刀具几何角度对切削加工的影响及其选择

刀具几何角度对切削加工的影响及其选择王洋交通与物流工程学院机械设计制造及其自动化摘要：刀具材料的优选对于切削过程的优化具有关键作用，但是，刀具几何角度的选择不合理也会使刀具材料的切削性能得不到充分的发挥。可见，刀具合理几何角度的选择同样是切削刀具理论与实践的重要课题之一。切削加工刀具的完善程度对切削加工的现状和发展起着决定性的作用。关键词：前角，后角，主偏角，副偏角，刃倾角，刀尖GeometryofthecuttingtoolanditsselectionWangYangTransportationandLogisticsEngineeringMechanicalDesign,ManufacturingandAutomationAbstract：Optimizationofthecuttingtoolmaterialhasakeyroleintheoptimizationprocess,However,thechoiceofcuttingtoolgeometryunreasonablealsomakethecuttingtoolmaterialsarenotsufficienttoplay.Showsthat,cuttingtoolgeometryandreasonablechoiceofcuttingtoolsisalsoanimportantissueoftheoryandpracticeof.Degreeofperfectionofcuttingtoolsonmachiningstatusandplayadecisiveroleinthedevelopmentof.Keywords：toolorthogonalrake，toolorthogonalclearance，toolcuttingedgeangle，toolminorcuttingedgeangle，toolcuttingedgeinclinationangle，corner一、前角的功用及其合理值的选择1、前角的功用（1）影响切削区的变形程度：若增大前角，可以减小切削变形，从而减小切削力、切削热和切削功率。（2）影响切削刃和刀头强度、受力性质和散热条件：增大前角，会使切削刃与刀头强度降低，刀头的导热面积和容热体积减小。（3）影响切屑形态和断屑效果：若减小前角，可以增大切屑的变形，使切屑容易卷曲和折断。（4）影响已加工表面质量：切屑过程中的振动现象与前角的大小有关，减小前角或采用负前角时，振幅急剧增大，如图1所示。图1前角和切削速度对振幅的影响2、合理前角值的选择主要根据工件材料，其次考虑刀具材料和加工条件来选择（1）工件材料的强度、硬度较低时，可以取较大的前角;反之，取小的前角。加工特别硬的材料时，前角甚至取负值，如淬火钢。（2）加工塑性材料，尤其是冷硬严重的材料时，应取较大的前角；加工脆性材料，可取较小的前角。（3）粗加工、断续切削或工件有硬皮时，为了保证刀具有足够的强度，应取小的前角。但在采取若干强化刃口及刀尖的措施（如磨出负倒棱、过渡刃）之后，也可增大前角至合理的数值。（4）成形刀具及展成法刀具（如螺纹车刀、齿轮滚刀），为防止加工截面畸变，常取较小的前角，甚至取0；但为了改善切削条件，可以在增大前角的同时修整刃形，以保证成形精度。（5）刀具材料抗弯强度大、韧性较好时，应取大的前角；高速钢刀具比硬质合金刀具允许采用较大的前角，约可增大5°。（6）工艺系统刚性差或机床功率不足时，应取大的前角。（7）对于数控机床和自动机、自动线用刀具，为保障刀具尺寸公差范围内的使用寿命及工作稳定性，应取较小的前角。