刀具刃角與刀具壽命

1、第三章刀具刃角與刀具壽命 切削工作的目的是把工件材料製成所需的形狀、精確的尺寸、及光滑表面。在切削過程中所製成的形狀及加工面之粗糙度係取決於刀具形狀和刀具與工件間之相對位置及相對運動路徑，尤其刀具的形狀影響更大。正確地選擇刀具形狀不但提高刀具壽命，而且能在單位時間內切削很多的工件。切削時刀具所能承受的切削力、動力的消耗、加工面粗糙度、及刀具的磨耗等都與刀具之刃角有關。(一) 刀具刃角的功能 切削工件之前，刀具之每一刃角應該謹慎地選擇，並針對工件材料的性質做最佳刃角之設計。欲能獲得最佳的刀具刃角，必先瞭解刀具每一刃角的功能，本章以車床用的車刀為例來說明之。因為車刀的使用相當普遍，容易瞭解。傳統(tǒng)的

2、車刀分為刃部及柄部兩大部分，刃部做切削工作，包括主切刃口、次切刃口、側刃角、端刃角、讓角、傾角、及刀鼻半徑等，柄部為固定於車床刀架，使刀具切削工件，如圖3 - 1 示。圖3 - l 車刀各部位名稱 1. 刃 口 車刀各部位角度均以刃口為基準，因此，車刀角度亦表示車刀如何對工件的定位。車刀有兩個刃口，一為切除工件材料，產生切削面及已加工面的刃口稱為主切刃口，另一為控制工件已加工面之粗糙度的刃口稱為次切刃口。主切刃口與次切刃口相交的部分稱為刀鼻。圖3 一2 示車刀對工件之切削情形。 2. 刀 面 刀具切削工件材料時，切屑所流經的刀具表面稱為刀面或傾角面。 3. 刀 腹 刀具切削工件材料時，讓開工件

3、已加工面及切削面之刀具表面稱為刀腹或讓面。圖3 -2 車刀對工件之切削情形 4. 側刃角 側刀角為刀具主切刃口與平行於刀具縱軸之刀柄邊綠的延線所夾的角，分為磨成側刃角及作用側刃角，如圖3 -3 示。圖3 -3 側刃角之位置 磨成側刃角為研磨刀具主切刃口所形成的角度，如圖3 - 3 (a)示；作用側刃角為主切刃口與已加工面之垂直線所夾的角度，如圖3 - 3 (b)示。 單刃刀具本身之角度在車床上因裝置位置不同，則其對工件切削之角度有變更，此種角度稱為作用角。作用角才是刀具對工件材料做切削工作的角度，亦為單刃刀具的另一特色。 側刃角的主要功用如下： (1) 控制切屑流向及切屑厚度與寬度 由實驗可知

4、，切屑之流向大約與主切刃口垂直，在一定的切削條件下，若改變側刃角，切屑之流向將隨之改變，如圖3 -4示。切屑厚度係由主切刃口垂直測量。理論上，若側刃角為零，切屑厚度等於進給；若側刃角不為零，切屑厚度恆少於進給，如圖3 - 5示。圖3 -4 側刃角對切屑流向之影響圖3 -5側刃角對切屑厚度之影響設 切屑厚度tc切屑寬度w 切削深度h側刃角 進給f 。 由上式可知，在一定切削深度及進給時，側刃角愈大，切屑厚度愈薄，切屑寬度則愈寬。薄的切屑使刃口所受切削垂直分力小，寬的切屑使刃口承受切削垂直分力之面積分佈大，單位面積所承受的壓力就小。 (2) 保護刀具之刀鼻以增加刀具壽命 若側刃角為零，在開始進刀之

5、瞬間，刀具主切刃口同時承受全部的切削力；在切削終了之瞬間，主切刃口所承受之切削力同時全部消失，此突然產生及消失之衝擊力較大，易使刀具刃口崩裂。反之，刀具有側刃角時，開始進給之切削力並不施加於刀鼻，而施於切刃口之中間，繼續(xù)進給後，其他部位始慢慢切入工件，得以減輕承受衝擊；又當切削終了之際，刃油亦係慢慢離開加工面，遂漸減少切削力，以免刀具突然釋放使負荷遽增引起崩裂，如圖3 -6 。圖3 -6 側刃角有保護刀鼻之作用主切刃口與次切刃口所夾的角度稱為刀鼻角。刀具研磨側刃角可增加刀鼻角，即可增加刀具的強度。切削鑄件或鍛件等硬皮的工件材料，刀具之側刃角更為重要。若側刃角為零，則刀鼻直接觸及硬誘皮磨耗甚大。

