刀具的几何参数及其作用

§1-2刀具的几何参数一、刀具的类型金属切削刀具是完成切削加工的重要工具，它直接参与切削过程，从工件上切除多余的金属层。因为刀具变化灵活、收效显著，所以它是切削加工中影响生产率、加工质量和成本的最活跃的因素。在数控机床的自身技术性能不断提高的情况下，刀具的性能直接决定机床性能的发挥。根据用途和加工方法不同，刀具有如下几大类：(1)切刀类包括车刀、刨刀、插刀、镗刀、成形车刀、自动机床和半自动机床用的切刀以及一些专用切刀。一般多为只有一条切削刃的单刃刀具。(2)孔加工刀具是在实体材料上加工出孔或对原有孔扩大孔径(包括提高原有孔的精度和减小表面粗糙度值)的一种刀具。如麻花钻、扩孔钻、锪钻、深孔钻、铰刀、镗刀等。(3)拉刀类在工件上拉削出各种内、外几何表面的刀具，生产率高，用于大批量生产，刀具成本高。(4)铣刀类是一种应用非常广泛的在圆柱或端面具有多齿、多刃的刀具。它可以用来加工平面、各种沟槽、螺旋表面、轮齿表面和成形表面等。(5)螺纹刀具指加工内、外螺纹表面用的刀具。常用的有丝锥、板牙、螺纹切头、螺纹液压工具以及车刀、梳刀等。(6)齿轮刀具用于加工齿轮、链轮、花键等齿形的一类刀具。如齿轮滚刀、插齿刀、花键滚刀等。(7)磨具类用于表面精加工和超精加工的刀具。如砂轮、砂带、抛光轮等。(8)组合刀具、自动线刀具是根据组合机床和自动线特殊加工要求设计的专用刀具，可以同时或依次加工若干个表面。(9)数控机床刀具刀具配置根据零件工艺要求而定，有预调装置、快速换刀装置和尺寸补偿系统。(10)特种加工刀具如水刀等。二、刀具的结构几何参数金属切削刀具包含刀柄和切削部分，刀柄是指刀具上的夹持部分，切削部分是刀具上直接参加切削工作的部分。在某些刀具(如外圆车刀)上切削部分也称为刀头。有些刀具(如麻花钻)还有导向部分。各类金属切削刀具切削部分的形状和几何参数，都可由外圆车刀切削部分演变而来，因此我们以外圆车刀为例研究金属切削刀具的几何参数。1．刀具切削部的组成如图所示，外圆车刀的切削部分包括以下要素：(1)前(刀)面切屑流过的刀面；(2)主后(刀)面与加工表面相对的刀面；(3)副后(刀)面与工件已加工表面相对的刀面；(4)主切削刃担任主要切削工作，由前刀面与主后刀面相交的棱边形成；(5)副切削刃担任少量切削工作，由前刀面与副后刀面相交的棱边形成；(6)刀尖主、副切削刃联接处的一部分切削刃，常指它们的实际交点。AAA刀具切削部分的组成要素在实际刀具上常见的刀尖结构有：2．刀具的几何参数2.1确定刀具切削角度的参考平面刀具要从工件上切下金属，就必须具备一定的切削角度，这些角度决定了刀具切削部分各表面的空间位置。如后图所示，图中标出宽刃刨刀的前角和后角，于是就确定了刨刀前刀面和后刀面的位置。但是刨刀的前角和后角需要在选定的参考平面作为坐标系的基础之后才能表明其大小。后图中所示的基面和切削平面就是选作坐标系的参考平面。由于大多数加工表面都不是平面，而是空间曲面，不便于直接用来作为参考平面，因此，将构造刀具角度坐标系的参考平面定义如下。(1)基面pr通过主切削刃上选定点，垂直于该点合成切削运动向量的平面。(2)切削平面ps通过主切削刃上选定点，与切削刃相切并垂直于基面的平面。也就是切削刃的切线与合成切削运动向量构成的平面。显然，切削刃上同一点的基面与切削平面是互相垂直的。应该指出，上述切削平面和基面的定义是在刀具与工件的相对运动状态中给出的，是广义定义。根据上述定义分析刀具角度时，对于同一切削刃上的不同点，可能有不同的切削平面和基面，因而同一切削刃上各点切削角度的数值也就不一定相等。2.2刀具标注角度的参考系刀具的标注角度是设计、制造和刃磨刀具所需要的角度。标注角度应在选定的参考平面所构成的坐标系中确定，它与刀具工作时的切削角度不同，标注角度的切削平面与基面的定义不考虑进给运动，因而，这时的切削平面ps只包含切削刃在其选定点的切线和切削速度向量，基面pr则是通过该点面垂直于切削速度向量的平面。