二、后角的功用及其合理值的选择1、后角的功用（1）减小后刀面和加工表面之间的摩擦。后刀面与加工表面接触，由于摩擦造成后刀面的磨损。增大后角，减小摩擦，可以提高已加工表面的质量和刀具的使用寿命。（2）后角越大，切削刃钝圆半径值越小，切削刃越锋利。（3）在相同磨钝标准VB下，后角越大，所磨去的金属体积也越大，因而延迟里刀具的使用寿命。但它使刀具的径向磨损值NB增大，当工件尺寸精度要求较高时，就不宜采用大后角。（4）增大后角将使切削刃和刀头的强度削弱，导热面积和热熔体积减小；且NB一定时的磨耗体积小，刀具使用寿命短。2、合理后角值的选择（1）粗加工、强力切削及承受冲击载荷的刀具，要求切削刃由足够强度，应取较小的后角；精加工时，应以减小后刀面上的摩擦为主，宜取较大的后角，可延长刀具的使用寿命和提高已加工表面的质量。（2）工件材料强度、硬度较高时，为保证切削刃强度，宜取较小的后角；工件材料较软、塑性较大时，后刀面摩擦对已加工表面质量及刀具磨损影响极大，应适当加大后角；加工脆性材料时，切削力集中在刃区，宜取较小的后角。（3）工艺系统刚性差，容易出现振动时，适当减小后角，有增加阻尼的作用（4）各种有尺寸精度要求的刀具，为了限制重磨后刀具尺寸的变化，宜取小的后角。（5）高速钢刀具的后角比硬质合金刀具后角可增大2°～3°。（6）成形车刀或铲齿铣刀等刃形复杂，各处法向后角常不相等，最小后角尽量不小于2°30｀。三、主偏角和后偏角的功用及其合理值的选择1、主偏角和后偏角的功用（1）影响已加工表面的残留面积高度。减小主偏角和副偏角，可以减小已加工表面的粗糙度，特别是副偏角对已加工表面粗糙度的影响更大。（2）影响切削层形状。主偏角直接影响切削刃的工作长度和单位长度切削刃上是切削负荷。在切削深度和进给量一定的情况下，增大主偏角，切削宽度减小，切削厚度增大，切削刃单位长度上的负荷随之增大。因此，主偏角直接影响刀具的磨损和使用寿命。（3）影响三向切削分力的大小和比例关系。增大主偏角，可减小切削力Fc和Fp，但会增大Ff。同理，增大副偏角，也可使Fp减小。而Fp的减小，有利于减小工艺系统的弹性变形和振动。（4）主偏角和副偏角共同决定了刀尖角，故直接影响刀尖强度、导热面积和热容体积。（5）主偏角还影响断屑效果和排屑方向。增大主偏角，切屑变厚变窄，容易折断。2、合理主偏角值的选择（1）粗加工和半精加工时，硬质合金车刀一般选用较大的主偏角，以利于减小振动，延长刀具的使用寿命，容易断屑，可以采取大的切屑深度。（2）加工很硬的材料时，如淬硬钢和冷硬铸铁，为减轻单位长度切削刃上的负荷，同时为改善刀头导热条件和热容条件，延长刀具的使用寿命，宜取较小的主偏角。（3）工艺系统刚性较好时，较小的主偏角可以延长刀具的使用寿命；刚性不足时，应取较大的主偏角，甚至大于90°，以减小切深抗力Fp。3、合理副偏角值的选择选取副偏角首先硬满足已加工表面质量的要求，然后再考虑刀尖强度、导热和热容要求。（1）一般刀尖的副偏角，在不引起振动的情况下可选取较小的数值，即Kr｀=5°～10°。(2)精加工刀具的副偏角应取小值，必要时可磨出一端Kr｀=0的修光刃。（3）加工高强度高硬度材料或断续切削时，应取小的副偏角，以提高刀尖强度。（4）切断刀、锯片铣刀和槽铣刀等，为了保证刀头强度和重磨后刀头宽度变化较小，只能取很小的副偏角，即Kr｀=1°～2°。四、刃倾角的功用及其合理值的选择1、刃倾角的功用（1）影响刀尖强度和散热条件。当λs＜0时，使远离刀尖的切削刃先切入工件，避免刀尖受冲击，同时，使刀头强固，刀尖处导热和散热条件较好，有利于延长刀具的使用寿命；λs=0时次之；λs＞0时较差。（2）控制切屑流出方向。