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銑削（xuē）應用中切屑厚度模型的演（yǎn）變

2016-7-20 來源：山高刀具集團作（zuò）者：培訓經理 Patrick de Vos

上海, 2016 年 06 月 - 金屬切削工藝的結果取決於多種因素。其中一個最重要但也最不為人所知的因（yīn）素是切削刀具所切削下來的“切屑的（de）厚（hòu）度”。基本上，切屑厚度是指與切削刃呈直角的未變形材（cái）料的厚度測（cè）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（qiē）相關。過大的切屑厚度會導致切削刃崩刃和斷裂，而切屑厚度（dù）過小會導致切（qiē）削刃快（kuài）速磨損。

圖 1：HQ_ILL_Metal_Cutting_Tools_Cutting_Conditions.jpg

通過確（què）定和控製切屑厚度，製造商可以最大限度地提高金屬切削的生產率和效率、針對特定的工件材料（liào）定製切削工藝以（yǐ）及控製成本。由於沒有充分認識到切屑厚度的（de）重要性，很多製造商的切（qiē）削刀具或者負（fù）載過重，或者利用不足，這都會對刀具的使用壽命和生產率產生（shēng）負麵影（yǐng）響。

既然如此（cǐ），我們可以借（jiè）助一（yī）些數學模型來了解切屑厚度的功能意義。切屑厚度模型最初是一些（xiē）用於計算在穩定車（chē）削加工中產生的切屑的簡單等式，後來越來越複雜（zá），並將斷續銑削環境中的多種變量納入考慮範圍。

銑削應（yīng）用中的切屑（xiè）厚（hòu）度模型

在連續車削加工中，切（qiē）屑厚度會保持不（bú）變。但在銑削加工中，切屑厚度會隨（suí）著切削刃間歇性地出入工件而不斷變（biàn）化。

圖 2：HQ_ILL_Chip_Thickness_In_Milling.jpg

為了簡化對銑削切（qiē）屑厚度的理解，大約（yuē） 40 年前，金屬切削研（yán）究人員提出了“平均切屑厚度”這一概念（niàn）。他們建立（lì）的公式以數（shù）學方式創造了具（jù）有一致平（píng）均厚度的理論切（qiē）屑。平均切屑厚度模型有助於更好（hǎo）地理解和控製銑削加工。

當確定平均切屑（xiè）厚度時，必須考慮（lǜ）到刀具在工件中的徑向齧合量以及切削刃槽型、刀具主偏角和進給量。通過調節進給量，機械師可以控製切屑的厚度。

刀具與工件的齧合角（jiǎo）度是可以根據刀具的直徑和切深由小到大變（biàn）化的。徑向齧合量越小（xiǎo），產生的切屑越薄。隨著徑向齧合量的增大，當齧（niè）合量為刀具直徑的50% 時，切屑厚度將達（dá）到最大值。當徑向齧合（hé）量超過 50%時，切屑將開始再次變薄。

切削刃的刃口處理也會影響切屑厚度。切屑厚度通常必須不（bú）小於切削刃（rèn）刃口的半徑。例如（rú），當切削（xuē）刃的半徑為（wéi）60 μm 時，需要調節進給量以產生至少（shǎo） 60 μm 的（de）切屑厚度。當進給量過低時，切削刃會與工件（jiàn）摩擦且無法切削工件材料。

銑刀的切削刃刃口處理常常通過增大刃口圓角半徑來提高刃口的強度從而降低崩刃和刃（rèn）口破損（sǔn）的風險。此類刃口處理包括研磨、倒角和倒棱。當銑削難加工材料或粗糙表麵時，這些刃口允許使用更激進的進給量。目標是在切削（xuē）刃的（de）後麵形成切屑，並因此避免由於集中產生壓力和影響而導（dǎo）致切削刃加速（sù）磨損或斷裂。調節進給量可改變切屑（xiè）的（de）形（xíng）成（chéng）位（wèi）置（zhì）並控製切屑厚度。增大進給量會導致（zhì）切屑變厚，減小進（jìn）給量（liàng）則產生更薄（báo）的（de）切屑。

刀具的主偏角直接影響切屑厚度。當刀具的主偏角為 90 度（就（jiù）像方肩銑刀那樣）時，切屑厚度（dù）就是 100%的進給量。但當（dāng）刀具的主偏角為 45 度時，切屑厚度是（shì）進給量的 70%，這是因為切屑是在更長（zhǎng）的一段切削刃上形成的。減小（xiǎo）切削刃的角度會導致（zhì）切屑變薄，必須增大進給量以保持所需的切屑厚度（dù）。

