切削概念.docx

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切削概念

第一章切削概念

在機械工廠欲將材料加工為成品的方法有很多種，若依加工所應用的原理可分為傳統式加工與非傳統式加工。

前者可以說是加工的刀具與被加工的工件之間存著傳統式的直接接觸。

後者則依近代的科技原理應用到實際加工，其“刀具”多不與工件直接接觸。

不論傳統式加工或非傳統式加工都可以分成切削加工及成形加工。

傳統式切削加工係利用楔形的刀具切除工件材料的操作方法，例如車床的車削、牛頭或龍門鉋床的鉋削、鑽孔、搪孔、絞孔、鋸削、拉削、銑削、磨削、滾齒切削等。

而成形加工則藉著各類模具及加熱、加壓等設備而迫使工件材料成形為所須產品的方法，倒如剪床的剪切、壓力機的衝胚與衝孔、旋彎成形、抽引或深抽引成形、鍛造、擠製、輥軋成形、粉末冶金、一般砂模或加壓鑄造等。

非傳統式切削加工則多使用機械式―超音波加工、磨料噴射、水噴射加工等，或電化學方式－電化學加工法（ElectrochemicalMachinery,ECM）、電化學磨削法（ElectrochemialGrinding,EGG）或電氣放電式一放電加工法（ElectricalDischargeMa-chining,EDM），或熱電式－雷射光加工法（LaserBeamMachining）及電子束加工法（ElectronBeamMachining）。

成形加工方面則有磁脈衝成形法、爆炸成形法、電成形法、液力成形按等方法。

本書討論的範圍著重於傳統式切削加工中的金屬材料之切削。

（一）金屬切削的沿革

遠在青銅器時代就可能發生最早的金屬切削，惟在人類發現鐵之後才能實際證實出當時曾進行金屬的切削。

當時的鐵件可能經過鍛造、鑿製、或銼磨而成的。

古埃及曾使用鑿尖鑽頭形式的刀具在黃銅及鐵件上鑽孔，故鑽頭被人們認為是最古老的切削工具。

在十八世紀中葉以前所有的工程結構多為木料。

當時的車床及其它工具機多用木料製成，且多用在木製另件的加工。

由1760至1860年可稱為致力於生產工具機的時期，在這期間，有許多傑出的工程師們奉獻其畢生的精力，發展一些能夠在工件上加工出精確的圓筒或平坦表面、螺紋、溝槽內孔等的基本工具機。

