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改变刀具角度：
增大刀具主偏角Kr，切削厚度变大,有利于断屑；
减小刀具前角可使切屑变形加大，切屑易于折断；
刃倾角λs可以控制切屑的流向，λs为正值时，切屑常卷曲后碰到后刀面折断，形成C形屑或自然流出形成螺卷屑；
λs为负值时，切屑常卷曲后碰到已加工表面折断，成C形屑或6字形屑。
调整切削用量：
提高进给量f使切削厚度增大，对断屑有利，但会增大加工表面粗糙度；
适当地降低切削速度使切削变形增大，也有利于断屑，但这会降低材料切除效率。
需要根据实际条件适当选择切削用量。
二、切屑控制理论的所得成果
1．中山一雄:
障碍性断屑器
50年代早期，在利用平前刀面刀具进行连续切削时，人们注意到切屑的形成受前刀面月牙洼的磨损影响较大，月牙洼的深度、宽度及空间位置不同，切屑的形状也不同。
由此人们受到启发，便在刀具前刀面上预先磨出类似月牙洼状的槽形，或者在前刀面上施加一额外断屑装置，后者即我们所称的障碍型断屑器。
图1.6障碍型断屑器示意图
中山一雄提出：
当切屑表面上的应变达到切屑材料的极限应变时，一经过弯曲切屑便能被折断。
切屑折断标准的表达式为:
切屑折断标准可以推断出提高刀片断屑性能的措施，在理论与分析上极有价值。
2.Klopstock&
Oxley：
有限接触刀具
有限接触刀具，即在刀具前刀面上有一有限长度的棱带，其长度小于给定加工条件下的刀屑自然接触长度。
最大优点：
可以减少切削温度和控制刀具的磨损方式。
后期发展：
《直角切削中有限刀-屑接触的分析》（P.L.B.Oxley（澳））。
图1.7有限接触刀具示意图
3.Jawahir&
Worthington：
带有切屑控制槽的有限接触刀具
断屑槽：
断屑器的一种类型，50年的发展历史，第四代产品。
提出原因：
现有的各种商用刀片并没有足够地利用有限刀-屑接触可以增大流屑角、减小卷屑半径以便于断屑的效果。
解决方案：
采用后壁上升设计，施置障碍物凸起，曲线工削刃以及曲面型后壁等。
图1.8前刀面上的断屑槽形状
4．华中科技大学：
螺旋前刀面刀具
应用范围：
车削用可转位硬质合金刀片。
特点：
前刀面是前角自刀尖处按一定的下降梯度逐渐减小，使切屑最大限度产生侧向卷曲。
小切深：
短螺管状屑，增至一定长度发生振动而甩断（动力断屑）；
大切深：
受流屑角增大的影响，强烈侧向卷曲的切屑碰到工件待加工表面折断（C形屑）。
这两种切屑均十分便于清理。
图1.9精加工用螺旋前刀面的断屑范围
三、切屑控制理论的研究现状
1.关于切屑的研究
①关于切屑流向的研究
主要集中在对流屑角的求解上，对切屑流向机理的研究不多。
流屑角的第一种定义：
前刀面上切屑流出方向与切削刃法线方向所夹的角度。
流屑角的第二种定义：
前刀面上切屑流出方向与刀屑分离线的法线方向所夹的角度。
刀屑分离线的精确测定比较困难，广泛采用第一种定义。
②关于切屑卷曲的研究
切屑的上向卷曲：
由于切屑厚度方向上的流速差所引起的切屑卷曲，被称为上向卷曲。
图1.10常见断屑槽形产生的切屑上向卷曲
切屑的侧向卷曲：
由于切屑宽度方向上的流速差所引起的切屑卷曲，被称为侧向卷曲。
图1.11切屑的侧向卷曲
切屑的三维卷曲：
切屑产生二维卷曲（即上向卷曲和侧向卷曲）的同时，还常常会产生第三个方向的卷曲。
即产生三维卷曲。
第三向卷曲的转动速度向量，分别与上向卷曲和侧向卷曲的转动角速度向量互相垂直。
图1.12切屑的三维卷曲模型
③关于切屑折断的研究
切屑折断的机理按折断方式可分为碰断和甩断。
碰断：
