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Ch05

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Ch05. 5-1  緒 論. 實際切削加工過程中,影響加工品質的主要因素有切削條件 ( 切削速度、進給、切深 ) 、刀具材料、刀具幾何形狀、工件材料、工具機性能。. 5-2  切削力學與能量. 為了解析基本金屬的切削力學,首先定義切削的維度關係,當刀具切刃口與工件和刀具間相對運動的方向相垂直者為 2 維切削,即為正切削。而刀具的切刃口與工件和刀具間相對運動方向不相垂直者為 3 維切削,便是斜切削。. 切屑與刀面的摩擦係數 μ. 剪切面的平均剪應力 τ s ,平均垂直應力 σ n ,剪面的面積 A s ,切削面積 A c ,切削寬度 b. 切削比 由上式得.

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Presentation Transcript
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5-1 緒 論

實際切削加工過程中,影響加工品質的主要因素有切削條件(切削速度、進給、切深)、刀具材料、刀具幾何形狀、工件材料、工具機性能。

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5-2 切削力學與能量

為了解析基本金屬的切削力學,首先定義切削的維度關係,當刀具切刃口與工件和刀具間相對運動的方向相垂直者為2維切削,即為正切削。而刀具的切刃口與工件和刀具間相對運動方向不相垂直者為3維切削,便是斜切削。

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切削比

由上式得

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切削過程中,單位時間內所消耗的總能量為

因此移除單位體積材料的總能量(U)為

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5-3 切屑的型態

切削過程中,工件與刀具作相對運動,使得工件材料上一層材料變形與破壞且分離,此分離移除的材料稱為切屑(ship),切屑的化學成份與工件材料相同,但是物理性質有極大變化,而切屑的產生必定經過急速而很大的塑性變形,由於塑性變形程度的不同,切屑內應力的大小,以及刀面對切屑之摩擦阻力等因素的影響,使切屑產生以下幾種形態。

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5-3-1 連續式切屑

切削延性工件材料時,切屑之內應力小,而刀面對切屑的摩擦阻力小,切屑在刀面上連續不斷的變形與流動且不間斷,此種切屑型態稱為連續切屑(Continuous chip)。當連續式切屑產生,變形狀態經常一定,切削力幾乎不變且振動小,因此切削加工後工件表面平滑且刀具不易缺損,基本上是屬於最佳切削狀態。

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而為了避免連續不斷的長條切屑造成切削加工時的困擾,必須在刀具上磨出或安裝斷屑器來處理,圖5-6(a)所示為此形式切屑。形成連續式切屑的主要因素有延性工件材料、進刀量小、切削深度淺、法向角(Rake angle)大、刀具硬度高且刀面摩擦係數小等。
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5-3-2 具有加積屑的連續式切屑

切削富有延性的工件材料,如純鋁、純銅與橡膠等。當刀具切削此類型材料時,由於很高的摩擦阻力與切屑間的壓力,以致有若干微粒黏結在刀面上,此種黏結物隨著切削繼續進行而愈積愈多,當堆積至適當高度後,此BUE會脫離刀尖而流失,然後又在刀尖重新產生黏結物,如此循環不已,

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是為具有加積屑的連續式切屑(Continuous chip with Built-up Edge),如圖5-7所示的刀口積屑產生過程。BUE會導致刀面快速磨損,且使加工表面變得粗糙不堪,為最差的切屑形態。
5 3 3
5-3-3 不連續式切屑

當切削脆性材料時,切屑在剪切面附近的基本變形區中即會發生碎斷,所以切屑僅能形成一部份而以不連續情況流出刀面,此為不連續式切屑(Discontinuous chip)型態,圖5-6(c)為其示意圖。形成此型態切屑的主要因素有脆性工件材料,或以低切削速度及高進刀量切削延性材料。

5 3 4
5-3-4 鋸齒形切屑

鋸齒形切屑(Serrated chip)是一種半連續狀的切屑,是在切屑區域剪切面小而切屑剪應變大的情形下所產生的不均勻切屑,如切削鈦,容易產生這種切屑。

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5-3-5 斷屑器

長且連續的切屑會糾纏及干擾切削過程,使得切削加工變得不安全,所以需利用斷屑器(Chip breakers)裝置,將切屑適度折斷。

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5-4 切削溫度

在金屬切削加工過程中,刀具切刃口區域常會產生高溫,此溫度對於刀具磨耗率有決定性的影響,故欲控制刀具的磨耗,必須先能判斷出切削加工過程中,刀具、切屑與工件的溫度變化。

