切屑管理的意義在金屬加工作業(yè)中越來越重要。切屑可以影響到工件的表面質(zhì)量并有可能損壞刀具。因此，在新型刀具的開發(fā)工作中，必須重視切屑的生成和排屑問題。
在日常金屬切削加工作業(yè)中，戴皮手套的設(shè)備操作工人用令人生畏的大鐵鉤把切屑從工件或刀具上生硬拽下來的情景越來越不多見了。但是，每個切削作業(yè)人員在實際工作中對此類情況還是屢見不鮮的。這就從另一個方面清晰地說明了切削作業(yè)中切屑管理的必要性。由于切屑不能自主地從工作區(qū)域里排出，在很多內(nèi)加工范圍內(nèi)所不希望出現(xiàn)的作業(yè)中斷的現(xiàn)象就成為了一種挑戰(zhàn)。
切屑可以在與工件表面的接觸和鉆孔作業(yè)中造成很大的質(zhì)量缺陷。在最嚴(yán)重的情況下，切屑還會卡在鉆孔邊緣和刀刃或基體之間，結(jié)果是加工過程受阻，甚至刀具發(fā)生斷裂。除了這些影響之外，還存在著一種危險，即刀具受到高溫和切屑鋒利邊緣的危害，造成本體磨損的結(jié)果。最后一點便是，在加工結(jié)束之后往往需要在工件上和加工空間里進行費時費力的切屑清理作業(yè)。單單就拿排屑槽來說，切屑的特性就在很大程度上決定了所需要花費的費用。
圖1 最主要的切屑形狀及其切屑空間數(shù)
但是，在自動化程度越來越高的背景下，加工流程的安全性也必須逐步加強，同時質(zhì)量要求和對經(jīng)濟性的要求也在日益提高，因此，Komet Group公司在研發(fā)和優(yōu)化內(nèi)加工切削刀具時把切屑生成和排放作為重中之重。
切屑是在三個重復(fù)性加工階段中從被加工工件上脫離下來的金屬顆粒物。在刀刃進入金屬材料里時，材料首先被擠壓，然后推應(yīng)力增大，直至材料達到硬度極限。最大的推應(yīng)力出現(xiàn)在所謂的剪切面上，在那里材料顆粒物相互間發(fā)生松動、變形和擠壓，從而生成切屑。切屑通過刀刃的切削面被排走，在遇到阻力時再次被擠壓。
圖2 在脆裂切屑生成時，刀片前方會產(chǎn)生裂紋。
切屑在工件沒有發(fā)生大的變形的情況下即可破斷
切削量和切屑形狀對于作業(yè)流程影響巨大
對于工藝流程及其安全性來說，切削量和切屑形狀是決定性的影響因素。切削量分為材料本身數(shù)量和實際占用空間的散亂的切屑量。當(dāng)然，散亂的切屑量要大于材料本身數(shù)量。所得出的切屑空間數(shù)取決于切屑的形狀。切屑空間數(shù)表述了切屑在離開刀具之后所具有的形狀。
究竟生成何種形狀的切屑，這主要取決于材料的材質(zhì)和切削的條件。比較重要的一點便是材料合金類型，例如含磷和含硫。至于切削條件方面，主要有切削速度、切削深度、進給量和調(diào)節(jié)角度等因素。在刀具外形方面的主要影響因素有切削角度和切屑生成階段。
圖3 當(dāng)切屑材料受力超過其變形能力時，即可產(chǎn)生擠裂切屑
所生成的切屑按照其外部形狀進行分級。這里需要注意到切屑的堆積密度（鋼材為t/m3）和操作人員可能遭受到的危險以及刀具、工件和設(shè)備的損傷等問題。切屑空間數(shù)越小，則切屑所需的空間也就越小，可操作性就越強。出現(xiàn)帶狀和亂麻狀的切屑就非常不利，因為它阻礙了切屑的下落并構(gòu)成不容易從工件或刀具上脫落的切屑絲團。此外，它還妨礙了切屑的自動傳送。更有甚者，它還可能對工件表面造成傷害，并在某種程度上對勞動安全造成威脅。
螺旋狀切屑雖然沒有像帶狀或亂麻狀切屑對工件和切屑排放帶來那樣不利的影響，但是也是為人們所不希望看到的。在切屑空間數(shù)上屬于最低一級的是短的切屑段（斷裂切屑）。但是，對于這些切屑也需要嚴(yán)加防范，因為它有可能會發(fā)生噴濺并對操作人員造成危害或堵塞設(shè)備通道。隨著現(xiàn)有設(shè)備防護罩和保護性導(dǎo)向的逐漸完善，這個問題逐步得到解決。
短狀螺旋形切屑可以得到很好的排屑
在實際工作中，切屑空間數(shù)在10以下的短的螺旋狀切屑或零碎螺旋狀切屑通常被視為是較為有利的。這種排屑較通暢，即使堆積密度高，也容易被排走，從而很少危及操作人員的安全。除了切屑形狀之外，切屑的種類也會對切削過程造成影響。其影響因素也是刀片外形、切割參數(shù)和材料變形量以及所使用的冷卻劑。通常切屑形式可分為碎裂切屑、擠裂切屑、帶狀切屑和層狀切屑。但其差異會隨時變動，在采用某些材料時，通過改變切削條件可以獲得所有類型的切屑。
圖4 帶狀切屑從刀片上連續(xù)排走
碎裂切屑也被稱為碎屑，它產(chǎn)生于脆裂材料的加工過程。在采取小角度和低速度的切削作業(yè)時，同樣可以生成碎裂切屑。此時，在刀片的正前方會出現(xiàn)裂紋，這種情況下的切屑不會發(fā)生大的變形，直接從工件上斷裂和脫離下來。其結(jié)果便是工件的表面會相對比較粗糙。
切屑在高溫下的焊特性
