切削理論與實務初探

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切削理論與實務初探
一、歷史回顧　　
　　回顧金屬切削的歷史，在1898年高速鋼發明以前，金屬切削的刀 具材料只停留在高磷鋼，因此切削速度和刀具壽命都很有限，美國工 程師泰勒Fredrick Tayor發明高速鋼刀具之後，切削速度比以前可提 高2～4倍，大大提高機器之使用效率。1927年德國首先研製出硬質合 金，切削速度比高速鋼刀具又提高2～5倍。為了適應切削速度大大提\fs24 高的情況，工具機的速度、功率和剛性也隨之增大。隨著高強度鋼、 高溫合金等難加工材料相繼出現，新刀具材料也相維出現。新刀具材 料有：陶瓷、人造鑽石、立方晶氮化硼、塗層超硬合金。 　　
　　在金屬切削的科學研究方面，美國的泰勒也就是發明高速鋼的那 位，在1907年提出了沿用至今的刀具壽命公式；在1944年，麥錢特(M .E. Merchant)提出了關於切削力學的論文，這是首次有成效地把切 削過程放在解析基礎上的研究，成功地用數學公式來表達切削模型， 而且只用幾何學和應力－應變條件來進行解析。儘管有人指出麥錢特 的切削模型過於簡化，但他的這一貢獻在切削原理發展中仍然具有重 要意義。
二、切削阻力(Cutting Resistance) 　　
7 {' r  [* O1 }# F/ `　　刀具切削工件是使工件發生大塑性變形，分離切屑，刀具從工件 部份承受一個阻力，此阻力稱為切削阻力(cutting resistance)，其 方向、大小因加工方法、刀具角度、切削條件，加工材料而異。
7 \) n, ?/ m! O2 n圖1是以車床切削圓棒時的切削阻力，F是作用於刀具之切削阻力 ，切削阻力F常分解為作用於刀具切削方向之主分力F1，作用於刀具 軸方向的背分力F3和作用於進給方向之進給分力F2。主分力F1又稱為 主切削阻力是三分力中之最大值。　　
' c! R8 i4 j$ o* c: j/ b1 l8 }　　知道切削阻力值有助於討論切削現象，亦即切削阻力的大小直接 決定切削所需動力之大小，也是判定切削難易程度（亦即工件材料被 削性的基準之一），也可瞭解刀具形狀、角度、進刀深度、進給量、 切削速度等切削條件道合恰當。由於切削阻力會隨著刀具之鈍化或加 工之振動而變大，因此在自動化加工系統中，往往以監視刀具切削阻 力之變化而決定是否需要更換刀片。
以車床切削圓棒時，工作物與刀具之關係如圖2所示，切削面積 以對工件旋轉1圈的進給量S與切削深度大之積來表示，切屑之厚度因 進給量S而變化，切屑的寬度因切削深度而變化。以事削而言，假設切削深度T，進給量為S，CF為取決於材料之係數，則主切削阻力F可表成下式：
　　　　　　F＝CftαSβ F=CftαSβ
　　α幾近於1，β＝0.7～0.8，此式以切削斷面積g(txs)改寫如下
　　　　　　F＝（CF／t1－α‧s1－β）q＝ksq 　　　　　(a)
6 X' N2 i0 \% D. A/ n3 l9 d" |2 ~　　　　　　Ks（kg／mm2）稱為比切削阻力 　　
　　表示住切削斷面積的主切削阻力。由式(a)可知，Ks因t，s而變 化，因α接近1，所以ks與進刀深度幾無關係，主要取決於工件材料 的性質和進給量s。
1 k# c) m! P0 f, S3 b( F  b三、切削動力 　　
# A, K0 R% c* k) m. t4 @( `, \5 n　　對於某一工件在某一加工條件下，我們必須考慮機器是否有足夠 的動力來進行加工。切削時所需之動力以下式表示： 　　
) s0 P" B9 U" A, e( Y3 L　　　　　P＝(Ks×V×d×f)／(102×60×η)
8 F- T1 D$ B( _9 W$ X　　　　　P：所需動力(kw)
3 j5 k5 s5 o4 \4 c' |, R　　　　　V:切削速度(m/min)
1 c8 I7 k! Q& V2 p: [7 T　　　　　d：切削深度(mm)
( Z! g0 {6 x( }) f) n. w　　　　　f：進結量(mm/rev)
　　　　　Ks：比切削阻力(kg/mm2)
8 U- m( D+ V/ ]$ V$ ^, Z) P2 D　　　　　　η：機械傳動效率 　　
