刀具几何参数的正交平面坐标系设计和应用

2023-06-24 理论教育版权反馈

【摘要】：而钻头、铣刀等旋转体类刀具的基面为通过切削刃上选定点，包含刀具轴线的平面。pr、ps和po构成正交平面坐标系，它是生产中最常用的一个坐标系，用以设计、计算和测量刀具的几何角度。

金属切削刀具种类繁多、形状各异，但就其切削部分而言，都可以视为从外圆车刀切削部分演变而来的。因此，以外圆车刀为例来介绍刀具工作部分的一般术语，这些术语也适用于其他金属切削刀具。1.车刀的组成

车刀由切削部分和刀柄两部分组成。切削部分由三个刀面、两个切削刃、一个刀尖组成，如图6-9所示。

（1）刀面刀面有前刀面A_γ、主后刀面A_α和副后刀面A_α′。

1）前刀面A_γ是刀具上切屑流过的表面。

2）主后刀面A_α是刀具上同前面相交形成主切削刃的后刀面。

3）副后刀面A′_α是刀具上同前刀面相交形成副切削刃的后刀面。

（2）切削刃切削刃是刀具前刀面上拟作切削用的刃，分主切削刃和副切削刃。

1）主切削刃S是起始于切削刃上主偏角为零的点，并至少有一段切削刃拟用来在工件上切出过渡表面的那个整段切削刃，它担负主要的切削工作。

图6-8 残留面积

图6-9 车刀的组成

2）副切削刃S′是切削刃上除主切削刃以外的刃，也是起始于主偏角为零的点，但它向背离主切削刃的方向延伸，它配合主切削刃完成少量的切削工作。

（3）刀尖刀尖是指主切削刃与副切削刃的连接处相当少的一部分切削刃。

2.刀具静止参考系平面

刀具静止参考系是指用于定义刀具设计、制造、刃磨和测量时几何参数的参考系。建立刀具静止参考系时，不考虑进给运动的影响，并假定车刀刀尖与工件的中心等高；安装时车刀刀柄的中心线垂直于工件的轴线。在这个刀具静止参考系中的刀具角度定义为静止角度。

刀具静止参考系是由参考平面组成的，如图6-10所示。

（1）基面p_r 过切削刃选定点的平面，它平行或垂直于刀具在制造、刃磨及测量时适合于安装或定位的一个平面或轴线，一般来说其方位要垂直于假定的主运动方向。

对于车刀，基面就是通过切削刃上选定点，并与刀杆底面相平行的平面。而钻头、铣刀等旋转体类刀具的基面为通过切削刃上选定点，包含刀具轴线的平面。

图6-10 刀具静止参考系平面

（2）主（副）切削平面p_s（p_s′）通过主（副）切削刃选定点，与主（副）切削刃相切并垂直于基面的平面。在无特殊情况下，切削平面就是指主切削平面。

（3）正交平面p_o 通过切削刃选定点并同时垂直于基面和切削平面的平面。

p_r、p_s和p_o构成正交平面坐标系，它是生产中最常用的一个坐标系，用以设计、计算和测量刀具的几何角度。

（4）法平面p_n 通过切削刃选定点并垂直于切削刃的平面。

（5）假定工作平面p_f 通过切削刃选定点并垂直于基面的平面，它平行或垂直于刀具在制造、刃磨及测量时，适合于安装或定位的一个平面或轴线，一般说来其方位要平行于假定的进给运动方向。

（6）背平面p_p 通过切削刃选定点并垂直于基面和假定工作平面的平面。

3.刀具的静止几何角度（图6-11）

（1）在基面内测量的角度

1）主偏角κ_r是主切削平面与假定工作平面间的夹角。κ_r只有正值。

2）副偏角κ′_r是副切削平面与假定工作平面间的夹角。κ′_r只有正值。

3）刀尖角ε_r是主切削平面与副切削平面间的夹角。ε_r只有正值。

ε_r、κr、κ′r满足下列关系式

图6-11 刀具的静止几何角度

ε_r=180°-（κ_r+κ′_r）

（2）在主切削刃正交平面内测量的角度

1）前角γ_o是前面与基面间的夹角。

2）后角α_o是后面与切削平面间的夹角。

3）楔角β_o是前面与后面间的夹角。β_o只有正值。

β_o、γ_o、α_o满足下列关系式

β=90°-（γ+α₀）

在副切削刃正交平面内也有类似的角度，它们是：

1）副前角γ′_o是前面与基面间的夹角。

2）副后角α′_o是副后面与副切削平面间的夹角。

（3）在主切削平面内测量的角度刃倾角λ_s是主切削刃与基面间的夹角。

对于普通外圆车刀来说，有六个基本角度，即：前角γ_o、后角α_o、主偏角κ_r、副偏角κ′_r、刃倾角λ_s和副后角α′_o。其余为派生角度，可由计算而得。

（4）前角、后角、刃倾角正负的规定如图6-12所示在正交平面（p_o-p_o）内，前面与切削平面之间的夹角小于90°时，前角为正；大于90°时，前角为负；等于90°时，也就是前面与基面重合时，前角为零。

