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2017/10/16

硬脆材料鑽孔切削

硬脆材料(如陶瓷、玻璃...)與延展性材料(如中低碳鋼、銅、鋁...)在切削上有很大的差異,
最主要的差異就是來自於其破壞模式分別為脆性破壞跟延展性破壞,
另外就是其破壞強度不同,所需要的"刀具"不同。

脆性材料因為微觀下的強度很高,必須使用很大的應力才能破壞,
所以需要能夠承受很高應力(很硬)的"刀具",通常採用鑽石,
便宜的使用人造讚石磨粒黏貼於金屬刀具上,或者是以粉末冶金製程方式將鑽石顆粒與金屬粉末一起放進模具中燒結成型;本錢厚的甚至使用人工單晶讚石。

圖片來源:台鑽
一般金屬切割為延展性材料,材料的微結構比較容易發生滑動現象,
刀具硬度就不需要很高,可以使用HSS高速鋼 、鎢鋼 、氮化矽或碳化鎢等。

一般切削理論上通常是探討“恆定”的切削過程,
但是若從材料切割的鑽頭與材料間的力量變化過程來看,
基本上可以分成三段的變化,並不是恆定的:
鑽頭開始接觸被切割材料,力量從無到有;
與材料持續接觸,力量在這個階段可以視為切削理論的"恆定";
到切穿材料,力量在這個部分會從有到無。

以下從直覺來想像與解釋這三個階段的力量變化過程中的可能行為,不分脆性或延展性材料:

從鑽頭開始接觸材料的瞬間來看,
原本是完全沒有任何作用力關係到開始接觸,
鑽頭對材料施加作用力,材料對鑽頭產生反作用力,
這個力量有可能會因為鑽頭尖端的形狀、材料表面的平坦型、微結構上的材質不均勻等等各種可能因素,而產生包括正向力與側向力,
當鑽頭與材料兩者之間有側向力發生,
並大於鑽頭與材料之間正向力衍生的最大靜摩擦力時,
鑽頭就會被推偏離軸心方向,
兩者之間的力量會變成正向力與乘上小角度的側向力、跟動摩擦力(比靜摩擦力小),
所以鑽頭尖端會往側向移動,
但是因為鑽頭本身的剛性會阻止鑽頭往側向移動,
就像彈簧一樣,位移量越大,鑽頭剛性產生的反作用力越大,
阻止鑽頭尖端往側向施力方向移動,
加上旋轉的作用,鑽頭又會往軸心移回來,
就會盪鞦韆一樣,作用力會使鑽頭前端因為移動的慣性作用,
衝過軸心位置,往另外一側再移動一點距離,
然後再因為剛性往回移動,
再因為慣性衝過頭,
加上旋轉的現象而形成一種圓周振動的現象,
這種振動現象會使鑽頭進入的孔徑被擴大。

當開始進入材料後,因為多了側向材料的阻擋,
會消耗掉往側向擺動的能量,所以鑽孔孔徑會逐漸縮小,
所以孔會形成上(進入面)大下小的喇叭狀,
當鑽頭鑽孔製程設定越差,上下喇叭口的大小差異會越大。
所以一般金屬加工精密的孔徑必需分兩段、三段甚至四段加工,
先以中心鑽打引孔點,以鑽頭鑽孔(要留裕度),再以鉸刀擴孔,最後再以搪刀加工出精密公差與優良表面的內孔。

當鑽頭即將鑽穿材料穿透出另一端表面瞬間時,
因為鑽穿前一瞬間,材料抵抗鑽頭正向力的材料量變少,
鑽頭受到的正向抵抗力因為材料量變少的關係,
就像鑽頭前方的彈簧彈性係數變弱,
鑽頭會在瞬間將剩下的薄材料向外推開,
所以孔最後的材料不是被鑽頭的刃切削下來,
是先被鑽頭給頂變形破裂往外突出去,
再被隨後的鑽頭刀刃切削,
因為材料已經先往外變形,再被刀刃切削,
比鑽頭直徑大的突出材料不是被鑽頭刀刃切掉,
而是被切掉帶離的材料拉扯斷裂,因此就形成往外突出的毛邊。

整個三段過程中另外一個麻煩的現象是刀具、主軸、被切割材料、載台、機台本身結構剛性變形行為可能引起的動態行為,
一般歸納為振動現象,
可能是僅有在接觸或脫離瞬間的暫態反應,
或者"恆定"切削過程中的共振。

好,以上描述的這個過程我承認是我個人想像,但是似乎也還算有點邏輯,
我相信過程中其實會有更多因素造成的不同作用,例如:
不同刃數鑽頭、
不同排屑溝槽設計、
不同的轉速控制、
不同進給率控制等等,
都會影響到過程中的力量變化行為,
那就不是我這簡單的網頁分享可以討論的。

接下來回歸到脆性材料的鑽孔這個議題,
一樣來看這三個階段,

首先對脆性材料不會使用鑽頭,會使用磨棒,
利用比被切削材料更硬的鑽石顆粒當作刀刃將材料磨下來;
而且因為目的是鑽孔,旋轉速度最快的位置在磨棒的最外側,
所以磨棒前端可以設計成圓筒狀,中空的形狀,
在前端圓筒的端面與圓直徑內外側黏上鑽石顆粒即可。

因為磨棒前端如果是一個平面,
與材料平面接觸時,兩個平面對平面自然就會很容易發生側向滑移,
加上旋轉作用,產生一個比磨棒內外徑更大的材料磨除環狀區域,
因此剛開始接觸的速度越慢越好,進給越小越小,以避免過大的側向力造側向移動;
同樣地當磨除材料深度增加時,
因為側向移動被限制住,這個環狀區域會縮小,
形成一個也是上大下小的孔;
不同的是因為是用磨的,所以切屑跟磨棒上脫離的磨料會進入到內外孔之間,
加上冷卻液後變成研磨料,
如果這些研磨料排出得很慢,堆積在磨棒與材料之間,
等於多了一個磨削的介質,有可能會對孔產生額外的磨削作用,
因此在這個階段,排屑控制就變成非常的重要;
當磨棒即將穿出時,材料厚度會變薄,
穿出瞬間其實是磨棒把材料往外推出,使材料產生脆性破壞,裂開!
而不是磨料將材料移除,
碎屑甚至可能會要斷不斷的殘留在孔邊緣,
因此會產生比孔徑更大區域的斷裂破壞情形,
所以材料穿出瞬間,施力越小越好,速度越慢越好!

所以基本上,切削剛開始跟切削即將結束時,進給要小一點,
會對加工完成品質會有比較好的影響。

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