碰后刀面、碰工件加工表面、碰工件待加工表面的折断。
甩断：
并不撞击任何障碍物，由于动力学的原因，当螺旋形的切屑达到一定的临界长度时，整个切屑突然开始旋转，振幅快速增加，最后由于弯曲应力使切屑折断。
图1.13折断判断分类树
2.切屑形式的监控
金属的切削加工是一个十分复杂的过程．常常由于各种内在以及外在因素的影响，如切削温度的变化、作用在切屑上力的改变、刀具几何参数的改变、工件材料特性的不均匀等造成一些不可预见的结果。
因此，在自动化加工过程中需要引入针对切屑形式的监控系统。
一方面监控加工中产生的不期望的切屑形式，另一方面通过适应性控制系统改变切削条件，获得满意的切屑形式。
目前对切屑形式的监控主要依靠声发射技术以及计算机视觉／加工视觉技术。
图1.14断屑预报系统结构
在断屑预报方面，国内比较知名的是哈尔滨理工大学的李振加教授课题组。
2005年，李振加教授课题组获“国家科技进步二等奖”，课题为“切屑控制及刀具失效机理研究、系列产品开发与产业化”。
图1.15断屑预报系统的主界面
3.专家系统与切屑形成动态仿真技术
专家系统的主要功能包括：
①查询模块：
可以对现有可转位硬质合金刀片的几何参数包括断屑槽的几何参数进行查询、补充以及修改。
②选择模块：
当给出加工材料、断屑范围以及切削力的要求以后向用户推荐合适的刀片。
③判断模块：
判断特定加工条件下所形成切屑的卷曲类型、流屑角参数以及断屑概率。
④设计模块：
与“判断模块”一起作为计算机辅助槽形设计的过渡模块。
⑤用户手册模块：
帮助用户进行该专家系统的操作。
动态仿真技术：
当人们利用CAD技术设计出一种新型刀片槽形后，计算机将自动模拟使用这种槽形时所获得的加工屑形，动态仿真切屑的流动、卷曲及折断情况，并分析断情况，分析刀具可能的磨损和机床功率的消耗，以便对设计出的槽形进行随时修改。
图1.16专家系统的流程框图
4.激光辅助切屑控制技术
美国AmeriChip国际公司开发了一种新的激光辅助切屑控制技术，可以完全消除会给加工过程造成麻烦的长带状切屑，从而能够缩短加工时间达70％，降低加工成本达60％。
AmeriChip的激光辅助切屑控制系统是一个独立装置，它利用一束激光在工件材料表面刻划出一道窄槽，当该处材料被加工时，就会以细小切屑的形态被切离而不会形成长带状切屑。
这道激光刻划的窄槽实际上消除了与切屑有关的所有麻烦。
在刻槽过程中，电容高度传感器可以测出工件形状或材料厚度的任何变化，使激光头系统始终保持聚焦高度，可对刻槽深度进行连续调整。
刻槽宽度通常设定为0.25mm，它可使刀具产生在时间和距离上都极为短暂的断续切削，但已足以确保产生的切屑均为细小切屑。
在工件上刻槽使得以较高速度切削工件和无需使用冷却液成为可能。
AmeriChip公司的激光辅助切屑控制系统并不对外出售，但公司可为用户提供3种可选方式：
①AmeriChip公司在用户工厂里安装并操作使用该系统；
②AmeriChip公司在用户工厂中安装系统，但由用户操作使用；
③AmeriChip公司在自己的工厂里使用该系统为用户加工零件。
用户既可按每件零件支付基本加工费（取决于由谁操作系统和加工零件的批量），也可根据系统在用户工厂的使用情况和安装设备的数量确定总的使用费。
采用这种方式，用户不必一次性投入大量资金购买设备，即可充分享受该系统带来的所有好处。
图1.17AmeriChip系统用激光在工件表面刻划切屑控制槽
5.利用高压冷却液优化切屑控制
在金属切削加工中，切削液具有双重作用：
润滑和冲刷切屑。
