刀具合理幾何參數(shù)的選擇

1、刀具的幾何參數(shù)包括刀具的切削角度，刀面的形式(如平前刀面，帶卷屑斷屑槽的前刀面、波形刀面等)以與切削刃的形狀(直線形、折線形、圓弧形等)。 刀具的幾何參數(shù)對切屑變形、切削力、切削溫度和刀具磨損都有顯著影響，從而影響切削加工生產(chǎn)率、刀具耐用度、加工質(zhì)量和加工成本。 刀具的合理幾何參數(shù)是指在保證加工質(zhì)量的前提下，能夠獲得最高刀具耐用度，從而能達到提高切削效率，降低加工成本目的的幾何參數(shù)。選擇刀具合理幾何參數(shù)主要取決于工件材料、刀具材料、刀具類型，也與切削用量、工藝系統(tǒng)剛性和機床功率等因素有關(guān)。第一節(jié) 前角與前刀面形狀的選擇 一、前角的功用與選擇前角是刀具上重要的幾何參數(shù)之一，它的大小決定切削刃的鋒

2、利程度和強固程度，直接影響切削過程。前角有正前角和負前角之分。取正前角的目的是為了減小切屑被切下時的彈塑性變形和切屑流出時與前面的摩擦阻力，從而可減小切削力和切削熱，使切削輕快，提高刀具壽命，并提高已加工表面質(zhì)量。但前角過大時，楔角過小，會削弱切削刃部的強度并降低散熱能力，反而會使刀具壽命降低。由圖可知，加工不同材料時，前角太大或太小，刀具耐用度都較低。在一定加工條件下，存在一個耐用度為最大的前角，即合理前角。取負前角的目的在于改善刃部受力狀況和散熱條件，提高切削刃強度和耐沖擊能力。負前角刀具通常在用脆性刀具材料加工高強度高硬度工件材料而當切削刃強度不夠、易產(chǎn)生崩刃時才采用。前角的合理數(shù)值選取

3、原則刀具合理前角的選擇主要取決于刀具材料、工件材料的種類與性質(zhì)：1刀具材料：強度和韌性較高時可選擇較大的前角。高速鋼的強度高，韌性好；硬質(zhì)合金脆性大，怕沖擊，易崩刃。因此，高速鋼刀具的前角可比硬質(zhì)合金刀具選得大一些，可大5°10 °。瓷刀具的脆性更大，故前角應(yīng)選擇得比硬質(zhì)合金還要小一些。選擇要充分注意增加切削刃強度，常取負值(多在4°15°圍)以改善刀具受力時的應(yīng)力狀態(tài)，并選負的刃傾角(取0°10°)與之配合以改善切入時承受沖擊的能力。立方氮化硼由于脆性更大，都采用負前角高速切削。2工件材料1）加工塑性材料時，切屑呈帶狀，沿刀具前面流

4、出時和前面接觸長度較長，摩擦較大，為減小變形和摩擦，一般都采用正前角。工件材料塑性愈大，強度和硬度愈低時，前角應(yīng)選得愈大。如加工鋁與鋁合金取go=25°35°，加工低碳鋼常取go=20°25°。當工件材料強度較大、硬度較高時，前角宜取小值，如正火高碳鋼取go=10°l5°。當加工高強度鋼時，為增強切削刃，才取負前角。2）加工脆性材料(如灰鑄鐵)時，塑性變形小，切屑呈崩碎狀，刀屑接觸長度短，摩擦不大，切削力集中在切削刃附近且產(chǎn)生沖擊，容易造成崩刃。所選前角應(yīng)比加工塑性材料時小一些，以提高切削刃強度和散熱能力。如加工灰鑄鐵取go=5

