機械製造 Manufacturing Processes and Systems 9E 第8章 金屬切削.

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1 機械製造 Manufacturing Processes and Systems 9E 第8章 金屬切削

2 目錄 8.1 金屬切削理論 8.2 金屬切削刀具 8.3 切削的形狀及其形成 8.4 冷卻劑 8.5 切削性 8.6 刀具壽命 8.7 表面精光度 8.8 切削速率與進給

3 概論 金屬切削原理可用於車削 (turning)、切 削中心機 (machine centers)、銑切 (milling) 及鑽孔 (drilling) 以及許多其它 工具機之加工 161

4 8.1 金屬切削理論 單鋒 (single-point) 刀具 多鋒 (multiple-point) 刀具 最簡單的切削刀
8.1 金屬切削理論 單鋒 (single-point) 刀具 最簡單的切削刀 如用在車床、龍門鉋床或牛頭鉋床 多鋒 (multiple-point) 刀具 由兩個以上的單鋒刀具所組合而成 如銑刀和拉刀 161

5 8.1 金屬切削理論 所謂正交切削是指切削時，刀刃與切削 方向呈垂直，並且金屬切屑無側向流動
8.1 金屬切削理論 所謂正交切削是指切削時，刀刃與切削 方向呈垂直，並且金屬切屑無側向流動 切屑之作用力包含剪切面上之應力及切 削刀具面上分佈力，剪切應力之合力為 ，分佈力之合力為 ， 162

6 8.1 金屬切削理論 162

7 8.1 金屬切削理論 162

8 8.1 金屬切削理論 摩擦係數 (coefficient of friction) μ即可 由下式求之 且 (8.1) (8.2) 163

9 8.1 金屬切削理論 因此得 即 其中τ=摩擦角 (8.3) (8.4) 164

10 8.1 金屬切削理論 163

11 8.1 金屬切削理論 切削深度t與切屑厚度 間的比率，稱 為切屑厚度比 (chip thickness ratio) ， 可表示如下：
8.1 金屬切削理論 切削深度t與切屑厚度 間的比率，稱 為切屑厚度比 (chip thickness ratio) ， 可表示如下： 並可解得 ， (8.5) (8.6) 164

12 8.1 金屬切削理論 其中 切屑的長度 從工件上所切除材料的對應長度 因此 (8.7) (8.8) 164

13 8.1 金屬切削理論 165

14 8.1 金屬切削理論 故切屑沿刀面的滑動速度便為： 即 由圖 8.4 可得，切屑沿剪切面滑動的速度為 (8.9) (8.10) (8.11)
8.1 金屬切削理論 故切屑沿刀面的滑動速度便為： 即 由圖 8.4 可得，切屑沿剪切面滑動的速度為 (8.9) (8.10) (8.11) (8.12) 165

15 8.1 金屬切削理論 對一工件材料而言，作用在切削刀具上的力 ，須視下列幾點而定： 作用力並不隨切削速率的改變而有顯著的變化
8.1 金屬切削理論 對一工件材料而言，作用在切削刀具上的力 ，須視下列幾點而定： 作用力並不隨切削速率的改變而有顯著的變化 刀具的進給愈快，則作用力愈大 切削深度愈深，則作用力愈大 切削力隨切屑尺寸的增加而增大 切削刀具的鼻端半徑 (nose radius) 增大，或側切 削角變大，則推力將減小 後斜角每增加 ，則切削力約可減小 1% 使用冷卻劑可略為降低刀具受力，但卻可大為提 高刀具的壽命 166

16 8.1 金屬切削理論 167

17 8.1 金屬切削理論 167

18 8.1 金屬切削理論 167

19 8.1 金屬切削理論 利用測力計量得的切削力，並利用 ，即可求得其馬力。轉軸上耗用的馬力 為： 其中 切線切削力，lb (N)
8.1 金屬切削理論 利用測力計量得的切削力，並利用 ，即可求得其馬力。轉軸上耗用的馬力 為： 其中 切線切削力，lb (N) 切削速率， ， (8.13) 168

20 8.1 金屬切削理論 有時在此公式中會多表示另外兩個作用力向 量，如徑向力 ，軸向推力 。然而因為其 力乘以距離所得的結果很小，二個力量對馬 力的影響並不大 令 其中E=轉軸之驅動效率，% (8.14) 168

21 8.1 金屬切削理論 單位動力可由下式求得： 169

22 8.1 金屬切削理論 169

23 8.2 金屬切削刀具 切削刀具標記 170

24 8.2 金屬切削刀具 可丟棄嵌塊 171

25 8.2 金屬切削刀具 刀具之材料 最好的刀具材料，即是能使製成零件之成 本降至最低的材料
8.2 金屬切削刀具 刀具之材料 最好的刀具材料，即是能使製成零件之成 本降至最低的材料 一般刀具材料須具有高溫時抗軟化的能力 、低的摩擦係數、良好的耐磨耗性與足夠 的韌性以抵抗脆裂等性質 171

