金属切削原理与刀具：10 第四章 第五节 刀具几何参数的合理选择

1、第四章 切削基本理论的应用第五节 刀具几何参数的合理选择本节主要内容：一、前角的选择 二、后角的选择三、副后角的选择 四、主偏角的选择五、副偏角的选择 六、刃倾角的选择七、刀尖修磨形式 八、刃口修磨形式刀具几何参数：包括刀具角度、前面与后面形式、切削刃与刃口形状等。刀具的合理几何参数：在保证加工质量和刀具寿命的前提下，并使生产率提高、生产成本降低的几何参数。2刀具合理几何参数的基本内容1）刃形刃形是指切削刃的形状。常见的有直线刃、折线刃、圆弧刃等。3刀具合理几何参数的基本内容2）切削刃的剖面型式 切削刃的剖面型式有锋刃、消振棱、倒圆刃、刃带等。负倒棱 消振棱 刃带4刀具合理几何参数的基本内容3

2、）刀面型式如卷屑槽、断屑台、后刀面的双重刃磨等。4）刀具角度包括前角、后角、主偏角、刃倾角及副后角、副偏角等。5刀具合理几何参数选择原则1）工件材料工件材料的化学成分、制造方法、热处理状态、性能等。2）刀具材料和结构刀具材料的化学成分、性能、结构形式等。3）具体加工条件工艺系统刚性、机床功率大小、切削用量大小、切削液等。6一、前角 o 的选择(一)前角的作用0 变形程度 F T 振动 质量 刀刃和刀头强度 散热面积、容热体积 断屑困难 在一定的条件下，存在一个合理值正前角的目的是为了减小切屑被切下时的弹塑性变形和切屑流出时与前面的摩擦阻力，从而可减小切削力和切削热。但前角过大时，楔角过小，削弱

3、刃部强度并降低散热能力。负前角刀具通常在用 脆性刀具材料 加工高强度高硬度工件材料而当切削刃强度不够、易产生崩刃时才采用。7o1Pro289一、前角 o 的选择(二)前角的选择原则选择前角时首先应保证切削刃锋利，同时又要兼顾足够的切削刃强度。在保证加工质量的前提下，以达到最高的刀具寿命为目的。刀具合理前角的选择主要取决于刀具材料、工件材料的种类与性质。一、前角 o 的选择(二)前角的选择原则刀具材料：刀具材料的强度和韧性较高时可选择较大的前角。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510。10陶瓷刀具的脆性更大，故前角应选

4、择的比硬质合金还要小一些。常取负值（多在415范围）以改善刀具受力时的应力状态，并选负的刃倾角（取010）与之配合以改善切入时承受冲击的能力。立方氮化硼由于脆性更大，都采用负前角高速切削。一、前角 o 的选择(二)前角的选择原则刀具材料111.加工塑性材料时，一般都采用正前角。工件材料塑性愈大，强度和硬度愈低时，前角应选得愈大。如：加工铝及铝合金取o=2535，加工低碳钢常取o=2025。当工件材料强度较大、硬度较高时，由于单位切削力大，切削温度容易升高，为了提高切削刃强度，增加刀头导热面积和容热体积，前角宜取小值。如：正火高碳钢取o=10l5。当加工高强度钢时，为增强切削刃，才取负前角。工件

5、材料一、前角 o 的选择(二)前角的选择原则122.加工脆性材料时，切屑呈崩碎状，切削力集中在切削刃附近且产生冲击，容易造成崩刃，所选前角应比加工塑性材料时小一些。如加工灰铸铁取o=515。前角数值随脆性材料强度和硬度的增大而逐渐减小。在加工淬火钢、冷硬铸铁等高硬度难加工材料时，宜取负前角。实验证明，用正前角硬质合金车刀加工高硬度淬火钢时，切削刃几乎一开始切削就会发生崩刃。工件材料13粗加工时或断续切削时，切削力和冲击较大，为使切削刃有足够强度，宜取较小前角。精加工时，切削刃强度要求较低，为使刀具刀刃锋利，降低切削力，以减小工件变形和减小表面粗糙度值，宜取较大前角。在工艺系统刚性较差或机床马达

