第9章 刀具合理几何参数的选择及切削用量优化

第九章刀具合理几何参数的选择及切削用量优化刀具合理几何参数和切削用量的选择是否合理，对刀具使用寿命、加工质量、生产效率和加工成本等有着重要影响。刀具的“合理”的几何参数，是指在保证加工质量的前提下，能够获得最高刀具耐用度，达到提高切削效率或降低生产成本目的的几何参数。第一节概述什么是刀具的合理(或最佳)几何参数呢?在保证加工质量的前提下，能够满足生产效率高、加工成本低的刀具几何参数称为刀具的合理几何参数。一般地说，刀具的合理几何参数包含以下四个方面基本内容：(1)刃形刃形是指切削刃的形状，有直线刃、折线刃、圆弧刃、月牙弧刃、波形刃、阶梯刃及其他适宜的空间曲线刃等。刃形直接影响切削层的形状，影响切削图形的合理性；刃形的变化，将带来切削刃各点工作角度的变化。因此，选择合理的刃形，对于提高刀具使用寿命、改善已加工表面质量、提高刀具的抗振性和改变切屑形态等，都有直接的意义。(2)切削刃刃区的剖面型式及参数通常将切削刃的剖面型式简称为刃区型式。针对不同的加工条件和技术要求，选择合理的刃区型式(如锋刃、后刀面消振棱刃、前刀面负倒棱刃、倒圆刃、零度后角的刃带)及其合理的参数值，是选择刀具合理几何参数的基本内容。图所示为五种刃区型式。图常见的五种刃区形式(a)锋刃；(b)消振棱；(c)-负倒棱；(d)-倒圆刃；(e)刃带(3)刀面型式及参数前刀面上的卷屑槽、断屑槽，后刀面的双重刃磨、铲背以及波形刀面等，都是常见的刀面型式。选择合理的刀面型式及其参数值，对切屑的变形、卷曲和折断，对切削力、切削热、刀具磨损及使用寿命，有着直接的影响，其中前刀面的影响和作用更大。(4)刀具角度刀具角度包括主切削刃的前角γ0、后角а0、主偏角κr、刃倾角λs和副切削刃的副后角а´0、副偏角κ´r等。刀具合理几何参数的选择主要决定于工件材料、刀具材料、刀具类型及其他具体工艺条件，如切削用量、工艺系统刚性及机床功率等。当确定了刀具几何参数后，还需选定合理的切削用量才能进行切削加工。在机床、刀具和工件等条件一定的情况下，切削用量的选择最富有灵活性和能动性。对于充分发挥机床和刀具的功能，以取得生产的最大效益来说，切削用量的选择如果得当，就可能最大限度地挖掘出生产潜力；倘若选择不当，会造成很大的浪费或导致生产事故。选择合理的切削用量必须联系合理的刀具耐用度。要通过对合理的刀具耐用度分析，选择合理的切削用量三要素。第二节刀具合理几何角度及其选择刀具几何参数主要包括：刀具角度、刀刃与刃口形状、前面与后面型式等。一、前角及前刀面形状的选择从金属切削的变形规律可知，前角是切削刀具上重要的几何参数之一，它的大小直接影响切削力、切削温度和切削功率，影响刃区和刀头的强度、容热体积和导热面积，从而影响刀具使用寿命和切削加工生产率。（一）前角的功用及选择(1)影响切削区域的变形程度增大刀具前角，可以减小前刀面挤压切削层时的塑性变形，减小切屑流经前刀面的摩擦阻力，从而减小了切削力、切削热，使刀具的耐用度提高。(2)影响切削刃与刀头的强度、受力性质和散热条件增大刀具前角，会使刀具楔角减小，使切削刃与刀头的强度降低，刀头的导热面积和容热体积减小；前角过大，有可能导致切削刃处出现弯曲应力，造成崩刃。因此，刀具前角过大时，刀具耐用度也会下降。(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，使之易于脆化断裂。(4)影响已加工表面质量增大前角可以抑制积屑瘤和鳞刺的产生，减轻切削过程中的振动，减小前角或者采用负前角时，振幅急剧增大，如图所示。由此可见，增大或减小前角，各有利弊。例如，从切削热的产生和散热来说，增大前角，可以减小切削热的产生，切削温度不致太高；但如果前角太大，则因刀头导热面积和容热体积减小，切削温度反而升高。在切削很硬的材料时，应用较小的前角，甚至选用适宜的负前角，以加强切削刃，并改善刀头容热和散热条件；但若是前角太小，或取很大的负前角，则因切削变形严重，产生热量来不及散逸，结果还会使切削温度上升。