提起切屑，大家一定不陌生。經驗豐富的生產人員可以根據切屑的產量、形狀等窺見一個機加工生產車間的產能與主要的加工類型。優化切屑控制是刀具加工中的重要議題，今天我們將為大家帶來關于切屑的簡單分析與優化切屑控制的常見方法。

優秀的切屑控制應該避免對工件、刀具、操作人員造成損傷；避免生產中斷；避免產生排屑問題。

什么因素影響著切屑的形成

良好的切屑形成能夠產生螺旋狀的短屑，普遍認為這樣可以保證刀具的使用壽命較長、切屑的處理和排出更為便捷、零件加工表面質量更高，以及實現穩定、可靠且高效的切削過程。簡單來說，理想的切屑應當具有易于操作的尺寸，并且在產生過程中無需耗費過多精力。

影響切屑形成的典型因素

在實踐中，有許多因素影響著切屑的形成。包括刀具的形狀、切削條件、零件材質與冷卻方式。

零件材質因素包括工件硬度和抗拉強度、延展性和結構考慮。這些因素無法修改，但我們必須考慮它們對切屑形成的影響。

冷卻系統對切屑形成的影響非常隨機。很難看到冷卻方式對切屑形成的影響之間存在固定關系。一個例外是所謂的高壓定向冷卻（HPDC）系統，它明顯導致切屑變得更短。這種類型的冷卻系統應用于Seco Jetstream山高飛流車削刀具系統中。

刀具特征對切屑形成的影響是經常討論的話題。在這里，主要重要的是前角和切削刃角、刀尖半徑以及切削邊緣和斷屑槽的幾何形狀。較大的前角、較低的切削刃角和較大的刀尖半徑會導致較長的切屑。涂層類型對切屑形成的影響并不容易明確界定。

切削條件可以直觀地影響切屑形成，改變切削條件非常容易并有效。需要調整的基本切削條件是切屑厚度比或細長比。當切屑厚度比太小時，會產生所謂的方形切屑，這會在刀具尖端造成過高的負載，從而大大限制刀具壽命。過高的切屑厚度比會導致細長的帶狀切屑，這些切屑很難被斷成短條。

切屑厚度比定義為切削寬度除以切屑的厚度。對于給定的進給量，切削深度應該足夠大，以避免切屑厚度比過小或過大。小的切削深度與某些進給量相結合會產生方形切屑。過小的進給量可能導致無法斷裂的帶狀切屑。

在實際操作中，切削深度通常是固定的。在這種情況下，進給量成為良好切屑形成的關鍵。避免過低的進給量導致長帶狀切屑和過高的進給量產生方形切屑。

山高飛流Jestream高壓冷卻刀具如何影響切屑形成。

左側為傳統刀具形成的切屑；

右側為山高飛流Jestream高壓冷卻刀具產生的切屑。

切屑的形態

切屑可以根據橫截面定義為4種不同的類型。

• 鋸齒狀、分段或非連續切屑 

• 具有狹窄、直線、主要剪切區域的連續切屑，或在與刀具接觸界面具有次級剪切區域的連續切屑 

• 積屑瘤切屑 

• 剪切切屑或短切屑

所有切屑都有兩個表面。外表面呈現出光滑、拋光的外觀，因為它在與刀具的前刀面摩擦——并導致磨損。每種切屑還有一個內表面，由工件的原始表面形成，呈現出由實際剪切機制造成的參差不齊、粗糙的外觀。

不同切屑形態的橫截面

鋸齒狀或分段切屑，也稱作非連續切屑，是半連續的切屑，它們在切屑上有大面積的低剪切應變區域和局部的、小面積的高剪切應變區域。這種類型的切屑常見于加工那些具有低熱導率和強應變硬化特性的材料。例如，當加工鈦這樣的材料時，由于材料在應力作用下，尤其是在高溫和應力共同作用下，其強度會增加。這些切屑的外觀呈現出鋸齒狀的特征。