6、功率不足时，宜取较大前角，以减小切削力和切削功率，减轻振动。在自动机床上加工时，为使刀具稳定，宜取小一些的前角。一、前角 o 的选择(二)前角的选择原则加工条件14510钛合金35403035铝及铝合金5101015铜及铜合金5101015灰铸铁20251520奥氏体不锈钢-15-5淬火钢152010-15合金钢15201015中碳钢25302025低碳钢精车粗车合理前角（度）工件材料硬质合金车刀合理前角参考值15后角的作用主要是：减小后面与过渡表面和已加工表面之间的摩擦；影响楔角0的大小，从而可配合前角调整切削刃的锋利程度和强度。影响刀具寿命和加工表面质量。二、后角 o 的选择(一)后角的作

7、用16二、后角 o 的选择(一)后角的作用0 刀尖锋利、 l 摩擦 F 质量 VB 一定，磨损体积 T 但NB 刀头强度 ，散热体积 ，重磨体积 在一定的条件下，存在一个合理值17二、后角 o 的选择(二)合理后角的选择原则在摩擦不严重的情况下，选取较小后角。精加工时，后角取较大值；粗加工时，后角取较小值。 工件材料的强度、硬度较高时，为加强切削刃，宜取较小后角（0=57）。工件材料塑性较大，加工硬化严重时，为减小后刀面摩擦，应取较大后角（1012）。18二、后角 o 的选择(二)合理后角的选择原则当采用负前角刀具加工高硬度高强度材料时，宜采用较大后角（1215）。工艺系统刚性较差时，为避免振

8、动，应适当减小后角。对于径向尺寸精度要求较高的刀具，宜取较小的后角。191015钛合金1012810铝及铝合金6868铜及铜合金6846灰铸铁81068奥氏体不锈钢810淬火钢6857合金钢6857中碳钢1012810低碳钢精车粗车合理后角（度）工件材料硬质合金车刀合理后角参考值20三、副后角 o 的选择车刀的副后角一般取其等于主后角。切断刀及切槽刀的副后角，由于受其结构强度的限制，只能取得很小，0=12。 21四、主偏角r的选择影响刀具寿命。随着主偏角减小，刀具寿命提高。影响切削分力比值及切削层单位面积切削力。影响已加工表面质量。影响断屑效果。(一)主偏角的作用r1rr2FpFf22四、主偏

9、角r的选择(一)主偏角的作用r hD bD 单位刃长负荷 T 刀尖强度 ，散热体积 ，Ra Fp 变形 ，加工精度，不易振动Ra，T 在一定的条件下，存在一个合理值r1rr2FpFf23四、主偏角r的选择(二)合理主偏角的选择原则1)根据加工材料选择 加工高强度、高硬度、热导率小和表面有硬化层的材料，应选取较小主偏角。如冷硬铸铁和淬硬钢时，在系统刚性好，切削深度不大时。取较小的主偏角( Kr1030 )，以利于提高刀具寿命。242）根据加工工艺系统刚性选择 在加工工艺系统刚性不足的情况下，为减小背向力Fp，减少振动，应选用较大主偏角，一般取r=6075。刚性不足，车削细长轴时，应取大的主偏角，

10、可取r=9093，以减小背向力ap，减少振动。粗加工时，硬质合金车刀一般选用较大的主偏角(r=6075)，以利于减少振动、断屑和采用较大的切削深度。工艺系统刚性较好时，取较小的主偏角可提高刀具寿命。四、主偏角r的选择(二)合理主偏角的选择原则253）根据加工表面形状要求选择 在车细长轴、阶梯轴时，选r=90；用于车外圆、车端面和倒角时，r=45。 要用一把刀加工外圆、端面和倒角时可取 r=45。 需要从中间切入及仿形加工的车刀，应取较大主偏角；四、主偏角r的选择(二)合理主偏角的选择原则26五、副偏角r的选择(一)副偏角的作用副偏角的主要作用是形成已加工表面。副偏角r的大小主要影响刀具寿命和已