无论加工要求使用油基切削液还是水基切削液，其在加工中的功能都是在切削刃与工件之间形成一个液压层（它有助于将切削热从刀尖传导到切屑中），然后促使已被加热的切屑从切削区加速排出。
在以高速钢刀具为主导的年代，由于进给率和切削速度都比较低，因此只要浇注的冷却液能使温度降低到足以保持刀具切削刃完好就足够了。
但在如今，随着机床技术的进步和硬质合金刀具的使用，加工参数有了大幅度提高，如果仍按传统方式对温度高达1000C的切削区浇注切削液，切削液就会立即蒸发，从而形成一个高压蒸汽区，它会有效阻止低压冷却液的流动，使其无法到达切削刃。
为了解决这一问题，人们为现代机床开发了高压冷却液系统。
在加工时，此刀柄利用小喷嘴喷出的高压切削液，可以穿透由切削加工形成的热影响区，达到更快速、更有效地冷却切削刀片和优化切屑控制的目的。
喷嘴可在切削刀片的上表面与从工件上被切除的切屑下表面之间形成一个水楔，从而有助于减少刀片磨损，并可将切屑分断为更小的碎屑，以利于从切削区更快地排出。
虽然在粗加工中，切屑控制的重要性比在精加工时稍逊一筹，但通过刀柄精确使用切削液，可以降低切削温度，从而能采用更高的切削速度，或进一步延长刀具寿命。
在精加工中，由于切深量和进给量较小，更容易出现切屑控制问题。
随着越来越多的加工车间采用无人值守或少人值守的自动化加工方式，利用此刀柄消除“鸟巢”状切屑的形成也是一项重要优势。
图1.18水楔效应
四、切屑控制理论的未来展望
1．切屑控制理论研究的系统化、定量化
切屑的卷曲、折断和金属切削过程中切屑的变形、切削力、切削热和刀具磨损等物理现象是相互联系的。
因此，切屑控制理论研究应和切削理论研究有机结合起来，并采用统计原理、模糊数学等方法使之定量化，以便于利用。
2.深入研究复杂断屑槽的断屑机理
用可转位刀片断屑槽断屑是断屑技术发展的主要趋势。
所以，复杂断屑槽断屑机理的研究，将有助于新型高效断屑槽型的开发和合理使用。
3.切屑控制理论研究与现代切削技术相适应
数控机床、加工中心的使用，使切削速度大大提高。
高强度、高韧性难加工材料的增加和陶瓷、立方氮化硼等新型刀具材料及超硬涂层的应用，是现代切削加工的特点。
切屑控制理论的研究应与之相适应。
4.发展实用的切屑监测技术
切屑监测技术对于切屑控制理论的研究、机床的自适应控制等有重要意义。
它也是CIMS技术中不可缺少的部分。
实用的切屑监测技术将有助于现代切削技术的发展。
第二部分：
理论+实例
一、理论基础
理论基础主要有：
切屑的生成学；
切屑的运动学；
切屑的折断学。
切屑的生成学主要研究切屑在加工过程中如何形成、切屑的组织与力学性能如何变化等问题。
目前的研究仍多集中于利用平前刀面切削时的切屑形成方面。
在利用曲面形前刀面刀具进行切削时，切屑的形成机理有何改变，尚有待于深入研究。
切屑的运动学主要研究切屑运动（包括切屑流向和卷曲）的规律。
切屑运动学的研究，近年来十分活跃，不仅是现实需要，也具有现实的可能性。
现代生产可以利用切屑运动学的研究成果，使加工产生合理的屑形。
切屑的折断学主要研究经过变形、卷曲和空间运动的切屑是如何折断的。
它包括切屑碰到障碍物而被折断的机理和切屑被甩断的机理。
1.切屑的生成学
刀具切入工件时，被切金属层经剪切面发生弹塑性滑移变形成为切屑。
前刀面的摩擦作用是切屑卷曲的主要原因，这是因为前刀面的挤压作用使切屑厚度方向上存在不同的残余应变，使切屑晶粒翻转，从而引起切屑的卷曲。
同时刀具卷屑槽的存在在很大程度上影响切屑的卷曲。
中山一雄指出:
正常状态的切屑一般是螺旋形切屑,其形状可由螺旋外径2ρ,螺距P，螺旋面与轴线的夹角θ确定。