6、如以側刃角切削，則切刃口之中間先觸及錘皮，較弱的刀鼻不與之接觸，換言之，將起初的切削力從刃口的前端移向後端作用，以減少刀具之磨耗。另外，以零度的側刃角切削鬆脆的鑄件，於切削終了時易使已加工面崩缺，如有側刃角可避免此現(xiàn)象。有側刃角的刀具做問斷切削亦較有利，因急遽的衝擊力施以切刃口中間，刀具較不會磨耗或脆裂，尤其對碳化物刀具更有保護作用。 (3) 側刃角產生刀具之反作用力可減少切削顫震 雖然太大的側刃角對切削會產生不良影響，但適當?shù)膫热薪菍η邢鞲鼮橛欣?，如圖3 -7示，側刃角為零時，刀具對工件之進給壓力P等於工件對刀具之反作用力P，P對工件彎曲之影響甚微，但常使刀具產生側向彎曲。若有側刃角則反作用

7、力P'分解為軸向分力二及徑向分力，如此，小於P使工件對刀具的反作用力減少。而且由於徑向分力參之作用使複式刀座滑板緊靠於螺桿，可避免齒隙游動而發(fā)生顫震現(xiàn)象。 (4) 側刃角減少刀面磨耗 以相同切削深度言，刀具之側刃角較大者主切刃口與切削面之接觸較長，切削力平均作用於刃口，可減輕刃口之受力；側刃角較小者圖3 -7 側刃角對切削力之影響 主切刃口與切削面之接觸較短，切削力集中於刃口。由此可知，刀具主切刀口之長度不同，承受切削力亦不同，則其磨耗程度各異。側刃角大者，雖其主切刃口之磨耗較長，但因切屑厚度較薄，故刀面之磨耗深度較淺。磨耗的刀具須加以研磨整修，故磨耗愈淺者刀具磨除量愈少，損耗也就愈小

8、。 5. 端界角 端刃角為刀具次切刃口與刀具縱軸之垂線所夾的角度。當?shù)毒咧髑腥锌谇邢鲿r，端刃角使次切刃口避免擦傷已加工面。端刃角之大小非常重要，尤其是切削低碳鋼、中碳鋼等易使刀面磨耗的工件材料，由於此種磨耗將漸擴及次切刃口而引起刃口損壞。端刃角太小時，刀鼻角變大，將使刀具不易切入工件，次切刃口與已加工面接觸較大，對工件產生很大的壓力，易引起切削顫震，端刃角大大時刀鼻角變小，會減弱刀鼻的剛性。 實際上，端刃角對切削作用並非依研磨角度的大小，而是依工作端刃角而定。具裝於刀柄上，次切刃口與已加工面所形成的角度稱為工作端刃角，如圖3 -8 示。故工作端刃角可大於、等於或小於磨成的端刃角。工作端刃角決定

9、主切刃口與欲加工面閒之位置，在一定的切削深度及進給時，其位置改變將影響切屑厚度及刃口之受力。工作端刃角大者使主切刃口與切削面接觸較長，形成之切屑較寬，切屑厚度變薄，刀面之受力就小，但切削面較長，刀具容易發(fā)生顫震。圖3 -8 磨成端刃角與工作端刃角度及進給時，其位置改變將影響切屑厚度及刃口之受力。工作端刃角大者使主切刃口與切削面接觸較長，形成之切屑較寬，切屑厚度變薄，刀面之受力就小，但切削面較長，刀具容易發(fā)生顫震。 6. 讓 角 工件之切削面或已加工面與刀腹問所夾角度稱為讓角，分為側讓角及端讓角，如圖3 - 9。讓角的大小將影響刀具磨耗率、刀具性能及切削率。側讓角是在主切刃口下之刀腹與自主切刃口

10、向刀具底座之垂線間的夾角，使主切刃口與工件切削面之間有一間隙，讓刀具主切刃口切入工件時減少讓面及切削面聞之摩擦，以降低讓面之磨耗。端讓角是在次切刃口下之刀腹與自次切刃口向刀具底座之垂線間的夾角，使次切刃口與已加工面之問有一間隙避免摩擦，讓刃口易於切入工件。刀鼻下之讓角為側讓角及端讓角混合而成，在減低刀具刃口與切削面及已加工面閒之摩擦損耗，亦使刃口易切入工件。 讓角之選擇依工件材料的性質及切削情況而定，切削軟性及延性圖3-9 讓角的種電工件材料時選用大讓角，以減小刀具切入工件之作用力，而增加切削效率。切削硬性及脆性工件材料時選用小讓角，以增強刃口之支持力。圖3 -10示讓角對刃口承受切削力之影響

11、。因為切創(chuàng)硬脆工件材料若選用大讓角，刃口之支持力減弱，刀具強度降低，不足以承受切削圖3 -10 大讓角讓角對刃口承受切削力之影響力，則刃口可能發(fā)生碎裂。讓角太小則刃口不易切入工件，刀具讓面會與工件切削面或已加工面發(fā)生甚大的摩擦，妨礙切削作用，產生大量之切削熱，則刃口散熱不易，促使刀具加速磨耗，影響已加工面光度。讓角太大將使刀具插入工件並發(fā)生顫震或減低刃口強度，切削時刃口易產生碎屑或變形而損壞。端焊刀具常研磨次讓角又稱問隙角，其月的為減少研磨讓角之工作，並減少研磨產生的摩擦熱。 讓角之大小將影響刀具之可磨耗量，如圖3 -11示，而可磨耗量之多寡則對刀具之使用壽命有極大的影響。圖示刀具A與B之磨耗

