要實現良好的金屬切削加工過程必須要平衡刀具切除金屬時消耗的能量和刀具穩定承載切削負荷的能力

在金屬切削過程中，刀具將使材料發生變形，直至以切屑的形式被切除。該變形過程需要消耗大量能量，並且刀具將承受各種機械、熱、化學和摩擦負荷。此類負荷最終會導致刀具出現損耗，並磨損或失效。因此，要實現良好的金屬切削加工過程必須要平衡刀具切除金屬時消耗的能量和刀具穩定承載切削負荷的能力。

正確地了解並處理切削參數、刀具槽型、刀具材料和其他因素之後，機械工程師就能實現高效、經濟的金屬切削工藝。機械負荷在車削加工中比較穩定，而在銑削中則會從小到大再到小不斷變化。本次分析將集中介紹車削操作中的參數和刀具槽型問題。

加工負荷

作用於切削刀具的負荷分為四個基本類別：機械、熱、化學和摩擦。

機械壓力會加快刀具的磨損和失效。加工零件中的氣孔或夾渣所造成的斷續切削會產生衝擊負荷，從而導致刀具崩刃或破損。

由於工件材料變形而產生的熱負荷會產生熱量，導致溫度上升到 800-900 攝氏度，從而造成刀具變形和變鈍。

熱與壓力的結合還會促使切削材料與工件材料之間發生化學變化，從而產生擴散或深坑形式的磨損。

刀具與切屑之間的摩擦力會產生摩擦磨損和沖蝕磨損，也就是摩擦負荷的結果；通過對錶面彼此之間的接觸進行摩擦學檢查，可確定它們在特定的溫度和壓力下將對彼此的形狀變化造成多大的影響。

四種負荷類別並非獨立作用，而是相互作用並影響綜合的效果。所用機床的功率、機床和零件緊固裝置的剛性，甚至是機床操作者的技能，都會影響加工效果。負荷的相互作用會產生各種結果，並且最終都會導致刀具出現損耗並磨損或失效。

刀具使用壽命終結的速度和可預見性取決於刀具承受所產生負荷的能力。為盡量延長刀具使用壽命並確保工藝安全性，必須在一定時間內將加工負荷降至低於刀具負荷承受能力的水平。影響該能力的關鍵因素包括刀具的切削槽型以及切削材料和鍍層。

主動解決問題

為確保經濟高效，機械加工車間需要努力縮短用於機床設置、刀具裝卸和工件裝卸的時間以及其他空閑時間。但是，空閑時間時很少會將解決問題的時間包含在內。在加工開始之前主動應用適當的刀具槽型和切削參數，可以有效縮短問題診斷和解決的時間。

可加工性

主動的進行計劃是為了最大程度提高工序的可加工性。傳統的可加工性定義主要集中在特定工件材料上，並採用比例因子來測量該特定工件材料相比基準材料的加工難度。

但是在本次討論中，可加工性定義為在提高單位功率金屬切除率方面 需要達到的目標。這是在最高生產率和最低成本條件下，金屬切削操作可以達到的可靠性程度。

提高加工速度的簡化方法是改善切削條件，即切削深度、進給和切削速度。但是，改善加工條件會對切削刀具承受的負荷造成一些影響。在本次分析中，我們將著重探討機械負荷。

必須知道，切削刀具上的機械負荷與切削力並不是一回事。可以將機械負荷理解為壓力（單位表面積受到的力）。高切削力在較大面積上擴散，刀具承受的負荷就相對較小。另一方面，即使是較低的切削力，如果集中在刀具的極小一部分上，也可能會導致出現負荷問題。切削力受工件材料、刀具槽型和影響。反過來，切削力又會影響能耗、振動、工件公差和刀具使用壽命。

切削參數的影響

切削深度、進給和切削速度的處理會對刀具負荷產生不同的影響。切削深度加倍會使切削力加倍，但是也會使切削刃作用於切削的長度加倍，因此單位切削刃長度所承受的負荷仍將保持相同。切削力還將隨著進給量的提高而提高，但程度較低且無線性關係。提高進給量對切削力的影響並不像加大切削深度那麼大，因為提高進給量增加的是切屑厚度而不是刀具的切削長度。這樣會大大增加切削刃的負荷。

