第十章-刀具合理几何参数的选择

刀具几何参数包括：角度、刀面形式、切削刃形状等。它们对切削时金属的变形、切削力、切削温度、刀具磨损、已加工表面质量等都有明显的影响。所谓合理几何参数，是指在保证加工质量的前提下，能够获得最高刀具耐用度，从而达到提高切削效率，降低生产成本的目的。第十章刀具合理几何参数的选择2021/4/91确定参数时的一般原则是：

(1)

考虑刀具材料和结构。刀具材料有高速钢、硬质合金等；而刀具结构有整体、焊接、机夹、可转位等。

(2)考虑工件的实际情况。如材料的物理机械性能、毛坯情况(铸、锻等)、形状、材质等。

(3)

了解具体加工条件。如机床、夹具情况，系统刚性、粗或精加工、自动线等。

(4)

注意几何参数之间的关系。如选择前角，应同时考虑卷屑槽的形状、是否倒棱、刃倾角的正、负等。

(5)处理好刀具锋锐性与强度、耐磨性的关系。在保证具有足够强度和耐磨性的前提下，力求刀具锋锐；在提高刀具锋锐性的同时，设法强化刀尖和刃区等。2021/4/92

一、前角γo的功用及选择

1、作用

①影响切削区的变形、力、温度、功率消耗等。②影响刀具耐用度，切削刃强度、散热条件等有关。③改变切削刃受力性质。如+γo受弯；-γo受压。④影响切屑形态、断屑效果，如小的γo，切屑变形大，易折断。⑤影响已加工表面的质量，主要是通过积屑瘤、鳞刺、振动等因素产生影响。10.1前角及前刀面形状的选择2021/4/93图γo为正或负时的受力情况(a)正前角;(b)负前角

2021/4/94显然γo大或小，各有利弊。如γo大，切削变形小，可降低温度,但刀具散热条件差，温度可能上升;γo小，甚至负值，如切削硬材料时，虽可改善散热条件，使温度下降，但因变形严重、热量多，反而使温度上升。2021/4/95

2、选择

在一定条件下，γo必有一个合理值γoPt。这里所说的γoPt是指保证最大耐用度的γo，在某些情况下未必是最适宜的。如出现振动，为减振或消振，有时仍需增大γo；在精加工时，考虑到加工精度和粗糙度，也可能重新选择适宜的γo。

①依据刀具材料：抗弯强度低、韧性差、脆性大且忌冲击、易崩刃的，取小的γo。陶瓷刀具前角<硬质合金刀具前角<高速钢刀具前角2021/4/96

②依据工件材料：钢料，塑性大，切屑变形大，与刀面接触长度长，刀屑间压力、摩擦力均大，为减小变形与摩擦，宜取较大的γo；铸铁，脆性大，切屑是崩碎的，集中于切削刃处，为保证有较好的切削刃强度，γo宜取得比钢小。用硬质合金刀加工钢，常取γo≈10°～20°；加工铸铁，常取γo≈5°～15°。材料的强度、硬度高时，宜取小γo;特硬的，如淬硬钢，γo应更小，甚至取-γo，以使刀片处在受压的工作状态，这是因为硬质合金的抗压强度比抗弯强度高3～4倍。2021/4/97图10－1、2γo的合理值γoPt

(a)不同刀具材料;(b)不同工件材料2021/4/98③考虑具体的加工条件：

粗加工，特别是断续切削，或有硬皮时,如铸、锻件，γo可小些；但在需强化切削刃或刀尖时，γo可适当加大；工艺系统刚性差、机床功率不足时，γo应大些，减小切削力和振动；