5、76;15°。前角數(shù)值隨脆性材料強度和硬度的增大而逐漸減小。在加工淬火鋼、冷硬鑄鐵等高硬度難加工材料時，宜取負前角。實驗證明，用正前角硬質(zhì)合金車刀加工高硬度淬火鋼時，切削刃幾乎一開始切削就會發(fā)生崩刃。3具體加工條件：粗加工時或斷續(xù)切削時，切削力和沖擊較大，為使切削刃有足夠強度，宜取較小前角；精加工時，切削刃強度要求較低，為使刀具刀刃鋒利，降低切削力，以減小工件變形和減小表面粗糙度值，宜取較大前角。在工藝系統(tǒng)剛性較差或機床馬達功率不足時，宜取較大前角；在自動機床上加工時，為使刀具穩(wěn)定，宜取小一些的前角。4其他參數(shù)的選擇：前角的合理數(shù)值不是孤立的，還和刀面形狀與刃區(qū)參數(shù)以與其他角度有關(guān)，

6、特別是和刃傾角有密切關(guān)系。例如：帶負倒棱的刀具允許采用較大前角；大前角刀具常與負刃傾角相匹配來保證切削刃強度和抗沖擊能力。許多先進刀具就是在針對某種加工條件，善于靈活運用這些原則而產(chǎn)生的。下表是一般情況下硬質(zhì)合金車刀合理前角的經(jīng)驗數(shù)值，可供選用時參考。二、刃區(qū)參數(shù)與前面形狀的選擇1. 刃區(qū)參數(shù)刃區(qū)剖面型式有鋒刃型、倒棱型和鈍圓切削刃型三種。1）鋒刃：指刃磨前面和后面直接形成的切削刃。但它也并不是絕對銳利的，而在刃磨后自然形成一個切削刃鈍圓半徑rn其數(shù)值取決于刀具材料、刃磨工藝和楔角的大小。并且在切削過程中隨著磨損而有增大的趨勢，刀面表面粗糙度值越大，增大的速度也越大。優(yōu)點：與倒棱切削刃和鈍圓切

7、削刃相比，鋒刃的鈍圓半徑很小，切削刃比較鋒利。適合作精加工和超精加工的切削刃，如超精銑削或超精鏜削，以與精加工和半精加工輕金屬與其合金。缺點：鋒刃的強度和抗沖擊性能較差，產(chǎn)生微小裂紋導(dǎo)致崩刃的可能性也較大。因此，對于精細切削和微量切削的刀具鋒刃，都要求仔細刃磨和研磨，以獲得小的切削刃鈍圓半徑，消除微小裂紋，提高刃口質(zhì)量；采用鋒刃切削時，一般應(yīng)采用較小的進給量(O.050.lmm/r以下)，以避免崩刃并減緩刃區(qū)裂紋的出現(xiàn)。2）倒棱：倒棱就是沿切削刃研磨出很窄的負前角棱面(又稱第一前面)，是增強刀刃強度的有效措施。負倒棱前的金屬滯留區(qū)負倒棱前角對總切削力方向的影響當負倒棱面寬度和棱面前角選取合理時

8、，在切削過程中，棱面上將形成滯留金屬三角區(qū)。在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下可能轉(zhuǎn)化為積屑瘤，使切屑層同工件的分離面發(fā)生在刃前三角區(qū)的峰部，如圖所示。這時，切屑仍沿著正前角的前面流出，切削力增大不明顯，卻使切削刃加強并受到三角區(qū)滯留金屬的保護，刀具壽命明顯提高。另一原因是使切削合力的方向發(fā)生變化。實驗結(jié)果看出，當?shù)估鈱挾萣g1一定時，刀具總切削力的方向與后面的夾角隨負倒棱前角g01的增大而增大，從而在一定程度上改變了刀片的受力狀況，減小了對切削刃產(chǎn)生彎曲應(yīng)力的比例分量。它對脆性刀具材料提高沖擊能力是極為有利的。倒棱參數(shù)的選取：主要取決于進給量、刀具材料和工件材料。a)進給量：無論刃區(qū)取何參數(shù)，隨進給量的增加，