12、深度同為1.5 mm ，刀具A之讓角為3，刀具B則為9，從刃口算起，刀具A 之可磨耗量為0. 0786mm，刀具B則為0.2375mm，故刀具B之使用壽命約為刀具A之三倍。刀具C之讓角太大，刃口不足以抵抗切削力，故開始切削時刃口迅速崩碎，只遺留甚少之可磨耗量。圖3 -11 讓角對刃口可磨耗量之影響 車床工作時，因裝置刀具不可避免之誤差常使刃口稍高或稍低於車床中心，或工件材料直徑隨著切削之進行而變異，均足以影響磨成讓角對切削工作的實際角度，此種在切削工作的讓角稱為工作讓角。圖3 -12 示刃口位置對端讓角之影響，圖(a)示直徑D為19mm , 如刃口高於中心1.5mm 時，刀具偏斜角A 應為9，

13、故工作端讓角變?yōu)樨?，即端讓角變小，此時刀具切入工件困難，切削工件表面很粗糙。圖(b)示刀具如低於1.5mm 時，則工作端讓角增大為15，刀鼻承受切削壓力增大，易引起插刀或工件跳動現(xiàn)象，若是用燒結碳化物當D= 19mm =(1.5÷9.5 ) = 9 圖3 -12 刃口位置對端讓角之影響刀具則其刃口會崩裂。 理論上，刃口應置於中心位置，但依實際工作經驗宜稍提高約工件直徑之1 。以圖1 - 31 (a)為例，19 mm× 1 % = 0.19mm，即刃口高於中心0.19mm。A =(1.5÷9.5 ) =19'，即端讓角增加19'僅約1之差，此對刀具

14、壽命之影響甚小，但對工件表面 當D=125mm A= ( 1.5÷62.5 ) = 123'圖3 -13 刃口位置對側讓角之影響光度甚有助益。當D =200mm ，刃口高於或低於中心1.5mm時，端讓角之變化為A = (1.5÷100) = 52。由此可知，切削大直徑的工件，刃口位置對端讓角之影響甚微。 圖3 -13示刃口位置對側讓角之影響，圖(a)示刀具磨成側讓角7，切削工件直徑D為125mm時，若刃口高於中心1.5mm，則刀具偏斜角為123'，故工作側讓角變?yōu)?37'即側讓角變小，此刀具主切刃口與切削面之接觸面積增大，容易使讓面磨耗。圖(b)示刀

15、具如低於1.5mm時，則工作側讓角為823'，主切刃口承受切削壓力增大，易引起刀具崩裂。D = 20mm，刃口高於或低於中心1.5mm 時，刀具偏斜角A = ( 1.5÷10)=838'。若刃口高於中心1.5mm，則工作側讓角變?yōu)?838'-138 '，此時刃口已無法切入工件。若刃口低於中心1.5mm，則工作側讓角變?yōu)?838' = 1538 '，此時切創(chuàng)將使刀具迅速磨耗，或插入工件而嚴重損壞刀具。由上述可知，若刀具刃口不與中心同高時，不同的工件直徑亦會影響工作讓角之大小。 7. 傾 角 刀面的斜度對切削之進行影響甚大，它不但控制切屑流

16、速及流向，而且會控制切屑的形狀。就切屑流向的斷面考慮傾角時，一般取垂直主切刃口方向斷面的側傾角與刀具軸方向斷面的後傾角。以刀具之縱向進給言，側傾角是與切削力有關的傾角。以刀具之橫向進給言，後傾角是與切削力有關的傾角。故通常在刀面上自主切刃口向後研磨側傾角，自次切刃口向後研磨後傾角，如圖3 -14 示。側傾角為自刀具主切刃口成垂直方向之切線與刀面所夾之角度。側傾角與側讓角形成刀具刃口，並決定刀具為右手切削或左手切削。理論上，側傾角較大時對切屑之流速較有幫助，並可減輕切削軸向分力，節(jié)省動力的消耗。但過大時則刀唇角變小，刀具抗壓面積亦變小圖3 -14 傾角之種類，易使刃口碎屑或崩裂；同時，切削熱大多

17、集中於刃口，散熱面積小，刃口易因過熱而軟化。若是適當?shù)膬A角，不但有足夠的抗壓面積承受切削垂直分力，而且散熱面積亦大，可維持刃口之高溫硬度。在間斷切削或需較大的切削力及切削能量，常採用負側傾角，以增強刃口所承受之負荷，但其切屑之形成及流向不甚理想，動力消耗增大，主切刃口磨耗加劇。圖3 - 15示側傾角對刃口受力之影響。側傾角、刀唇角及側讓角之和等於90。刀唇角又稱切削角為刀面與刀腹之夾角。圖3 -15 側傾角對刃口承受切削力之影嚮後傾角為自刀鼻沿刀具縱軸之切線與刀面所夾之角度，主要功用為控制切屑流速及流向，改變與控制切削徑向分力，及保護刃口。依研磨刀面之傾斜方向可分為正後傾角、負後傾角及零後傾角

