金屬切削工藝的結(jié)果取決于多種因素。其中一個(gè)最重要但也最不為人所知的因素是切削刀具所切削下來(lái)的“切屑的厚度”?；旧?，切屑厚度是指與切削刃呈直角的未變形材料的厚度測(cè)量結(jié)果。切屑厚度與某些因素相關(guān)，例如與影響刀具和工件的作用力密切相關(guān)。過(guò)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(guò)小會(huì)導(dǎo)致切削刃快速磨損。

　　通過(guò)確定和控制切屑厚度，制造商可以最大限度地提高金屬切削的生產(chǎn)率和效率、針對(duì)特定的工件材料定制切削工藝以及控制成本。由于沒(méi)有充分認(rèn)識(shí)到切屑厚度的重要性，很多制造商的切削刀具或者負(fù)載過(guò)重，或者利用不足，這都會(huì)對(duì)刀具的使用壽命和生產(chǎn)率產(chǎn)生負(fù)面影響。

　　既然如此，我們可以借助一些數(shù)學(xué)模型來(lái)了解切屑厚度的功能意義。切屑厚度模型最初是一些用于計(jì)算在穩(wěn)定車削加工中產(chǎn)生的切屑的簡(jiǎn)單等式，后來(lái)越來(lái)越復(fù)雜，并將斷續(xù)銑削環(huán)境中的多種變量納入考慮范圍。

　　銑削應(yīng)用中的切屑厚度模型

　　在連續(xù)車削加工中，切屑厚度會(huì)保持不變。但在銑削加工中，切屑厚度會(huì)隨著切削刃間歇性地出入工件而不斷變化。

　　為了簡(jiǎn)化對(duì)銑削切屑厚度的理解，大約 40 年前，金屬切削研究人員提出了“平均切屑厚度”這一概念。他們建立的公式以數(shù)學(xué)方式創(chuàng)造了具有一致平均厚度的理論切屑。平均切屑厚度模型有助于更好地理解和控制銑削加工。

　　當(dāng)確定平均切屑厚度時(shí)，必須考慮到刀具在工件中的徑向嚙合量以及切削刃槽型、刀具主偏角和進(jìn)給量。通過(guò)調(diào)節(jié)進(jìn)給量，機(jī)械師可以控制切屑的厚度。

　　刀具與工件的嚙合角度是可以根據(jù)刀具的直徑和切深由小到大變化的。徑向嚙合量越小，產(chǎn)生的切屑越薄。隨著徑向嚙合量的增大，當(dāng)嚙合量為刀具直徑的50% 時(shí)，切屑厚度將達(dá)到最大值。當(dāng)徑向嚙合量超過(guò) 50%時(shí)，切屑將開(kāi)始再次變薄。

　　切削刃的刃口處理也會(huì)影響切屑厚度。切屑厚度通常必須不小于切削刃刃口的半徑。例如，當(dāng)切削刃的半徑為60 μm 時(shí)，需要調(diào)節(jié)進(jìn)給量以產(chǎn)生至少 60 μm 的切屑厚度。當(dāng)進(jìn)給量過(guò)低時(shí)，切削刃會(huì)與工件摩擦且無(wú)法切削工件材料。

　　銑刀的切削刃刃口處理常常通過(guò)增大刃口圓角半徑來(lái)提高刃口的強(qiáng)度從而降低崩刃和刃口破損的風(fēng)險(xiǎn)。此類刃口處理包括研磨、倒角和倒棱。當(dāng)銑削難加工材料或粗糙表面時(shí)，這些刃口允許使用更激進(jìn)的進(jìn)給量。目標(biāo)是在切削刃的后面形成切屑，并因此避免由于集中產(chǎn)生壓力和影響而導(dǎo)致切削刃加速磨損或斷裂。調(diào)節(jié)進(jìn)給量可改變切屑的形成位置并控制切屑厚度。增大進(jìn)給量會(huì)導(dǎo)致切屑變厚，減小進(jìn)給量則產(chǎn)生更薄的切屑。

　　刀具的主偏角直接影響切屑厚度。當(dāng)?shù)毒叩闹髌菫?90 度(就像方肩銑刀那樣)時(shí)，切屑厚度就是 100%的進(jìn)給量。但當(dāng)?shù)毒叩闹髌菫?45 度時(shí)，切屑厚度是進(jìn)給量的 70%，這是因?yàn)榍行际窃诟L(zhǎng)的一段切削刃上形成的。減小切削刃的角度會(huì)導(dǎo)致切屑變薄，必須增大進(jìn)給量以保持所需的切屑厚度。

