切屑的控制

在金属切削过程中，必然会产生切屑，如不能有效的控制，轻者将划伤工件已加工表面，重者则危害操作者的人身安全和机床设备的正常运行。在数控生产中更应该注意切屑的控制。

1．切屑的类型

由于工件材料不同，工件在加工过程中的切削变形也不同，因此所产生的切屑类型也多种多样。切屑主要有四种类型，如图2-33所示。

图（a）、（b）、（c）、（d）四种切屑中，其中前三种属于加工塑性材料所产生的切屑，第四种为加工脆性材料的切屑。现对这四种类型切屑特点分别介绍。

（1）带状切屑

此类切屑的特点是形状为带状，内表面比较光滑，外表面可以看到剪切面的条纹，呈毛茸状。它的形成过程如图2-33（a）所示。这是加工塑性金属时最常见的一种切屑。一般切削厚度较小，切削速度高，刀具前角大时，容易产生这类切屑。此时切削力波动小，已加工表面质量好。

（2）挤裂切屑

挤裂切屑形状与带状切屑差不多，不过它的外表面呈锯齿形，内表面一些地方有裂纹。如图2-33（b）所示。此类切屑一般在切削速度较低，切削厚度较大，刀具前角较小时产生。切削过程不太稳定，切削力波动较大，已加工表面粗糙值较大。

（3）单元切屑

在切削速度很低，切削厚度很大情况下，切削钢以及铅等材料时，由于剪切变形完全达到材料的破坏极限，切下的切削断裂成均匀的颗粒状，则成为梯形的单元切屑。如图2-33（c）所示。这种切屑类型较少。此时切削力波动最大，已加工表面粗糙值较大。

（4）崩碎切屑

如图2-33（d）所示，此类切屑为不连续的碎屑状，形状不规则，而且加工表面也凹凸不平。主要在加工白口铁、高硅铸铁等脆硬材料时产生。不过对于灰铸铁和脆铜等脆性材料，产生的切屑也不连续，由于灰铸铁硬度不大，通常得到片状和粉状切屑，高速切削甚至为松散带状，这种脆性材料产生切屑可以算中间类型切屑。这时已加工工件表面质量较差，切削过程不平稳。

以上切屑虽然与加工不同材料有关，但加工同一种材料采用不同的切削条件也将产生不同的切屑。如加工塑性材料时，一般得到带状切屑，但如果前角较小，速度较低，切削厚度较大时将产生挤裂切屑；如前角进一步减小，再降低切削速度，或加大切削厚度，则得到单元切屑。掌握这些规律，可以控制切屑形状和尺寸，达到断屑和卷屑目的。

图2-33  切屑类型

(a)带状切屑  (b)挤裂切屑 (c)单元切屑（d）崩碎切屑

2．切屑的折断

当对切屑不进行控制时，产生的切屑一般到一定长度自行折断。如不对切屑进行人为的折断，往往对操作者和设备造成影响。

图2-34显示了切屑的折断过程。在图2-34（a）中，厚度为h_ch的切屑受到断屑台推力F_Bn作用而产生弯曲，并产生卷曲应变。在继续切削的过程中，切屑的卷曲半径由ρ₀逐渐增大到ρ，当切屑端部碰到后刀面时，切屑又产生反向弯曲应变，相当于切屑反复弯折，最后弯曲应变ε_max大于材料极限应变ε_b时折断。可以知道切屑的折断是正向弯曲应变和反向弯曲应变的综合结果。根据弯曲产生的应变计算，可以得出折断条件：

ε_max＝（ － ）≥ε_b                       （2-5）

    由式（2-5）可知，当切屑越厚（h_ch大），切屑卷曲半径ρ越小，材料硬度越高、脆性越大（极限应变值ε_b小）时，切屑越容易折断。

切屑的弯曲半径ρ，与断屑槽尺寸有密切关系。如图2-34（b）所示，可得公式：

ρ＝                              （2-6）

由公式可知，如减小ρ，则需减小断屑槽宽度L ，增加断屑台高度h 与加长刀屑接触长度l。

图2-34  切屑折断过程

(a)弯曲  (b)折断

3．断屑措施

（1）磨制断屑槽

磨制断屑槽是焊接硬质合金车刀常用的一种断屑方式。如图2-35所示，是几种常用的断屑槽型式：直线圆弧型，直线型，全圆弧型。

直线圆弧型和直线型断屑槽适用于切削碳素钢、合金结构钢、工具钢等，一般前角在γ_o＝5^o～15⁰。全圆弧型前角比较大，γ_o＝25^o～35^o。适用于切削紫铜、不锈钢等高塑性材料。