　　根據以上公式，我們可以知道，工具機所消耗之動力，除了與比 切削阻力有關外，還與加工時之切削速度、切削深度和進給率有關； 對於需要重切削（大切削深度和大進給率）之工件，除了需要考慮機 器需要具備足夠剛性外，更需要考慮主軸馬達或伺服馬達之額定功率 是否大於切削所需之動力。但為了提高切削效率，儘可能充分利用機 器所具備之動力，因此機器使用者；對於其機器本身的動力及效率， 應該瞭如指掌。 　　
  ^& ~7 z3 l6 R/ I/ Q1 D　　在切削加工，除了考慮主軸或傳動軸之連續輸出馬力外，仍應考 慮主軸或傳動軸之連續輸出扭矩；對於以車床重切削加工大直徑之工 件，影響切削最直接的因素是扭矩是否足夠，因此對於使用者而言， 當他要採購機器進行某一工件之加工時，應事評估機器之馬力、扭矩 及剛性是否足夠進行某一工件之重切削加工。
四、刀具材料之選擇 　　
　　對於不同之加工材料，應選擇適當的刀片加工，以便達到最好的 切削效果。在刀具製造商的型錄中，它都會建議切削何種材料，需要 何種刀具，有的不只考慮刀片之材質，而且也考慮刀片之刀角、圓鼻 半徑等。對於超硬合金刀具材料(cemented carbide)，ISO標準把它 分成P,M和K三類。 　
5 {# D5 f! u" {（ａ）P類 　　
適用於連續排屑（長屑）之碳鋼，鑄鋼和可鍛鑄鐵等 　
6 }  {* @; ]( H3 k! O+ ^2 Q8 F（ｂ）M類 　　
6 x# R9 v; K+ b$ `適用於沃斯田鐵鋼、高錳鋼，耐熱合金鋼和特殊鑄鐵等 　
. ]# w5 f- v& S3 \# M; Y（ｃ）K類 　　
/ j/ i1 i7 o7 j/ |適用於短屑之材質如鑄鐵、硬化鋼、淬火鋼和非鐵金屬如鋁合金 ，銅合金和塑膠等。 　　
4 c5 M5 F# F% ]2 [（ａ）P類 　　
適用於連續排屑（長屑）之碳鋼，鑄鋼和可鍛鑄鐵等 　
6 {3 z5 O6 U: [  W# R% c$ w1 t（ｂ）M類 　　
5 a  }5 \7 Q) ?! o; m- o適用於沃斯田鐵鋼、高錳鋼，耐熱合金鋼和特殊鑄鐵等 　
（ｃ）K類 　　
適用於短屑之材質如鑄鐵、硬化鋼、淬火鋼和非鐵金屬如鋁合金 ，銅合金和塑膠等。
: i/ M6 Q* `2 [8 W0 O' I參考圖3，在PMK三類之材料中，又可分為不同等級以適合不同之 切削狀況，例如：P類分成P01,P05,P10,…P50等，WR前頭代表耐磨能 力，箭頭所指的方向代表耐磨耗能力之增加；同樣地T代表刀片之韌 性，箭頭方向代表刀片韌性愈強。因此P01級刀片是屬於精加工高速 切削之刀片，而P50級刀片乃是屬於粗加工低速切削之刀片。
　圖3 P、M、K三類之刀具材料
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　參考圖3，在PMK三類之材料中，又可分為不同等級以適合不同之 切削狀況，例如：P類分成P01,P05,P10,…P50等，WR前頭代表耐磨能 力，箭頭所指的方向代表耐磨耗能力之增加；同樣地T代表刀片之韌 性，箭頭方向代表刀片韌性愈強。因此P01級刀片是屬於精加工高速 切削之刀片，而P50級刀片乃是屬於粗加工低速切削之刀片。
五、切削條件之設定 　　
　　在此所謂之切削條件乃是指切削速度，切削深度及進給量等三要素。 　
# E) B$ a8 l7 w1 Nａ．切削速度 　　
0 `1 q, o7 {8 A5 j; q$ ^　　切削速度為切削條件中，影響所乃最為廣泛之因素，對加工效率 、刀具壽命、切削動力、表面粗度、振動、安全等具有很大之影響。 提高切削速度；可提升加工效率，同時一般表面粗度也較好，但即使 刀具壽命降低，因此，不能單從提升切削速度，以提高生產性來考慮 。一般刀具型錄有針對某一刀片型號及材質，對於某種加工材質，其 切削速度有一定範圍可供參考使用。一般刀具型錄之切削速度推薦值 ，刀具壽命多設定在30分鐘，假如工作上要使刀具壽命延長到60分時 ，則切削速度依推薦值的70～80％來設定。相反地，如作15分鐘壽命 之高速切削時，切削速度取推薦值的1.2～1.3倍。 　
ｂ．進給量 　　
  O- a7 f- r3 a　　由於機器本身的容許輸出動力有限，為提高切削效率，以提高進 給量較為有效。如提高切削速度，將使刀具壽命降低，而增加因刀具 交換所需的時間。在刀具許可的範圍內，增加進給量，將使刀具壽命 降低的情況減至最小。增加進給量，確實對切削效率的提高相當有利 ，但相對，卻留下了表面粗度或切屑處理上的問題。在幾何學上，表 面粗度由進給量及刀刃之刀鼻半徑來決定，進給量的增加，將使加工 表面變得粗糙。 　
/ ?6 L  i, T& ?ｃ．切削深度 　　