　　平均切屑厚度等式的應(yīng)用

　　平均切屑厚度等式考慮到了刀具的切削刃角度和徑向嚙合量。圖 3 分別以藍(lán)色和紅色展示了該等式在側(cè)銑和中心銑削的應(yīng)用。在主圖中，將刀具的徑向嚙合量與刀具的直徑進(jìn)行了比較，并將比較結(jié)果表示為Ae/Dc比率。圖一角的小圖顯示了刀具的主偏角所產(chǎn)生的影響。

　　此圖顯示了當(dāng)平均切屑厚度公式不完全有效時(shí)的情形。當(dāng)側(cè)銑時(shí)，與刀具直徑相比徑向切寬非常小時(shí)，此公式不適用(請(qǐng)參見(jiàn)虛線)。而在中心銑削中，當(dāng)?shù)毒咧睆降?0%以上參與切削時(shí)，紅線表明了進(jìn)給量是需要不斷加大的。這與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)相悖(刀具的嚙合量增大時(shí)，通常會(huì)導(dǎo)致進(jìn)給量減小。因此，當(dāng)徑向嚙合量大于刀具直徑的 20% 到 25% 和小于刀具直徑的 50% 到 75% 時(shí)，平均切屑厚度模型最為有用。

　　平均切屑厚度模型基于幾何因素并對(duì)復(fù)雜情況進(jìn)行了簡(jiǎn)化。數(shù)十年的應(yīng)用表明，在刀具壽命等式中使用平均切屑厚度模型可以得出誤差在 ±15% 以內(nèi)的估算結(jié)果。如此高的精度足以滿足功率和扭矩計(jì)算以及多種常規(guī)工件材料加工的要求。此外，通過(guò)人工方式對(duì)平均切屑厚度等式進(jìn)行求解時(shí)，所花費(fèi)的時(shí)間和精力也在合理范圍內(nèi)。

　　但當(dāng)應(yīng)用場(chǎng)合需要更高的精度或者銑削難加工的材料時(shí)，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(kāi)發(fā)出了一種更全面的模型，這種模型提供了一種稱為等效切屑厚度的測(cè)量方法，可以得出誤差在 ±2% 以內(nèi)的刀具壽命預(yù)測(cè)。在圖 4 顯示的模型中，黃色弧形代表銑刀所產(chǎn)生的實(shí)際切屑的厚度變化。橙色條形顯示了平均切屑厚度方法，是黃色圖片的展開(kāi)版本。藍(lán)色條形代表等效切屑厚度。它們的一個(gè)主要差別在于，等效切屑厚度模型考慮到了切削刃在切削時(shí)所花費(fèi)的時(shí)間。這一點(diǎn)非常重要，原因在于刀具在工件中的嚙合量并不固定，切削刃在切削時(shí)花費(fèi)的時(shí)間也不盡相同，而且所產(chǎn)生的切屑厚度也會(huì)發(fā)生變化。

　　等效切屑厚度模型還考慮到了刀具的刀尖圓弧半徑對(duì)切屑厚度的影響。該模型采用了瑞典工程師 RagnarWoxén 在 20 世紀(jì) 30 年代初原本為車削加工開(kāi)發(fā)的一個(gè)概念。Woxén 的公式可計(jì)算出刀具刀尖的理論切屑厚度，非常透徹地分析了刀尖圓弧半徑，并能夠利用矩形來(lái)說(shuō)明切屑面積。

　　通過(guò)計(jì)算切屑厚度，制造商可以避免由于切屑的厚度小于特定的最低水平或大于特定的最高水平而產(chǎn)生問(wèn)題。當(dāng)徑向嚙合量相對(duì)于刀具的直徑增大時(shí)，必須減小進(jìn)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(huì)變得過(guò)大，否則會(huì)導(dǎo)致刀具壽命縮短并最終斷裂。

　　另一方面，當(dāng)加工應(yīng)變硬化的材料(例如超級(jí)合金和鈦合金)時(shí)，形成比特定最低水平更厚的切屑特別重要。當(dāng)切削刃產(chǎn)生過(guò)薄的切屑時(shí)，會(huì)導(dǎo)致后來(lái)使用的切削刃切削出加工硬化的區(qū)域。切削最終產(chǎn)生的這一層應(yīng)變硬化材料時(shí)，會(huì)加速刀具磨損，并可能導(dǎo)致刀具壽命縮短三分之二。