如果切屑在切削區(qū)域內(nèi)發(fā)生變形，則被稱為擠裂切屑。切屑材料會受到變形力的作用，在面上呈層狀和展開分布，在較高溫度的影響下，它們會相互焊在了一起。
連續(xù)性的帶狀切屑也是通過剪切區(qū)域的變形而生成。但是，切屑可以連續(xù)性地從刀片上排走。由于材料的變形量并沒有被超出，因此各個層面的變形比較均勻。在較高切削速度、較高溫度和連續(xù)正角度切削作業(yè)下，就會生成相互連在一起的切屑。
如果是勻質(zhì)結(jié)構(gòu)且容易變形的材料，在較高的切削速度下會出現(xiàn)切屑厚度不均的現(xiàn)象。在均勻的周期性的作業(yè)循環(huán)中，材料先被下沉堆積，然后在越來越大的應(yīng)力下被切開。因此，在千赫茲的較高的頻率范圍內(nèi)就會生成片狀切屑。這種片狀切屑在結(jié)構(gòu)上類似于擠裂切屑。
圖5 采用變形性好的材料時，切屑厚度會發(fā)
生均勻和周期性的波動，從而產(chǎn)生層狀切屑
在刀具研發(fā)和優(yōu)化方面，設(shè)計的著眼點首先從刀片的微結(jié)構(gòu)外形上開始。在這里，倒圓、倒棱和倒角等因素或多或少地決定了切屑形狀和切屑導(dǎo)向。刀刃邊緣的優(yōu)化可以極大提高刀具的使用壽命。
排屑槽直接影響到切屑形成
宏觀排屑槽對切屑起到導(dǎo)向作用，這里主要是指可直接影響切屑生成的特定形狀的溝槽。它可以把切屑進行破碎并把切屑引導(dǎo)到一種更為有利的形狀。在后部的切屑排放中，刀具基座上的導(dǎo)屑槽起到了引導(dǎo)切屑排放的作用。在這里，也可以通過對切屑腔大小和形狀進行定義，從而限制切屑的膨脹，迫使切屑進入特定的位置或甚至對切屑進行破斷。
就所加工的材料來說，所面臨的挑戰(zhàn)便是如何在強度盡可能高的切割材料、最佳的切割參數(shù)、盡可能好的切屑生成狀況和高度安全的切屑排放之間找到一種理想的折中方案。這項工作的基礎(chǔ)便是Komet Group公司多年來所設(shè)計的針對內(nèi)加工切屑排放的刀具系統(tǒng)的技術(shù)訣竅。位于該集團公司總部的技術(shù)中心是這方面工作的核心機構(gòu)。
在大量的工作經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，進行了各種耗費時日的模擬模型計算。通過此類計算，可以對刀片幾何外形、切屑生成形狀、力和溫度等各種因素進行分析。
圖6 除了刀片幾何外形因素之外，排屑槽也可以促使切屑破碎成小段
在孔的加工方面，從目前的技術(shù)水平上看，模擬分析的能力還是非常有限。模型計算非常復(fù)雜，所需的時間也非常漫長。此外，在鉆孔過程中，從外徑直至鉆孔中心的切割速度各不相同（甚至可以為零），可供使用的模擬模型非常有限。因此進行了大量的研究工作。為了分析切屑生成過程，使用了人眼無法達到的高分辨率的高速攝像系統(tǒng)。
塑性材料具有生成長切屑的特性傾向
切削加工流程中對切屑生成和引導(dǎo)的管理是一個長期的課題。其目標(biāo)在于使用戶實現(xiàn)較好的生產(chǎn)效益和更高的作業(yè)安全性。在這方面，采用塑性材料和獲得典型的長切屑的技術(shù)便是一種不斷出新的技術(shù)創(chuàng)新。但是在切屑管理方面，越來越引起人們注意的則是應(yīng)用于各種不同領(lǐng)域且對可切削性和切屑破斷特性帶來不良影響的新型材料。
在汽車和機器制造工業(yè)中所采用的不銹鋼材料便是一例。其硫含量可降低材料的疲勞強度和斷裂韌性等方面的不良影響是眾所周知的。為了滿足最高的機械性能要求，降低材料中的含硫量是非常有益的。但是，與此相反，很高的含硫量卻對材料的可切削性有利。刀具磨損程度和切削斷裂狀況均有所減緩。
因此，這種情況對于刀具制造廠商想在經(jīng)濟穩(wěn)定性和最佳切屑管理之間達到某種平衡的意愿來說，極為不利。另一個不良的趨勢是，為了達到更好的可加工性，人們在不斷研發(fā)具有良好變形性的材料。由于這種材料呈立體面心柵格結(jié)構(gòu)，因此切屑也不容易折斷。
除了這里所述的在工件材料領(lǐng)域內(nèi)研發(fā)品種越來越多的多個具有代表性的例子之外，在刀具領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展同樣也給切屑管理增加了難度。新型的切割材料可以不斷提高切削速度，在接觸部位的溫度也在日益提高，這些因素反過來又對材料特性和切屑破斷特性造成負面影響。
最后，針對切屑控制所需的刀具宏觀和微觀結(jié)構(gòu)決定了刀具技術(shù)的拓展領(lǐng)域。對此類結(jié)構(gòu)的刀具的制造在最高技術(shù)層面上展開，它也需要加工技術(shù)推陳出新。除了電火花、激光和磨削（牽引磨削、滑動磨削及其他精度工藝）以及刷光之外，采用磨削介質(zhì)和工作介質(zhì)的各種拋丸技術(shù)也在與機器和設(shè)備制造廠商一起向前發(fā)展。