11、加工表面质量，是影响表面粗糙度的主要角度。通常是在不产生摩擦和振动的条件下，应选取较小的副偏角。 副偏角 r Ra ，刀尖强度 ，散热体积 副刃工作长度 摩擦Fp易振动Ra，T 在一定条件下，存在一合理值。 系统刚性好，取较小值；刚性差，取较大值。27因副偏角影响表面粗糙度和刀具强度，所以副偏角主要根据加工性质选取。通常是在不产生摩擦和振动的条件下，应选取较小的副偏角。 五、副偏角r的选择(二)合理副偏角的选择原则28五、副偏角r的选择(二)合理副偏角的选择原则1）一般刀具的副偏角，在不引起振动的情况下，可选取较小的数值，如车刀、端铣刀、刨刀，均可取r=510。2）精加工刀具的副偏角应取得更小

12、一些，必要时，可磨出一段r=0的修光刃，修光刃长度 b(1.21.3)f，硬质合金端铣刀的 b(46) f。29五、副偏角r的选择(二)合理副偏角的选择原则3）加工高强度高硬度材料或断续切削时，应取较小的副偏角(r=46)，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r=12。30使用范围加工条件加工系统刚性差的台阶轴、细长轴、多刀车、仿形车加工系统刚性较差、粗车、强力车削加工系统刚性较好、可中间切入，加工外圆、端面、倒角加工系统刚性足够的淬硬钢、冷硬铸铁加工不锈钢加工高锰钢加工钛合金主偏角r()75936070451030

13、457525453045副偏角r()10615104510581510201015表4-7 主偏角r、副偏角r 选用值31六、刃倾角 s 的选择(一)刃倾角的作用1）控制切屑流出方向-s切屑流向已加工表面 ， +s切屑流向待加工表面。可见，在精车时，希望取正刃倾角(+s)，以使切屑流向待加工表面，防止缠绕和划伤已加工表面。刃倾角对排屑方向的影响32六、刃倾角 s 的选择(一)刃倾角的作用2）影响刀尖强度、刀尖导热和容热条件负刃倾角 刀头强度 ，散热体积 在粗加工或冲击较大的加工中，常采用负刃倾角的刀具。负刃倾角车刀的强度较高，散热条件也较好。刃倾角对刀尖强度的影响（以r=90刨刀刨削工件）33

14、3）影响切入切出的平稳性 当 s =0时，切削工作刃全长与工件同时接触，冲击较大。当 s 0时，刀尖首先接触工件，容易崩尖。当 s 0时，离刀尖较远的切削刃首先接触工件，保护了刀尖。同时，切削面积在切入时由小变大，切出时由大变小，故切削过程比较平稳。刃倾角对刀尖强度的影响（以r=90刨刀刨削工件）34六、刃倾角 s 的选择(一)刃倾角的作用4）影响切削刃的工作长度 和锋利程度s的绝对值越大，工作长度值越大，切削刃单位长度上的负荷越小，有利于提高刀具寿命 。当 s0的斜角切削时，由于切屑在前刀面上流向的改变，使实际前角增大；同时，刃倾角增大还可减小刀刃的钝圆半径，使切削刃变得锋利。如切下极薄切屑

15、的精车刀、精刨刀多采用4575的大刃倾角。 5）影响切削分力之间的比值负刃倾角绝对值增大时 Fp 变形 ，易振动 Ra 35六、刃倾角 s 的选择(二)刃倾角的选择原则1）根据加工要求选择 精加工，为防止切屑划伤已加工表面，s取正值；粗加工、刀材脆、工材强度硬度高，s取负值。2）根据加工条件选择 加工断续表面、加工余量不均匀表面，或在其它产生冲击振动的切削条件下，通常选取-s 。工艺系统刚性不足时，尽量不采用负刃倾角。36六、刃倾角 s 的选择(二)刃倾角的选择原则3）根据加工材料选择 加工一般钢料和灰铸铁，粗车取s0-5，精车时取s=0+5；有冲击负荷时，s=-5-15；当冲击特别大时，可取

