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【創(chuàng)世紀小百科】卷曲與折斷：揭秘切削加工中的“屑”藝術(shù)
切削加工正在向高速化、高精度化和自動化的方向發(fā)展。長而不斷切屑嚴重影響切削加工過程的正常進行，如何控制切屑形成，使之有規(guī)律地卷曲并折斷是提高車削自動化生產(chǎn)系統(tǒng)加工效率的關(guān)鍵。
長而不斷的切屑將會纏繞在刀具或工件上，嚴重影響了自動化加工的進行，降低工件的已加工表面質(zhì)量，同時也加劇了刀具的磨損程度，進而直接制約了生產(chǎn)效率，并增加了企業(yè)的生產(chǎn)成本。
為保證自動化的切削加工正常運作，提升設(shè)備的利用率，提高表面加工質(zhì)量自動化加工階段的切屑折斷與排出成為高效加工研究的重點問題，也是企業(yè)快速響應(yīng)市場的關(guān)鍵。
切屑折斷的原理
金屬切削過程中，切屑是否容易折斷，與切屑的變形有直接聯(lián)系。
切削過程中所形成的切屑，由于經(jīng)過了比較大的塑性變形，它的硬度將會有所提高，而塑性和韌性則顯著降低，這種現(xiàn)象叫冷作硬化。經(jīng)過冷作硬化以后，切屑變得硬而脆，當它受到交變的彎曲或沖擊載荷時就容易折斷。
切屑所經(jīng)受的塑性變形越大，硬脆現(xiàn)象越顯著，折斷也就越容易。換言之，斷屑的基本原理，就是在“冷作硬化”的基礎(chǔ)上，借助“外力”，實現(xiàn)斷屑。
常見的切屑類型
根據(jù)工件材料、刀具幾何參數(shù)和切削用量等的具體情況，切屑形狀一般有：帶狀屑、C形屑、崩碎屑、寶塔狀卷屑、發(fā)條狀卷屑、長緊螺卷屑、螺卷屑等，如下圖所示：
種類1 帶狀屑
高速切削塑性金屬材料時，如不采取斷屑措施，極易形成帶狀屑，此形屑連綿不斷，常會纏繞在工件或刀具上，易劃傷工件表面或打壞刀具的切削刃、甚至傷人，因此應(yīng)盡量避免形成帶狀屑。
種類2 C形屑
車削一般的碳鋼、合金鋼材料時，如采用帶有斷屑槽的車刀則易形成C形屑。C形屑沒有了帶狀屑的缺點。但C形屑多數(shù)是碰撞在車刀后刀面或工件表面而折斷的。
切屑高頻率的碰斷和折斷會影響切削過程的平穩(wěn)性，從而影響已加工表面的粗糙度。所以，精加工時一般不希望得到C形屑，而多希望得到長螺卷屑，使切削過程比較平穩(wěn)。
種類3 發(fā)條狀卷屑
在重型車床上用大切深、大進給量車削鋼件，切屑又寬又厚，若形成C形屑則容易損傷切削刃，甚至?xí)w崩傷人。
所以通常將斷屑槽的槽底圓弧半徑加大，使切屑成發(fā)條狀在加工表面上碰撞折斷，并靠其自重墜落。
種類4 長緊卷屑
長緊卷屑形成過程比較平穩(wěn)，清理也方便，在普通車床上是一種比較好的屑形。
種類5 寶塔狀卷屑
數(shù)控加工、機床或自動線加工時，希望得到此形屑，因為這樣的切屑不會纏繞在刀具和工件上。而且清理也方便。
種類6 崩碎屑
在車削鑄鐵、脆黃銅、鑄青銅等脆性材料時，極易形成針狀或碎片狀的崩碎屑，既易飛濺傷人、又易研損機床。若采用卷屑措施，則可使切屑連成短卷狀。
總之，切削加工的具體條件不同，希望得到切屑的形狀也不同，但不論什么形狀的切屑，都要斷屑可靠。
常見的斷屑方法
切屑斷與不斷的根本原因在于切屑形成過程中的變形和應(yīng)力，當切屑處于不穩(wěn)定的變形狀態(tài)或切屑應(yīng)力達到其強度極限時，就會斷屑，通常切屑是卷曲后折斷的。
合理選擇刀具幾何角度、切削用量、磨斷屑槽都是常用的斷屑方法。
1、減小前角、增大主偏角
前角和主偏角是對斷屑影響較大的刀具幾何角度。