18、。正後傾角之刀面?zhèn)S由主切刃口沿刀具軸向或徑向向下傾斜，切削工件材料時，使切屑滑離已加工面，切削垂直分力通過端讓面，使刀具次切刃口受剪力作用。就所需動力及切削的觀點言，正後傾角之切削效率最好，因為正傾角形成之刀唇角在90以下，刀具切入工件較容易，切屑之形成時以剪斷方式而非壓縮及推擠成片，其所需切削力較小。負後傾角之刀面?zhèn)S由主切刃口沿刀具軸向或徑向向上傾斜，使刀唇角在90以上，切削工件材料時，切屑流向已加工面，切削垂直分力與端讓面平行通過刀面，可以增弦刃口承受更大的切削負荷。故負後傾角常用於切削需要增強刀具強度的工件。欲使負後傾角發(fā)揮效果，須使用能高速切削的刀具材料，因為在高速切削範圍內，傾角對刀

19、具壓力的作用較小。碳化物刀具做斷續(xù)切削時亦須用負後傾角，因斷續(xù)切削之震動負荷發(fā)生於刃口，故其必須更強韌。零後傾角亦可適用於零側傾角，使刀具之刀唇角接近90，切削時切屑與已加工面平行流出，切削垂直分力鉛直通過側讓面，使刀具主切刃口受壓力作用。圖3 -16示後傾角對刃口受力之影響。 車刀正傾角使用條件如下： (1)切削低抗拉強度的鐵及非鐵金屬。 (2)切削已加工硬化材料。 (3)使用低馬力之工具機。 (4)切削細長工件材料。 (5)夾具及工件缺少剛性及強度。 (6)必須低於推薦的切削速度加工。 車刀負傾角使用條件如下： (1)切削高抗拉強度合金剛。 (2)具有大馬力工具機。圖3 -16 後傾角對刃

20、口受力之影響 (3)做斷續(xù)切削及大進刀。 (4)在碳化物及陶瓷刀具之切削速度範圍內。 (5)工具機、刀具及工件均具有剛性。· 8. 刀鼻半徑 主切刃口及次切刃口之交會處稱為刀鼻。它是刀面承受切削力及切削熱最大的部分，並由於主切刃口及次切刃口之讓面而減弱其強度，因此刀鼻常有斷裂之虞，故將刀鼻研磨成圓弧以增強刀具刃口及改善已加工面之光度，此圓弧之半徑稱為刀鼻半徑。圖3 -17示刀鼻形狀對加工面粗糙度之影響。尖銳的刀鼻使加工面形成粗糙的鋸齒狀，若把尖端磨成圓弧狀，則加工面形成較光滑的圖3-17 刀鼻形狀對加工面粗糙度之影響扇形面。 刀具若不研磨刀鼻半徑，不但加工面粗糙而且切削力集中於刀鼻，

21、容易造成刀鼻磨耗或崩裂。就切削效果言，刀鼻半徑愈大者切削力分佈於圓弧面，並且切屑斷面愈接近次切刃口愈薄，如圖3 - 18示。使刃口所受單位切削力及熱量減少，對防止刀鼻崩裂的效果愈佳。但在同樣切削條件下，大刀鼻半徑與工件之接觸面較長，所形成之切屑寬度亦比小刀鼻半徑所形成之切屑較寬，亦是易引起刀具顫震之原因。故在正常切創(chuàng)情況下，切屑突然變成細薄，即表示刃口已變鈍，刀鼻半徑變大，很容易引起刀具迅速磨耗。 選擇刀鼻半徑R時須考慮切削深度h及進給f，其實驗式如下； (1) 高速鋼刀具之刀鼻半徑圖3 -18 刀鼻半徑對切屑斷面之影響 R = 4 · f R = h / 8 兩式比較，取較大數(shù)值為

22、刀鼻半徑之值。 (2) 燒結碳化物刀具之刀鼻半徑 R = 2 · f R = h / 8 兩式比較，取較大數(shù)值為刀鼻半徑之值。表3 -1 車刀形狀表示法註：英文字母為各部位角度之大小，R 為mm 。表3 -2 高速鋼車刀角度註：1. 牛頭鉋床及龍門鉋床之端讓角及側讓角通常為35。 2. 切削一般金屬時端讓角及側讓角為8 10為最標準。 3. 若無斷屑槽時側傾角應較小，有斷屑槽時側傾角應較大。表3 -3 燒結碳化物車刀角度(二) 刀具壽命 在金屬切削加工中，刀具壽命乃為考慮工具使用之經濟性非常重要因素之一。粗切削時刀具形狀及切削條件之擇定均以刀具之經濟性為前提。致使刀具壽命非常短的切削

