第三章 超精密加工技術
3.3 切削加工原理
切削加工可視為將刀具與工作物相接觸並作相對運動，藉以產生極大應力而導 致剪切破斷效應【10】，進而形成工件與切屑分離，以獲取所需尺寸、形狀與表面精 度之工作，此時所用的刀具有車刀、鑽頭、銑刀是由刀刃構成，而砂輪、抹磨劑即 由磨料所構成，都會產生切削，從工作物削除不用的部份，但是一般所謂的切削是 狹義解釋，單指刀刃的切削，而本章亦闡述此理論，雖切削也有鑽頭及銑刀等刀刃 形式，但也都可以應用車削的切削理論【21】。
以工具切削工作物時，工作物的切削形狀可分為下列形式：
(1). 流動形切屑(Flow type chip)如圖 3.1(a)所示，在切削時切屑成穩定的剪斷 角，切屑在剪斷面是呈現塑性變形，【22】，所以此時的剪斷會連續進行，切屑在工 具斜面上連續流動而送出，所以切屑長且成捲。
產生此切屑時，材料藉連續性滑動破壞而被切削，工具所受的切削阻力不變 動，振動少，加工面最良好，所以精密加工須選定各種加工條件來得到此種切屑形 態，讓加工表面達到高精度的要求。
(2). 剪斷形切屑(Shear type chip)如圖3.1(b)所示，在刀具斜上方發生滑動間隔不 像流動形那麼小，滑動間隔增大而有一定的寬度，沿工具刃尖斜上方 a，d 發生滑動 的話，切削阻力幾乎接近 0，隨工具的前進，a，b，c，d 素片如虛線般壓縮，在 b，
c 方向方向發生第 2 次滑動，而產生 1 個切屑素片，反覆此種經過而進行切削，切 屑因剪斷作用而成零散的素片，在工具斜角面送出。
此切屑因不連續滑動而發生，為流動形與撕裂形的中間切屑，1 次滑動即發生 1 個切屑素片，切削阻力就變動，也就造成刃尖的變形，在加工面殘留對應的凹凸，
所以加工表面不如流動形。
(3). 撕裂形切屑(Tear type chip)如圖3.1( c)所示，從刃尖向前發生龜裂而切削，
材料黏着工具前面而無法在其上滑移，因無法從斜上方滑移，所以便向斜下龜裂，
個切屑素片，再反覆此過程，依序切削便為撕裂形切屑的生成情形，生且撕裂形切 屑根本是龜裂和剪斷的作用。
此時撕裂是從刃尖前方，且其前端比水平方向稍向材料內部，加工面上殘留的 撕裂痕跡，切削阻力也甚大於流動形及剪斷形，而且，每削出一片切削素片，就反 覆變動，刃尖的振動也變的非常大，且易形成撕裂痕，加工精度較差，且工作物會 有殘留應力產生，讓工作物在一段時間後發生尺寸變化，所以，撕裂形切屑的切削 也不適於精密加工，以刀具切削塑膠，如環氧樹脂、PVC、壓克力(PMMA)時，在刃 尖附近，塑膠發生黏性流動，塑膠分離的應力小於剪斷面應力，亦會形成撕裂形的 切屑。
(4). 龜裂形切屑(Crack type chip)如圖3.1(d)所示，發生的龜裂隨工具的進行而向 斜上方，最後到達工作物表面，此龜裂在切削角小時，從水平方向往斜上方發生，
切削角增大時，從刃尖的前進方向往下方發生，所以加工面殘留凹凸，切削阻力的 變動也激烈，不適於精密加工。
壓克力(PMMA)、聚醯氨樹脂增大前傾角，加工切削速度，或環氧樹脂以低速 度、大前傾角切削時，會生成塑膠的龜裂形切屑。
圖 3.1 切屑的種類
切削理論處理的問題有切削機構、切削阻力、切削溫度、加工面、工具壽命、
被削性、振動、工作液等問題，這些都是實際作業時須考慮的重要因素【21】，而典 型的切削加工模式是由工件、刀具、切屑所構成，如圖 3.3 所示；當切削加工時，