9、刀具壽命就下降，但下降的程度隨參數(shù)值而異。對應(yīng)于某個進給量值，總有一個使刀具壽命最高的倒棱參數(shù)值。一般講，精加工時g01要小些；粗加工時，進給量大，g01要大些。用硬質(zhì)合金刀具加工鋼時，負倒棱寬度bg1一般不宜超過進給量。這時，切削力與鋒刃相比增大較小，bg1大于f時，切削力將有明顯增大趨勢。當負倒棱寬度大于一定數(shù)值時，切屑流出時只和負倒棱部分接觸，隨即卷曲而去，根本不和具有正前角的前面接觸，這時，負倒棱實際上即變成負前角的前面。b)刀具材料：用硬質(zhì)合金車刀車削碳鋼、合金鋼時，一般可取bg1=(0.30.8)f，g01=-10°-15°。對WC基硬質(zhì)合金刀片，bg1取小值；

10、高速鋼刀具強度和韌性較好，一般不磨負倒棱，必要時可研磨出零度或小前角正倒棱。c)工件材料：加工低碳鋼、不銹鋼、灰鑄鐵時，可取bg10.5f，g01=-5°-10°；當加工有硬皮的鍛件和鑄鋼件時，在機床功率和剛度足夠的條件下，倒棱負前角可減小到-30°，當沖擊嚴重時，負倒棱寬度可取bg1 =(1.52)f，但這時切削力增大較多。3) 鈍圓切削刃:是在負倒棱的基型上進一步修磨而成，或直接通過刀片鈍化處理而成。特點：鈍圓半徑比鋒刃增大了一定數(shù)值，它不但在提高切削刃強度方面獲得和負倒棱同樣的效果，而且比負倒棱更有利于消除刃區(qū)微小裂紋，使刀具獲得最佳壽命。同時，在切削過程中

11、對已加工表面還有一定的熨壓和消振作用，有利于提高已加工表面質(zhì)量。經(jīng)刃口鈍化處理的可轉(zhuǎn)位刀片和硬質(zhì)合金涂層刀片就是采用了鈍圓切削刃，已獲得廣泛應(yīng)用。 鈍圓切削刃的鈍圓半徑rn根據(jù)刀具材料、工件材料和切削條件三個方面選擇?？芍瞥奢p型，(rn約為0.0250.05mm)、中型(rn約為0.050.1mm)和重型(rn約為0.10.15mm)三種。 刀具材料的強度和韌性影響鈍圓切削刃鈍圓半徑的最佳數(shù)值。高速鋼刀具一般取正前角鋒刃或輕型鈍圓切削刃。瓷刀片一般要求負倒棱且?guī)в兄匦外g圓切削刃，而WC基硬質(zhì)合金刀片一般多采用中型鈍圓切削刃。TiC基硬質(zhì)合金的鈍圓切削刃參數(shù)則介于兩者之間選擇。工件材料的切削加工

12、性也影響切削刃鈍圓半徑的合理數(shù)值，切削可加工性較好的有色金屬，如銅、鋁合金時，刀具刃區(qū)常采用輕型鈍圓切削刃或鋒刃。切削灰鑄鐵、球墨鑄鐵、可鍛鑄鐵時，由于其多孔性與其分布不均勻而產(chǎn)生沖擊，刀具刃區(qū)通常采用中型鈍圓切削刃。切削普通鋼材時，其刃區(qū)參數(shù)可根據(jù)含碳量確定。切削低碳鋼和大多數(shù)不銹鋼的刀具可采用輕型鈍圓切削刃，而切削高硬度合金時，刀具刃區(qū)需要中型乃至重型鈍圓切削刃。在切削加工條件中，進給量和切削刃鈍圓半徑rn也有一定關(guān)系，當用WC基硬質(zhì)合金切削鋼材時，一般可取rnf/3，而用Tic基硬質(zhì)合金刀片和涂層刀片時，則可取rnf/l.5。rn過小時，切削刃容易產(chǎn)生裂紋和崩碎，但rn過大時，也會使切削