平均切屑厚度等式的應用

平均切屑厚度等式考慮（lǜ）到了刀具的（de）切（qiē）削刃角度和徑向齧合量。圖 3 分別以（yǐ）藍色和紅色展示了該（gāi）等式在側銑和中心銑削的應用。在主圖中，將刀具的徑向齧合量與（yǔ）刀具的直徑進（jìn）行了比較（jiào），並將比較結果表示為（wéi）Ae/Dc比率。圖一角的小圖顯示了刀具的主偏角（jiǎo）所產（chǎn）生的影響。

圖 3：HQ_ILL_Average_Chip_Thickness.jpg

此圖顯示了當平均切屑厚度公式不完全有（yǒu）效時的情形。當（dāng）側銑時，與刀具直徑相比（bǐ）徑向切寬非常小時，此公式不適用（請（qǐng）參見虛線）。而在中心銑削中，當刀具直徑（jìng）的50%以（yǐ）上參與切削時，紅（hóng）線表明了進給量是需要不斷加大（dà）的。這與（yǔ）實踐經驗相（xiàng）悖（刀具的齧合量增大時，通常會導致（zhì）進給量減小。因此，當徑向齧（niè）合量大於刀具直徑的 20% 到（dào） 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（dù）模型基於幾何因素並對複雜情（qíng）況進行了簡化。數十年的應用表明，在刀具（jù）壽命等式中（zhōng）使用平均切屑厚度模型可（kě）以得出誤差在 ±15% 以內的估算結（jié）果。如此高的精度足以滿（mǎn）足功率和扭矩計算以及（jí）多種常規工件材料加工（gōng）的要求。此外，通過人工方式對平（píng）均切屑厚度等式進行求解時，所花費的（de）時間和精力也在合理範圍（wéi）內。

但（dàn）當應用場合需要（yào）更高的精度或者銑削難加工的材料時，需要使用包含其他因素的模型。

等效切屑厚度

瑞典的研究人員 Sören Hägglund 開發出了一種更全麵（miàn）的模型，這種模型（xíng）提供了一種（zhǒng）稱為等效（xiào）切屑厚度的測量方法，可以得出誤差在 ±2% 以內的刀具壽命預測。在圖 4 顯示（shì）的模型中，黃色弧形代表銑刀所產生的實際切屑（xiè）的（de）厚（hòu）度變化。橙色條形顯示了平均切（qiē）屑厚度（dù）方法，是黃色圖片的展開版本。藍色條形代表等效切屑厚度。它們的一（yī）個主要（yào）差別在於，等效切（qiē）屑厚度模型考慮到了切削刃在切削時所花費的時間。這一點非常重要，原因在於刀具在工件中的齧合量並不固定，切削刃在切削時花費（fèi）的時間也（yě）不盡相同，而且所產生的切屑厚度也會（huì）發生變化。

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刀尖圓弧半徑對切屑厚（hòu）度的影響。該模型采用了瑞典工程（chéng）師 RagnarWoxén 在 20 世紀 30 年代初原本為車削加工開發的（de）一個概念（niàn）。Woxén 的公式可計算出刀具刀尖的理（lǐ）論切屑厚度，非常透徹地分析了刀尖圓弧半徑，並能夠（gòu）利用矩形來說明切屑麵積。

圖 5：HQ_ILL_Equivalent_Chip_Thickness_Woxen_Model.jpg

通過計（jì）算切屑厚度，製造商可以避免由於切（qiē）屑的（de）厚度小於特（tè）定的最低水平（píng）或大於特定的最高水平而產生問題。當徑向齧合（hé）量相對於刀具的直徑增大時，必須減（jiǎn）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（suō）短並最終斷裂。

另一方麵，當加工應（yīng）變硬化的材料（例如超級合金（jīn）和鈦合金）時，形（xíng）成比（bǐ）特（tè）定（dìng）最低水平更厚的切屑特別重要。當切削刃產生過薄的切屑時，會導致後來使用的切削刃切削出加工硬（yìng）化的（de）區域。切削最終產生的這一（yī）層應變硬化材料時，會加速刀具磨損，並可能導致刀具壽（shòu）命縮短三分之二。