断屑槽的参数对其断屑性能和断屑范围有密切关系。影响断屑的主要参数有：槽宽L_Bn，槽深h_Bn。槽宽L_Bn应保证切削切屑在流出槽时碰到断屑台，以使切屑卷曲折断。如进给量大，切削厚时，可以适当增加槽宽L_Bn。

图2-35  断屑槽型式

(a)直线圆弧型  (b)直线型  (c)全圆弧型

表2-9是当进给量和背吃刀量确定后槽宽L_Bn的参考值。对于圆弧型断屑槽，当背吃刀量a_p＝2～6㎜时，一般槽宽圆弧半径r_n＝（0.4～0.7）L_Bn。

表2-9  断屑槽宽度L_Bn

如图2-36所示，断屑槽在前刀面的位置有三种型式：（a）平行式；（b）外斜式；（c）内斜式。其中外斜式最常用，平行式次之。内斜式主要用于背吃刀量a_p较小的半精加工和精加工。

（2）选择合适切削用量

切削用量的变化对断屑产生影响，选择合适的切削用量，能增强断屑效果。在切削用量参数中，进给量f 对断屑影响最大。进给量增大，切屑厚度也增大，碰撞时容易折断。切削速度υ_c和背吃刀量a_p对断屑影响较小，不过，背吃刀量增加，断屑困难增大；切削速度提高，断屑效果下降。   

图2-36  断屑槽前刀面所处位置

（a）平行式（b）外斜式 （c）内斜式

（3）选择合适刀具几何参数

在刀具几何参数中，对断屑影响较大的是主偏角κ_r。因为在进给量不变的情况下，主偏角增大，切屑厚度相应增大，切屑也容易折断。因此，在生产中希望有较好的断屑效果时，一般选取较大的主偏角，一般κ_r＝60^o～90^o。

刃倾角λ_s的变化对切屑流向产生影响，因而也影响断屑效果。刃倾角为－λ_s时，切屑流向已加工表面折断；刃倾角为＋λ_s时，切屑流向待加工表面折断，见图2-31。

2.4.2 材料的切削加工性

    不同材料，切削加工的难易程度是不同的。了解影响金属切削加工难易度的因素，对于提高加工效率和加工质量将有重要的意义。

1．材料切削加工性的概念与评价标准

在一定的切削条件下，工件材料在进行切削加工时表现出的加工难易程度被称为材料的切削加工性。

加工时的情况和要求不同，材料加工难易程度的评价标准也不同。如粗加工时用刀具耐用度和切削力为指标；精加工时用已加工表面粗糙度值作指标。因此切削加工性是一个相对概念。一般材料的切削加工性的标准用以下几个方面来衡量：

（1）加工表面质量。 容易获得较小表面粗糙度的材料，其材料的切削加工性高。一般零件的精加工用此标准衡量。

（2）刀具耐用度。 这是比较通用的材料切削加工性标准。

这种标准常用的衡量方法是：保证相同刀具耐用度的前提下，考察切削材料所允许的切削速度的高低，以U_T 表示，含义为：当刀具耐用度为T（min）时，切削某种工件材料所允许的切削速度值。U_T越高，工件材料的切削加工性越好。一般情况下，取T＝60min，U_T可以用U₆₀表示；难加工材料T＝30min或15min。

（3）单位切削力。机床动力不足或机床系统刚性不足时，常采用这种标准。

（4）断屑性能。 对工件材料断屑性能要求高的机床，如自动生产线，组合机床等，或对断屑性能要求较高的工序，常采用这种标准。

以上是评价材料切削加工性的各种标准。在生产实践中，通常采用相对加工性来衡量材料的切削加工性。即：以强度为σ_b＝0.637GPa的45钢的U₆₀作基准，记作U_60j，其它切削材料的U₆₀与之相比的数值，称为相对加工性，记作K_v：

K_v＝U₆₀/U_60j

   常用材料的切削加工性按相对加工性可分为8级，如表2-10。

表2-10  常用工件材料的相对加工性及分级

 2．影响工件材料切削加工性的因素

在影响工件材料切削加工性的各种因素中，最主要的影响因素是材料的硬度，其次是该材料的金相组织相关因素，再次是工件材料的塑性和韧性，以下分别说明。

（1）工件材料硬度对加工性的影响

一般情况下，加工硬度高的工件材料时，切屑与前刀面的接触长度减小，前刀面上的法向应力增大，摩擦集中在一小段刀具和切屑接触面上，使切削温度增高，摩擦加剧，因此刀尖容易磨损和崩刃。工件材料的硬度越高，所允许的切削速度也越低。当工件材料的硬度达到HRC54时，材料的U₆₀值相当低，高速钢刀具已无法切削。