26 8.2 金屬切削刀具 172

27 8.2 金屬切削刀具 主要刀具材料如下： 燒結碳化物 (Cemented Carbide) 高速鋼 (High-Speed Steel)
8.2 金屬切削刀具 主要刀具材料如下： 燒結碳化物 (Cemented Carbide) 高速鋼 (High-Speed Steel) 高速鋼 鉬高速鋼 超高速鋼 高碳鋼 (High-Carbon Steel) 非鐵鑄造合金 (Cast Nonferrous Alloy) 鑽石 (Diamond) 陶瓷 (Ceramic) 陶瓷金屬 (Cermet) 氮化硼立方體 (Cubic Boron Nitride) 171

28 8.2 金屬切削刀具 174

29 8.2 金屬切削刀具 刀具材料有其操作適用範圍，如下所示： 名 稱 主要成分 典型等級 最大切削速率 高速鋼 165 碳化鎢 C7, C8
8.2 金屬切削刀具 刀具材料有其操作適用範圍，如下所示： 名　稱 主要成分 典型等級 最大切削速率 高速鋼 165 碳化鎢 C7, C8 500 塗層碳化物 900 陶瓷金屬 1200 CBN Amborite 3000 鑽石 合成 177

30 8.3 切屑的形狀及其形成 切屑之種類可分成三種型式 不連續或碎斷式切屑 (discontinuous or segmented chip)
8.3 切屑的形狀及其形成 切屑之種類可分成三種型式 不連續或碎斷式切屑 (discontinuous or segmented chip) 連續式切屑 堆積刃 (built-up edge) ，簡稱 BUE 177

31 8.3 切屑的形狀及其形成 177

32 8.3 切屑的形狀及其形成 178

33 8.3 切屑的形狀及其形成 179

34 8.3 切屑的形狀及其形成 切屑的控制 沿著刀刃，在刀面上磨出一深約 至 in (0.38~0.76 mm) 的小平面形成階 梯式斷屑器 (step-type chip breaker) 在刀刃後方約 處，磨出或 以粉末冶金技術模製出一深度約 至 in (0.25~0.50 mm) 的小凹槽 用硬焊法或以螺絲固定裝置，在刀具面 上裝置一種薄碳化物面板 適當地選用刀具角度，以控制切屑的捲 曲方向 179

35 8.3 切屑的形狀及其形成 180

36 8.4 冷卻劑 使用適當的冷卻劑 (coolant)，將可達成下 列各項功能： 減低切屑、刀具以及工件間的摩擦力 降低工件和刀具的溫度
8.4 冷卻劑 使用適當的冷卻劑 (coolant)，將可達成下 列各項功能： 減低切屑、刀具以及工件間的摩擦力 降低工件和刀具的溫度 可沖除切屑及控制灰塵 增進工件之表面光滑度 降低所須的動力 提高刀具的壽命 減少工件和機器可能產生的腐蝕 有助於防止刀具上堆積刃的形成 180

37 8.4 冷卻劑 良好的冷卻劑必須具備下列各種性質： 首先不能有害於操作者的生理健康，對 機器無害，並且要相當穩定。另外還須 要有良好的導熱性、不揮發、不起泡沫 、具潤滑作用，以及高的閃點溫度 (flash temperature) 180

38 8.4 冷卻劑 化學冷卻劑是在水中溶入適當的化學藥劑，其主要 的目的為冷卻，但也常具有冷卻及潤滑等雙重作用 。茲將所用的化學藥劑列出如下：
8.4 冷卻劑 化學冷卻劑是在水中溶入適當的化學藥劑，其主要 的目的為冷卻，但也常具有冷卻及潤滑等雙重作用 。茲將所用的化學藥劑列出如下： 防銹用的胺類和亞硝酸鹽類 用以穩定亞硝酸鹽的硝酸鹽類 用以軟化水質的磷酸鹽和硼酸鹽 潤滑並減低表面張力的肥皂和潤滑劑 作化學潤滑用的磷、氯和硫化物 潤滑用的氯 作為混合劑及抗凍劑的乙二醇 可控制細菌生長的殺菌劑 181

39 8.4 冷卻劑 使用冷卻劑的好處在於冷卻刀具並減少 摩擦阻力，尤其是減少切屑與刀具間的 摩擦
8.4 冷卻劑 使用冷卻劑的好處在於冷卻刀具並減少 摩擦阻力，尤其是減少切屑與刀具間的 摩擦 間隙的毛細作用以及切削液的蒸發汽化 ，也有助於保持切刃的冷卻和潤滑效果 181

40 8.4 冷卻劑 下面所列為幾種普通金屬所用的一些非 化學合成冷卻劑： 鑄鐵 鋁 展性鑄鐵 黃銅 鋼 熟鐵 181

41 8.5 切削性 切削性 (machinability) 即表示材料切削 的難易性
8.5 切削性 切削性 (machinability) 即表示材料切削 的難易性 材料的切削性通常可以表示為：刀具壽 命的長短、切削所須的動力、切除定量 材料的必須成本、以及工件的加工表面 等 切削性並非一個精確定義名詞，而是一 種觀念 182