除此之外，为了便于刃磨和检验刀具的标注角度，还应尽可能使刀具标注角度的参考平面和刀具的刃磨检验基准面一致，所以要根据不同刀具的情况，对刃磨检验时刀具的安装定位面做某些规定。实际上，除了由上述切削平面和基面组成的参考平面系以外，还需要选一个用来标注和测量刀具前、后角度的平面，即“测量平面”。图中标注刨刀角度的N-N平面就是测量平面。它是垂直于刨刀直线切削刃的法剖面。通常，根据刃磨和测量的方便等需要，可以选用不同的平面作为测量平面。在切削刃上同一选定点测量其角度时，如果测量平面选得不同，刀具角度的大小也就不同。为定量地表示刀具切削部分的几何形状，必须把刀具放在一个确定的参考系中，用一组确定的几何参数确切表达刀具表面和切削刃在空间的位置，该几何参数就是刀具的几何参数。测量平面、切削平面和基面组成了刀具标注角度参考系。目前各国由于选用的测量平面不同，故所采用的刀具标注角度参考系也不完全统一。现以外圆车刀为例，说明几种不同的刀具标注角度参考系。度量刀具几何参数的参考系分两类。一类是刀具的静止参考系，是用于定义刀具的设计、制造、刃磨和测量时几何参数的参考系，它不受刀具工作条件变化的影响，即只考虑主运动和进给运动的方向，不考虑进给运动的大小，刀具的安装定位基准与主运动方向平行或垂直；另一类是刀具的工作参考系，即规定刀具切削加工时的几何参数的参考系，它与刀具安装情况、切削运动大小和方向等有关。刀具的参考坐标面刀具参考系由坐标平面和测量面组成，最基本的坐标平面有两个。基面pr：通过切削刃上选定点，垂直于切削运动方向的平面。切削平面ps：通过切削刃上选定点，与切削刃相切并垂直于基面的平面。它包含切削速度方向，切于工件上的过渡表面。上述坐标面与不同的测量面组合就构成了不同的标注参考系。(1)正交平面参考系及标注几何参数正交平面po：通过切削刃上选定点并同时垂直于基面和切削平面的平面，它是测量平面，如图所示。正交平面参考系：由基面pr、切削平面ps和正交平面po构成的直角坐标系。标注参考系内的标注角度要确定外圆车刀切削部分在正交平面参考系中的结构，需要6个基本角度：1)主偏角kr过主切削刃上选定点，在基面内测量的切削刃与进给运动方向间的夹角2)副偏角过副切削刃上选定点，在基面内测量的副切削刃与进给运动方向间的夹角。rk3)前角过主切削刃上选定点，在正交平面内测量的前刀面与基面之间的夹角。前刀面与切削平面间的夹角为锐角时，前角为正值；夹角为钝角时，前角为负值。4)后角过主切削刃上选定点，在正交平面中测量的主后刀面与切削平面之间的夹角。后刀面与基面的夹角为锐角时，后角为正值；夹角为钝角时，后角为负值。005)刃倾角过主切削刀上选定点，在切削平面中测量的主切削刃与基面间的夹角。当刀尖是主切削刃上最高点时，为正值，刀尖位于切削刃最低点时，为负值；主切削刃与基面平行时，sss0s6)副后角过副切削刃上选定点．在副正交平面内测量的副后刀面与副切削平面之间的夹角。当主偏角和刃倾角确定后，主切削刃在空间的位置随之确定。在正交平面内，前角和后角确定后，前刀面和主后刀面随之确定。副偏角和副后角确定，副后刀面就随之确定。这6个基本角度确定了普通外圆车刀切削部分的几何形状。前刀面和主后刀面之间所夹角度为楔角β0，它由前角和后角派生而来：β0=90°–(γ0+α0)主切削刃和副切削刃所夹的角度为刀尖角εr，它由主偏角和副偏角派生而来：0rrrkk180车刀的组成确定车刀几何角度的辅助平面车刀的主要标注角度关于刀具角度的说明：1)前角γ0前角对切屑变形、切削力以及切削刃强度都有很大的影响。较大的前角，可减少切屑的变形，使切削轻快，降低切削温度，减轻刀具磨损。但如前角过分加大，刀具导热体积减小，切削部分强度下降，反而影响刀具的使用寿命。一般加工韧性材料时，切屑变形较大，所以应取较大的前角。反之，加工脆性材料时，应采用较小的前角。