23、條件並不合乎經濟要求，此乃因刀具研磨及刀具更換所需費用將會很高。然而，利用低切削速度及微小進給以求刀具壽命之增長亦不一定合乎經濟原則，因在此情況下，生產效率會大幅降低。 刀具在切削過程中，因為與工件及切屑之摩擦阻抗而發(fā)生磨損。若磨損達到某一程度，致使刀具無法達到切削的功能，而必須再行輪磨或丟棄時，其經歷的時間稱為刀具壽命。討論刀具壽命的標準可分為兩大類：第一類：切創(chuàng)工件之相關標準 1. 加工面粗糙度 工件需要精切削時必須標註加工符號。而刀具壽命可由刀具磨損時，加工面粗糙度漸漸變差的程度而定。較差的表面光度與刀鼻半徑的磨損有關，或與刀具和工件的振動有關。當?shù)毒吣p時經常會增加振動。 2. 尺寸公

24、差 應用型刀切削、或CNC工具機自動切削，尺寸公差之失掉顯得特別重要。刀具刃口之磨損可能比其他部位更快，唯一解決辦法是重磨或更換刀具。在刀具壽命標準裹，尺寸公差之失掉為刀腹或刀鼻半徑磨損最明顯而直接的關係。 3. 經濟考慮 刀具如果需要再輪磨，則應該在刀具未達最大磨損之前就予以更換。此種說法是根據(jù)整個刀具壽命裹的每一刃口之平均費用而估計的。成本為C的刀具被再輪磨n次。如果每次輸磨的費用為G ，則每一刃口的平均費用為Y = ( CnG ) / (n + l)。如果提早更換刀具，則G值下降而n次增加。第二類：刀具本身的標準 刀具本身壽命的標準則為刀具之損壞。若刀具尚未達到上述三種壽命標準，而能繼續(xù)

25、製作滿意的零件，則其壽命由損壞或經濟的重新研磨刀具磨損的程度來決定。由刀具磨損決定刀具壽命的依據(jù)包括： (1)刃口產生碎屑或細裂痕。 (2)讓面產生磨耗帶。 (3)刀面產生凹陷。 (4)刀具材料之體積或重量磨損。 (5)刀具全音壞損壞。 1. 刀具磨損的形態(tài) 刀具的磨損包括磨耗（wear）與缺損（breaking）。在本質上，刀具的磨耗與缺損同一般物質的損壞或破損的觀念相同。一般是刀具先發(fā)生磨耗，次引起碎屑（chipping ) ，再擴大為缺損。有時因切削條件不當而產生過量負荷或未考慮正常的磨耗而突然發(fā)生缺損的現(xiàn)象。刀具磨損的形態(tài)隨著加工方法的不同而異。例如車削、銑削、鑽削等刀具的磨損形態(tài)並不

26、一樣。如果了解車削刀具的磨損情況，將會有助於一般問題的深入。圖3 -19 示刀具磨損之型態(tài)及原因。而這些磨損形態(tài)並不是經常出現(xiàn)，而是有輕重之別，其中最主要的磨損形態(tài)是讓面磨損、凹陷磨耗、刀鼻半徑磨耗、刃口外徑溝槽。 （一） 讓面磨損 讓面磨損或稱刀腹磨損、磨損基地，發(fā)生的原因係刀具切削工件時刀腹與加工面問的接觸摩擦而漸漸磨耗所致，故其磨耗區(qū)域緊鄰刃口之下。尤其切削形成不連續(xù)切屑之工件材料，因碎屑常常介入刀具與加工面之問，易使刀腹發(fā)生較大摩擦而造成讓面磨耗。由於此類工件材料較堅硬，所產生之讓面磨損與加工面平行。故刃口因磨耗而先產生微小的磨損帶，然後逐漸擴大，使切削力及切削熱驟增而引起刀具損壞。故

27、由工件材料的性質亦可知讓面磨損主要發(fā)生於低速切削的刀腹上。如果磨耗帶是相當均勻時，則用工具顯微鏡很容易測量其寬度W，如圖3 -19 (a)示。國際標準組織推薦的高速鋼刀具、燒結碳化物刀具、陶瓷刀具等讓面磨損標準如下： 1. 刀具產生驟然的破損碎裂時。 2. 刀腹均勻磨損W=0.3mm 3. 刀腹出現(xiàn)對不規(guī)則磨損、剝離、裂傷、嚴重的溝槽 Wmax=0.6mm(a)刀具磨損形態(tài)(b)刀具磨損原因圖3 -19 刀具磨損形態(tài)與原因 （二） 凹陷磨耗 刀具切削工件材料若切削速度較低時，則切削總熱量大部分傳導到工件材料，此時由於刀具之溫度尚低，切屑流經刀面摩擦產生的熱將傳導到刀具。若切削速度增高時，由於切