例如在1775年，魏金生（Wilkinson）發明搪床而使得瓦特（Watt）得以製出蒸汽機的圓筒。

1800年馬德士泰〈Mardstay）建造出實用的螺旋車床。

1817年羅伯士（Roberts）建造了龍門鉋床。

1818年懷特尼（Whitney）造出第一部銑床。

1840年南遜士（Namsmyth）造出第一部自動動力進給的鑽床等。

由1860年到現在的這段期問，則由基本工具機的發展轉移到如何切削新的金屬與合金材料，以及降低切削費用方面。

隨著俾斯麥及開爐煉鐵法的發明，鋼料也就快速地取代熟鐵而成為主要的構造材料。

不過鋼料卻較熟鐵難切削，切削速率必須放慢，切削合金鋼的速率更得放慢些，方能得到合適的刀具壽命。

在十九世紀末期也就極注意以人力及資本投資表示的切削費用。

極力鼓勵較快速的切削及切削自動化以降低費用。

尤其切削自動化直至今日仍為金屬切削範疇中的主要推展項目之一。

金屬切削技藝的發展是多方面的配合才能顯現出整體的功效。

以高速鋼、燒結碳化物、陶瓷刀具等取代碳鋼刀具之後，其切削速率增加了何止數倍。

工具機製造廠商則配合著發展出足以善用新刀具材料的工具機，例如自動機器、數值控制機器等都能增進工作效率。

刀具

設計者及工匠則專注於定出和磨出最新形狀的刀具，以便在高切削速率下得到較長的使用壽命。

潤滑劑製造廠商則開發一些新的冷卻劑及潤滑劑以改善工件的表面平滑度，同時也用來增加工件的切除率。

而有些金屬材料製造廠則開發一些新的合金材料來迎合工業現代化所衍生的一些日趨擴大的應力、溫度、及腐蝕等環境的應用情況。

其中如鋁及鎂等材料，在改善其有用性質及切削性；但是高合金鋼及鎳基合金則甚難切削之。

另一方面，他們也根據生產工程師們的反應而生產可以快速切削的金屬，如易切削鋼及鉛黃銅等合金，因而大大地節省了生產費用。

今日的金屬切削是工業中的重要一環。

汽車工業、電氣工程、鐵路工廠、造船廠、飛機製造廠以及工具機與家電產品製造者等等，他們都擁有甚大的機械工廠及為數甚多的技術者從事有關切削的工作。

切削工件的過程中，雖然會將部分金屬材料切削成低等級的廢料，形成一種浪費。

但在未來的歲月中，切削加工可能是加工出各種不同形狀的工件最便宜方擠，當然它更會朝向較高效率及精確度的方向前進。

（二）切削刀具的基本形狀

鑿子可能是人類首先使用的切削工具之一。

最早使用的石器刀具之刃口是鈍角式的，如圖1-1（a）示。

但隨著經驗的累積而知刀具的三種基本角度一傾角、問隙角、設定角等的重要性，如圖1-1（b）示。

現代的刀具擁有多種的形式，它的幾何形狀及切削動作方式，均與鑿子不太一樣，然而所有的現代刀具仍然有傾角、間隙角、及設定角。

在日常生活中，最熟悉的切削過程莫過於一般刀具切割相當軟的物體，如削鉛筆之小刀，其刃口多為刀具的兩面相交成非常小的夾角而成。

因夾角小的刀具，其刃口銳利，可以較小的力量切割物體。

圖1-1早期切削器具的可能形式

唯切削金屬材料則不然，金屬材料都相當地硬，月前已知的刀具材料中，尚無一種刀具可以用很細小的刃口來承受切削所引發的高應力及高溫度（切削鉛、鎳等低熔點金屬除外）。

切削金屬的刀具做成較大角度的楔形，並將其迫入工件材料中，以切除一薄層的屑片。

該薄層的厚度必須不致於使刀具與工件承受不了所施加的應力。

而刀具必須有間隙角的月的係為了確保刀具的間隙面不接觸新加工表面。

（三）切削模式

1881年Mallock提出正確地切削步驟──剪切工件材料而形成切屑。

他強調切屑移除時所發生於刀面的摩擦影響切削的重要性，並繪出切屑形成圖如圖1-2（a）示。

此外，也觀察了切削劑及刀具的銳利對切削的影響，切削過程的不穩定性及導致有害振動的理由。

他的許多觀察與近代的理論很接近。

1900年Reuleaux建議切削過程中的破裂是發生於刀具的前端，其過程如同劈開木材的情形。

他所建議的模式與圖1-2（b）所示的類似，後來發現這種模式並不正確。

圖1-2切削模式

（四）名詞解釋

1.正交切削

楔形刀具為具有直形的刃口，並且可以相對地與工件做有限的運動，以切除一層層的屑片，假如工件或刀具的運動方向與刃口相垂直，則稱為正交切削，如圖1－3（a）示。

由於正交切削屬於二維切削，可以儘量減少獨立變數，因此常用於切削理論的探討和研究。

圖1-3正交與斜交切削

2.斜交切削

一般的切削都是刃口與工件或刀具的運動方向成傾斜，則稱為斜交切削，如圖1-3（a）示。

斜交切削為三維切削。

3.刃口

楔形刀具之二個基本的表面相交處稱為刃口，如圖1-4示。

圖1-4刀具與切屑

4.刀面

切屑沿著刀具滑移之表面稱為刀面，如圖1-4示。

刀面為刀具的基本表面之一。

5.刀腹

切削過的工件表面（或稱加工面）之微粒所賴以清除的刀具表面稱為刀腹，如圖1-4示。