成形刀具，如成形车刀、铣刀，为防止刃形畸变，可取γo＝0°；

数控机床、自动机或自动线上用的刀具，考虑应有较长的刀具耐用度及工作稳定性，常取较小的γo。2021/4/99二、倒棱及其参数的选择

如图所示，倒棱是防止因γo增大削弱切削刃强度的一种措施。在用脆性大的刀具材料，粗加工或断续切削时，对减小刀具崩刃，提高刀具耐用度效果显著(可提高1～5倍)。

宽度br1不可太大，应保证切屑仍沿正前角γo的前刀面流出。br1的取值与进给量有关，常取br1≈(0.3～0.8)f，精加工取小值，粗加工取大值；倒棱前角γo１：高速钢刀具γo1=0°～5°，硬质合金刀具γo1=-5°～－10°。对于进给量很小(f≤0.2mm／r)的精加工刀具，切屑很薄，为使切削刃锋利，不宜磨出倒棱。

2021/4/910图

前刀面上的倒棱

2021/4/911采用切削刃钝圆，也是增强切削刃、减少刀具破损的有效方法，可使刀具耐用度提高约200%；断续切削时，适当加大rβ值，可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，可减小已加工表面的粗糙度。

一般情况下，常取rβ<f／3。轻型钝圆rβ＝0.02～0.03mm；中型钝圆rβ＝0.05～0.1mm；用于重切削的重型钝圆rβ＝0.15mm。2021/4/912图

切削刃钝圆

2021/4/913三、带卷屑槽的前刀面形状

加工韧性材料时，为使切屑卷成螺旋形或折断成C形，使之易于排出和清理，常在前刀面磨出卷屑槽，其槽形有直线圆弧形、直线形、全圆弧形三种不同形式。

直线圆弧形的槽底圆弧半径Rn和直线形的槽底角对切屑的卷曲变形有直接的影响，较小时，切屑卷曲半径较小、切屑变形大、易折断；但过小时又易使切屑堵塞在槽内，增大切削力，甚至崩刃。一般条件下，常取Rn＝(0.4～0.7)Ｗn；槽底角取110°～130°。这两种槽形较适于加工碳素钢、合金结构钢、工具钢等，一般γo为5°～15°。

全圆弧形可获得较大的前角，且不致使刃部过于削弱，较适于加工紫铜、不锈钢等高塑性材料，γo可增至25°～30°。2021/4/914卷屑槽宽Wn愈小，切屑卷曲半径愈小，切屑愈易折断；但太小，切屑变形很大，易产生小块的飞溅切屑，也不好。过大的Wn也不能保证有效地卷屑或折断。一般根据工件材料和切削用量决定，常取Wn＝(1～10)f。2021/4/915一、主后角αo：正交平面内，后刀面与切削平面之间的夹角。1、作用:VB不变，αo增大，允许磨去的金属多，表明刀具耐用；但NB加大，影响工件尺寸精度。

αo增大，楔角βo减小，rβ也减小，切削刃锋锐，易切入，工件表面的弹性恢复减小，从而减小了后刀面与已加工表面的摩擦，减小了后刀面的磨损，有利于提高表面质量和刀具耐用度。但太大的αo将显著削弱刀头强度，使散热条件恶化而降低刀具耐用度；并使重磨量和时间增加，提高了磨刀费用。10.2后角的选择2021/4/916图αo对刀具磨损量的影响2021/4/9172、选择

切削时同样存在着一个合理的αoPt。αoPt随γo的减小而增大；也因刀具材料不同而改变，硬质合金的γo小于高速钢，rβ大于高速钢，所以αoPt大于高速钢(如图所示)。

2021/4/918根据切削厚度ac(进给量f)进行选择：

粗加工、强力切削及承受冲击的刀具，要求切削刃强固，宜取较小的αo；

精加工时，ac小，磨损主要发生在后刀面，加以rβ的影响，为减小后刀面磨损和增加切削刃的锋锐性，应取较大的αo。通常，f>0.25mm／r时，取αo＝5°～8°；f≤0.25mm／r时，取αo=10°～12°。根据工件材料进行选择：