被切削加工工件材料產生彈性變形時,而切削過程中所需要的能量,將會以應變能的型態儲存在於材料中,所以此種切削加工過程中,熱不會產生。但是切削加工過程中,被加工工件作塑性變形,則其加工中所需的應變能,大部份將會

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轉變成熱。在實際金屬切削加工過程中,工件材料所承受應變非常大,且工件材料的彈性變形只占全部變形量的很微小比例而已,所以可假設在金屬切削加中,所有的能量由變能均將轉變成熱能,因此造成刀具、切屑、工件在切削加工過程中溫度昇高。
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5-5 刀具壽命

5-5-1 刀具的基本幾何角度

α為法向角(Rake angle)。

θ為餘隙角

(clearance angle)。

β為刀刃角(point angle) 。

δ為切削角(cutting angle)。

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法向角主要作用為控制切屑的流動,角度可以由正值變化至負值,正法向角可使排屑順暢,切削刀小,但太大的法向角會造成刀具強度不足,容易摩損或崩裂。負法向角具有較強的切刃,刀口刃口強度大,適合切削高強度的工件材料,但是切屑排除不順,切削力大。餘隙角位於刀腹面上,主要避免刀腹與加工完成的工件表面產生摩擦而影響切削加工,餘隙角一定是正值,
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5-5-2 刀具的磨耗形式

刀具的磨耗主要是以下列的方式進行:黏附式磨耗(adhesion wear)、摩擦式磨耗(abrasion wear)及擴散式磨耗(diffusion wear)。

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刀具在切削加工過程中,漸進式磨耗主要發生刀具磨耗的區域如圖5-12所示。由圖5-12可得知,刀具磨耗有刀面與刀腹兩位置的磨耗,切屑流過刀面所造成的凹痕(crater),造成刀面的磨耗稱凹痕性磨耗,而由於刀具與加工完表面的摩擦作用的刀腹磨耗區稱為刀腹磨耗。凹痕性磨耗(crater wear)會使切刃口強度在切削加工中逐漸削弱以致於崩裂,而刀腹磨耗(flank wear)量達到某一定量會影響加工件表面的表面品質與精度。
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5-5-3 刀具壽命的標準

ISO標準系統所推薦使用刀具壽命標準:

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高速鋼與陶瓷材料刀具刀具壽命標準:
  • 刀具產生大的崩裂。
  • VB=0.3 mm 。
  • VBmax=0.6 mm,且非均勻磨耗。
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燒結碳化物刀具壽命標準:
  • VB=0.3 mm。
  • VBmax=0.6 mm,且非均勻磨耗。
  • KT=0.06 + 0.3 f , f=進給量。

※高速切削用刀具的刀具壽命標準(ISO 3002/1):

VB≤0.2 mm

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5-5-4 刀具壽命

n=常數

V=切削速度

T=刀具壽命

Vc=刀具壽命為 Tc 時之切削速度

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5-6 表面粗糙度
  • 理想表面粗糙度

只依據刀具的幾何形狀及進給等條件,依理論所推導出的表面粗糙度。

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(1)圓弧形刃口

f:進給量(mm/rev)

r:刀鼻半徑(mm)

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(2)尖形刃口

f :進給量(mm/rev)

δ:邊切角

α:端切角

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自然表面粗糙度

在實際切削加工中,所形成的表面粗糙度必大於理想粗糙度,此乃因為切削過程中存在許多不規格狀況(如BUE、工具機顫震、工具機精度、切屑損傷工件……)所導致。

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5-7 切削劑

切削劑的效果:

  • 降低刀具與工件的溫度。
  • 改善排屑。
  • 降低切屑與刀面,刀腹與工件等間的摩 擦。
  • 改善加工後工件表面品質。
  • 改善刀具壽命。
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切削劑可分三種型態:
  • 固體切削劑通常存在材料組織內,如鑄 鐵中的石墨。
  • 氣體切削劑以油霧、水氣、二氧化碳及 壓縮空氣等方式進行。
  • 液體切削劑在一般切削加工使用最廣, 有油基與水基兩種,而油基的潤滑效果 好,水基的冷卻作用佳。
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由方向A施加時,對切屑的捲曲、刀面和切屑接觸長度及最大溫度點與切刃的相對位置等均有重大的影響,必須避免造成切屑過度捲曲,而使刀具的最高溫度太靠近切刃,產生切刃弱化現象,切削液(氣)若由C方向施加進去的話,可以增加刀具壽命。而B方向施加切削液(氣)時,因與切屑流動方向相反,較難浸入至切屑與刀面的接觸面上。
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5-8 刀具材料