切削過程中的新工件表面因而就和刀腹之間存有間隙。

刀腹是刀具的另一基本表面。

6.切屑厚度

刀具切除工件材料時一層層屑片的厚度稱為切屑厚度，如圖1-4示。

在切削過程中切屑厚度經常會改變。

7.未變形切屑厚度

刀具切除工件材料時一層層屑片之前的厚度，稱為未變形切屑厚度，如圖1-4示。

如鉋床切削工件材料的深度，車床切削材料的進給率等稱為未變型的切屑厚度，因為切削厚度會改變，為了簡化討論和研究，常將每一層的未變型厚度當做常數。

8.單刃刀具

一支刀具僅有一刃口做切削工作者稱為單刃刀具。

如車刀、搪孔刀、鉋刀等。

9.多刃刀具

一支刀具有兩個〈含〉以上的刃口做切削工作者稱為多刃刀具。

（五）切屑形成的過程

切屑是將工件材料不必要的部份切除的產物，使工件型成所需的尺寸及形狀的成品。

切屑形成的過程如圖1-5示，分為四個步驟

圖1-5切屑形成的過程

圖（a）示刀具刃口楔入工件材料內，刃口受到壓縮，材料被壓迫變形，並凸起靠在刀面。

圖（b）示材料因塑性變性而產生閒隙。

圖（c）示材料因剪切作用有小片材料斜向移動產生第一個切屑元件。

圖（d）示切削繼續進行，許多切屑元件逐漸堆積沿著刀面移動。

切屑形成的區域是由刃口開始延伸到切屑與材料接結處，此區域稱為主變形區。

而切屑沿刀面滑出的部分成為次變形區。

（六）切屑的形態

切屑形成的形態依工件材料及切削條件分為連續式切屑，不連續式切屑、有積屑刃口的連續式切屑。

1.連續式切屑

連續式切屑形成的主因係切削鍛鐵、軟鋼、銅、鋁等較具韌性的材料。

在切屑形成之際，此等材料之晶粒在斷裂前，並非折斷而是密集地連續變形，終於形成長條狀自刀面滑出，如圖1-6示。

圖1-6連續式切屑

連續式切屑之形成除工件材料具有高度的韌性外，刀具形狀及切削條件亦有關係如：

高切速、中切深、及小進給，具有銳利的刃口及較大傾角的刀具，使用切削劑等。

選用刀具切削形成連續式切屑之材料時，必須對工件材料不易發生熔著現象，具有防止凹陷磨耗或摩擦係數較低者。

連續式切屑對切削作用之影響則有：

（1）以高切速、適當的切深及進給，將形成極光滑的加工面。

（2）刀具在切削過程中所承受的切削力之變化很少，幾乎成一直線，如圖1-7示，為一種穩定式切削。

對工件材料之切削效果良好，動力消耗少，為最理想的切削狀態，但並非理想的切屑形態。

圖1-7切屑形態對切削力之影響

（3）刀具刃口之溫度為三種切屑形態中最低者。

（4）切屑與刀面問接觸面之摩擦較大，切屑流動阻力亦較大，同時，連續不斷地與刀面接觸摩擦，對刀面之磨耗甚大，即形成凹陷磨耗。

（5）切屑之處理費時，若處理不當，將影響加工面光度，甚至妨礙切削工作。

圖1-8不連續式切屑

2.不連續式切屑

切屑在形成過程中受到相當大的應變或材料屬於脆性如鑄鐵、鑄銅等，其晶粒趨向於斷裂而非變形，切屑僅形成一部分就斷裂在主變形區內，這種片斷切屑稱為不連續式切屑，如圖1-8。

不連續式切屑之形成除工件材料具有脆性外，刀具形狀及切肖U條件亦有關係如：

低切速、大切深或大進給，小傾角的刀具。

選用刀具切削形成不連續式切屑之材料時，應具有高硬度及耐磨性者，以防止刃口之磨耗。

不連續式切屑對切削作用之影響則有：

（1）以中等的切速，適當的切深及進給，所形成加工面之者度尚佳。

（2）切屑從剪切區中最容易猾出。

在刀面的流動阻力小，刀具承受之切削力亦適中。

（3）在切削過程中，切屑斷裂提前發生，小碎屑從材料處斷裂，使切屑與刀具的摩擦均集中於刃口處，對刃口之磨耗甚大，容易使刃口變鈍。

（4）刀具承受切創力係間歇作用並且經常變化，故切削此類材料的深度比延性材料較低。

（5）切屑為三種形態中最容易處理。

3.有積屑刃口連續式切屑

當連續式切屑不斷地從刀面滑過時，促使切屑成為高溫及高壓的狀態，因而刀面材料的晶粒與切屑的晶粒因親和力而熔著。

此種熔著於刀面上的切屑會隨著切屑的繼續流動，而增加切屑與刃口之間的摩擦，此種排除切屑的壓力加壓於刃口，促使小粒的切屑積存於刃自上，如此不斷地增加，當達一定限度時變為不穩定而分裂，此種現象稱為積屑刃口（Built-upEdge）簡稱BUE，如圖1-9示。

圖l-9有積屑刃口連續式切屑

積屑刃口產生的主要原因係工件材料本質及切削溫度的關係，因為積屑刃口之形成有一定的溫度，如鋁為230℃，碳鋼為500℃~600℃,18-8不誘鋼為650℃~700℃。

因此，適當的選擇切削條件或刀具形狀，使切削工件的材料超出再結晶溫度範圍就可使積屑消失。

1.積屑刃口對切削作用之影響

積屑刃口對刀具壽命的影響有利亦有弊。

如果能夠好好地利用則可以防止刃口的磨損。

但是若在一定的週期內反覆地發生和脫落，則會由於刃口所受到的衝擊力而損壞。