强度、硬度高时，为加强切削刃强度，应取较小的αo；材质软，塑性大，易产生加工硬化时，为减小后刀面摩擦，宜取较大的αo；脆性材料，应力集中在刀尖处，可取小的αo；特硬材料在γo为负值时，为造成较好的切入条件，应加大αo。2021/4/919根据具体加工条件进行选择：

工艺系统刚性差时，易出现振动，所以应适当减小αo；为减振或消振，还可在后刀面上磨出bα1＝0.1～0.2mm、αo1＝0°的刃带或bα1＝0.1～0.3mm，αo1=-5°～10°的消振棱。对于尺寸精度要求较高的刀具，如拉刀，宜取较小的αo，因为当NB为定值时，αo小，所允许磨去金属量多，刀具可连续使用的时间较长。

2021/4/920图

后刀面的消振棱

2021/4/921图

αo对磨去量的影响（NB一定时）

2021/4/922切断刀因进给量关系，使近中心处工作后角减小，αo应取的比外圆车刀大，常取αo=10°～12°；车削大螺距的右旋螺纹时，也因走刀关系，务必使左切削刃的后角磨的比右切削刃的后角大。2021/4/923二、副后角αo′：副正交平面内，副后刀面与副切削平面之间的夹角。

一般取αo′=αo。惟切断刀、切槽刀、锯片等的αo′，因受其结构强度限制，只允许取小的αo′，如１°～2°。2021/4/924一、主偏角κr：基面上，主切削刃的投影与进给方向的夹角。

1、作用（1）当背吃刀量和进给量不变时，κr值影响残留面积高度：κr减小时，残留面积高度减小。（2）影响切削层横截面形状：κr减小ac减小，aw增大，作用主切削刃长度增加，单位长度切削刃上的负荷减轻，刀尖角εr增大，提高刀尖强度，改善散热条件，提高刀具耐用度。10.3主、副偏角及刀尖形状的选择2021/4/925（3）影响切削力的比值：κr减小时，径向分力Fy增大，切削时挠度增大，工艺系统刚性差时，易引起振动，影响加工精度。（4）影响排屑方向和断屑效果：增大κr，ac增大，切屑窄厚，易折断。（5）影响刀片许可的最大背吃刀量：κr大时，许可的背吃刀量大。κr小于90°时，切削刃最先与工件接触的在远离刀尖处，可减小因切入冲击而造成的刀尖损坏。2021/4/926κr对一些参数的影响

2021/4/9272、选择

据加工性质：κr大，ac大，切削变形小，切削力小，可减振，但散热条件差，影响刀具耐用度。综合结果：用硬质合金刀粗加工或半精加工时，常取κr＝75°；

精加工时，为减小残瘤面积高度，提高工件表面质量，κr应尽量小。

据工件材料：硬度、强度大的，如冷硬铸铁、淬火钢等，为减轻单位切削刃上的负荷，改善刀头散热条件，提高刀具耐用度，在工艺系统刚性较好时，宜取小的κr。κr

＝10°

～30°

2021/4/928

据加工情况：工艺系统刚性差时，如工件长度与直径之比大于12的细长轴的加工，应选大的κr，甚至取κr＝90°～93°，以使Fy下降并消振；需中间切入的、仿形车等，可取κr=45°～60°；阶梯轴的加工:κr≥90°；单件、小批量生产时，考虑到一刀多用(车外圆、端面、倒角)，宜取通用性好的κr=45°或90°车刀。2021/4/929二、副偏角κr′1、作用

工件已加工表面靠副切削刃最终形成，κr′值影响刀尖强度、散热条件、刀具耐用度、振动和已加工表面的质量等。2、选择粗加工时，考虑到刀尖强度、散热条件等，κr′不宜太大，可取10°～15°。