高溫時的物理與化學穩定性、磨耗阻抗、脆性破壞阻抗等。刀具材料基本上無法同時具備此三種材料特性,即材料做得比較耐高溫的話,就會變得比較脆,而如果比較耐磨耗的話,也會比較脆。

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高速鋼分為兩個型態:T型與M型,T型系列包含18%以上的鎢(W)、鉻(Cr)、釩(V)和鈷(Co)當作合金元素,T-1的HSS為18%鎢、4%鉻、1%釩,這就是18-4-1的HSS,M型系列包含5%以上的鉬(Mo)、鉻(Cr)、釩(V)、鎢(W)和鈷(Co)當作合金元素。
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燒結碳化鎢將微小的碳化鎢顆粒以鈷黏結劑結合而燒結完成。ISO系統將所有的碳化物切削刀具等級分為三類:P型式(切削鐵金屬)、K型式(切削灰鑄鐵、非鐵金屬)、M型式(切削延性鐵材、硬鋼及高溫合金)。鑄鐵型式的碳化鎢刀具是由WC晶體及以3到12%之鈷為黏結劑燒結而成的,切削鋼鐵等級的碳化鎢刀具則是有一部份WC為TiC、TaC或NbC所取代,具有較大的刀面凹坑阻抗。鈷的含量多少對碳化物刀具有很大的影響,當鈷含量增加時,則WC的強度、硬度和耐磨抵抗會減少,但是韌性會增加。
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陶瓷(Ceramic)刀具將微細的高純度氧化鋁粉直接燒結而成,並不加黏結劑或其他添加劑。陶瓷刀具比碳化鎢刀具耐高溫且硬,但是較脆。切削鑄鐵時,會在切屑表面上形成一層低剪強度石墨,而不會在刀面上產生凹坑。切削硬鋼時,切屑與刀面間的熔著面積會很小。
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立方體氮化硼簡稱CBN,它是將一層很薄的多結晶立體氮化硼在高壓下燒結在碳化物的基材上。碳化物提供振動阻抗,而CBN層則提供強的磨耗阻抗和刀刃口的強度。CBN的硬度僅次於鑽石,熱傳導率高,熱膨脹率低,在1600°K也不氧化,在切削硬鋼材(HRC 60以上)時有好的切削性能,但是CBN刀具很脆,故工具機的結構剛性是相當重要。
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鑽石硬度在地球上所有物質最高,熱傳導率高,熱膨脹係數小,作刀具材料是最為理想。鑽石刀具具有低摩擦、低磨耗、保持切刃口銳利的能力。如需要有很好的表面光度和尺寸精度,可以使用此種刀具材料,尤其是非鐵合金和具有磨耗性的非金屬材料更是適合,但價昂在使用上受到很大限制。
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5-9 切削方法

5-9-1 車削

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刀鼻角的切削速度為πdmnw,nw為工件的旋轉速率(rpm),dm為工件經車削加工後的直徑,而車刀最外側(x方向)是最大的車削速度為πdwnw,其中dw為工件未經車削加工的直徑。

平均切削速度:

所以所需車削加工的時間tm為:

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車削的切削深度ap為:

橫截面(x-y平面)面積Ac為:

移除速率為zw

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5-9-2 銑削加工

銑削加工的基本型態有平面銑削(slab-milling)、面銑削(face milling)、端銑(end milling),基本上銑刀與工件的運動模式是刀具旋轉,而工件在床台上做平面運動。

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銑削加工有逆銑削(conventional milling)與順銑削(climb milling)。逆銑削法又稱為上銑削法,切屑由薄逐漸變厚形成,因此切削力是由小變大,容易產生震動,順銑削法又稱為下銑削法,切屑是由厚逐漸變薄形成,因此切削刀是由大變小,刀刃口易受衝擊而崩裂,不容易產生震動現象。
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工件沿進給方向所移動的距離,單位為mm/rev,

Vt為工件的進給速度mm/min,nt為刀具的轉速rpm,而每一刃的進給量af 為單一刀刃所切削切屑厚度(沿著進給方向量取),可以以f/T表示,T為銑刀的刀刃數。

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銑削時的切削速度V,可表示為

平面銑削時,欲估算其切削時間 t 時,必須考慮到刀具行經的距離,其行經的距離為 , l 為工件的長度,

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刀具軸未行經工件上方時,則刀具總行經距離為

銑削加工時,工件材料移除速率為被銑削材料之截面積乘上進給速度,ab為軸向切削深度。

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