刀具對工件施以進刀深度 (Depth of cut)而切削時，則工件會因為刀具前傾面的強大 壓力而引起塑性的剪切作用，進而在 AB 的方向上剪斷，並產生厚度的切屑，沿著 AC 面流出。其中 AB 面稱為剪斷面(Shear plane)，AC 面為切屑剪斷面(Chip tool interface)，AE 面為加工面(Tool work interface)，這三個面在切削加工上分別都有其重 要的意義，AB 面為描述工件受力產生的塑性變形、AC 面為工具磨耗與摩擦、AE 面則是與工具磨耗、加工面粗糙度與殘留應力等問題有關【10】
。
由於切削厚度在 切削過程中會產生變化，無法直接控制，因此不能完全確定其形狀，故常以切削厚 度比亦稱切削比做為判斷切削材料的變形質、切削品質、切削條件是否良好及工件 材料的被削性等；如不計切屑與刀面的摩擦，則未變形切屑厚度與切削厚度之比為 切削比r
c【23】，即c
c
t
r = t
(3.1)切削工具是一種楔形刀具(Wedge shaped cutting tool)，主要是由刀面(Face)與刀腹 (Flank)所構成；刀面為切削過程中切屑流經的表面，刀腹則是當刃口切入工件時，
具有避免刀具與已加工面相摩擦之作用，而此兩個面的連接處則稱為切刃口(Cutting edge)。刀面上的斜度稱之為斜角，在正交切削情況中，可由垂直於工件加工後新表 面之直線與刀面所形成的角度來表示之。
在切削過程中，形成切削之基本機構，工件與刀具之間藉由機械能與相對運動 使其發生剪切破斷進而移除材料，不論是連續切屑或不連續切屑，此移除的部份即 稱為切屑；然而工件從刀具刃口至工件表面會形成所謂的剪切變形區，ㄧ般被稱作 剪切面(Shear plane)，而剪切面與剪切方向的夾角稱為剪切角；如圖3.2 剪切角ψ可 由以下公式求得：
)
由(3.2)式剪切角公式可發現，剪切角受切削條件及工件材料之影響甚大；如圖 3.3，以相同的切削深度及刀具傾角進行切削，若是剪切角小則剪切面長、切屑厚度 亦隨之增大，此外隨著切屑的產生，切削阻力或切削熱增多，故造成所需的切削力 亦增大；若剪切角大則剪切面較短，切屑變薄、切屑流出速度增快，切削阻力或切 削熱亦變少，所需的切削力也就降低，所以剪切角愈大對於切削愈有利。
薄切屑 厚切屑
φ大 φ小
(a) (b) 圖 3.3 剪切角對切屑形成影響【23】
因此刀具斜角的大小與工件材料的不同，直接影響了剪切角的大小，而剪切角 的大小又關係著切屑厚度，進而可藉由切屑的形成來作為評估整個切削加工的順利 與否。所以我們可基於剪切角與切屑形成的理論分析，再藉由刀具斜角大小與工件 材料性質的選擇，來達到最有利的切削加工情況。
在切削力(Cutting force)的分析方面，切削是使工件發生大塑性變形，進而分離 切屑，是促使剪切面發生剪應變所須之力量，而經由刀具斜面傳入，又稱為切削阻 力(Cutting resistance)。其方向、大小因加工方法、刀具幾何、切削條件、加工材料而 異，所以切削阻力直接影響切削所需動力，並透過切削系統包括工具機、刀具與工 件之剛性將影響加工精度。換言之也就是用以評斷工件材料被削性的基準之一，而 藉由過去切削理論的探討與切削阻力的計算與分析，可有助於切削現象的討論，並 用來求得被切削材料的機械性質與切削條件，以瞭解刀具幾何、切削速度、進給速
率等切削條件是否恰當。
由圖3.4 切削力關係圖可得知，切削力亦可分解成沿著平行於剪切面方向的分 力FS，及與剪切面垂直的分力NS，則FS是剪切工件材料以形成切削所需的作用力，
稱為剪力(Shear force)，而NS則會使剪切面產生壓縮應力(Compressive stess)，所以可 以得知，
同理可得