λs=0时，切屑流出的方向垂直于主切削刃；当λs＞0时，切削流向待加工表面；当λs＜0时，切削流向已加工表面，会缠绕或划伤已加工表面，如图2所示。图2刃倾角对排屑方向的影响（3）影响切削刃的锋利性。λs≠0时，实际前角加大，实际钝圆半径减小，因而刃口变锋利。（4）影响切入切出的平稳性。当λs=0时，切削刃同时切入、切出，冲击力大；当λs≠0时，切削刃逐渐切入工件，冲击小。刃倾角越大，切削刃越长，切削过程越平稳。（5）刃口有“割”的作用。当λs≠0时，沿着主切削刃方向有一个切削速度分量Tv，Tv起着“割”的作用，有利于切削。（6）影响切削刃的工作长度，当λs≠0时，切削刃实际工作长度加大。λs的绝对值越大，l值也越大，而切削刃单位长度上的切削负荷却减小，有利于延长刀具的使用寿命。（7））影响三向切削分力之间的比值。2、合理刃倾角值的选择（1）粗车钢材和灰铸铁时取λs=0°～-5°；精车时取λs=0°～+5°；有冲击载荷时取λs=-5°～-15°；冲击特别大时取λs=-30°～-45°。（2）强力刨削时取λs=-10°～-20°。（3）车削淬硬钢时取λs=-5°～-12°。（4）工艺系统刚性不足时，尽量不用负刃倾角。（5）微量精车、精镗、精刨时，取λs=45°～75°。（6）对金刚石和立方氮化硼车刀，取λs=0°～-5°。五、刀尖的功用及其合理值的选择1、刀尖的功用（1）刀尖是刀具上切削条件最恶劣的部位。刀具的使用寿命很大程度上取决于刀尖处的磨损情况。（2）主、副切削刃连接处的刀尖，直接影响已加工表面的形成过程，影响残留面积的高度。精加工特别是微量切削时，刀尖对已加工表面的质量影响很大。（3）选择刀尖几何参数时，一般从刀具的受用寿命和已加工表面的质量两方面考虑。粗加工时，着重考虑强化刀尖以延长刀具的使用寿命；精加工时，硬侧重考虑已加工表面的质量。2、合理刀尖圆弧半径和倒角刀尖参数的选择（1）圆弧刀尖高速钢车刀：r=1～3mm；硬质合金和陶瓷车刀：r=0.5～1.5mm；金刚石车刀：r=1.0mm；立方氮化硼车刀：r=0.4mm；加大过渡刃有利于提高刀尖强度和改善散热条件，提高刀具的使用寿命，并降低表面粗糙度。但过分加大过渡刃会增大切削力，并容易引起振动，反而会缩短刀具的使用寿命，增大已加工表面的粗糙度。六、结论优选刀具几何参数的一般性原则为：（1）要考虑工件的实际情况。选择刀具的合理几何参数，要考虑工件的实际情况，主要是工件材料的化学成分、制造方法、热处理状态、物理和机械性能，还有毛坯表层情况、工件的尺寸、精度和表面质量要求等。（2）要考虑刀具材料和刀具结构。选择刀具的合理几何参数，要考虑刀具材料的化学成分、物理和机械性能，还要考虑刀具的结构形式，是整体式，还是焊接式或机夹式。（3）要考虑各个参数之间的联系。刀具几何参数之间时互相联系的，应综合起来考虑它们之间是相互作用与影响，分别确定其合理值。（4）要考虑具体的加工条件。一般来说，粗加工时，应着重考虑保证刀具的使用寿命最长；精加工时，主要考虑保证精加工和已加工表面质量的要求；对于自动线生产用的刀具，主要考虑刀具工作的稳定性，有时要考虑断屑问题；机床刚性和动力不足时，刀具应力求锋利，以减小切削力和振动。参考文献[1]冯之敬，机械制造工程原理，第2版，北京，清华大学出版社，2008.6[2]机械工程手册编辑委员会，机械工程手册第8卷机械制造工艺（二）,机械工业出版社[3]王先逵，机械制造工艺学，第2版，机械工业出版社，2007.1[4]刘英袁绩乾，机械制造技术基础，第2版，机械工业出版社，2008.9[5]熊良山严晓光张福润，机械制造技术基础，华中科技大学出版社，2007.3