§3.7刀具几何参数的选择.ppt

3.7 刀具几何参数的选择,刀具的切削性能取决于它的材料、结构和几何参数。刀具几何参数选择是否合理，将直接影响到刀具的耐用度、加工质量、生产效率和加工成本。,刀具的几何参数包括:刀具的切削角度(如ro、o、Kr、Kr、s等)，刀面的形式(如平前刀面、带倒棱的前刀面、带卷屑槽的前刀面)及切削刃的形状(点线形、折线形、圆弧形)等。 刀具的几何参数对切削时金属的变形、切削力、切削温度和刀具磨损部有显著影响，从而影响切削生产率、刀具耐用度、加工表面质量和加工成本。,一般地说，刀具的“合理”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，从而能够达到提高切削效率、降低生产成本的目的的几何参数。,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。,一、前角的选择,1.前角的功用 其数值的大小、正负对切削变形、切削力、切削功率和切削温度均有很大影响; 同时也决定着切削刃的锋利程度和坚固强度; 也影响刀具耐用度和生产效率。,(1)影响切削变形。 增大前角，可减小切削变形，从而威小切削力、切削热和切削功率。 (2)影响切削刃强度及散热情况。 增大前角，会使楔角减小使切削刃强度降低、散热体积减小；过分加大前角，可能导致切削刃处出现弯曲应力，造成崩刃。 (3)影响切屑形态和断屑效果。 减小前角，可以增大切屑的变形，使切屑易于脆化断裂。 (4)影响加工表面质量。,通常存在个使刀具耐用度为最大的前角为合理前角。,2.选择原则 刀具的合理前角主要取决于刀具材料和工件材料的性能。 （1）刀具材料的强度及韧性较高时可选择较大的前角。 例如，高速钢强度高、韧性好，而硬质合金脆性大、怕冲击、易崩刃，故前者前角可比后者选得大些，一般可达5-10。陶瓷刀具的脆性更大，故合理前角选得比硬质合金刀具还要小。,(2)工件材料的强度或硬度较大时，宜选用较小的前角，以保证刃口强度；反之，宜用较大的前角。 这是因为当工件材料强度和硬度较高时，切削力较大，切削温度高，为了增加刃口强度和散热体积，宜选用较小的前角； 当强度或硬度较小时，切削力较小，刀具不易崩刃对切削刃的强度要求降低，为使切削刃锋利，应选取较大前角。 加工中硬钢时，ro10一20；加工软钢时，ro20一30；加工铝合金时ro30一35。,例如，,用硬质合金车刀加工强度很高的钢(b0.8GPa1.2GPa)或硬度很高的淬硬钢,有时需要采用负前角(-5 -20)。,材料的强度和硬度越高，负前角的绝对值应越大。 但负前角会增大切削力(特别是Fp力)，易引起机床的振动，因此只有在采用正前角要发生崩刃，而工艺系统刚性很好时，才采用负前角。,(3)加工塑性材料时，应选较大的前角；加工脆性材料(如铸铁、青铜)时，宜选较小的前角。,切削灰铸铁等脆性材料时，塑性变形较小，切屑呈崩碎状，只是在刀刃附近与前(刀)面接触，且不沿前(刀)面流动，因而与前(刀)面的摩擦不大，切削力集中在刀刃附近，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，前角可选5一15。,切削钢料时，切削变形较大，切屑与前(刀)面的接触长度较长，刀-屑间的压力和摩擦力均较大，为了减小切削变形和摩擦，宜选较大的前角。被加工材料的塑性越大、前角应选得越大。用硬质合金刀具加工一般钢料时，前角可选为10-20。,(4)还要考虑其它一些具体加工条件。,例如:粗加工时特别是断续切削时、切削力和冲击较大，为保证刃口的强度前角应小些； 精加工时，为减小切削变形，提高加工质量，宜取较大前角; 在工艺系统刚度较差或机床动力不足时，宜取较大的前角; 在自动机床上加工时，考虑到刀具的尺寸、耐用度及工作的稳定性，宜取较小的前角。