金属切削过程的基本规律()

第2章金属切削过程的基本规律第4讲

刀具几何参数的合理选择机械制造技术基础2023/2/31山东大学机械工程学院李凯岭目的要求牢固掌握前角、前刀面、后角、主、副偏角的功用及选择原则；

一、前角及前刀面型式的选择二、后角的选择三、主副偏角及刀尖形状的选择四、刃倾角的功用及选择2023/2/32山东大学机械工程学院李凯岭2.5刀具几何参数的合理选择2023/2/33山东大学机械工程学院李凯岭刀具切削性能的影响因素：刀具材料刀具结构切削部分的几何参数2023/2/34山东大学机械工程学院李凯岭当刀具材料和刀具结构确定之后，刀具切削部分的几何参数对切削性能的影响十分重要。刀具几何参数影响到：切削力的大小、切削温度的高低、切屑的连续与碎断、加工质量的好坏以及刀具耐用度、生产效率、生产成本的高低等。刀具几何参数的合理选择是提高金属切削效益的重要措施之一。2023/2/35山东大学机械工程学院李凯岭刀具几何参数的选择原则：在保证加工质量的前提下，刀具耐用度高、生产效率高和生产成本要低。粗加工和半精加工时，主要考虑生产率和刀具耐用度。精加工时，主要考虑保证加工质量。刀具几何参数之间相互影响又相互联系。如选择大的前角可以减小切屑变形、降低切削力，但前角增大会使刀楔角减小，散热变差，刃口强度削弱，因此，应根据具体情况选取合理值。2023/2/36山东大学机械工程学院李凯岭2.5.1前角及前刀面型式的选择

1.前角的功用增大o，减小、Fr、Pm；增大o，改善刀接触面的摩擦状况，降低、刀具磨损，提高T增大o，减小或抑制积屑瘤，减少振动，改善加工表面质量。o太大时，使刀楔角减小，散热条件和刃口强度削弱，T反而下降。2023/2/37山东大学机械工程学院李凯岭在一定切削条件下，存在一个刀具耐用度最大的前角值即合理前角opt。图3-32和图3-33分别为加工不同材料时刀具的合理前角及不同刀具材料的合理前角。2023/2/38山东大学机械工程学院李凯岭加工不同材料时刀具的合理前角不同刀具材料的合理前角2023/2/39山东大学机械工程学院李凯岭2.前角的选择合理前角选择原则：取决于工件材料和刀具材料的种类和性质。(1)

工件材料塑性越高，opt越大，塑性越低，opt越小。原因：切塑性高材料时，增大o可减小、Fr、刀具磨损；切脆性材料时，产生崩碎切屑，Fr集中在切削刃附近，o对影响不大，又为防止崩刃应选较小o；2023/2/310山东大学机械工程学院李凯岭(2)工件材料硬度、强度低时，切削力、切削温度较低，可较大o；工件材料硬度、强度高时，切削力、温度较高，为保证刃口强度、增大散热面积，应较小o。(3)刀具材料强度和冲击韧性越高，opt越大；刀具材料强度低、韧性低，则opt越小。2023/2/311山东大学机械工程学院李凯岭(4)按加工条件选择：粗加工：Fr大（断切时冲击大），opt应小；精加工：Fr小，要求刃口锋利，opt应大；工艺系统刚性较差或机床功率小时，opt应大；自动机床加工刀具，opt应小，以提高切削性能的稳定性和尺寸耐用度2023/2/312山东大学机械工程学院李凯岭3.前刀面型式的选择常见前刀面型式2023/2/313山东大学机械工程学院李凯岭(1)正前角平面型（图a）最基本型式，制造简单，刃口锋利，但刃口强度差；常用于精加工，卷屑、断屑性能差。2023/2/314山东大学机械工程学院李凯岭(2)带倒棱正前角平面型（图b）增强了刀刃强度；用于脆性高的刀具如陶瓷、硬质合金，可用于断切；负倒棱宽度b1=(0.30.8)f。粗加工取大值，精加工取小值；负倒棱前角01=-5-10（硬质合金）。a型沿切削刃磨出窄负倒棱。2023/2/315山东大学机械工程学院李凯岭(3)正前角曲面带倒棱型（图c）b型沿切削刃磨出曲面形成。曲面起卷屑作用，增大前角，改善切削条件；用于粗加工、半精加工塑性材料。2023/2/316山东大学机械工程学院李凯岭(4)负前角单平面型（图d）硬质合金、陶瓷刀具切削高强度、高硬度或淬火钢或带硬皮材料，及有冲击的粗加工等场合；特点：抗冲击能力强。2023/2/317山东大学机械工程学院李凯岭(5)负前角双平面型（图e）用于磨损发生在前、后刀面时，为减少前刀面刃磨面积，充分利用刀片材料；一重前刀面的宽度应保证切削作用（足够的刃口强度），可用于强力切削。2023/2/318山东大学机械工程学院李凯岭2.5.2前刀面与切屑控制危害：缠绕工件或刀具（切钢时），划伤工件、损坏刀具；切屑碎片（切铸铁时）四处飞溅，影响安全。切屑的控制是生产的关键：在高速切削中；在自动化加工中。研究切屑的控制（卷、断屑）方法和机理非常重要。2023/2/319山东大学机械工程学院李凯岭1.切屑的形状带状屑、C型屑、崩碎屑、螺卷屑、长紧卷屑、宝塔状屑、发条状屑等。