（2）工件材料强度对切削加工性的影响

工件材料的强度越高，所需的切削力也越大，切削温度也相应增高，刀具磨损变大。因此，材料的切削加工性是随着材料的强度增大而降低。

（3）材料的塑性与韧性对切削加工性的影响

在强度相同时，塑性大的材料所需切削力大，产生的切削温度也高，另外还容易发生粘结现象，切削变形大，因而刀具磨损较大，已加工表面质量较差，此材料的切削加工性也较低。

材料的韧性对材料加工性的影响与塑性类似。韧性大的工件材料所需切削力较大，刀具易磨损，而且材料的韧性越高，断屑越困难。

（4）金相组织对材料切削加工性影响

一般铁素体的塑性较高，珠光体的塑性较低。金属材料中含有大部分铁素体和少量珠光体时材料的切削加工性较好。对于纯铁，完全是铁素体，塑性太高，切削加工性很低，切屑还不容易折断。

片状珠光体分布的材料，金属切削加工性较差，球状珠光体分布的材料，金属切削加工性较好。切削马氏体、回火马氏体和索氏体等硬度较高的组织时，刀具磨损大，材料切削加工性差。

（5）材料化学成份对切削加工性的影响

钢中化学成份能改善钢的性能。其中，Cr、Ni、V、Mo、W、Mn等元素能提高钢的强度和硬度；Si和Al等元素容易形成氧化铝和氧化硅等硬质点，增加刀具磨损。这些元素含量较低时（一般0.3％为限），对金属的切削加工性影响不大，超过这个含量，材料的切削加工性降低。

钢中加入少量的硫、硒、铅、磷等元素后，不但能降低钢的强度，而且能降低钢的塑性，因而提高了钢的切削加工性。

铸铁中化学元素对切削加工性的影响是通过这些元素对碳石墨化作用而产生的。铸铁中碳元素以两种形式存在：碳化铁和游离石墨。石墨硬度低，润滑性能好，当铸铁中碳以这种形式存在时，铸铁的切削加工性高；碳化铁因为硬度高，刀具容易磨损，所以当铸铁碳化铁含量高时，切削加工性低。

（6）材料的加工硬化性能对切削加工性影响

工件材料的加工硬化性能越高，切削力越大，切削温度也越高；另外，刀具容易被硬化的切屑和已硬化表面磨损，因而，材料的切削加工性越低。一些高锰钢和奥氏体不锈钢切削后的表面硬度，比原硬度高1.8倍左右，造成刀具磨损加剧。

3．改善材料切削加工性的措施

工件材料的切削加工性往往不能满足加工的需要，需要采取措施提高材料的加工性能。通过以上对影响材料切削加工性的因素分析，可以知道，改善材料的切削加工性，主要可以采取以下两种措施。

（1）调整工件材料的化学成份。

因为工件材料的化学成分影响金属切削加工性，如材料中加入硫元素，组织中产生硫化物，减少组织的结合强度，便于切削；加入铅，使材料组织结构不连接，有利断屑，铅还能形成润滑膜，减小摩擦系数。因此，在钢中添加硫、铅等化学元素，金属的切削性能将得到有效提高，钢成为易切削钢。在生产中，含硫的易切削钢应用较多。一般在大批量生产中，通过改变材料的化学成分来改善切削加工性。

（2）通过热处理改变材料的金相组织和力学性能

根据影响材料加工性的因素分析可知，金属材料的金相组织和力学性能，能影响金属材料的切削加工性。通过热处理能改变材料的金相组织和力学性能，从而达到改善金属切削加工性目的。

高碳钢和工具钢硬度高，含有较多网状和片装渗碳体组织，难切削。通过球化退火，得到球状渗碳体组织，降低了材料硬度，改善了切削加工性。

低碳钢塑性高，切削加工性也差。通过冷拔和正火处理，可以降低其塑性，提高硬度，使其切削加工性得到改善。马氏体不锈钢塑性也较高，一般通过调质处理，降低塑性，提高其加工性。

热轧状态的中碳钢，由于组织不均匀，有些表面有硬皮，所以难切削。通过正火处理或退火处理，均匀材料的组织和硬度，可以提高材料切削加工性。

铸铁一般通过退火处理，可消除内应力和降低表面硬度，以改善切削加工性。

4．难加工材料的切削加工性及加工方法

随着科学技术的发展，对机械零件及产品的性能的要求也越来越高，对所使用的材料要求也越来越高，现在出现了许多难加工材料，如耐磨钢、高强度钢、不锈钢、高温合金等，以下对难加工材料进行介绍。