13、刃嚴重擠壓切削層而降低刀具壽命，并增大已加工表面冷硬程度，甚至引起振動。2前刀面形狀前刀面形狀分平面型和斷屑前面型兩大類。在切削過程中金屬材料受到變形，如變形程度超過了材料的斷裂應(yīng)變，則切屑將自行折斷。但多數(shù)情況下，只靠切削過程中的變形還不能使切屑折斷，必須采用斷屑器使切屑得到附加的二次變形。在加工塑性材料時，為使切屑卷成螺旋形或折斷成C形，使之易于排出和清理，常在前刀面上制成卷斷屑槽。卷斷屑槽可作成直線圓弧型、直線型和全圓弧型三種。直線圓弧型和直線型斷屑槽適用于切削碳素鋼、合金結(jié)構(gòu)鋼、工具鋼等，g05°15°。直線圓弧型的槽底圓弧半徑Rn和直線型的槽底角(180°

14、;-s)較小時，切屑卷曲半徑較小，切屑變形大，易于折斷，但此時切屑易堵塞在槽，會增大切削力，甚至造成崩刃。一般取Rn(0.40.7)Wn，(180°-s)110°130°。全圓弧型適用于切削紫銅、不銹鋼等高塑性材料，g0可增大至25°30°。目前機夾可轉(zhuǎn)位硬質(zhì)合金刀片壓制有各種形狀與尺寸的斷屑槽，可供不同切削情況下選用。第二節(jié) 后角與后刀面形狀的選擇一、后角的功用與合理后角后角的作用主要是：減小后面與過渡表面和已加工表面之間的摩擦；影響楔角b0的大小，從而可配合前角調(diào)整切削刃的鋒利程度和強度。對刀具耐用度和加工表面質(zhì)量有很大影響。適當增大后角可

15、提高刀具耐用度這是因為；² 增大后角時能減小已加工表面彈性恢復(fù)層h與后面的摩擦面積，從而減小后面摩擦與磨損。² 后角增大，楔角則減小，刀刃鈍圓半徑可以減小，切削刃鋒利，刀刃易切入工件，可減小工件表面的彈性恢復(fù)。² 在一定的后刀面磨損量VB下，后角較大時，所允許磨去的金屬體積較大。但后角過大時，將使楔角且過小，削弱切削刃強度，減小散熱體積而使刀具耐用度降低。所以，在一定條件下，后角也有一個對應(yīng)于最高刀具壽命的合理數(shù)值。合理后角的選擇主要取決于切削層公稱厚度hD (或進給量f)的大小。² 當hD(或進給量f)很小時(精加工)，磨損主要發(fā)生在后刀面上，為減小磨

16、損和增加切削刃的鋒利程度，宜取較大的后角。² 當切削厚度很大時，前刀面上月牙洼磨損顯著這時取較小后角可以增強切削刃和加大散熱體積。例如高速鋼立銑刀，由于每齒進給量很小，后角取到16°，而圓片銑刀當每齒進給量為0.01mm時，后角取30°。車刀后角的變動圍比前角要小。粗車時，因hD較大，為保證切削刃強度取較小后角(4°8°)；而精車時，hD較小為保證已加工表面質(zhì)量，取較大后角8°12°。切斷刀的進給量較小，且考慮進給運動對工作后角的影響宜取較大后角10°12°。刀具合理后角還與一些切削條件有關(guān)：²

17、 工件材料的強度、硬度較高時，為加強切削刃，宜取較小后角(a0=5°7°)。工件材料塑性較大，加工硬化嚴重時，為減小后刀面摩擦，應(yīng)取較大后角(10°12°)。² 工藝系統(tǒng)剛性較差時，為避免振動，應(yīng)適當減小后角。² 對于尺寸精度要求較高的刀具，宜取較小的后角。因為當徑向磨損量NB為定值時，較小的后角所允許磨損掉的刀具材料體積較多，故刀具耐用度較高。² 合理后角的選擇還應(yīng)考慮切削刃的運動軌跡。例如切斷刀愈接近工件中心，工作后角愈小，因此切斷刀的后角應(yīng)比外圓車刀大一些。在車削大螺距右旋螺紋時，左刀刃的后角應(yīng)比右刀刃的后角大一些。車