5 H8 {  X- @' y) t4 @) b2 F4 D, K# P　　一部NCI工具機若能提高其切削效率，則相對地業者將因此而獲 利，以目前台灣加工業者而言，許多人買機器回來莫不進行重切削以 提升加工效率，但是在重切削加工時，必須檢討工具機之馬力和剛性 是否足夠。目前世界上工具機之設計，仍朝向機器高剛性、大輸出馬 力來滿足顧客的需求。
9 P9 ]; c: J3 K+ U% {+ u六、加工表面之品質 　　
+ b. ?7 ]. j  A; |　　切削加工面品質之是否良好，常依下列兩項目來判斷： 　　禝
9 p, j  h& x1 G  Y7 B1 @　　　　（１）形狀精度 　　秃
　　　　（２）表面粗糙度 　　 　禝
（１）形狀精度 　　
) Q" z. f6 i7 `* X* M　　形狀精度受工作用機、刀具精度、剛性造成之彈性位移和刀具摩耗等之影響。因此有了好的工作因機精度也要配合高 品質之刀具和加工條件來達到高精度之加工尺寸。 　秃
（２）表面粗糙度 　　
　　一般粗度之衷示法採用最大高度Pmax和中心線平均粗度Ra來表示 。Pmax是量測曲線範圍內通過最高點(peak)與最低點(valleg)二平行 線之距離，其值以μm來表示。Ra之數學定義是
" q- y0 p1 n' G) I% \# `　　　　1／l １０│f(x)│dx，
　　其中l是量測樣品長度，f(x)是表面粗度之變化曲線（相當於數學上之y 值）。由於Ra是一重平均粗度之觀念，因此甘兩個粗度值可能Ra值一 樣，但是其表面粗度情況可能完全不一樣，因此若要研究一個加工表 面粗度情況可能完全不一樣，因此若要研究一個加工表面是否符合要 求，則可能還必須考慮其他之粗度參數。 　　
3 C/ }4 X- b2 W- q+ g' v% ~+ \　　理論上而言，切削表面之Rmax值，從幾何學上可以推導出
/ C: K/ H& X, U7 v# O) a3 Q3 e　　　　Rmax＝（f2／8r）×1000(μm)　　
　　　　 f：進給率(mm/rev)
　　　　 r：刀尖半徑(mm) 　　
但實際切削上所量得之Rmax與幾何學理論粗糙度差異不少，其原因如下： 　　　　
6 t) R* s8 ]) A) p$ V　　（１）切削之表面機制（切屑瘤、撕裂等之產生） 　　
, ]8 `. X% j# q' u' E; A3 Z- v" c　　（２）振動（機械、刀具、工件等造成） 　　
　　（３）刀具摩耗（刀尖半徑之變化、邊界摩耗等） 　　
　　為改善表面粗糙度和提高加工面之品質，必須 　　
# a3 g% m7 ?. x* h% N　　（１）選擇適當的刀具與切削條件 　　
7 k9 F  Y9 [5 b2 }　　（２）正確認識表面粗度\fs24 　　
" ~9 O! A# ~; A6 B1 _5 h　　（３）機械、測量儀器定期維護 　　
　　工作表面粗糙度不足靠技工，而且工廠全體生產技術的總合表現 ，工廠全體平時就必須努力改善切削面粗糙度。圖4至圖8是本公司新 開發MS車床之切削表面粗度，針對表面粗度之Ra值而言，切削中碳鋼 、不鏽鋼及鉻鉬合金鋼，進給率若設定0.1mm／rev時，可以得到很不 錯之表面粗度。對於軟材料如圖7和圖8所示清鄉岡和鋁合金，雖然其 切削速度不一樣，但在相同之進給率之下，其表面粗度值幾乎沒有什 麼變化，因此若是針對工件表面粗度之Ra值而言，在切削上我們可以 選定較低之切削速度，鋁合金取300m／min，而青銅取250m／min以提 高刀片之使用壽命。
7 J& j. _) V& t' E8 n! g, s七、結論 　　
, ^0 P# m4 r$ f, N$ F' N由於切削技術涉到之因素相當多，雖然實務之加工經驗可以幫助 我們對加工產生 問題給予一部份解決，但有些問題仍要結合學理上之 探討，才能對加工技術有更深一層之了解，因此加工技術者必須常常 多閱讀有關切削研究發表之書刊，以便在加工技術上有所突破。*
參考資料
$ B3 @' Z9 B/ K+ p(1)"Modern Metal cutting (a practical handbook)" Sandvik Coromant, English edition 1994.
(2)"精密加工新技術全集"─田中義信，津和秀夫，井川直哉合著， 賴耿陽譯，復漢出版社。
' E' x/ v* R# a(3)"切削加工技術"─唐文聰編譯，全葉科技圖書公司
(4)"最新切削加工技術"─徐明堅編著，復漢出版社。*