切屑流出后,受到工件、刀具、机床等的阻碍引起变形或折断，从而形成各种类型的切屑。
因此，其它形状的切屑可以看成是螺旋切屑的演变和组合。
切屑的卷曲可分解为Y-Z平面上的上向卷曲和X-Y平面上的侧向卷曲。
在一般情况下，它的合成是一条圆柱螺旋线，它的轴线平行于X-Z平面。
图2.1螺旋形切屑
对螺旋形切屑产生影响的参数：
切屑上卷曲率1/ρx，横卷曲率1/ρr，流屑角h。
影响这些参数的因素有很多：
被加工材料的性质，切削用量，刀具几何参数，冷却液及加工方式等。
上向卷曲：
图2.2上向卷曲
引起原因：
厚度方向上的流速差。
其中ρ为上向卷曲的半径，ach为切屑厚度
侧向卷曲：
图2.3侧向卷曲
侧向卷曲的研究远没有上向卷曲的研究深入。
常见断屑槽产生的切屑上向卷曲有以下几种形式：
①双直线型
图2.4双直线型
切屑上向卷曲半径：
其中l为刀-屑接触长度,γ为刀具前角,β为槽后壁角，ach为切屑厚度。
其中B为槽宽,h为后壁升高量。
②直线圆弧型
图2.4直线圆弧型
其中：
③全圆弧形（屑槽贴合）
图2.5全圆弧型（屑槽贴合）
其中R为槽底圆弧半径。
④全圆弧形（屑槽不贴合）
图2.6全圆弧型（屑槽不贴合）
其中γe为刀具有效前角
关于切屑侧向卷曲的机理主要有：
①工件旋转运动的影响。
车削时，由于工件的旋转，从轴心到工件外圆的半径线上，各点的切削速度均不相同。
最外点速度最大，轴心处为零。
如果不考虑剪切角沿切削刃的变化，在主偏角为90、刃倾角为0时，切屑的侧向卷曲半径与工件表面的曲率半径相等。
或者说，被切削层的初始曲率被完全地“复映”在切屑上。
②斜角切削的影响。
在一般情况下，随着刃倾角正负的变化，侧向卷曲的方向也发生变化，刃倾角增加，侧向卷曲也加剧。
斜角切削使切屑产生侧向卷曲的机理，在于剪切面的扭转变形。
③前刀面摩擦特性的影响。
若前棱面宽度沿主切削刃长度方向逐渐变化，将强制性地改变刀一屑接触长度，使摩擦角发生变化，引起剪切角的变化。
在棱面窄的地方，摩擦角小，剪切角大，切屑的流出速度快，故而引起切屑的侧向卷曲。
④副切削刃的作用。
一般的切削以主切削刃作用为主，但副切削刃也或多或少地参与切削。
从各个切削刃流出的切屑，相互作用产生力和力矩，但合成一体流出。
这种互相干涉的结果引起了侧向卷曲。
三维卷曲：
图2.7没有侧卷的三维切屑，带有正向侧卷的三维切屑，带有反向侧卷的三维切屑
2.切屑的运动学
建立切屑形成直角坐标系O1-X1Y1Z1（如图）：
X1轴为切屑与刀具的分离线，Y1轴平行于前刀面且垂直于X1轴，Z1轴分别与X1轴和Y1轴垂直，原点为切屑靠近刀尖一侧与前刀面的分离点。
在该坐标系中，用一向量ω表示切屑回转角速度，向量的方向由右手规则确定。
图2.8切屑形成的直角坐标系
在该坐标系中，切屑有3个方向的卷曲，即上卷ωx（绕X1轴）、横卷ωz（绕Z1轴）和扭卷ωy（绕Y1轴）,切屑的上卷半径为Rc，其回转轴线平行于X1轴；
切屑的横卷半径为Ro，其回转轴线平行于Z1轴，且横卷角速度为负时，Ro为正；
切屑的扭卷半径为Rn，其回转轴线平行于Y1轴。
切屑脱离刀具前刀面时的流出方向用切屑的侧出屑角ψλs和背出屑角θn表示，原点处切屑的流出速度为V0。
由上图中几何关系可求得速度V0在各坐标平面的分量如下：
其对应角速度分别为：
又：
所以：
3.切屑的折断学
切屑的折断学主要研究切屑的三维卷曲折断。
图2.9三维槽型切屑折断曲线
通过大量的试验研究，采用三维复杂槽型刀片切削时的切屑折断曲线如图2.9所示。
图中AB、BC、CD、DE、EF、FA六部分组成的封闭曲线。
其中AB、BC、CD是切屑折断界限的范围下限，这个范围之外切屑未折断；