連續切屑通常在加工延展性材料時產生，如低碳鋼、銅和鋁合金。由于這些材料的塑性變形，會形成長而連續的切屑，這在切削過程中是非常理想的，因為它們能夠帶來良好的表面粗糙度，同時降低能耗并延長刀具壽命。連續切屑的形成通常與較小的切屑厚度、較高的切削速度、鋒利的切削刃口、較大的刀具前角、光滑的刀具表面以及高效的潤滑系統有關。但這些切屑不易于處理和排出，可能會以非常長的螺旋或螺旋狀卷曲在工件和刀具周圍，斷裂時可能會對操作者造成傷害。由于刀具表面接觸時間較長，會產生更多的摩擦熱量。使用斷屑槽有效解決這個問題。

變形主要發生在一條狹窄的剪切區域，這個區域被稱為主要剪切區。在某些連續切屑中，可能會在刀具與切屑的接觸面形成次級剪切區。隨著摩擦的增大，這個次級剪切區會變得更加厚實。連續切屑還可能呈現出一個寬闊的主要剪切區，其邊界呈曲線狀。在變形區的下邊界，由于側面流動效應的影響，可能會下沉到加工表面的下方，這會導致表面扭曲，從而影響加工表面的質量。

當工件的小顆粒材料粘附在刀具刃口上時，就會形成所謂的積屑瘤。這種情況主要出現在軟質和延展性較好的工件材料上，尤其是形成連續切屑時。積屑瘤會對刀具的切削效果產生影響。這些堆積物非常堅硬且脆弱，隨著層層材料的累積，它們的穩定性會降低。當積屑瘤最終斷裂脫落時，一部分會隨著切屑一起被帶到刀具的表面，而另一部分則留在已加工的表面上，導致表面粗糙度增加。

通過提高切削速度、使用前角、刃口更鋒利的刀具、使用冷卻液以及選擇與工件材料化學親和力較低的切削材質，可以有效減少積屑瘤的形成。

不同切削速度下積屑瘤和切屑的示例

剪切切屑或短切屑，也稱為非連續切屑，是由相互分離的小段組成的。這種切屑通常在加工脆性材料時形成，比如青銅、硬黃銅、灰鑄鐵，以及那些非常硬或者含有硬質夾雜物和雜質的材料。脆性材料由于缺乏足夠的延展性，無法進行顯著的塑性切屑變形，因此會發生重復的斷裂，限制了切屑的變形程度。

非連續切屑在脆性材料加工中，往往出現在切屑厚度較大、切削速度較低、刀具前角較小的情況下。在穩定性較差的機床上，短切屑可能導致加工過程中出現微振動，這是因為切屑的形成是斷斷續續的。這類切屑的一個優點是處理和清理起來比較方便。在脆性材料中形成這些切屑時，通常能夠獲得較好的表面光潔度，且功率消耗較低，刀具壽命也相對合理。然而，對于延性材料來說，非連續切屑會導致表面光潔度較差，并且會增加刀具的磨損。

A. 碳鋼連續切屑

B. 雙相不銹鋼鋸齒狀切屑

C. 碳鋼積屑瘤

D. 鑄鐵非連續切屑

不同工件材料中切屑形式示例

斷屑槽的幾何形狀

長而連續的切屑可能會對加工效率產生不利影響，存在損壞刀具、工件和機床的風險。此外，切屑排出問題可能導致生產過程中不必要的停工，同時給操作人員帶來安全隱患。為了確保安全、便于清理切屑，以及防止對機床和工件的損害，應當將這些長切屑打斷成小段。

切屑在形成過程中會根據多種因素產生彎曲或卷曲，包括：

1. 主要和次要剪切區內的應力分布；

2. 熱效應；

3. 工件材料的應變硬化特性；

4. 切削工具的幾何形狀；

5. 冷卻系統的影響也在一定程度上發揮作用。

簡而言之，當前角減小時（即使用負前角刀具），切屑的彎曲程度會變得更加緊密，這會導致切屑變得更短且易于斷裂。斷屑槽的作用就是減小切屑的彎曲半徑，從而促使切屑斷裂成更短的片段。