16、s=-30-45。加工高强度钢、高锰钢、淬硬钢时，可取s=-5-15或负数的绝对值更大一些。37刀尖是切削刃上工作条件最恶劣、构造最薄弱的部位，刀尖处强度差，散热条件不好，故切削温度高、易磨损。强化刀尖可显著提高刀具寿命。同时刀尖部分的形状对已加工表面的粗糙度值也有很大的影响。若采用减小主、副偏角的办法增强刀尖，常会使背向力Fp增大，引起振动。若在主、副刃之间磨出倒角刀尖，即具有直线切削刃的刀尖，既可使刀尖角 r 加大，增强了刀尖，又可不使背向力增加许多。七、刀尖修磨形式38在主、副切削刃交接处可修磨的三种形式：修圆刀尖、倒角刀尖和倒角带修光刃 。七、刀尖修磨形式刀尖修磨形式修圆刀尖倒角刀尖倒

17、角带修光刃39七、刀尖修磨形式1修圆刀尖1）作用：修圆刀尖r ，Ra，刀头强度和改善散热条件。r过大，Fc ，影响断屑。r 大小与刀具寿命和刀具磨损有关。40七、刀尖修磨形式1修圆刀尖2）选用原则：半精加工和精加工时，r 约取f 的23倍；在加工工艺系统刚性足够条件下切削难加工材料和断续切削时，可适当加大r 值。但r 太大时，由于背向力Fp 增大会引起振动。修圆刀尖刀尖圆弧半径对硬质合金和陶瓷车刀一般可取 r 0.51.5 mm，对高速钢车刀可取 r 13 mm。412倒角刀尖 粗加工时，切削深度较大，为减小背向力Fp和振动，并使硬质合金刀片能得到充分利用，通常采用较大的主偏角。但这时刀尖强度

18、变差，散热条件恶化。为解决这个矛盾，常常在刀尖处磨出直线过渡刃。七、刀尖修磨形式倒角刀尖倒角刀尖主要适用于车刀、可转位面铣刀和钻头的粗加工、半精加工和有间断的切削中 。组成参数：423倒角带修光刃在倒角刀尖与副切削刃间作出与进给方向平行的修光刃（r=0 ，b=(1.21.5)f mm）。用它在切削时修光残留面积。磨制出的修光刃应平直锋利，且装刀平行于进给方向。倒角修光刃主要适用在工艺系统刚性足够的车刀、刨刀和面铣刀的较大进给量半精加工中。七、刀尖修磨形式倒角带修光刃43八、刃口修磨形式锋刃能得到很高的加工表面质量。其余的修磨形式都可提高刃口强度、抗冲击能力和改善散热条件。负后角倒棱在切削时增加

19、阻尼作用，起到抑制振动效果。锋刃刃口修圆刃口负倒棱刃口平棱负后角倒棱44八、刃口修磨形式例如，新磨好的高速钢车刀可达 rn=1215 m。用金刚石磨料研磨后，rn 可达714 m，而用立方氮化硼磨料仔细研磨后可达 rn =56 m。一般新磨好的硬质合金车刀，其切削刃钝圆半径 rn =1826 m。细晶粒硬质合金刀具的 rn 约为粗晶粒的l/22/5。 锋 刃锋刃指刃磨前面和后面直接形成的切削刃。但它也并不是绝对锐利的，而在刃磨后自然形成一个切削刃钝圆半径 rn ，其数值取决于刀具材料、刃磨工艺和楔角的大小。45八、刃口修磨形式 锋 刃优 点：与倒棱切削刃和钝圆切削刃相比：锋刃的钝圆半径很小，切