18、刀的副后角一般取其等于主后角。切斷刀與切槽刀的副后角，由于受其結(jié)構(gòu)強度的限制，只能取得很小，a0=1°2° 。二、后面形狀與選擇 為減少刃磨后面的勞動量，提高刃磨質(zhì)量，常把后面作成雙重后面，ba1取l3mm。1 刃帶：沿主切削刃或副切削刃磨出后角為零的窄棱面。對定尺寸刀具沿后面(如拉刀)或副后面(如鉸刀、浮動鏜刀、立銑刀等)磨出刃帶的目的是：為了在制造刃磨刀具時便于控制和保持其尺寸精度，同時在切削時也可起到支承、導(dǎo)向、穩(wěn)定切削過程和消振(產(chǎn)生摩擦阻尼)的作用。此外，刃帶對已加工表面還會產(chǎn)生所謂“熨壓”作用，從而能有效降低已加工表面粗糙度值。刃帶寬度一般在0.05O.3mm圍

19、超過一定值后會增大摩擦，導(dǎo)致擦傷已加工表面，甚至引起振動。2 消振棱：沿著后面磨出負后角倒棱面，倒棱角a01=-5°-10°，倒棱面寬ba10.10.3mm。它可以增加后刀面與加工表面的接觸面積，在切削時能產(chǎn)生同振動位移方向相反的摩擦阻力，不僅可以減小振動，也可對工件表面起一定的熨壓作用，從而提高加工表面質(zhì)量。這是車削細長軸和鏜孔時常采取的消振措施之一。第三節(jié) 主、副偏角與刀尖形狀的選擇一、 主偏角對切削加工的影響1.對刀具耐用度影響很大。隨著主偏角減小，刀具耐用度提高。這是因為：(1) 當背吃刀量ap和進給量f一樣時，主偏角的變化將改變切削層形狀，使切削層參數(shù)發(fā)生變化，從

20、而影響切削刃上的負荷。當主偏角Kr減小時，由于切削層公稱寬度bD(ap/sinKr)增加，切削層公稱厚度hD(=fsinKr)減小，使作用在主切削刃單位長度上的負荷減輕。(2)主偏角減小，則刀尖角er增大，使刀尖強度提高，散熱體積增大。(3)主偏角較小的刀具在切入時，最先與工件接觸處是遠離刀尖的地方，因而可減少因切入沖擊造成的刀尖損壞。2影響切削分力比值與切削層單位面積切削力 當Kr減小時，由于hD減小，變形系數(shù)x增大，使切削層單位面積切削力有所增大；在ap和f一樣時，使切削功率有所增加。但更主要的是會使背向力Fp增大，容易引起工藝系統(tǒng)振動。當工藝系統(tǒng)剛度不足時，會使刀具壽命降低。3 影響已加

21、工表面質(zhì)量減小Kr進可以使工件表面殘留面積高度減小，從而使已加工表面粗糙度值減小。4 影響斷屑效果、排屑方向增大Kr會使hD增厚，bD減小，有利于切屑折斷，有利于孔加工刀具使切屑沿軸向順利流出。二、 合理主偏角的選擇原則由上述分析可知，無論增大還是減小主偏角，都產(chǎn)生相互矛盾的影響。因此，在一定的切削條件下，主偏角也有一個合理數(shù)值，其主要選擇原則為：1 粗加工時，硬質(zhì)合金車刀一般選用較大的主偏角(Kr60°75°)，以利于減少振動、斷屑和采用較大的切削深度。2 加工硬度高的材料，如冷硬鑄鐵和淬硬鋼時，在系統(tǒng)剛性好，切削深度不大時取較小的主偏角(Kr10°30