DE、EF、FA是切屑折断界限的范围上限，超出这个范围，一是在加工时产生憋屑和振动；
二是超出了刀片的承受能力，容易损坏机床和刀具。
以下针对具有典型非直槽、凸曲面断屑单元的三维槽型刀建立了切屑折断界限的数学模型。
①AB部分：
具有典型非直槽、凸曲面断屑单元的三维槽型刀片切削时，在AB部分切屑发生上向卷曲，根据最大应变理论可知切屑折断条件为：
式中：
f为进给量；
Ch为切削比；
KR为切削曲率变化系数；
Kr为主偏角；
α为截面形状系数；
B为切屑断裂应变；
R0为切屑卷曲半径。
图2.10凸曲面槽型剖面图
对于凸曲面槽型，如图2.10所示，当切屑流出时，切屑受到半径为r的凸曲面上B点的约束发生上向卷曲，其上向卷曲的半径R0为：
式中：
lf为刀屑接触长度；
γn为法向前角；
r为凸曲面半径。
图2.11斜槽槽型示意图
对于斜槽槽型，由于存在斜角τ，不同进给剖面的槽型宽度是变化的，如图2.11所示。
经过多次试验，斜槽实际作用槽宽W可根据最大槽宽Wmax和最小槽宽Wmin的平均值来确定，即：
r为刀尖圆弧半径；
ap为切深；
ψλ为流屑角；
κ'
r为副偏角；
τ为斜角。
斜槽槽型断屑时切屑上向卷曲半径R0为：
②CD部分：
CD部分是复杂的三维变形状态，主要以横向卷曲为主。
根据大量的试验研究发现，最小极限切深acr与断屑槽型的槽宽存在下列关系，即：
m为与试验有关的系数。
加工材料为45钢时，m为0.5。
③BC部分：
BC部分为过渡部分。
曲线BC与双曲线
的一支很近似，如图2.12所示。
通过调整双曲线方程中的k来确定双曲线的位置，fcr、acr可以作为双曲线中的x0、y0。
即将y=fcr和x=acr作为双曲线的渐近线，这样做偏于断屑可靠的。
因此，该部分切屑折断判据为：
k为与试验相关系数。
通过试验研究，k与切削速度V、槽型宽度Wn、主偏角κr、刀尖圆弧半径r存在下列关系，即：
最小极限进给量fcr和最小极限切深acr已经在AB部分、CD部分求出。
图2.12双曲线
④DE部分：
DE部分是三维槽型刀片断屑范围的上限，即是最大极限进给量，因此，在此部分，最大极限进给量是一常量，即：
不同的三维复杂槽型刀片，C1的值是不同的。
⑤EF部分：
在大切深大进给量的情况下，切屑的宽度和厚度逐渐增大，达到刀片的有效断屑范围，从而形成切屑折断界限曲线EF部分。
通过试验研究得出最大极限进给量为：
⑥FA部分：
折断界限曲线FA部分是三维槽型刀片断屑范围的上限，即是最大极限切深，因此，在此部分，最大极限切深是一常量，即：
不同的三维复杂槽型刀片，C2的值是不同的。
结论：
通过上述的分析可知，在三维复杂槽型刀片切削过程中，由于刀片具有凸曲面、斜槽等断屑几何单元，使得槽型对刀片的约束作用加强，在上向卷曲部分，在小切深的情况下，凸曲面对切屑起到约束作用，切屑的卷曲半径减小；
随着切深的增大，斜槽对切屑的约束作用逐渐明显，由于斜槽的存在，实际作用槽宽远小于理论断屑槽宽，切屑的卷曲半径减小。
切屑卷曲半径的减小导致切屑变形加剧，使得切屑易于折断，从而在图2中曲线AB部分斜率为0。
由于凸曲面的存在，一方面在小切深小进给量的情况下切屑发生横向卷曲；
另一方面，此时复杂槽型车刀片在刀尖部分存在最小槽宽，因此在小切深的情况下，切屑变形已经很剧烈，导致切屑易于折断，从而在图2中曲线CD的斜率为无穷大。
二、研究实例
1.切屑折断试验
刀片：
山特维克（Sandvik）的QM断屑槽刀片，型号为TNMG160408-QM。
最大进给量为0.4mm／r，最大切深为3.0mm。