　　很多車間會(huì)采用與加工淬硬鋼相同的策略來(lái)加工容易出現(xiàn)加工硬化的材料，并且使用更小的切削深度和進(jìn)給量。結(jié)果，銑刀運(yùn)行時(shí)使用的參數(shù)通常無(wú)法達(dá)到足夠大的切屑厚度，銑削質(zhì)量也會(huì)不盡如人意。選擇傳統(tǒng)銑削策略或順銑策略(參閱附注)也會(huì)影響切屑厚度以及容易出現(xiàn)加工硬化材料的加工。

　　結(jié)論

　　控制切屑厚度是成功進(jìn)行銑削加工的一個(gè)關(guān)鍵因素。要充分利用切屑厚度概念，需要首先計(jì)算等效切屑厚度，然后確定切屑厚度的下限和上限。

　　由于復(fù)雜的等效切屑厚度模型包含一組變量，因此對(duì)等式進(jìn)行求解時(shí)需要花費(fèi)的時(shí)間和精力要比經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化的平均切屑厚度模型多很多。在生產(chǎn)環(huán)境中通過(guò)人工方式進(jìn)行這些計(jì)算時(shí)，既不劃算，也非常耗時(shí)。

　　但可以利用計(jì)算機(jī)軟件程序來(lái)計(jì)算加工參數(shù)(例如山高提供的程序)，用戶在幾秒鐘內(nèi)即可輸入數(shù)據(jù)并求出等式的結(jié)果。這可優(yōu)化銑削工藝，從而提高生產(chǎn)率和盈利能力。

　　附注

　　切屑厚度和銑削技術(shù)

　　采用等效切屑厚度這一概念時(shí)，需要考慮切屑的形成方式。進(jìn)行銑削加工時(shí)，會(huì)以兩種不同的方式形成切屑，具體情況取決于相對(duì)于工件移動(dòng)方向的刀具旋轉(zhuǎn)方向。這兩種方法是傳統(tǒng)銑削(向上)和順銑(向下)。在傳統(tǒng)銑削中，刀具的旋轉(zhuǎn)方向與工件進(jìn)給方向相反。在順銑中，刀具的旋轉(zhuǎn)方向與工件進(jìn)給方向相同。

　　在傳統(tǒng)銑削中，切削刃以零切削深度進(jìn)入工件。切屑的厚度在開(kāi)始形成時(shí)最小，在結(jié)束時(shí)達(dá)到最大值。相反，順銑時(shí)形成的切屑厚度在開(kāi)始時(shí)達(dá)到最大值，然后逐漸減小到最小值。

　　使用傳統(tǒng)方法進(jìn)行銑削時(shí)，切削刃會(huì)在切削之前摩擦工件，而且薄切屑的吸熱能力較差。這兩種情況都會(huì)導(dǎo)致工件表面發(fā)生應(yīng)變硬化以及刀具壽命縮短。切屑會(huì)掉落在刀具的前面，因此可能被再次切削并導(dǎo)致表面粗糙度下降。在水平銑削中，向上的切削力可能會(huì)將工件提起，因此需要使用復(fù)雜的工件夾具。

　　順銑之所以倍受青睞，是多種原因造成的。切削刃在進(jìn)入工件進(jìn)行切削時(shí)無(wú)需摩擦，因此最大限度延長(zhǎng)了刀具壽命、減少了所產(chǎn)生的熱量。需要的機(jī)床功率更小，切屑掉落在刀具的后面，可最大限度避免再次切削而且提高了表面粗糙度、延長(zhǎng)了刀具壽命。切削動(dòng)作會(huì)產(chǎn)生向下的力，有助于穩(wěn)定工件和簡(jiǎn)化夾具。當(dāng)加工超級(jí)合金、不銹鋼和鈦合金等材料時(shí)，切屑的初始厚度可實(shí)現(xiàn)散熱并最大限度減少工件表面的應(yīng)變硬化。

　　然而，順銑時(shí)產(chǎn)生的向下的力可能會(huì)導(dǎo)致機(jī)床工作臺(tái)反沖，尤其是在較舊和/或手動(dòng)銑削的設(shè)備上。反沖會(huì)影響精度并導(dǎo)致刀具由于切屑負(fù)載增大而可能斷裂。因此，當(dāng)使用不太穩(wěn)定的機(jī)床和工件時(shí)，可能需要采用傳統(tǒng)銑削方法。

　　當(dāng)銑削鑄件、鍛件和表面硬化材料時(shí)，也可以優(yōu)先使用傳統(tǒng)銑削方法。這是因?yàn)閭鹘y(tǒng)方法會(huì)在材料的硬化表面或粗糙表面的下方開(kāi)始切削，而在順銑中，刀具以完整的切屑厚度進(jìn)入到零件中，因此可能會(huì)導(dǎo)致切削刃在遇到材料的硬化區(qū)域時(shí)崩刃。