shù)。如圖5所示，右圖中，當(dāng)?shù)毒叩那敖窃酱螅羟薪且簿驮酱?，切削中的塑性變形就越小，切削抗力就越小，利于切削的過程，但刀尖強(qiáng)度減弱，斷屑效果差。反之，如圖左所示，刀具的前角越小，剪切角也越小，塑性變形就越大，切屑厚度增加，則更利于斷屑處理，但切削抗力也越大。

圖5 前角與剪切角的關(guān)系示意圖

2）主偏角：如圖6所示，左圖中的θ1和右圖中的θ2都是刀具的余偏角，當(dāng)右圖中的余偏角θ2小于左圖中的余偏角θ1時(shí)，右圖中的切屑厚度t2明顯比左圖中的切屑厚度t1大很多，也就是產(chǎn)生的切屑更厚實(shí)，塑性變形量更大，而且其與被加工件之間的容屑空間也小很多，所以切屑更易于被折斷。同時(shí)余偏角越小，徑向分力越小，加工振動(dòng)就小，加工越穩(wěn)定。因?yàn)橛嗥桥c主偏角為互補(bǔ)關(guān)系，習(xí)慣上說主偏角越大，越利于斷屑。

圖6 主偏角改變切削厚度示意圖

3）刀尖半徑：如圖7所示，當(dāng)?shù)都鈭A弧半徑越小，右圖切屑的厚度t2比左圖切屑的厚度t1大，切屑越容易折斷，其原理與前角和斷屑的關(guān)系很相似。

圖7 刀尖半徑改變切削厚度示意圖

4）刃部倒菱：實(shí)踐中，為加強(qiáng)刀具刃部的強(qiáng)度，通常在鋒利的刀刃部做倒菱鈍化處理，其方式有倒菱，倒圓或復(fù)合修磨。當(dāng)?shù)度胁康光g的寬度數(shù)值越大，其切削時(shí)剪切面的正向壓力就越大，塑性變形也就越大，越有利于斷屑的處理，但倒鈍值越大切削力也就越大，降低加工表面光潔度，容易引發(fā)振刀。

刀具各切削角度的改變能有效改善切屑，但并不能完全達(dá)到理想的卷屑斷屑效果，常常需結(jié)合斷屑槽的設(shè)計(jì)，才能符合被加工件不同材質(zhì)，不同加工工藝的需求。

3.3 改變切削參數(shù)

如圖8所示的是切削時(shí)切削比與工件切削速度的關(guān)系圖，切削速度與切削比的關(guān)系有如下的公式表示：Vc=VwRc，Rc=tf/tc。式中：Vw為工件或未加工部分的速度；Vc為切削速度；tf為未加工切屑厚度；tc為切削鐵屑厚度；θ為剪切角（從未加工部分和切屑間關(guān)系得到）。

由此可見，切削速度與切屑的厚度成反比，當(dāng)切削速度降低，鐵屑厚度變大則容易斷屑。同樣增大進(jìn)給量和加大切深都能使切屑變厚，塑性變形增大，更易于折斷。

圖8 切削時(shí)切削比與工件切削速度關(guān)系圖

通過改變切削參數(shù)來達(dá)到強(qiáng)制斷屑的方法，有很大的局限性。例如刻意降低切削速度，就降低了生產(chǎn)效率，單純?cè)龃筮M(jìn)給量，工件表面粗糙度值將明顯增大，刀具所受切削力增大，引發(fā)刀具振動(dòng)。所以，改變切削條件來斷屑，不是最好的斷屑方法。

3.4 加裝斷屑裝置

加裝斷屑裝置已在實(shí)際生產(chǎn)中被廣泛應(yīng)用。有機(jī)械式、電氣驅(qū)動(dòng)或液壓驅(qū)動(dòng)等形式，其目的都是利用外加設(shè)備強(qiáng)制斷屑。如圖9就是一種機(jī)械式斷屑裝置的結(jié)構(gòu)圖，其工作原理如圖中所示：車刀1切屑通過容屑空間2流過，切斷器3旋轉(zhuǎn)并強(qiáng)行割斷切屑，割斷后的切屑則從排屑空間6排出。5為切斷裝置，主要靠傳動(dòng)軸4傳動(dòng)帶動(dòng)切斷器工作。加裝斷屑裝置需要刀具的加工區(qū)域有一定的安裝空間，此外，加裝該裝置需要一定的成本，但斷屑效果較佳。

圖9 斷屑裝置示意圖

3.5 利用高壓冷卻液斷屑

美國(guó)俄亥俄州的現(xiàn)代制造工藝科學(xué)研究所發(fā)明的一種叫Flojet的高壓冷卻系統(tǒng)，通過產(chǎn)生高達(dá)4.2 MPa的冷卻液壓力合并同向噴射的CO2氣流，直接作用于前刀面，利用高壓直接沖擊迫使切屑折斷，高壓還使冷卻液盡量接近切削中心區(qū)域，快速冷卻刀刃切削部位，高壓也能快速帶走熱量，所以使用該項(xiàng)技術(shù)可以達(dá)到更高的切削速度，沒有切屑的干擾，加工過程無需停機(jī)，生產(chǎn)效率提高，充分的潤(rùn)滑提高了加工表面光潔度，冷卻充分且切屑不會(huì)損傷刀具，使刀具使用壽命更長(zhǎng)。