22、6;)，以利于提高刀具耐用度。3 工藝系統(tǒng)剛性較好時，取較小的主偏角可提高刀具耐用度；剛性不足，加車削細長軸時，應(yīng)取大的主偏角，可取Kr90°93°，以減小背向力ap，減少振動。4 需要從中間切入與仿形加工的車刀，應(yīng)取較大主偏角；車階梯軸則需用Kr90°的偏刀；要用一把刀加工外圓、端面和倒角時可取Kr45°。三、 副偏角的功用與選擇1副偏角K¢r的作用：減小副切削刃與副后面與已加工表面之間的摩擦。副偏角K¢r的大小主要影響刀具耐用度和已加工表面粗糙度。1） K¢r對刀具耐用度的影響：由圖可知，副偏角太小或太大刀具耐用度都不高

23、，其存在著一個合理值。這是因為副偏角過小會增加參加切削工作的刀刃長度，增大副后刀面與已加工表面間的摩擦，同時也易引起振動；而副偏角過大致使刀尖強度降低和散熱條件惡化，結(jié)果會使刀具耐用度降低。2） K¢r對加工表面質(zhì)量的影響：在副偏角較小時，加工表面粗糙度值較小。這是因為減小副偏角可減小殘留面積高度，降低理論表面粗糙度值。2. 合理副偏角的選擇原則(1) 一般刀具的副偏角，在工藝系統(tǒng)剛性較好，不產(chǎn)生振動的情況下，可選取較小的數(shù)值，如取K¢r=5°10°。(2)精加工刀具的副偏角應(yīng)取得更小一點，必要時，可磨出一段K¢r=0°的修光刃，車刀

24、的修光刃長度取為b¢e(1.21.3)f，硬質(zhì)合金端銑刀的b¢e(46)f。(3)切斷刀和切槽刀由于結(jié)構(gòu)強度的限制，只能取很小的副偏角，K¢r=1°3°。四、刀尖形狀與尺寸選擇刀尖是切削刃上工作條件最惡劣、構(gòu)造最薄弱的部位，刀尖處強度差，散熱條件不好，故切削溫度高、易磨損。所以，強化刀尖可顯著提高刀具耐用度。同時刀尖部分的形狀對已加工表面的粗糙度值也有很大的影響。若采用減小主、副偏角的辦法增強刀尖，常會使背向力Fp增大，引起振動。若在主、副刃之間磨出倒角刀尖，即具有直線切削刃的刀尖，既可使刀尖角er加大，增強了刀尖，又可不使背向力增加許多。刀尖

25、處的過渡刃有：1圓弧形過渡刃圓弧形過渡刃不僅可提高刀具耐用度，還可大大減小已加工表面粗糙度值，常在精加工車刀上采用。刀尖圓弧半徑對硬質(zhì)合金和瓷車刀一般可取re0.51.5mm，對高速鋼車刀可取re13mm。適當增大re可減小刀具的磨損和破損；但re太大時，由于背向力Fp增大會引起振動。2直線形過渡刀粗加工時，切削深度較大，為減小背向力Fp和振動，并使硬質(zhì)合金刀片能得到充分利用，通常采用較大的主偏角。但這時刀尖強度變差，散熱條件惡化。為解決這個矛盾，常常在刀尖處磨出直線過渡刃。過渡刃偏角一般取為Kre1/2Kr,過渡刃長度be0.52mm或be(1/41/5)ap。切斷刀的be1/4B。第四節(jié)

26、斜角切削與刃傾角的選擇一、斜角切削的概念1 直角切削：刀具切削刃垂直合成切削運動方向的切削。切削刃垂直主運動速度方向，或刃傾角ls0的切削。2 斜角切削：切削刃與合成切削運動方向不垂直的切削。切削刃不垂直主運動速度方向或刃傾角ls0的切削。當只有一個切削刃進行的切削，稱為自由切削。在金屬切削加工中，斜角切削是最普遍的。二、刃傾角的功用1 控制切屑流出方向。如圖是外圓車刀刃傾角ls對排屑方向的影響?？梢?，在精車時，希望取正刃傾角(+ls)以使切屑流向待加工表面，防止纏繞和劃傷已加工表面。2 影響刀頭強度與斷續(xù)切削時切削刃上受沖擊的位置。 如圖是一把Kr=90°刨刀的加工情況。當ls =0°時，切削工作刃全長與工件同時接觸，沖擊較大。當ls為正值時