28、屑流經刀面摩擦產生的熱及刀刃與加工面摩擦產生的熱增加，刀具溫度超過切屑之臨界溫度，使剪切面之熱量幾乎留存在切屑中，並且切屑之流動快速，使切屑與刀面摩擦增加，則兩者溫度相對提高，經由切屑導出之熱量亦隨之增加，因此切青內大部份熱量流經接觸面時溫度升高使刀具及切屑均產生原子的擴散，形成兩者的合金，因而降低刀具材料熔點及減弱硬度，使刀具材料的微粒被切屑帶走形成凹陷磨耗或稱焊疤。尤其切削形成連續(xù)切屑之工件材料，因切屑連續(xù)不斷的流經刀面，在高壓及高溫之摩擦下，易使刀面發(fā)生較大摩擦而造成刀面磨耗，並且所形成的凹陷與切屑捲曲面的形狀相吻合。 凹陷磨耗發(fā)生於離刃口後一小距離之處，此小距離g稱為刀背，如圖3 -1

29、9 (b)示，切削繼續(xù)進行時凹陷的深度及寬度逐漸增大，由於切屑會部份熔著於凹陷深度內，故均自凹陷寬度方向慢慢地往刃口附近移動而擴及刃口，使刀背慢慢消失而減弱刃口強度，引起碎屑或缺損的現(xiàn)象。 初期的凹陷不直接影響刀具的切削作用，反而使刀具傾角增大，改善切削性能。在高速鋼刀具之切削速度範圍內，若對形成連續(xù)切屑之工件材料採低速切屑時將形成BUE，通常，凹陷在BUE之後產生，因為BUE會使刃口溫度增高之故。所以，由切削工件材料的性質亦可知凹陷磨耗均發(fā)生於刀具做高速切削的刀面上。國際標準組織推薦的高速鋼刀具、燒結碳化物刀具等凹陷磨耗深度標準如下： 1. 高速鋼刀具d =0·6mm 2. 燒結碳

30、化物刀具d=0.06+0.3fmm ( f 為進給率） （三） 刀鼻半徑磨損 刀鼻半徑的磨損形成於刀鼻半徑和靠近端讓面的部份。該處的磨損是讓面磨損的部份連續(xù)，而且部份形成為系列的溝槽，如圖3 -19 (a)示。溝槽之問的問隔約為進給率的大小。因此磨損增加時會增加加工面的粗糙度。 （四） 外徑溝糟 外徑溝槽形成於刃口與工件的外徑接觸處，如圖3 一19 (a)示。如果與其它的磨損比較的話，外徑溝槽可算是相當大。通常由於與加工面無關，而不會有什麼損害。但是可能會影響刀具再輪磨的時間。上述的四個磨損形態(tài)，以讓面磨損的寬度( w）和凹陷磨耗的深度（d）較為重要，也較能得到磨損過程的總指標；表3 - 4

31、為刀具一般性損傷對策。 2. 刀具壽命的量度 過去有許多定訂刀具壽命的方法，在1894 年，泰勒（F.w.Taylor）介紹一種“20 分鐘的刀具壽命”的方法，係以一個獲得20 分鐘的刀具壽命之所須切削速度為量度的標準。此種方法施行了好多年，不過卻一直沒有一張表示刀具壽命是如何地隨著切削速度而變化的圖片。隨之而來的是以切削速度的對數(shù)值和刀具壽命的對數(shù)值所劃出的關係圖形來表示刀具的壽命。因而，高速鋼刀具的壽命就以刀具使用至完全破壞的所須時間（分鐘）來表示。因而碳化物刀具就以達到。，03 吋（0.762mm）的讓面磨損之所須時聞（分鐘）來表示刀具壽命。由於在對數(shù)刻劃所得到的刀具壽命之曲線為線性的關

32、係，其相關的方程式可表示為： V= C ( 1 ) 式中的v 為切削速度（呎分），T為刀具壽命（分），n 和c為實驗常數(shù)。n和C值之大小依刀具材質及工件材料而異，如表3 -5。以分鐘數(shù)來表示刀具壽命是有利於切削成本的計算，但是對於刀表3 -4 刀具一般性損傷對策表3- 4 （續(xù)）刀具一般性損傷對策表3 -5 刀具壽命方程式之常數(shù)（錄自Metal Machining and Forming Technology）具磨損的研究則並不是一種良好的方法。刀具磨損與滑過刀面的總切屑面積是有關的，因而以移除金屬的體積來表示刀具壽命是較有利的。在已知進給率和切削深度下所切削金屬的體積是與切屑面積成比例的。因