（1）高锰钢

钢中锰含量在11％～14％时，称为高锰钢。常用有高碳高锰耐磨钢和中碳高锰无磁钢。高锰钢很难切削。

高锰钢切削加工性差的主要原因时加工硬化性能高和导热性差。高锰钢在切削加工过程中，因塑性变形使材料中奥氏体组织变为细晶粒马氏体组织，硬度提高一倍，而导热系数约为45钢的1/4，因此切削温度很高。此外，高锰钢韧性高，约为45钢8倍，切屑也不易折断，使加工更加困难。

在加工高锰钢时，为减小加工硬化，应使刀刃锋利。为增强刀刃和改善散热条件，一般车削选用前角γ_o＝-5^o～5^o，负倒棱b_γ1＝0.2～0.8㎜，γ_o1＝-5^o～-15^o，后角值较大，通常α_o＝-5^o～-10^o，主偏角κ_r＝45^o。切削时速度不宜太高，一般υ＝20～40m/min。因为加工硬化严重，进给量和切削深度不宜小，以免刀刃在硬化层切削。进给量大于0.16㎜/r，一般f ＝0.2～0.8㎜/r；背吃刀量粗车a_p＝3～6㎜，半精车a_p＝1～3㎜。

为提高切削效率，可采用加热切削法。

（2）高强度钢

高强度钢的室温强度高，抗拉强度在1.177GPa以上。低合金和中合金高强度钢，在淬火及回火后能得到硬度为40～50HRC的高硬度和高强度。高强度钢的高硬组织在切削时，刀刃切削应力大，切削温度高，刀具磨损比较严重，难切削，但在退火状态下，高强度钢比较容易切削。

高强度钢切削时，应注意以下几点：

l         在刀具材料的选用上，如采用硬质合金，应选用强度大，耐热冲击的牌号刀具；采用高速钢刀具时，应选用高温硬度高的高钒高钴高速钢；为减小崩刃，选用碳化物细小均匀的钼系高速钢。

l         为防止崩刃，增强刀刃，前角应取小值或负值，刀刃粗糙度小，刀刃尖角用圆弧代替，圆弧半径ｒ_ε>0.8㎜。

l         切削时，切削速度要低，约普通结构钢的1/8～1/2，进给量不宜过小。

l         采用硬质合金刀具时，不宜采用水溶性切削液，以免刀刃承受较大的热冲击。

l         粗车时，一般在退火状态下进行，前角选用较小的数值，倒棱前角γ_o1＝-5^o～-10^o，如f <0.06mm/r时，γ_o1＝3^o～-5^o。后角应选大些，α_o＝10^o。

（3）不锈钢

不锈钢按材料组织可分为多种形式，其中奥氏体不锈钢（如1Cr18Ni9Ti）和马氏体不锈钢（2Cr13，3Cr13）应用较多。

奥氏体不锈钢组织塑性大，容易产生加工硬化，而且刀热性也差，约为45钢的1/3，因此奥氏体不锈钢较难切削；马氏体不锈钢淬火后硬度和强度都较高，切削也比较困难。未调质的马氏体不锈钢，虽然能在较高的速度下切削，但表面光洁度较差。

切削不锈钢时应注意以下几点：

l         刀具材料应选用强度高，导热性好的硬质合金。

l         切削刀具一般选用较大前角，较小的主偏角，以利于切削。

l         刀具前刀面和后面应仔细研磨，保证具有较小的表面粗糙度。此外选用较高和较低的切削速度，以免产生粘结现象。

l         不锈钢切屑不容易折断，应采用各种断屑、排屑措施。

l         不锈钢导热性能低，容易产生热变形，精加工时尺寸精度易受影响。

l         车削不锈钢，在刀具参数的选择上，一般前角γ_o＝25^o～30^o，对于强度和硬度较大的不锈钢，可取γ_o＝20^o～25^o；粗车时，后角α_o＝6^o～10^o，精车α_o＝10^o～12^o；粗车时b_γ1＝0.1～0.3㎜，精车时倒棱b_γ1＝0.05～0.2㎜；刀具材料一般选用细晶粒的YG硬质合金。不锈钢的车削用量如表2-11所示。

（4）硬质合金

许多模具采用硬质合金制造。加工硬质合金材料时，除可以采用磨削加工外，还采用表层为人造金刚石、基体为硬质合金的复合金刚石刀具（PCD）加工。YG类的硬质合金车削加工时，如选用切削速度υ_c＝20m/min，进给量f ＝0.02㎜/r，背吃刀量a_p＝0.05㎜，加工表面粗糙度可达Ra＝0.2μm；为提高刀具强度，一般刀具前角γ_o＝-15^o。在切削液的选用上，一般选用含煤油的混和切削油，以提高浸润性和降低摩擦。

表2-11  不锈钢的车削用量