当后面与基面夹角小于90°时，后角为正；大于90°时，后角为负。

车刀刃倾角的正负：相对车刀底面而言，当刀尖位于主切削刃的最高点时，刃倾角为正；反之，当刀尖位于切削刃的最低点时，刃倾角为负；当主切削刃和基面平行时，刃倾角为零度，如图6-13所示。

图6-12 车刀前、后角正、负的规定

图6-13 刃倾角正、负的规定

4.切削刃形状

在切削过程中，由于刀尖处强度低、散热条件差，较易磨损和崩刃。为了提高刀尖强度，增大散热面积，延长刀具寿命，可在主、副切削刃之间磨出过渡刃或修光刃。常用的过渡刃有直线刃和圆弧刃两种，如图6-14所示。

图6-14 过渡刃和修光刃形式

a）直线过渡刃 b）圆弧过渡刃 c）修光刃

图6-14a中直线过渡刃的偏角κ_rε，一般取κ_rε=κ_r/2；宽度b_ε=0.5～2mm。直线过渡刃主要用于粗加工、有间断冲击的切削和强力切削用的车刀、铣刀上。

图6-14b所示为圆弧过渡刃，其半径r_ε称为刀尖圆弧半径，一般不宜太大，否则可能会引起振动。r_ε一般根据刀具材料、加工工艺系统刚性或表面粗糙度要求来选择。

一般高速钢刀具的r_ε=0.2～5mm；硬质合金刀具的r_ε=0.2～2mm。

当过渡刃与进给方向平行时，偏角κ_r′_ε=0°，该过渡刃称为修光刃，如图6_-14c所示。它适用在大进给切削时，要求加工表面粗糙度值较小的情况。过渡刃宽度一般是进给量的1.2～1.5倍，与进给量有直接关系。过渡刃既可以增加刀具强度，又可以使刀具在加工中减小表面粗糙度值。

5.切削刃区的剖面形式

在刀具切削部分中，切削刃既要完成切除余量的工作，又要完成形成工件表面的任务。而此处的强度、散热条件差，切削力、切削热最集中，切削温度高，因此最易磨损。重视对切削刃区的研究，关系到切削加工效率、质量和成本。强化和精整切削刃区，能显著提高刀具寿命和加工表面质量。因此，针对不同的加工条件和技术要求来合理选择刃区形式及其合理参数值，是选择刀具合理几何参数的基本内容。

图6-15 切削刃区的剖面形式

a）锋刃 b）正前角平面带倒棱型 c）正前角曲面带倒棱型 d）消振棱

切削刃区的剖面形式常用的有：锋刃、负倒棱刃和消振棱刃等。

（1）锋刃如图6-15a所示，锋刃的形状简单，制造容易，刃口锋利。但刃口强度低，散热体积小，一般适用于单刃和多刃的精加工刀具。如成形刀具、铣刀、螺纹刀具和齿轮刀具等。

（2）前刀面负倒棱型前刀面负倒棱型可分为平面带倒棱型和曲面带倒棱型。

1）正前角平面带倒棱型如图6-15b所示。在主切削刃上磨出很窄的第一前刀面而形成的形式。负第一前面的主要作用是增强切削刃强度、改善散热条件和延长刀具寿命。这对于硬质合金刀具和陶瓷刀具，尤其是粗加工时，效果更为明显。

一般第一前刀面的参数为：用硬质合金刀具切削钢时，取b_γ1=（0.3～0.8）f、γ_o1=-5°～-10°；粗加工或带冲击振动的切削，取b_γ1=（0.3～0.8）f、γ_o1=-25°。

2）正前角曲面带倒棱型如图6-15c所示。为了使切屑便于折断和卷曲，在前刀面上磨出卷屑槽而形成正前角曲面型。为了能取较大前角，改善切削条件，增加刀具强度，再磨出负第一前刀面。常用于粗加工或半精加工塑性材料用的车刀。

（3）消振棱沿着切削刃磨出负后角的窄棱面，称为消振棱，如图6-15d所示。

它的主要作用是增强棱面与切削表面之间的摩擦，形成阻尼作用，以增加切削平稳性，避免产生振动。同时也增强了切削刃，适当改善了刃区的散热条件，可以延长刀具寿命。

这种刃区形式可用于切断刀、高速螺纹车刀和细长轴车刀。

消振棱参数值推荐如下：b_a1=0.1～0.3mm，α_o1=-5°～-10°。

6.前刀面形式

常见的前刀面形式有：卷屑槽、断屑槽等。选择合理的刀面形式及其参数对切屑的变形、卷曲和折断，对切削力、切削热、刀具磨损及刀具寿命有着直接影响。

刀具几何参数的正交平面坐标系设计和应用

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