,3.强化切削刃的方法,(1)采用负倒棱。 增大刀具前角，虽然有利于切屑的形成和减小切削力，但往往受到刀刃强度降低的限制，在正前角的前(刀)面上磨出倒棱是较好的解决办法。 倒棱面可为负前角、零前角或小正前角，但实际使用的多为负倒棱。,倒棱的主要作用是增强刀刃，威少刀具破损。,这对脆性较大的刀具材科(如硬质合金和陶瓷)进行粗加工或断续切削时，对减少崩刃和提高刀具耐用度有很明显的效果(耐用度可提而1-5倍)。,用陶瓷刀铣削淬硬钢时，没有倒核的刀刃是不能用来加工的。,此外，刀具倒棱处的棱角较大，使散热条件也得到改善。,负倒棱与负前角的前(刀)面是不同的，这里负倒棱的尺寸是关键。 倒棱的宽度br与切削厚度(进给量)有关。 一般可取0.2mm一1mm或br(0.3-0.8)f; 粗加工时取大值，精加工时取小值; 对高速钢刀具倒棱的前角取0一5; 对硬质合金刀具取-5-10。,因为倒棱的宽度甚小，只要倒棱的参数选择恰当，切屑仍沿前(刀)面流出，故切削力增加的不多。 由于负倒棱增强了切削刃，故前角可比不带倒棱的前(刀)面选择得大些。 对于进给量很小(f0.2mmr)的精加工刀具，由于切削厚度很小，为了使切削刃锋利，不宜磨出倒棱。 加工铸铁、某些铝合金等脆性材料时，由于切屑不沿前(刀)面流动，倒棱面即为前(刀)面，故不宜磨出倒棱。 形状复杂的刀具(如成形车刀)也不宜磨倒棱。,(2)刃口钝圆半径 刀口钝圆也是增强切削刃的有效方法:,不但可以减少刀具的早期破损; 而且可以提高刀具耐用度; 刀口钝圆还有一定消振作用，可降低已加工表面粗糙度。,刃口钝圆半径的推荐值如下：,一般情况下rnf/3; 轻型钝圆rn0.02mm0.03mm； 中型钝圆rn0.05mm0.1mm； 重型钝圆(用于重型切削) rn0.15mm。,二、后角的选用 1.后角的功用 后角的主要功用就是减小后(刀)面与加工表面间的摩擦，影响加工表面质量和刀具耐用度。,(1)增大后角，可减小加工表面上的弹性恢复层与后(刀)面的接触长度，从而减小后(刀)面的摩擦与磨损。 (2)增大后角，楔角则减小，使刀口钝圆半径rn减小，刃口越锋利。 (3)后(刀)面磨钝标准VB相同时，后角大的刀具达到磨钝标准时，磨去的金屑体积较大，从而加大刀具的磨损值NB，影响工件尺寸精度；反之，磨去的金屑较少。,当后角太大时，楔角减小显著，将会降低刀刃强度和散热能力使刀具耐用度下降。 同前角一样，也存在耐用度最大的后角值，称合理后角，表示成opt,2.选择原则 合理后角的大小主要取决于加工性质(粗加工或精加工)，还与一些具体切削条件有关，选择原则如下： (1)精加工时切削厚度较小，宜取较大后角；反之，切削厚度较大，宜取较小后角。 因为当切削厚度很小时，刀具的磨损主要发生在后(刀)面上，为了减小后(刀)面磨损和增加切削刃锋利程度，宜取较大的后角； 当切削厚度较大时，前 (刀)面的负荷大，前(刀)面 的月牙洼磨损比后(刀)面 磨损显著，这时宜取 较小后角，以增强刀刃及改 善散热条件。,（2)与工件材料性能有关 工件材料的塑性好、韧性大，容易产生加工硬化，为了减少后(刀)面磨损，应选用较大后角(例如，加工钛合金时，由于它的弹性恢复较大、宜取较大后角)； 工件材料的强度或硬度较高时，为了保证刀具刃口强度，宜选用较小的后角。,(3)工艺系统刚性差、易出现振动时，应选用较小后角，以增大后(刀)面与加工表面的接触面积，增强刀具的阻尼作用，还可在后(刀)面上磨出刃带或磨出消振棱，以提高加工表面质量。,(4)对尺寸精度要求较高的刀具(如圆孔拉刀、铰刀)，宜取较小后角。 因为一方面当径向磨损量NB为定值时，后角较小时所允许磨损的金屑体积可大些，即刀具使用寿命可长些； 另一方面刀具重磨后的尺寸变小，即增加了重磨次数。