斷屑槽幾何形狀的基本原理

根據加工類型、進給量和切削深度的組合以及工件材料的材質來選擇斷屑槽的槽型。

切屑形成的示例（所示槽型為Seco MF2）

左側是進給量為f = 0.1毫米/轉的操作；

右側是進給量為f = 0.3毫米/轉的操作。

A. 圓角處結構    B. 刃口處結構

不同類型的斷屑槽示例

斷屑圖（參見下圖）能夠展示工件材料、切削條件、斷屑槽型與切屑形態之間的關系。此圖表指出了在選擇切削深度和進給時所需考慮的因素，以便使用特定的斷屑槽型加工工件材料。

水平軸表示進給量，它必須始終大于某一最小值（T-land幾何的寬度）且應小于某一最大值（不應超過刀尖半徑的一半）。垂直軸展示切削深度，它應始終大于刀尖半徑，以促進良好切屑形成并避免方形切屑問題。此外，切削深度不應超過切削刃長度。在后一種情況下，建議采用安全系數，其取決于切削刃的強度。對于刀片，這些安全系數在切削刃長度的75%（對于方形或菱形刀片）到20%（對于頂部角度較小的復制刀片）之間變動。

展示刀片槽型、切屑形狀和切削力對進給量和切削深度所施加的限制

所有這些限制一起構成刀片的“斷屑”區間

切削深度和進給量（即所謂的切屑厚度比）必須保持在一定的限制范圍內。最大切屑厚度比應保持在某個最大值以下，以避免出現過長的帶狀切屑。切屑厚度比也應保持在最小值以上，以避免產生方形切屑。上圖用兩條斜線表示這些限制。切屑厚度比的最小值和最大值取決于工件材料。為盡量減少切削刃破損，切削力不應過大。上圖用一條曲線表示了這一約束條件。

在上圖的藍色區域內，進給量和切削深度的每種組合都能產生形狀正確的切屑。如果選擇藍色區域之外的組合，切削刃和斷屑幾何形狀將無法正常工作。切屑會過長或過方，或者切削刃斷裂量超過可接受范圍。

切削速度對切屑形成的影響

上圖展示了切削速度對切屑形成的影響。圖中的水平軸表示進給量，垂直軸代表切屑類型。通常情況下，隨著進給量的增加，切屑傾向于變短，尤其是在低切削速度下。然而，隨著切削速度的增加，進給量與切屑形成之間的關系會降低。

斷屑圖將斷屑槽型與其應用相關聯。

水平軸表示相對刃口強度。

垂直軸顯示了該幾何形狀適用的加工類型（F = 精加工；R = 粗加工）。

各種ISO定義的顏色代表特定材料組，顯示了在這些幾何形狀中將表現最佳的工作件材料類型：藍色代表鋼材，紅色代表鑄鐵，黃色代表不銹鋼，橙色代表超級合金，灰色代表硬鋼。

上圖所示的斷屑圖提供了一種圖形化的表示，將不同類型的斷屑槽型（命名為FF1、FF2、MF1……RR97）及其應用相互關聯起來。這個圖表將不同的斷屑槽型按照其切削刃強度和應用進行排名。水平軸代表槽型的相對切削刃強度。在一定程度上，它也指示了某些槽型適用的進給量。

垂直軸代表應用類型，從精加工（小切削深度）到粗加工（大切削深度）。在一定程度上，垂直軸代表某些槽型適用的相對切削深度。刀片實際尺寸——切削刃長度——也會影響有效切削深度。各種ISO定義的顏色表示哪些工件材料適合這些槽型。

圖中的槽型位于左下角時，切削刃非常鋒利，能夠產生短切屑，但也具有較低的切削刃強度，因此需要同樣較低的切削條件（切削深度和進給量）。相反，圖上右上角的槽型具有強壯的切削刃，可以與高切削條件一起使用，但它們傾向于形成長切屑。

優化切屑控制的5個方法