图2.13三维复杂断屑槽刀片
图2.14TNMG160408-QM断屑槽刀片
在图中给出了该刀片的详细几何参数以及关键部位的剖面图。
这种断屑槽沿刀尖的角平分线上槽形均为对称分布，而且两面都有断屑槽，这是目前新型复杂断屑槽的一个共同特点。
试验条件：
圆棒料外圆纵向干切削，数控车床CAK6150-Di，工件材料为45钢。
图2.15TNMG160408-QM断屑槽刀片切屑折断试验结果
当0.1mm≤ap<
0.5mm时，刀尖部分的凸曲面不起作用，切屑自然卷曲形成乱屑或者长而不断的切屑；
当ap=0.5mm时，凸曲面与刀尖圆弧所形成的断屑槽起到断屑的作用，此时切屑发生横向卷曲,使得切屑在小切深的情况下就容易折断，因此此部分存在了最小极限切深acr；
当0.5mm<
ap<
1.5mm时，凸曲面与刀尖圆弧相对的部分起主要断屑作用，随着切深的逐渐增加，切屑折断曲线呈下降趋势；
当ap=1.5mm时，此时凸曲面与主切削刃相对的部分起主要的断屑作用，此时等效槽宽最小,故存在最小极限进给量fcr；
当1.5mm<
ap≤3.0mm时,随着切深的增加，凸曲面的作用逐渐减小，但是切屑流过凸曲面后，非直槽与凸曲面组成等效斜槽约束切屑使之折断，这就使得切屑折断曲线没有上升而呈平稳趋势；
当ap>
3.0mm时,切屑是由于憋屑导致折断，也就是说超出了该刀片的有效断屑范围，故不加以讨论。
从图可以看出，试验获得断屑范围曲线与理论的断屑范围曲线基本符合。
2.断屑预报试验（断屑预报系统）
①系统结构
图2.16断屑预报系统结构
当用户输入数据后，系统首先检测用户输入数据是否合理，此时，系统会根据用户选择和输入的参数，随时更新输入和输出界面。
当进行系统更新时，用户也需要在此部分输入以更新参数列表和刀片信息。
当用户输入正确的参数之后，系统首先根据用户输入的参数，在系统数据库中查找相应的工件材料和刀片槽型；
根据刀片槽型选取相应的切屑折断界限模型；
依据该切屑折断界限模型和用户输入的参数计算切屑范围及切屑形状，并从数据库中提取切削折断图表；
最后在输出部分，把预报结果输出给用户。
②切屑形状的分类
根据不同的切削形状和长度，本预报系统把切屑分为六类。
包括：
两种非断屑，代号为5和6；
四种断屑，代号为1，2，3和4。
③切屑折断图与切屑折断矩阵
图2.17切屑折断矩阵
对于数据库中已有的复杂断屑槽刀片，要预报加工过程中所产生的切屑形状，需要定义一组标准切削条件，在该组条件下，使用该刀片进行一组切削试验，以获得全局的切屑折断图表样本。
通过切削试验可获得不同刀片加工不同材料的切屑折断图表，在数据库中如果存放每种刀片加工每种材料的整个切屑折断图表，会增加系统数据库存储和加载时间，故该系统数据库使用切屑折断图表矩阵来存放切屑折断图表，矩阵使用表中的切屑分类代号作为其中的元素。
④切屑折断曲线
图2.18切屑折断曲线
对于数据库中没有的复杂断屑槽车刀片，要预报其断屑范围时，系统将根据输入的槽型参数分析该刀片的槽型组成，从而调用对应的切屑折断界限数学模型，采用搜索-逐点分析法计算、搜索出切屑的临界折断点，最终绘制成切屑折断曲线显示给用户。
⑤预报系统数据库
该预报系统包含刀片数据库和工件材料数据库。
在刀片数据库中，每种不同的刀片对应该库中的一条记录，记录包括系统进行切屑折断预报所需要的该刀片的所有信息。
一条记录一般包括：
刀片名称、生产厂家、刀片槽型几何参数、刀片切屑折断图表矩阵、刀片图像的二进制数据。
在工件材料数据库中，每
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