3.6 利用工藝程序處理切屑

工藝上的斷屑處理，一種是工藝上預(yù)先開槽。在待加工工件表面預(yù)先沿工件軸向開出一條或數(shù)條溝槽，溝槽深度必需略小于切削深度，當(dāng)?shù)毒咔邢髦翜喜畚恢?，切屑變得很薄，在排屑時(shí)很容易被折斷。這樣既保證了可靠的斷屑，又不至于影響工件已加工表面的粗糙度。這種方式即使加工韌性較大的材料，斷屑效果也很好。但這種方式相當(dāng)于多了一道預(yù)先開槽的工序，降低了生產(chǎn)效率，且因被加工面預(yù)先被多道開槽，使得原本連續(xù)加工變成斷續(xù)加工，影響刀具使用壽命。

另一種方式是在編制加工程序時(shí)，在刀具進(jìn)給過程中設(shè)定多處加工暫停再繼續(xù)加工的程序，強(qiáng)制停止進(jìn)給使切屑斷開脫落，此加工方式會(huì)降低加工效率且在精加工時(shí)易留下刀痕，不適用于加工表面要求高的工件。

3.7 應(yīng)用激光位移傳感器

通過激光位移傳感器檢測(cè)加工過程中主軸夾屑或刀具纏屑的震動(dòng)信號(hào)，該原理是采集并處理主軸或刀具旋轉(zhuǎn)過程中的振動(dòng)信號(hào)，與數(shù)據(jù)庫中預(yù)先存儲(chǔ)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的正常狀態(tài)主軸或刀具纏屑異常狀態(tài)的信號(hào)樣本信息進(jìn)行比較，當(dāng)主軸運(yùn)轉(zhuǎn)出現(xiàn)主軸或刀具纏屑異常狀態(tài)時(shí)，輸出報(bào)警。該方法需要占用安裝空間，并可能影響加工節(jié)拍。這種方式本身并不能改善切屑的處理，最多只是一種補(bǔ)救防范的方式，當(dāng)發(fā)生擠纏屑現(xiàn)象時(shí)報(bào)警停機(jī)，避免下一道工序的刀具損傷及工件報(bào)廢。

3.8 利用低頻震動(dòng)斷屑

隨著技術(shù)的發(fā)展，利用振動(dòng)原理的斷屑方式開始應(yīng)用于生產(chǎn)。振動(dòng)鉆削設(shè)備的基本原理是通過振動(dòng)裝置施加給刀具或工件一定方向、一定頻率和一定振幅的可控振動(dòng)，使鉆頭和工件之間產(chǎn)生規(guī)律性的接觸和分離，從而使普通鉆削變成間歇式鉆削，切屑就不可能是連續(xù)不斷的。在振動(dòng)切削過程中，由于鉆頭的振動(dòng)使切削為間歇性切削，所以減少加工材料塑性化，使其塑性變形減小，減少積屑瘤的形成，達(dá)到抑制積屑瘤的目的。此外，由于振動(dòng)切削的間歇性作用，切削時(shí)的潤(rùn)滑和冷卻都會(huì)得到改善，積屑瘤的形成進(jìn)一步得到抑制，刀具壽命延長(zhǎng)。

日本機(jī)床制造商CITIZEN MACHINERY（株）近來獨(dú)創(chuàng)并申請(qǐng)了低頻振動(dòng)切削技術(shù)的專利（Low Frequency Vibration-cutting），其工作原理是在刀具切削時(shí)伺服軸朝切削方向振動(dòng)，在該振動(dòng)與主軸旋轉(zhuǎn)同步的同時(shí)進(jìn)行切削，如圖10所示的是主軸旋轉(zhuǎn)一圈時(shí)的Z軸方向移動(dòng)量和低頻振動(dòng)的波形，很明顯，通過在切削中設(shè)置的“空振”時(shí)間，可以實(shí)現(xiàn)切削出的切屑為不連續(xù)的小塊切屑并間斷排出的效果，如圖11所示就是使用低頻振動(dòng)加工的切屑，圖12則是普通切削方式產(chǎn)生的切屑。同時(shí)還可利用“空振”時(shí)間冷卻刀刃尖部，防止切削區(qū)域過熱，延長(zhǎng)刀具壽命。由此，即使在難削材加工和深孔加工中，也能解決因切屑堵塞引起的問題。該項(xiàng)技術(shù)在避免伺服軸朝切削方向振動(dòng)的頻率和機(jī)械加工固有的振動(dòng)頻率一致而引發(fā)共振現(xiàn)象的技術(shù)上有很大的創(chuàng)新和突破，使該項(xiàng)技術(shù)顛覆了切削加工需要穩(wěn)定狀態(tài)的概念，成為適合用于加工廣泛被削材質(zhì)的通用性最新切削技術(shù)。如圖13所示是使用低頻振動(dòng)加工過程中的工件示意圖。

4 結(jié)語

以上幾種斷屑方式可以單獨(dú)應(yīng)用，也可以組合使用，目的就是保證切削過程的穩(wěn)定順暢。當(dāng)在實(shí)踐中還會(huì)碰到諸如深孔槍鉆加工鈦合金等難切削金屬時(shí)，在幾種方式都難以產(chǎn)生斷屑的情況下，也可采用順其自然，減小切削變形量，使切屑形成窄而薄的褶皺長(zhǎng)條狀鐵屑，隨切削液順暢排出的方式?？偠灾邢骷庸ぶ袑?duì)切屑的管理是一個(gè)長(zhǎng)期的課題，排屑的方式將隨著科技的進(jìn)步發(fā)展產(chǎn)生更多更新的切屑控制方法，但最終其目標(biāo)在于保障設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性、高效性和安全性。

圖10 主軸旋轉(zhuǎn)一圈的Z軸方向移動(dòng)量和低頻振動(dòng)的波形

圖11 使用低頻振動(dòng)加工的切屑

圖12 普通切削方式產(chǎn)生的切屑

圖13 低頻振動(dòng)切削技術(shù)的被加工工件