2023/2/320山东大学机械工程学院李凯岭2023/2/321山东大学机械工程学院李凯岭2023/2/322山东大学机械工程学院李凯岭带状屑切削平稳，希望得到。但连绵不断，缠绕工件、刀具，从而损坏之。故常将其转变成螺卷屑或长螺卷屑，易清理。C型屑对数控机床和自动线生产较佳，但频繁碰撞工件、刀具，产生振动，影响粗糙度。2023/2/323山东大学机械工程学院李凯岭发条状卷屑重型机床采用大ap和f得到（便于清理、安全）。宝塔状切屑自动化生产中希望得到，清理方便。螺状断屑用波形刃车刀加工脆性金属（铸铁、脆黄铜等），使切削平稳，提高加工质量。2023/2/324山东大学机械工程学院李凯岭2.卷屑机理卷屑机理在切屑流出时，受到额外作用力而发生附加变形弯曲。(1)自然卷曲机理切屑沿正前角平面型前刀面流出时，v不很高时，切屑往往自行卷曲。(2)卷屑槽卷屑机理前刀面上磨出卷屑槽或选择带卷屑槽的刀片（可转为刀具），当切屑流出并受到卷屑槽附加力后发生卷曲。2023/2/325山东大学机械工程学院李凯岭3.断屑机理：切屑在切削过程中受到较大变形（基本变形）后，其硬度提高，塑性降低，性质变脆（为切屑的折断创造了条件）；切屑流出时，受到卷屑槽或断屑台的阻挡，再次产生变形（附加变形），进一步脆化，当它碰到后刀面或工件的过渡表面时即可折断。2023/2/326山东大学机械工程学院李凯岭2.5.3后角的选择

1.后角功用后角大小影响到后刀面与工件加工表面之间（刀工接触区）的摩擦，影响刀楔角大小，也影响刃口强度、散热面积。2023/2/327山东大学机械工程学院李凯岭功用：增大o，可以减少刀具的磨损（原因：减小了加工表面上由于弹、塑性变形产生的弹性恢复层与后刀面的接触长度），提高加工表面质量。增大o，楔角减小，刃口半径r减小，刃口锋利，易切入工件，减小变质层深度。但o，楔角，散热条件变差，刃口强度削弱，T或刀具破损。增大o，在VB相同时，达到磨钝标准磨去金属体积多，刀具耐用度高；但在NB相同时，则允许磨去金属体积少，刀具（尺寸）耐用度低。

2023/2/328山东大学机械工程学院李凯岭后角的大小对刀具材料磨损体积的影响a)VB一定b)NB一定2023/2/329山东大学机械工程学院李凯岭2.后角的选择选择原则：根据切削厚度ac（或按粗、精加工）。精加工：ac小，主要是后刀面磨损，为刃口锋利，应较大o；粗加工：ac大，Fr、高，为提高刃口强度、改善散热，应较小o工件材料强度、硬度高：宜选小o（原因：提高刃口强度、改善散热）；工件材料塑性大：宜选大o（原因：易加工硬化，后刀面摩擦对刀具磨损和加工表面质量影响较大，故大o）；2023/2/330山东大学机械工程学院李凯岭工艺系统刚性差：为防止振动宜选小的o，甚至磨出消振棱（o1<0，原因：增加后刀面与加工表面的接触面积，可产生同振动位移方向相反的摩擦阻力，从而减小振动）。消振棱车刀2023/2/331山东大学机械工程学院李凯岭零件尺寸精度要求高：宜选择较小o副后角的功用与主后角相同，如车刀其副后角与主后角值相同，为4～6切断刀和切槽刀受结构强度影响，只能取得很小1～2。

切断刀的副后角和副偏角2023/2/332山东大学机械工程学院李凯岭2.5.3主、副偏角及刀尖形状的选择

主偏角、副偏角、刀尖形状的共同点：影响刀尖强度、散热面积、热容量、刀具耐用度、已加工表面质量。2023/2/333山东大学机械工程学院李凯岭1．主偏角的功用Kr减小，r增大，刀尖强度提高，散热体积增大，刀具耐用度提高；Kr减小，aw增大，ac减小，增大切削刃工作长度，单位切削刃的负荷小，有利于提高刀具耐用度；Kr减小，使Fy（切深抗力）增大，易引起振动和使工件弯曲变形（如加工细长轴类零件），降低加工精度；Kr影响切屑形状、流出方向、断屑性能；2023/2/334山东大学机械工程学院李凯岭Kr减小，加工表面残留面积高度减小，降低粗糙度；主偏角较小的刀具在切入时，最先与工件接触处是远离刀尖的地方，而不是像Kr