20、削刃比较锋利。适合作精加工和超精加工的切削刃，如超精铣削或超精镗削，以及精加工和半精加工轻金属及其合金。46八、刃口修磨形式 锋 刃缺 点：锋刃的强度和抗冲击性能较差，产生微小裂纹导致崩刃的可能性也较大。因此，对于精细切削和微量切削的刀具锋刃，都要求仔细刃磨和研磨，以获得小的切削刃钝圆半径，消除微小裂纹，提高刃口质量。切削刃钝圆半径在切削过程中随着磨损而有增大的趋势。采用锋刃切削时，一般应采用较小的进给量（0.050.l mm/r以下），以避免崩刃并减缓刃区裂纹的出现。47八、刃口修磨形式 倒 棱刃区剖面型式有锋刃型、倒棱型和钝圆切削刃型三种。倒棱是沿切削刃研磨出很窄的负前角棱面(又称第一前面

21、)，是增强刀刃强度的有效措施。倒棱可以兼顾切削刃的锋利和强度。锋刃刃口修圆刃口负倒棱刃口平棱负后角倒棱48在复杂应力状态下可能转化为积屑瘤，使切屑层同工件的分离面发生在刃前三角区的峰部。切屑仍沿着正前角的前面流出，切削力增大不明显，却使切削刃加强并受到三角区滞留金属的保护，刀具寿命明显提高。八、刃口修磨形式 倒 棱负倒棱前的金属滞留区当负倒棱面宽度和棱面前角选取合理时，在切削过程中，棱面上将形成滞留金属三角区。49进给量无论刃区取何参数，随进给量的增加，刀具寿命就下降，但下降的程度随参数值而异。对应于某个进给量值，总有一个使刀具寿命最高的倒棱参数值。一般精加工时 01 要小些；粗加工时，进给量

22、大， 01 要大些。用硬质合金刀具加工钢时，负倒棱宽度 b1 一般不宜超过进给量。这时，切削力与锋刃相比增大较小，b1 大于f 时，切削力将有明显增大趋势。当负倒棱宽度大于一定数值时，切屑流出时只和负倒棱部分接触，随即卷曲而去，根本不和具有正前角的前面接触，这时，负倒棱实际上即变成负前角的前面。 刃区倒棱参数的选择：主要取决于进给量、刀具材料和工件材料。50刀具材料用硬质合金车刀车削碳钢、合金钢时，一般可取 b1=(0.30.8) f，01= -10-15。对WC基硬质合金刀片，b1取小值；高速钢刀具强度和韧性较好，一般不磨负倒棱，必要时可研磨出零度或小前角正倒棱。刃区倒棱参数的选择：主要取决

23、于进给量、刀具材料和工件材料。51刃区倒棱参数的选择：主要取决于进给量、刀具材料和工件材料。工件材料 加工低碳钢、不锈钢、灰铸铁时，可取b1 0.5 f，01= -5-10；加工有硬皮的锻件和铸钢件时，在机床功率和刚度足够的条件下，倒棱负前角可减小到-30，当冲击严重时，负倒棱宽度可取 b1 =(1.52) f，但这时切削力增大较多。 52八、刃口修磨形式 钝圆切削刃特点：钝圆半径比锋刃增大了一定数值，它不但在提高切削刃强度方面获得和负倒棱同样的效果，而且比负倒棱更有利于消除刃区微小裂纹，使刀具获得最佳寿命。在切削过程中对已加工表面还有一定的熨压和消振作用，有利于提高已加工表面质量。经刃口钝化处理的可转位刀片和硬质合金涂层刀片就是采用了钝圆切削刃，已获得广泛应用。 是在负倒棱的基型上进一步修磨而成，或直接通过刀片钝化处理而成。53八、刃口修磨形式 钝圆切削刃钝圆切削刃的钝圆半径选择：主要取决于刀具材料、工件材料和切削条件三个方面