切削加工中切屑的處理

葉陳新

（福建工程學院， 福建 福州 350118）

1 切屑的產生

切削加工中切屑是如何產生的?我們以外徑車削加工為例說明切屑產生的基本過程。如圖1所示，當車刀主切屑刃在合適的工件轉速和工作臺的進給配合下切入金屬，被切金屬在切削力的作用下受擠壓部位的應力逐漸增大并超過材料的屈服點，此時未發生變形的金屬結晶粒組織在擠壓力作用之下，其穩定的結晶組織結構開始分裂并滑移形成變形金屬結晶粒組織，即開始產生塑性變形，變形金屬結晶粒組織沿前刀面排出時受到刀片斷屑槽的擠壓、摩擦以及切屑區域高溫作用逐漸產生金屬纖維硬化，切屑形成并繼續流入斷屑槽后部，切屑受壓再度卷曲變形，進一步硬化和脆化，并折斷排出。采用內徑車削或銑削、鉆削等其他加工方式切屑，其產生方式基本相同。

常見的切屑有線狀長條形屑、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切削形成的切屑，多為精加工所形成的切屑。

圖1 切屑產生示意圖

圖2 切屑的形狀示意圖

2 控制切屑的必要性

經切削產生如圖2所示的線狀長條形屑或彈簧狀卷屑后，若沒有及時將切屑排除，切屑達到一定長度隨工件或刀具的旋轉慣力纏繞于工件或刀具上，當刀刃切削到纏繞的經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廢。纏屑情況嚴重的甚至可能引發安全事故。現代切削加工早已實現自動化或半自動化，若工序中有一把刀具因切屑纏繞或堵塞而損壞，未及時發現，則會引發后續工序刀具的一并損壞，工件報廢，生產線停機，造成刀具成本上升、廢品率上升、生產效率降低，所以在現代切削加工中刀具使用的可靠性很重要，要保證刀具預先設定的耐用度和壽命，盡量減少刀具破損的發生，切屑處理又是關鍵，這樣才能保證自動化生產線的正常運轉。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節。

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，同時具有與切削刃的前角、主偏角、刃傾角等幾何角度配合實現降低切削阻力，提高刀具的耐磨性，改善被加工件表面質量等功能。

如圖3所示的是一種適用于精加工的斷屑槽，藍色區域為刀尖及前刀面部位，前刀面的截面圖如圖3右上方所示，前角設計為15°，前刀面是利于切屑流動的直線型設計，寬度為0.5 mm，適合加工余量為0.5～1 mm的精加工。當切屑產生后隨前刀面流出，遇到前刀面后部的黃色斜面凸起部分，即受壓產生塑性變形并隨凸臺面卷曲硬化。紅色區域是輔助斷屑槽部分，除了與黃色凸臺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切削刃強度的作用，并具有優異的抑制毛刺的功能。如圖3右下方所示的是紅色區域橫截面，20°前角的設計，與15°的前刀面之間形成一個小退刀槽區域，在提高切削刃鋒利性的同時防止切削刃損傷并使流出的切屑卷屑更順暢，紅色凸臺部分的高度比黃色凸臺更高且傾斜的角度也更大，迫使切屑流過時產生向內的翻卷，凸臺的棱角能讓流過卷曲的切屑同時產生波浪形的凸起變形，這樣就能讓切屑更厚，產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而實現斷屑的目的。斷屑槽的大小或寬度設計與進給量或切深應相匹配，否則無法起到卷屑及斷屑的效果。國內外各大刀具廠商設計和生產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的工件達到斷屑目的。斷屑槽的設計方式多種多樣，能適應不同的加工需求，本文不再做詳細闡述。

3.2 改變刀具的幾何角度

1）前角：剪切角與切削變形關系最為密切，剪切角是決定切削變形程度的關鍵參數。如圖5所示，右圖中，當刀具的前角越大，剪切角也就越大，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，當右圖中的余偏角θ2小于左圖中的余偏角θ1時，右圖中的切屑厚度t2明顯比左圖中的切屑厚度t1大很多，也就是產生的切屑更厚實，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。同時余偏角越小，徑向分力越小，加工振動就小，加工越穩定。因為余偏角與主偏角為互補關系，習慣上說主偏角越大，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，當刀尖圓弧半徑越小，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：實踐中，為加強刀具刃部的強度，通常在鋒利的刀刃部做倒菱鈍化處理，其方式有倒菱，倒圓或復合修磨。當刀刃部倒鈍的寬度數值越大，其切削時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，但并不能完全達到理想的卷屑斷屑效果，常常需結合斷屑槽的設計，才能符合被加工件不同材質，不同加工工藝的需求。

3.3 改變切削參數

如圖8所示的是切削時切削比與工件切削速度的關系圖，切削速度與切削比的關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系得到）。