42 8.5 切削性 影響試驗結果的因素：材料組成、硬度 、晶粒大小、顯微組織、加工硬化性、 工件尺寸、切削設備的型式及其剛性、 切削深度與進給量、冷卻劑的性質以及 所用刀具的種類等 影響金屬切削性的兩個主要因素為其延 性和硬度 183

43 8.5 切削性 材　　料 勃氏硬度 切削性等級 1020 鋼 135 0.60 1040 鋼 205 0.61 4140 含鉛鋼 187 0.70 鑄鐵 160 195 0.40 不銹鋼 183 0.55 207 0.45 鑄鋁 1.50 183

44 8.5 切削性 有下列四種試驗法，足以提供概略的切 削性數值和資料 對不同的材料，以固定形狀的刀具，作 相同深度及進給量的切削
8.5 切削性 有下列四種試驗法，足以提供概略的切 削性數值和資料 對不同的材料，以固定形狀的刀具，作 相同深度及進給量的切削 在相同的切削條件下，以刀具的磨損速 率來比較彼此的切削性 在相同的切削條件下，以測力計來測量 刀具所承受的作用力 繼續進行切削，直到工件表面呈現出令 人不滿意的光平表面為止 183

45 8.6 刀具壽命 所謂刀具壽命 (tool life) 是指在令人滿 意的切削條件下，刀具可繼續使用，而 不須要重磨或換裝的時間
8.6 刀具壽命 所謂刀具壽命 (tool life) 是指在令人滿 意的切削條件下，刀具可繼續使用，而 不須要重磨或換裝的時間 刀具壽命是以兩次更換刀具間的時間 ( 分鐘 ) 來表示 184

46 8.6 刀具壽命 通常影響刀具壽命的磨損，計有下列五 種基本型式： 磨蝕磨損 (abrasion wear)
8.6 刀具壽命 通常影響刀具壽命的磨損，計有下列五 種基本型式： 磨蝕磨損 (abrasion wear) 黏著磨損 (adhesion wear) 擴散磨損 (diffusion wear) 化學與電解磨損 (chemical and electrolytic wear) 氧化磨損 (oxidation wear) 184

47 8.6 刀具壽命 185

48 8.6 刀具壽命 1906 年，泰勒氏 (Fred W. Taylor) 指出 刀具壽命與切削速率的關係如下： (8.17) 185

49 8.6 刀具壽命 186

50 8.6 刀具壽命 186

51 8.6 刀具壽命 直線的斜率即 n值，可由下式求之： (8.18) 高速鋼 碳化鎢材料 材 料 C n 不銹鋼 170 0.08 400
8.6 刀具壽命 高速鋼 碳化鎢材料 材　料 C n 不銹鋼 170 0.08 400 0.16 中碳鋼 190 0.11 150 0.20 灰鑄鐵 75 0.14 130 0.25 直線的斜率即 n值，可由下式求之： (8.18) 187

52 8.6 刀具壽命 導致刀具損壞、壽命減短的原因，通常 有下列幾個： 刀具角度不適當 刀具硬度喪失 刀刃斷裂或缺口 自然的磨損及磨蝕
8.6 刀具壽命 導致刀具損壞、壽命減短的原因，通常 有下列幾個： 刀具角度不適當 刀具硬度喪失 刀刃斷裂或缺口 自然的磨損及磨蝕 因重負荷而使刀具斷裂 187

53 8.7 表面精光度 能夠增進表面精光度的因素計有：輕切 削、小量進給、高切削速度、加切削液 、使用圓鼻端刀具、精磨刀具以及增大 斜角等
8.7 表面精光度 能夠增進表面精光度的因素計有：輕切 削、小量進給、高切削速度、加切削液 、使用圓鼻端刀具、精磨刀具以及增大 斜角等 物體與空氣相鄰接的外部界面即稱為表 面 (surface) 光切面原理 (light section principle) 188

54 8.7 表面精光度 189

55 8.7 表面精光度 189

56 8.7 表面精光度 189

57 8.7 表面精光度 最大的表面粗糙度可由下式求得： 就圖 8.20B 所示的刀具圖面而言，表面的最 大粗糙度則可由下式求之： (8.19)
8.7 表面精光度 最大的表面粗糙度可由下式求得： 就圖 8.20B 所示的刀具圖面而言，表面的最 大粗糙度則可由下式求之： (8.19) (8.20) 190

58 8.8 切削速率與進給 切削速率可由下式表示之： 若以公制單位來表示，則為 其中D為工件的直徑，mm。 (8.21) (8.22) 190

59 8.8 切削速率與進給 191

60 8.8 切削速率與進給 進給 (feed) 係指切削刀具或砂輪等，沿 著工件表面前進的速率 191