＞90时那样在刀尖处，也不会像Kr

=90时那样，主切削刃参加切削部分同时切入工件，因而可减少因切入冲击而造成的刀尖损坏。2023/2/335山东大学机械工程学院李凯岭（书中无此图）其中，硬质合金的曲线是工艺系统较低的情况由上图可知，从刀具耐用度出发，刀具的主偏角理应是小些为好。主偏角对刀具耐用度的影响2023/2/336山东大学机械工程学院李凯岭2．主偏角的选择工件材料强度、硬度高：选较小Kr，增大刀尖强度、散热体积、减小单位切削刃负荷；硬质合金刀具粗加工和半精加工：选较大Kr，有利于减少振动（降低Fy）和容易断屑（切屑弯向待加工表面）。主偏角对切削力的影响2023/2/337山东大学机械工程学院李凯岭工艺系统刚性好：选较小Kr，提高刀具耐用度（原因：r增大，刀尖强度提高，散热体积增大）；加工细长轴（刚性差），Kr90，以减小径向力Fy

另外，有主偏角特殊要求的刀具，主偏角有90偏刀（车阶梯轴），45倒角车刀（同一把刀加工外圆、端面、倒角）等。2023/2/338山东大学机械工程学院李凯岭3.副偏角功用及选择Kr功用与Kr基本相同。Kr选择原则：已加工表面Ra要求小：选小Kr，有时磨出修光刃（Kr=0)工艺系统刚性差：Kr不宜太小，以不致引起振动为原则；切断、切槽刀：由于结构强度因素，一般Kr取1～3。修光刃2023/2/339山东大学机械工程学院李凯岭4.刀尖形状及尺寸选择刀尖的形状及尺寸：对刀具的耐用度、加工表面质量、刀尖强度有很大影响。

原因：刀尖处散热条件不好、强度差、切削温度高、易磨损。2023/2/340山东大学机械工程学院李凯岭切削部几何形状2023/2/341山东大学机械工程学院李凯岭1．圆弧过渡刃r（减小Kr）可提高刀具耐用度、强度、降低Ra；r太大（Kr小），则Fy大，会引起振动；硬质合金刀具r=0.1～1.0mm。2023/2/342山东大学机械工程学院李凯岭2．直线过渡刃硬质合金刀具粗加工时，为了减少径向力Fy和振动，又要保证刀尖强度和散热条件，应采用直线过渡刃；一般情况下，Kre0.5Kr，b=0.5～2mm（宽度）或b=(1/4～1/5)ap切断刀r1/4B（B是主切削刃宽度，切断刀有两条副切削刃）；过渡刃后角与主切削刃后角相同。2023/2/343山东大学机械工程学院李凯岭2.5.4刃倾角的功用及选择

1.刀倾角的功用刃倾角和前角决定：前刀面的倾斜状况。刃倾角功用：(1)控制切屑流出方向

刃倾角对排屑方向的影响2023/2/344山东大学机械工程学院李凯岭s=0时，切屑在前刀面上近似沿主切削刀的法线方向流出。s<0时，切屑流向已加工表面；s>0时，切屑流向过渡表面。据此，可控制切屑的流向。2023/2/345山东大学机械工程学院李凯岭(2)影响切削刃锋利程度当λs≠0°时，切屑在前刀面上流出方向与切削刃法线呈一夹角ψλ

(凯帕)，ψλ角称为流屑角。在流屑剖面内，实际刀尖钝圆半径rβe<rβ，因此，切削刃锋利性增大，对微量切削很有利。图2-43表示|λs|对实际刀尖钝圆半径的影响情况2023/2/346山东大学机械工程学院李凯岭图为s对实际刃口半径影响情况，可见，s越大，re越小。刃倾角对实际刃口钝圆半径的影响2023/2/347山东大学机械工程学院李凯岭(3)影响切削刃切入时接触点的变化当s＜0时，切入时离刀尖较远的切削刃上的点先接触工件（断续切削时，希望第一接触点不要发生在刀尖位置，所以应使s＜0）s=0时，切削刃同时接触工件；s>0时，刀尖先接触工件。

刃倾角对切削刃冲击点的影响2023/2/348山东大学机械工程学院李凯岭(4)影响切入切出时平稳性s=0时，切削刃同时切入、切出工作，切削力大，切削有冲击现象s0时，切削刃逐渐切入、切出工件，切削平稳。2023/2/349山东大学机械工程学院李凯岭(5)影响切削分力比值以外圆车刀为例，s由10变化到-45时，Fy增加约一倍，Fx减少到三分之一。2023/2/350山东大学机械工程学院李凯岭(6)影响切削刃工作长度当s绝对值越大时，ap不变，切削刃工作长度越长，单位切削刃负荷越小，有利于提高刀具耐用度。2