可见，在一定的条件下，前角有一个合理的数值。TQPFmzooo使刀刃强度降低，容易造成崩刃；也会使刀头散热体积减小，刀头能容纳热量的体积减小，致使切削温度增高。因此，刀具的前角太大时，刀具耐用度T也会下降。在一定的加工条件下，存在一个刀具耐用度为最大的前角——通常称为合理前角。opt图为刀具前角对刀具耐用度影响示意图。可见前角太大、太小都会使刀具使用寿命显著降低。对于不同的刀具材料，各有其对应着刀具最大使用寿命的前角，称为合理前角γ0pt。显然，由于硬质合金的抗弯强度较低，抗冲击韧性差，其γ0pt也就小于高速钢刀具的γ0pt。同理，工件材料不同时，刀具的合理前角也不同(如图所示)。从实验曲线可以看出，加工塑性材料比加工脆性材料的合理前角值大，加工低强度钢比加工高强度钢的合理前角值大。合理前角的选择：刀具合理前角主要取决于刀具材料和工件材料的种类与性质：（1）刀具材料的强度及韧性较高时可选择较大的前角例如，高速钢的强度高、韧性好；硬质合金脆性大，怕冲击，易崩刃；因此高速钢刀具的前角可比硬质合金刀具选得大一些，可大5o～10o。陶瓷刀具的脆性更大，故前角应选择得比硬质合金刀具还要小一些。(2)刀具的前角还取决于工件材料的种类和性质。1)加工塑性材料(如钢)时，应选较大的前角；加工脆性材料(如铸铁)时，应选较小的前角。切削钢料时，切屑变形很大，切屑与前刀面的接触长度较长，刀屑之间的压力和摩擦力都很大，为了减小切屑的变形和摩擦，宜选较大的前角。用硬质合金刀具加工一般钢料时，前角可选10o～20o。切削灰铸铁时，塑性变形较小，切屑呈崩碎状，它与前刀面的接触长度较短，与前刀面的摩擦不大，切削力集中在切削刃附近。为了保护切削刃不致损坏，宜选较小的前角。加工一般灰铸铁时，前角可选5o～15o。2)工件材料的强度或硬度较小时，切削力不大，刀具不易崩刃，对刀具强固的要求较低，为了使切削刃锋利，宜选较大前角。当材料的强度或硬度较高时，切削力较大，切削温度也较高，为了增加切削刃的强度和散热体积，宜取较小前角。例如，加工铝合金时，前角可取30o～35o；加工中硬钢时，前角可取10o～20o；加工软钢时，前角可取20o～30o。3)用硬质合金车刀加工强度很大的钢料或淬硬钢，特别是断续切削时，应从刀具破损的角度出发选择前角，这时常需采用负前角。材料的强度或硬度越高，负前角的绝对值也越大。采用负前角时，切削刃和刀尖部分受到的是压应力，硬质合金的抗压强度比抗弯强度高3—4倍，切削刃不易因受压而损坏。抗弯强度更差的陶瓷和立方氮化硼刀具，也经常采用负前角。但是负前角刀具会增大切削力(特别是径向力)和能耗，易引起机床振动；因此，只在工件材料的强度和硬度很高、切削时冲击很大，采用正前角要产生崩刃，且工艺系统刚性很好时，才采用负前角。加工一般脆性金属时，由于这类金属的抗压强度大于抗拉强度、用正前角刀具较容易切除切屑，故通常不采用负前角。(3)选择合理前角时还要考虑一些具体加工条件例如：粗加工时，特别是断续切削时，切削力和冲击一般都比较大，工件表面硬度也可能很高，为使切削刃有足够强度，宜取较小前角；精加工时，对切削刃强度要求较低，为使刀刃锋利，降低切削力，以减小工件变形和减小表面粗糙度，宜取较大前角。在工艺系统刚性较差或机床电动机功率不足时，宜取较大的前角；但在自动机床上加工时，为使刀具切削性能稳定，宜取小一些的前角。用不同刀具材料加工各种工件材料时，合理前角的参考值可查相关的手册。表为硬质合金车刀合理前角、后角的参考值，高速钢车刀的前角一般比表中的值大5°～10°。工件材料种类合理前角参考值/（°）合理后角参考值/（°）粗车精车粗车精车低碳钢20～2525～308～1010～12中碳钢10～1515～205～76～8合金钢10～1515～205～76～8淬火钢-15～-58～10不锈钢（奥氏体）15～2020～256～88～10灰铸铁10～155～104～66～8铜及铜合金（脆）10～155～106～86～8铝及铝合金30～3535～408～1010～12钛合金（σb≤1.177Gpa）5～1010～15注：粗加工用的硬质合金车刀，通常都磨有负倒棱及负刃倾角。