減小前角，加劇切屑變形，易于斷屑。由于將前角磨小，會增大切削力，限制了切削用量的提高，嚴重時會損壞刀具，甚至“悶車”，一般不單純采用減小前角來斷屑。
增大主偏角，可增大切削厚度，易于斷屑。例如，同樣條件下90°刀就比45°刀容易斷屑。另外，增大主偏角，有利于減小加工中的振動。
所以，增大主偏角是一種行之有效的斷屑方法。
2、減小切削速度、增大進給量
改變切削用量是斷屑的另一措施。
增大切削速度，切屑底層金屬變軟且切屑變形不充分，不利于斷屑；減小切削速度，反而容易斷屑。
因此，在車削時，可通過降低主軸轉(zhuǎn)速，減小切削速度來斷屑。增大進給量，可增加切削厚度，易于斷屑。
這是加工中常采用的一種斷屑方法，不過應(yīng)當注意，隨著進給量的增大，工件表面粗糙度值將會明顯增大。
光潔度下降，同樣圓角的情況下，加大進給光潔度肯定會下降，所以要注意一下工件的光潔度情況。
補充一個計算粗糙度的經(jīng)驗公式：
式中，Ra為粗糙度，f為每齒進給量，r為刀尖圓角半徑。
由式中可知，進給量越大，刀尖圓角半徑越小，獲得的表面粗糙度值越大。
3、開設(shè)斷屑槽
斷屑槽，是指在刀具前刀面上做出的槽。斷屑槽的形狀、寬度及槽斜角都是影響斷屑的因素。
如下圖所示，常用的斷屑槽有折線形(a)、直線圓弧形(b)、全圓弧形(c)3種槽型。
圖中，L為斷屑槽寬度，δ為斷屑槽角度，r為槽底圓弧半徑。
斷屑槽寬度，對斷屑的影響很大。
一般來講，槽寬越小，切屑的卷曲半徑越小，切屑上的彎曲應(yīng)力越大，越易折斷。所以，采用較小的斷屑槽寬對斷屑有利。
若斷屑槽寬度與進給量基本合適，則可形成C形切屑。如卷屑槽太窄，易產(chǎn)生堵屑現(xiàn)象，而使車刀負荷增加，甚至損壞切削刃。
若卷屑槽太寬，切削卷曲半徑太大，則切削變形不夠，不易折斷，往往不流經(jīng)槽底而形成不斷的帶狀切屑。
切屑槽的寬度也應(yīng)與切削深度相適當，否則當槽太窄時，顯得切屑寬，不易在槽中卷曲，往往切屑不流經(jīng)槽底而形成帶狀切屑。
而當槽太寬時，又顯得切屑窄，流動較自由，變形不夠充分，也不折斷。
為了得到滿意的斷屑效果，應(yīng)按具體加工條件，選擇合適的斷屑槽寬度。對于硬度較低的工件材料，槽應(yīng)選得窄些，反之，槽應(yīng)選得寬些。
4、利用斷屑器
斷屑器有固定式和可調(diào)節(jié)式兩種。
在車刀前刀面上裝一個擋屑板，切屑沿刀具的前面流出時，因受擋屑板所阻而彎曲折斷。
如下圖所示，斷屑器的參數(shù)Ln和α可按需要設(shè)計和調(diào)整，以保證在給定的切削條件下，斷屑穩(wěn)定可靠。
5、利用斷屑裝置
斷屑裝置類型很多，一般可分為機械式，液壓式和電氣式等。
斷屑裝置成本高，但斷屑是穩(wěn)定可靠的，一般只用于自動線上。
車刀上的帶有切斷器的斷屑裝置。
車削時，切屑通過導(dǎo)屑通道流出，被不斷旋轉(zhuǎn)的盤形切斷器強行割斷，被割斷后的切屑則從排屑道排出。
6、利用工藝手段進行斷屑
在工件表面預(yù)先開槽的進行斷屑：按工件直徑大小不同，預(yù)先在被加工表面上沿工件軸向開出一條或數(shù)條溝槽，其深度略小于切削深度，使切出的切屑形成薄弱截面，從而折斷。
這樣，既保證了可靠的斷屑，又不影響工件已加工表面的粗糙度。即使加工韌性較大的材料時，斷屑效果也很好。
但開槽會受工件輪廓形狀限制。
7、利用數(shù)控機床的數(shù)控編程功能
能進行斷屑利用數(shù)控編程語言、宏程序等完成自動斷屑：車削時在連續(xù)走刀中停頓或短距離反向走刀，都可起到斷屑效果。另外，一些加工中的輔助手段也可促進斷屑、排屑。如切削液可以降低切屑的塑性和韌性，也有利于斷屑。
提高切削液壓力更能促使排屑，深孔加工中，有時就采用這種方法。