在加快切削速度時，切削力通常會保持不變，但是功率要求將會升高；根據基本機械公式計算，功耗等於力乘以速度。實際上，中等切削速度範圍內的切削力一般都會保持不變。但是研究和實際經驗表明，切削力在切削速度降低時將會升高，並在切削速度加快時將會降低。在低速度下，可能會由於積屑瘤而導致切削力增加，而積屑瘤本身就表示切削速度不恰當。根據柏林大學卡爾-薩洛蒙博士在上世紀二三十年代得出的研究結果，切削溫度會隨著切削速度上升而上升，但是隨著速度的進一步上升將會下降。涉及到真正的高速加工領域時，這些結果也同樣有效，但是原因和結果有所不同，這是另一個討論主題。

太快的切削速度會導致不可控的切屑形成、極快的刀具磨損以及可能會使刀具碎裂或破裂的振動，從而降低工藝的可靠性。實際結論表明，更高的進給率和切削厚度與中低等切削速度相結合時，最有可能提高操作的安全性和可靠性。如果切削厚度和進給率低到足以限制切削力的程度，則更高的切削速度可以提供更高的生產率。

通過刀具槽型來解決問題

大家普遍都認為，提高金屬切削生產率及解決問題需要採用更先進的切削刀具材料，例如新的硬質合金材質等級、鍍層、陶瓷和 PCBN。不斷改善刀具材料技術具有無可爭辯的價值。但是，單獨依靠新切削材料來解決問題必然會起到反作用，可能會走入死胡同。例如，如果導致刀具破裂問題的原因是機械負荷過重，則解決方法是選擇一種更強壯的切削刀具材料。但是如果已無法找到更強壯的材料，也就無路可走了。

在主動解決問題的過程中，刀具槽型的作用並未引起重視。改變刀具槽型時，會以一種積極的方法改變變形材料的流動。例如，當預測切削力的公式（參見側邊欄）提示結果機械負荷將會較高時，從一開始就使用較鋒利的槽型可以降低切削力，並在問題發生之前盡量加以避免。使用不同的刀具槽型來改變切屑流向時，還可以使化學、熱和摩擦負荷的量和影響發生積極變化。

刀具槽型的元素

刀具的槽型包括其宏觀和微觀層面的形狀和尺寸。在宏觀方面，切削刀片的基本大小和形狀決定了其強度。作用於較大刀片的切削力與作用於較小刀片的相同切削力相比，會導致更輕的負荷。較大且堅固的刀片有助於實現更高生產率的進給率和切削深度。但是，大刀片可能無法用於加工較小的零件特徵。對於刀片形狀，也存在類似的考慮因素。圓形刀片具有最高的強度，而 90 度刀尖角方形刀片的強度也要高於 35 度刀尖角的金剛石刀片。但是，圓形刀片可切削的零件輪廓種類要少於 35 度刀具。在強度與應用靈活性之間，需要作出一定的權衡。

另一個槽型因素涉及到刀具如何進入工件，這取決於切削刃角度、刃傾角和刀具前角。如果刀具頂面（前刀面）與加工表面垂直，則會將刀具前角視為負數。切削力將傳遞至刀具的本體或最強壯部分。另一方面，當切削刃從工件表面向後傾斜時，會將刀具前角視為正數。切削力集中在刀刃上，但此處不如本體強壯。此外，以正前角插入的刀片的後刀面必須具有楔角或后角，這樣會進一步降低刀具強度。

負前角加工可以有效處理較強壯材料（例如鋼和鑄鐵），但是也會產生更大的切削力，這樣可能會限制切屑流動，而在剛性較低的機床、夾具或工件中也可能會導致振動。正前角產生的切削力較小，切屑流動也更自由，但刀具更容易崩刃或破損，並且切屑也可能無法控制。正前角切削適用於需要鋒利切削刃的粘性材料和超級合金。

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