33、此，(1）式可寫成 VT = C = V ( vtfT )( vft ）或 ( 2 ) 式中，vtfT t切創(chuàng)深度（吋）f 進給（吋轉）C ' 常數(shù)在一般的情況下，凹陷磨耗向下移入刀具的速率約等於讓面磨損移向刀具的水平面的速率。在較高的速率下，凹陷磨耗率和讓面磨損率是都會增加的，然而，凹陷磨耗率的增加較為快速。反之，在較低的速率下，讓面磨損就顯出其重要性。圖3 -20示典型的讓面磨損和凹陷磨耗對時間和初速的關係。該試驗係以碳化鎢刀具切削低合金鋼，切削深度為0.12吋，進給率為0.010吋。圖3 - 21 示壽命和切削速度的關係。圖3 - 22 示欲得30分鐘的刀具壽命之所須切速和進給的

34、關係。其切削條件與圖3 - 20的條件相同。因此，對於任何已知的刀具壽命之標準，可將刀具壽命當作是重要之切削變數(shù)的一個函數(shù)。如果令(l)式裡的 C=，而n =1 / B，則可將（l）式寫成為 T = ( 3 ) 式中，T=刀具壽命（分） f=進給（吋轉）圖3 - 20 讓面磨損和凹陷磨耗對時間和切削速度的關係圖3 - 21 刀具壽命和切削速度之關係 t切削深度（吋） V=切削速度（ft / min ) A , B , D , E =實驗常數(shù) 圖3 - 21 示的斜率為3，故B = 3 , n = 0.33。圖3 - 22 示的斜率0.29，而此值等於E / B，故E = 3 × 0.

35、29 =0.87。一般而言，B > E > D，亦即切削深度的影響最小，進給率較大，而切削速度的影響最大。而（3）式在變數(shù)的一個適當範圍內是近於正確的，而其指數(shù)的大小則隨著不同的刀具工件切削劑的組合與不同的切速範圍而有所改變。有時候，亦可將（1）式寫成為： 式中Vr 為已知刀具壽命Tr 下的切削速度。亦即令C=Vr。 3. 刀具磨損之偵測 金屬切削工業(yè)愈來愈邁向高度自動化，也就愈來愈有必要查出切削刀具的加工情況。在高產能的傳遞式生產線上，由於刀具的原因而停工的時間約占了40 %，即使在低中產能的計算機整體製造系統(tǒng)方面，亦有著前述的情形。此二種生產系統(tǒng)的將來發(fā)展勢必為計算機控制，人們

36、不必去檢查刀具正在加工的狀況，整個加工系統(tǒng)會包含許許多多的刀具，而且系統(tǒng)的信賴度端賴於各個刀具的信賴度。而欲確保各個刀具的信賴度當然必須要一種可以查出刀具正在加工狀況的方法。刀具磨損查出器的查出資訊在兩種相當不同的領域中頗為需要： (1) 進給與切削速度繼續(xù)地變化以達到“最佳”（費用或生產率）切削條件的適應性控制方面。用在這方面的刀具磨損查出器必須依據(jù)磨損率或刀具退化情形提供類比的、連續(xù)的訊號。在適應控制系統(tǒng)方面，已經發(fā)展出二種形式： 1. 適應控制限制（adaptive control constraint A.c.c.) 自動地控制工具機以令諸如力量、振動、或溫度等許多種切削參數(shù)中的一個或

37、多個參數(shù)得以維持在最大限定值之下。 2. 適應控制最佳化（Adaptive controloptimization A.c.o) 此係控制著該系統(tǒng)，以令諸如生產率或生產費用等的一個系統(tǒng)目標最佳化。 A.C.C系統(tǒng)能夠得到一些利益為：增加生產率，保護機器以及另件，減少對一位操作者的依賴，簡化另件的程式規(guī)畫。A.C.O系統(tǒng)的發(fā)展依賴著刀具磨損的線上即時量度，除具有A.C.C 的優(yōu)點之外，它還能提供切削程序的最佳化，有效率的刀具更換政策，改善尺寸的控制，降低刀具成木。 (2) 有關定時地刀具更換及策略方面。例如：用在刀具更換方面，則僅須要藉著一種數(shù)位訊號得知刀具可能90磨壞了?；蚴窃?0磨壞的時候就

38、預先提出警告等。 刀具磨損會改變機器刀具工件等組合系統(tǒng)的行為，刀具磨損查出器因而得由該組合系統(tǒng)中各個部份偵測出實際情況。例如值測刀具或工件或工具機。其測定方式可為直接式或為間接式。直接方法的裝置係評估刀具磨損所造成的體積損失，問接方法則建立刀具磨損與其他較容易測量的各參數(shù)間的關係方程式。依據(jù)直接或間接量測方法可設計刀具磨損的查出裝置。 (一) 直接量測法 直接量測法是量測刀具磨損部位，可分為：量測刀具幾何形狀，光學掃描技術，量測工件的尺寸變化，量測刀柱與工件聞的距離，電阻技術等。 1. 量測刀具的幾何形狀 刃口的幾何變化可指示出刀具的磨損情形，其主要的量測方法分為： (1)指示量錶它是一種簡單