精加工时，在工艺系统刚性较好、不产生振动的条件下，考虑到残留面积高度等，κr′应尽量的小，可取5°～10°。2021/4/930图

修光刃

2021/4/931

切断刀、锯片等，因受结构、强度限制，并考虑到重磨后刃口宽度变化尽量小，宜选用较小的κr′，一般仅1°～2°。有时，为了提高已加工表面质量，生产中还使用κr′=0°的带有修光刃的刀具，其宽度bε应大于进给量f：车刃bε=(1.2～1.3)f；硬质合金端铣刀bε=(4～6)f，此时，工件上的理论残留高度已不存在。对于车刀，使用时应注意：修光刃必须确保在水平线上与工件轴线平行，否则将得不到预期的效果。实践表明：这种车刀在f=3～3.5mm／r时还能得到粗糙度为Ra10～5μm的表面；而用κr′>0°的普通车刀，要得到同样的粗糙度，f几乎要减小到1/10。2021/4/932

三、刀尖形状及尺寸的选择1、圆弧形过渡刃。刃磨较难，但可减小已加工表面粗糙度，较适用于精加工。rε值与刀具材料有关：高速钢，rε=1～3mm；硬质合金、陶瓷刀rε略小，常取0.5～1.5mm。这是因为rε大时，Fy也大，工艺系统刚性不足时，易振，而脆性刀具材料对此反应较敏感。2、直线形过渡刃。为增强刀尖强度和改善散热条件，常将其做成直线形或圆弧形的过渡刃，直线形过渡刃，刃磨较容易，一般适于粗加工，常取

bε=0.5～2mm或2021/4/933图

刀尖形状

2021/4/934刃倾角λs：切削平面Ps内，主切削刃与基面Pr的夹角。

一、作用1、控制切屑流出方向。λs=0°时，即直角非自由切削，主切削刃与基面重叠，切屑在前刀面上近似沿垂直于主切削刃的方向流出；λs≠0°时，即斜角非自由切削，主切削刃不在基面上。λs为负值时，切屑流向与vf方向相反，可能缠绕、擦伤已加工表面，但刀尖强度较好，常用在粗加工；λs为正值时，切屑流向与vf方向一致，保护了已加工表面，但刀尖强度较差，适用于精加工。10.4刃倾角的选择2021/4/935图

λs对切屑流出方向的影响

2021/4/9362、影响刀尖强度及继续切削时切削刃上受冲击的位置

如图所示。+λs时(双点划线部分)，首先接触工件，受冲击的是刀尖,容易崩刀；-λs时(实线部分)，首先接触工件的是离刀尖较远的切削刃，保护了刀尖，较适于粗加工，特别是冲击较大的加工。

2021/4/9373、影响切削刃参加工作的长度和切削时的平稳性

如图所示。λs＝0°时，aw=ap,切削刃切入、切出时与切削力有关的切削面积的增加、减小是瞬时的，波动大；λs≠0°时，aw＞ap，单位切削刃上的切削负荷小，切削面积是从切入时由小至大到切出时由大至小逐渐变化，切削比较平稳。2021/4/9384、改变Fx、Fy的比值。

参见图可知，当-λs的绝对值增大时，Fy增加得很快，将导致工件变形和引起振动。显然，非自由切削时不宜选用过大的-λs。5、影响切削刃的锋锐性。

因λs改变了流屑方向，切削时起作用的前角应是流屑剖面内的工作前角γoe，它与λs、γn的关系为sinγoe≈sinγncos2λs+sin2λs

计算表明：当λs＝15°、γn＝10°，γo＝21°时，γoe过27°；γn不变，λs增至60°时，γoe可增至55°，这对改善切削过程是极为有利的。2021/4/939λs对切削力的影响

2021/4/940刃倾角的作用①影响刀刃锋利性.λs↑→γ0e↑、rn↓→↑锋利性

②负刃倾角→刀头强度↑散热体积↑

③负刃倾角→Fy↑→变形↑，易振动→Ra↑

④正λs切屑流向待加工表面，负λs切屑流向已加工表面

在一定条件下，存在一合理值2021/4/941二、选择1、刃倾角的选择原则①粗加工、有冲击、刀材脆、工材强度硬度高，λs取负值；