(二)倒棱及其参数的选择在切削加工中，增大刀具前角，有利于切屑形成和减小切削力；但增大前角，又使切削刃强度减弱。在正前角的前刀面上磨出如图a和b所示的倒棱则可二者兼顾。倒棱的主要作用是增强切削刃，减小刀具破损。在使用硬质合金和陶瓷等脆性较大的刀具，尤其是在进行粗加工或断续切削时，对减少崩刃和提高刀具耐用度的效果是很显著的（可提高1～5倍）；用陶瓷刀具铣削淬硬钢时，没有倒棱的切削刃是不可能进行切削的。同时，刀具倒棱处的楔角较大，使散热条件也得到改善。倒棱的参数包括倒棱宽度br1和倒棱前角γ01。倒棱的宽度值一般与切削厚度（或进给量f）有关。通常取为br1=0.2～1mm或br1=(0.3～0.8)f。粗加工时取大值，精加工时取小值。高速钢刀具倒棱的前角取γ01=0°～5°，硬质合金刀具取γ01=-5°～-10°。用硬质合金车刀切削带硬皮的工件时，如果切削时冲击较大，而机床的刚性和功率允许的条件下，倒棱的br1和γ01的绝对值可以选的大一些。这样可以进一步强化切削刃，崩刃的会更加减小，但切削力也会明显增加。如果倒棱的br1过大，γ01过小，则负倒棱将代替前刀面进行切削。一般来说，精加工刀具，为使切削刃锋利，不宜磨出倒棱。加工铸铁、铜合金等脆性材料的刀具，以及形状复杂的成形刀具等，也不磨倒棱。在刀具中采用如图c所示的刀刃钝圆，是强化切削刃的另外一种有效方法。目前，经钝圆处理的硬质合金可转位刀片，在生产中已获得广泛的应用。刀具钝圆可以减少刀具的早期破损，使刀具耐用度可能提高200%。在断续切削时，适当增大钝圆半径γβ，可大大增加刀具崩刃前所受的冲击次数。钝圆刃还有一定的切挤熨压及消振作用，可减小工件已加工表面粗糙度。钝圆半径值推荐如下：一般情况下钝圆半径γβf/3，轻型钝圆半径：γβ=0.05～0.03mm，中型钝圆半径γβ=0.05～0.1mm，重型钝圆半径γβ=0.15mm。重型钝圆用于重载切削。（三）带卷屑槽的前刀面形状及其参数选择在加工韧性金属时，为了使切屑卷成螺旋形或折断成C形，使之易于排出和清理，常在前刀面上磨出卷屑槽。卷屑槽可作成直线圆弧形、直线形和全圆弧形三种(图)。每种形状的卷屑槽可得到不同的卷屑效果。图卷屑槽的形状a)直线圆弧型b)直线型c)全圆弧型前刀面：有平面型、曲面型和带倒棱型三种。平面型前刀面：制造容易，重磨方便，刀具廓形精度高。曲面型前刀面：起卷刃作用，并有助于断屑和排屑。故主要用于粗加工塑性金属刀具和孔加工刀具。如丝锥、钻头。带倒棱型前刀面：是提高刀具强度和刀具耐用度的有效措施。二、后角的选择后角的主要功用是减小切削过程中刀具后刀面与加工表面之间的摩擦。后角的大小还影响作用在后刀面上的力、后刀面与工件的接触长度以及后刀面的磨损强度，因而对刀具耐用度和加工表面质量有很大的影响。（一）后角的功用(1)后角的主要功用是减小后刀面与过渡表面之间的摩擦。由于切屑形成过程中的弹性、塑性变形和切削刃钝圆半径的作用，在过渡表面上有一个弹性恢复层。后角越小，弹性恢复层同后刀面的摩擦接触长度越大，它是导致切削刃及后刀面磨损的直接原因之一。从这个意义上来看，增大后角能减小摩擦，可以提高已加工表面质量和刀具使用寿命。(2)后角越大，切削刃钝圆半径值越小，刀刃易切入工件，切削刃越锋利，当切下的切屑很薄时，尤其重要。(3)在同样的磨钝标准VB下，后角大的刀具用到磨钝时，所磨去的金属体积较大(如图a所示)，有利于延长刀具使用寿命。但是径向磨损量NB也随之增大，这会影响工件的尺寸精度。从图b可知，在取径向磨钝标准NB值不变时，增大后角，到同样的径向磨钝标准NB值时，磨损体积却比较小后角时的磨损体积小，所以，在选择径向磨钝标准时，为保证精加工刀具的耐用度，后角不宜选得过大。(4)如果后角过大，楔角减小，将削弱切削刃的强度，减少散热