机械制造技术基础 第二版 §3.7 刀具几何参数的选择

§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、αo、Kr、Kr`、λs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5º--10º。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，ro＝10º一20º；加工软钢时，ro＝20º一30º；加工铝合金时ro＝30º一35º。例如，用硬质合金车刀加工强度很高的钢(σb>0.8GPa—1.2GPa)或硬度很高的淬硬钢,有时需要采用负前角(-5º---20º)。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5º一15º。

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10º-20º。

(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0º一5º;对硬质合金刀具取-5º---10º。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(f≤0.2mm／r)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rn＜f/3;轻型钝圆rn＝0.02mm—0.03mm；中型钝圆rn＝0.05mm—0.1mm；重型钝圆(用于重型切削)rn＝0.15mm。

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αopt

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