39、的線外量測方法，如圖3 - 23 所示。 (2)輸廓描繪器用於沿著一條直線求取凹陷及刀腹磨損的輪廓軌跡。圖3 - 23 測量刀具徑向磨損的儀器圖 2. 光學掃描技術 利用光學探討刀具磨損程度是一種普通技術。利用工具顯微鏡或掃描式電子顯微鏡可以觀察磨損區(qū)域。同樣的原理亦可用在許多的線上測量，只要將光線照射在刀具上，並將反射光形成的影像展示在電視螢幕或輸送到影像分析電腦。其主要量測方怯分為： (1)外型映像 利用顯微鏡定出刀具磨損是一種簡單的實驗室法。但磨損部位不容易定出，量取磨損區(qū)域的平均值亦非易事。外形映像方法很慢，而且精確度取於操作者的技術。 (2)光學電子方法 光學電子方法是將腹部磨損的放

40、大映像聚焦在光槽上，光槽位於光學放大器的陰極管的前方，如圖3 - 24 圖3 -24 用光學 - 電子查出器直接量測（刀口不連續(xù)地接觸工件）示。如果刀腹磨損帶出現(xiàn)，就可由光放大器獲得一個訊號，並且當?shù)毒咝D時，該訊號會有一個取決於出現(xiàn)的磨損量以及刀尖的切削速度之間隔。量測該訊號，並送一系列的高頻率脈衝到數(shù)位計算器。如果將固定期間的許多量測量相加起來，則可消除它對速度的依賴性。因此，當速度增加時，訊號的時期減少，而量祺帕勺數(shù)目照比例地增加，在計算器的脈衝總數(shù)因此仍舊保持一定。此一系統(tǒng)可分離出讓面磨損寬度2.5×mm 的大小。圖3 - 25 示利用TV 攝影機量測刀腹磨損寬度的方法。應用

41、中亦須區(qū)分為組合刀口與真實磨損?？山逯涹w列出與光學訊號無關的刀具邊界及磨損區(qū)域，然後重疊之，以畫出真實的磨損區(qū)域，如圖（b）。 3. 量測工件的尺寸變化 刀具磨損時，其切削深度會減小。故可以查出工件尺寸的變動，並求出它與刀具磨損的關係。此類技術主要是量測及控制旋轉工件的直徑。量測工件直徑的儀器有分壓卡、空氣規(guī)、非接觸位移計等。 4. 量測刀柱與工件問的距離 當車削的刀具增加刀腹磨損量時，切削過的工件加工面相對地移向刀具，亦即刀柱與工件間距離減小。電器隙片測微器、超音波、空氣規(guī)等可以量測刀柱與工件間的距離變化，並用於定出線上的刀具磨損。圖3 - 26 示空氣規(guī)隨著刀具運動，並查出刀柱與工件間的

42、距離。 5. 電阻技術 電阻技術已經可以在線上偵察出刀腹的磨損量，其輸出是一種電氣訊號。其主要測量方法分為： (1)接觸電阻技術刀具與工件交面的電阻與刀具磨損存在著某種關係。當?shù)毒吣p時，刀具與工件的接觸面積增大，刀具與工件的交面電阻會減少。圖3 - 25 光學掃描儀圖3 - 26 刀具磨損的控制系統(tǒng) (2) 薄膜電阻器 可為一個單一電阻器或電阻器網(wǎng)路安置在覆蓋著刀腹的一層絕綠體上，各如圖3 - 27及3 - 28 示。試驗用的薄膜電阻器可用下列方法： 以石墨顆粒（直徑0.5m）和醋樹脂混合的塗裝電阻器。鉻金屬蒸鍍的金屬膜電阻器。 電阻器的長度隨著刀腹磨損的進行而下降，可在線上量出電阻的變化，

43、進而得知磨損量。但必須具備下列二個條件：刀腹磨損的形狀必須追循電阻器的磨損以及耐熱塗料的磨損。電阻器的電阻減少必須與刀腹磨損的寬度成比例，而且該電阻不應受到切創(chuàng)溫度及電阻器與加工面間接觸壓力的影響。圖3 - 27 線上量側腹部磨損的電路圖3 -28 利用在刀具腹部的電阻網(wǎng)路查出刀具磨損 （二） 閒接測量方法 由於使用直接測量方法受到了許多的限制，所以許多研究老就嘗試著量出一些與刀具磨損有密切關係的某些切削參數(shù)，藉著該參數(shù)的數(shù)值而評估磨損的大小。目前使用的方法如下： 1. 切削力量和或扭矩技術 切創(chuàng)力量與刀具磨損或是切削力量比與刀具磨損之問存在著某種關係。如果其問的關係良好，則可在適應控制系統(tǒng)中利用力量查出器量度出刀具磨損率。目前適應控制的限制系統(tǒng)（A.C.C.）利用力量的測量來降低刀具破裂以及補償?shù)毒叩哪p。 2. 機械振動聲波的分析技術 此種方法基於詳細地分析切