通常硬质合金车刀的前角γ0在－5~+25°的范围内选取。2)后角α0合适的后角可减少工件与主后刀面的摩擦和主后刀面的磨损。但后角也不能取得过大，否则会削弱切削刃强度，减少导热体积。所以，正确地选择后角，对提高刀具寿命也有很大意义。加工时，切削厚度愈小，后角就应愈大。因此，精加工时，后角可以比粗加工时大些。硬质合金车刀的后角一般为6~12°。3)主偏角kr改变主偏角的大小可以在切削深度和进给量相同的情况下改变切削厚度和宽度，也就是改变切削刃参加切削工作的长度。小的主偏角，可使主切削刃参加切削的长度加大，使刀刃单位长度上受力减小，而且散热情况好，刀具较为耐用。但这样会使刀具作用在工件上的径向力加大，在加工细长工件时，容易引起工件变形和振动。通常主偏角kr为30~75°。4)副偏角它可减少副后刀面和已加工表面的摩擦，但副偏角过大，又会影响表面光洁度。一般角取5~10°。5)刃倾角λs主要影响刀头的强度和排屑的方向。一般为－10～+5°，粗加工时为了增强切削刃强度常取负值，精加工时为了不使切屑划伤已加工面，常取正值或零度。rkrkrkλs=0λs为负λs为正车刀主切削刃刃倾角λs对排屑方向的影响上面分别介绍了车刀的主要角度，应当指出，车刀几何参数之间都是相互影响，相互依赖，相互制约的。一个实际问题的解决，往往不是孤立地改变某一参数就能办到的，应该把车刀几何参数看成一个有机的整体，根据切削过程的具体条件，综合考虑。如前角γ0与后角α0都影响切削刃强度，影响刀具的散热体积，它们之间可以互相补偿。粗加工时，为了减轻刀具负荷，采用较大的前角，可适当减小后角，这时切削刃弧度不会明显削弱。反之，精加工时为减少后刀面与加工表面间的摩擦，采用较大后角，可适当减小前角。在前角、主偏角、刃倾角之间，也有一定的辩证关系：采用负的刃倾角，小的主偏角，都能增加刀尖强度和耐用度。因此，在切削较硬的材料或有冲击作用存在时，采用较小的主偏角和负的刃倾角，而不必明显地减小前角。加工精度、光洁度要求较高的细长轴时，为了减少振动，须选用较大的主偏角，为避免擦伤已加工表面，须选用正的刃倾角，在这种情况下，前角应相应地减小。(2)其他静止参考系除正交平面参考系外，有法平面参考系、假定工作平面和背平面参考系。法平面pn：过切削刃上选定点，垂直于切削刃在该点的切线的平面。假定工作平面pf：过切削刃上选定点，垂直于基面且平行于进给运动方向的平面。它平行或垂直于刀具在制造、刃磨及测量时适合于安装或定位的一个平面或轴线。背平面pp：过切削刀上选定点、垂直于基面和假定工作平面的平面。刀具的参考坐标面在法平面参考系中，前角和后角在法平面pn内测量；在假定工作平面和背平面参考系中，前角和后角在假定工作平面pf和背平面pp中测量；而主偏角kr和刃倾角λs在三种参考系中完全一样。(3)工作参考系及几何参数实际工作中，由于假定的工作条件发生了变化，使标注参考系中的各个坐标面和测量面的位置也随之变化。因此，刀具切削加工时的实际几何参数就要在工作参考系中测量。工作参考系也分为正交平面工作参考系、法平面工作参考系及工作平面和背平面工作参考系等。工作参考系中各坐标平面的定义与标注参考系相同，只需用合成切削运动方向取代主运动方向。它们是工作基面pre、工作切削平面pse、工作正交平面poe、工作法平面pne(pne＝pn)、工作平面pfe、工作背平面ppe等，如图所示。相应地，在工作状态下刀具的角度也改变了，称为工作角度。考虑进给运动和刀具在机床上的实际安装位置的影响，分别用、、、、表示，它们是切削过程中真正起作用的角度。rekrekseoeoe1)进给运动对工作角度的影响一般切削(如车外圆)时，进给速度远小于切削速度，此时刀具工作角度近似等于标注角度。但在进给速度较大时，改变了合成切削运动方向，工作角度就有较大改变。横向进给的影响：如后图所示。切断、切槽时，因为刀具相对于工件的运动轨迹为阿基米德螺旋线，