很多車間會采用與加工淬硬鋼相同的策略來（lái）加工容易出現加工硬（yìng）化的（de）材料，並且使用更小的切削深度（dù）和進給量。結果，銑刀運行時使用的參數通常無法達到足夠（gòu）大的切屑厚度，銑削質量也會不盡如（rú）人意。選擇傳統銑削策略（luè）或順銑策略（參閱附注）也會影響切（qiē）屑厚（hòu）度以及容易出現加工硬（yìng）化材料的（de）加工。

結論

控製（zhì）切屑厚度是成功進行銑削加工的一（yī）個關鍵因（yīn）素。要充分利用切屑厚度（dù）概念，需要首先計算等效切（qiē）屑厚度，然（rán）後確定（dìng）切屑厚度的下限和上限。

由於複（fù）雜的等（děng）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花費的時間和精力（lì）要比經（jīng）過簡化（huà）的平（píng）均（jun1）切屑厚度模（mó）型多很多。在生產環境中通過人工方式進行這些計算時，既不劃（huá）算，也非常耗時（shí）。

但可以利用計算機軟件（jiàn）程序來計算加工參數（例如山高提供的（de）程序），用戶在幾秒鍾內（nèi）即（jí）可輸入數據並求出等式的結果。這可優化銑削工藝，從而提高（gāo）生產率和盈利能（néng）力。

附注

切屑厚度和銑削技（jì）術

采用等效切屑厚度這一概（gài）念時，需要考慮切屑的形成方式（shì）。進行銑（xǐ）削加工時，會以兩種不同的方式形成切屑，具體（tǐ）情況取決於相對於工件移（yí）動方向的刀具（jù）旋轉方向（xiàng）。這兩種方法是傳統銑削（向（xiàng）上）和順銑（向下）。在（zài）傳統銑削中，刀（dāo）具的旋轉方向與工件進給方向相反。在順銑中，刀具的旋轉方向與工件進給方（fāng）向相同（tóng）。

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（dù）進入（rù）工件。切屑的（de）厚度在開始形成時最小，在結束時達到（dào）最大值。相反，順銑時（shí）形成的（de）切屑厚度在（zài）開始（shǐ）時達到（dào）最大值，然（rán）後（hòu）逐（zhú）漸減小到最小值。

使用傳統方法進行銑削時，切削刃會在切削之前摩擦工件（jiàn），而且（qiě）薄（báo）切屑的（de）吸熱能力較差。這兩種情況（kuàng）都會導致工（gōng）件表麵發生應變硬化（huà）以及刀具壽（shòu）命縮短。切屑會掉落在刀具的前麵，因此可能（néng）被再次切削並導致表麵粗糙度下（xià）降。在水平銑削中，向上的切削（xuē）力可能會將工件提（tí）起，因此需要使用複雜（zá）的工件夾具。

順銑之（zhī）所以倍受青睞，是多種原因造成的。切削刃在進入（rù）工件進行切削（xuē）時無需摩擦，因此最大（dà）限度延（yán）長了刀具壽（shòu）命、減少了所產生的熱量。需要（yào）的機床功率更小，切屑掉落在刀具的後麵，可最大限度避免再次切削而且提高了表麵粗糙度、延長了刀具壽命。切削動作會產生向（xiàng）下的力，有助於穩定工件和簡化（huà）夾具。當加工（gōng）超級合金、不鏽鋼和鈦合金等材（cái）料時，切屑的初始厚度可實現散熱並最大限度減少工件表麵（miàn）的應變硬（yìng）化。

然而，順銑時產生的向下的力可能會導致機（jī）床（chuáng）工（gōng）作（zuò）台反衝，尤其是在較舊和/或（huò）手動（dòng）銑削的（de）設備上。反衝會影響精度並導致刀具由於切屑負（fù）載增大而可能斷裂。因此，當使用不太穩定的機床和工件時，可能需要采（cǎi）用傳統銑削方法。

當銑削鑄件、鍛件和表麵硬（yìng）化（huà）材料時（shí），也可以優先使用傳統銑（xǐ）削（xuē）方法。這是因為（wéi）傳統方法會在（zài）材料的硬化表麵或粗（cū）糙表麵的下方開始切削，而在順銑（xǐ）中（zhōng），刀（dāo）具以完（wán）整的（de）切屑厚度進入到零件中，因此可能會導致切削（xuē）刃在遇到材料（liào）的硬化區域（yù）時崩刃。

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