由此可見，切削速度與切屑的厚度成反比，當切削速度降低，鐵屑厚度變大則容易斷屑。同樣增大進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 切削時切削比與工件切削速度關系圖

通過改變切削參數來達到強制斷屑的方法，有很大的局限性。例如刻意降低切削速度，就降低了生產效率，單純增大進給量，工件表面粗糙度值將明顯增大，刀具所受切削力增大，引發刀具振動。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際生產中被廣泛應用。有機械式、電氣驅動或液壓驅動等形式，其目的都是利用外加設備強制斷屑。如圖9就是一種機械式斷屑裝置的結構圖，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旋轉并強行割斷切屑，割斷后的切屑則從排屑空間6排出。5為切斷裝置，主要靠傳動軸4傳動帶動切斷器工作。加裝斷屑裝置需要刀具的加工區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

美國俄亥俄州的現代制造工藝科學研究所發明的一種叫Flojet的高壓冷卻系統，通過產生高達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，所以使用該項技術可以達到更高的切削速度，沒有切屑的干擾，加工過程無需停機，生產效率提高，充分的潤滑提高了加工表面光潔度，冷卻充分且切屑不會損傷刀具，使刀具使用壽命更長。

3.6 利用工藝程序處理切屑

工藝上的斷屑處理，一種是工藝上預先開槽。在待加工工件表面預先沿工件軸向開出一條或數條溝槽，溝槽深度必需略小于切削深度，當刀具切削至溝槽位置，切屑變得很薄，在排屑時很容易被折斷。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。但這種方式相當于多了一道預先開槽的工序，降低了生產效率，且因被加工面預先被多道開槽，使得原本連續加工變成斷續加工，影響刀具使用壽命。

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

3.7 應用激光位移傳感器

通過激光位移傳感器檢測加工過程中主軸夾屑或刀具纏屑的震動信號，該原理是采集并處理主軸或刀具旋轉過程中的振動信號，與數據庫中預先存儲的正常運轉時的正常狀態主軸或刀具纏屑異常狀態的信號樣本信息進行比較，當主軸運轉出現主軸或刀具纏屑異常狀態時，輸出報警。該方法需要占用安裝空間，并可能影響加工節拍。這種方式本身并不能改善切屑的處理，最多只是一種補救防范的方式，當發生擠纏屑現象時報警停機，避免下一道工序的刀具損傷及工件報廢。

3.8 利用低頻震動斷屑

隨著技術的發展，利用振動原理的斷屑方式開始應用于生產。振動鉆削設備的基本原理是通過振動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，使鉆頭和工件之間產生規律性的接觸和分離，從而使普通鉆削變成間歇式鉆削，切屑就不可能是連續不斷的。在振動切削過程中，由于鉆頭的振動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，達到抑制積屑瘤的目的。此外，由于振動切削的間歇性作用，切削時的潤滑和冷卻都會得到改善，積屑瘤的形成進一步得到抑制，刀具壽命延長。

日本機床制造商CITIZEN MACHINERY（株）近來獨創并申請了低頻振動切削技術的專利（Low Frequency Vibration-cutting），其工作原理是在刀具切削時伺服軸朝切削方向振動，在該振動與主軸旋轉同步的同時進行切削，如圖10所示的是主軸旋轉一圈時的Z軸方向移動量和低頻振動的波形，很明顯，通過在切削中設置的“空振”時間，可以實現切削出的切屑為不連續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加工的切屑，圖12則是普通切削方式產生的切屑。同時還可利用“空振”時間冷卻刀刃尖部，防止切削區域過熱，延長刀具壽命。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。該項技術在避免伺服軸朝切削方向振動的頻率和機械加工固有的振動頻率一致而引發共振現象的技術上有很大的創新和突破，使該項技術顛覆了切削加工需要穩定狀態的概念，成為適合用于加工廣泛被削材質的通用性最新切削技術。如圖13所示是使用低頻振動加工過程中的工件示意圖。

4 結語

以上幾種斷屑方式可以單獨應用，也可以組合使用，目的就是保證切削過程的穩定順暢。當在實踐中還會碰到諸如深孔槍鉆加工鈦合金等難切削金屬時，在幾種方式都難以產生斷屑的情況下，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條狀鐵屑，隨切削液順暢排出的方式。總而言之，切削加工中對切屑的管理是一個長期的課題，排屑的方式將隨著科技的進步發展產生更多更新的切屑控制方法，但最終其目標在于保障設備運行的穩定性、高效性和安全性。

圖10 主軸旋轉一圈的Z軸方向移動量和低頻振動的波形

圖11 使用低頻振動加工的切屑

圖12 普通切削方式產生的切屑

圖13 低頻振動切削技術的被加工工件