具体数值见表。,三、主偏角和副偏角的选择,1.主偏角和副偏角的功用 (1)影响切削加工残留面积高度。 增大主偏角和副偏角，使加工表面粗糙度值增大，副偏角对理论粗糙度的影响更大。 (2)影响切削层尺寸和刀尖强度及断屑效果。 在背吃刀量和进给量一定时，减小主偏角将使切削厚度减小，切削宽度增大，从而使切削刃单位长度上的负荷减轻；同时，主偏角或副偏角减小使刀尖角增大，刀尖强度增加、散热条件得到改善，提高了刀具耐用度；反之，增大主偏角使切屑变得窄而厚，有利于断屑。 (3)影响各切削分力比值。减小主偏角，则背向力Fp增大，进给力Ff减小。同理，减小副偏角，Fp也增大。Fp增大，增加工艺系统的弹性变形、影响加工精度。,2.主偏角的选择 从刀具耐用度出发，主偏角选小些为宜；选取小主偏角还可以减小加工残留面积高度，减小表面粗糙度值。 但主偏角太小会导致背向力Fp增大，降低加工精度，甚至会引起振动。因此，也存在一个位刀具耐用度为最大的合理主偏角(图中硬质合金刀具的合理主偏角为60)。,合理主偏角应主要根据工艺系统刚度来选择，同时兼顾工件材料的性质和工件表面形状等要求。 基本原则如下： (1)当工艺系统刚度足够时，应选用较小主偏角，以提高刀具耐用度和加工表面质量；当系统刚度较差时，则应选用较大主偏角，以减小背向力Fp，避免切削过程中产生振动。 (2)加工很硬的材料(如冷硬铸铁、淬硬钢)，宜取较小主偏角，以减轻单位长度切削刃上的负荷，改善刀尖散热条件，提高刀具耐用度。 (3)还应考虑工件形状和具体条件。 例如，车阶梯轴时，必须取Kr90；要用同一把车刀加工外圆、端面和倒角时，取Kr45，需要从中间切入或仿形加工用的车刀，可取Kr45-60。具体数值参见表。,3.副偏角的选择 副切削刃的主要功用是最终形成已加工表面，因此，副偏角的选取应首先考虑已加工表面质量要求，还要考虑刀尖强度、散热、振动等。 副偏角也存在某一合理值，其选择原则如下： (1)在工艺系统刚性好、不产生振动的条件下，应取较小的副偏角(如车刀5一10)，以减小已加工表面粗糙度值。 (2)精加工时副偏角比粗加工选得小些； 必要时，可磨出一段修光刃，用来进行大走刀的光整加工，注意使修光刃长度 略大于进给量，一般br (1.21.5)f。,(3)加工高强度、高硬度材料或断续切削时，为提高刀尖强度，宜取较小副偏角(4-6)。 (4)切断(槽)刀、锯片铣刀、钻头、铰刀等由于受结构强度或加工尺寸精度的限制，只能取很小的副偏角，即1-2。,4.过渡刃的选择 主切削刃和副切削刃连接处称为过渡刃或刀尖。刀尖处强度、散热均较差,主、副偏角大时尤为严重。生产中，需采取强化刀尖措施。刀尖强化的方法是磨过渡刃。,四、刃倾角的选择 1.刃倾角的功用 1）影响切屑的流出方向。 刃倾角的大小和正负，直接影响流屑角，即直接影响切屑的卷曲和流出方向。s为负值时，切屑流向已加工表面，易划伤已加工表面；为正值时，切屑流向待加工表面。精加工时，常取正刃倾角。,2）影响刀尖及断续切削时切削刃上受冲击的位置。 图示Kr=90刨刀加工情况。s=0时，削刀全长同时接触工件，因而冲击较大；s0时，刀尖首先接触工件，容易崩尖；s0时，远离刀尖切削刃的其余部分首先接触工件，从而保护了刀尖，切削过程也比较平稳，大大减少了冲击和崩刃现象。,3）切削刃锋利程度，具有斜角切削特点。 4)切削分力间的比值。 以外圆车削为例，当s由0化到-45，Fp约增大1倍，Ff降到1/3,Fc基本不变。Fp增大，将导致工件变形甚至引起振动从而影响加工精度和表面质量。因此，非自由切削时不宜选用绝对值过大的负刀倾角。 5）影响切削刃实际工作长度。 刃倾角的绝对值越大，斜角切削时切削刃的工作长度越大,切削刃单位