刀具几何参数的选择技巧与方法

2023-06-29 理论教育版权反馈

【摘要】：各参数之间存在着相互依赖、相互制约的作用，因此应综合考虑各种参数以便进行合理的选择。虽然刀具材料的优选对于切削过程的优化具有关键作用，但是，如果刀具几何参数的选择不合理也会使刀具材料的切削性能得不到充分的发挥。在保证加工质量的前提下，能够满足刀具使用寿命长、生产效率高、加工成本低的刀具几何参数，称为刀具的合理几何参数。

刀具几何参数可分为两类，一类是刀具角度参数，另一类是刀具刃型尺寸参数。各参数之间存在着相互依赖、相互制约的作用，因此应综合考虑各种参数以便进行合理的选择。虽然刀具材料的优选对于切削过程的优化具有关键作用，但是，如果刀具几何参数的选择不合理也会使刀具材料的切削性能得不到充分的发挥。

在保证加工质量的前提下，能够满足刀具使用寿命长、生产效率高、加工成本低的刀具几何参数，称为刀具的合理几何参数。

1.选择刀具几何参数应考虑的因素

（1）工件材料。要考虑工件材料的化学成分、制造方法、热处理状态、物理和机械性能（包括硬度、抗拉强度、延伸率、冲击韧性、导热系数等），还有毛坯表层情况、工件的形状、尺寸、精度和表面质量要求等。

（2）刀具材料和刀具结构。除了要考虑刀具材料的化学成分、物理和机械性能（硬度、抗拉强度、冲击值、耐磨性、热硬性和导热系数）外，还要考虑刀具的结构形式，如是整体式，还是焊接式或机夹式。

（3）具体加工条件。考虑机床、夹具的情况，工艺系统刚性及功率大小，切削用量和切削液性能等。一般地说，粗加工时，着重考虑保证最大的生产率；精加工时，主要考虑保证加工精度和已加工表面的质量要求；对于自动线生产用的刀具，主要考虑刀具工作的稳定性，有时要考虑断屑问题；当机床刚性和动力不足时，刀具应力求锋利，以减少切削振动。

2.刀具角度的选择

（1）前角及前刀面的选择

①前刀面形式。前刀面形式有平面形、曲面形和带倒棱形三种（见图2-25）。

平面形前刀面：制造容易，重磨方便，刀具廓形精度高。

曲面形前刀面：起卷刃作用，并有助于断屑和排屑，故主要用于粗加工塑性金属刀具和孔加工刀具，如丝锥、钻头。

带倒棱形前刀面：是提高刀具强度和刀具耐用度的有效措施。

②前角的作用。前角影响切削过程中的变形和摩擦，同时又影响刀具的强度。

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图2-25　前刀面形式

（a）平面形；（b）曲面形；（c）带倒棱形

前角γo 对切削的难易程度有很大影响。增大前角能使刀刃变得锋利，使切削更为轻快，并减小切削力和切削热。前角的大小对表面粗糙度、排屑和断屑等也有一定影响。增大前角还可以抑制积屑瘤的产生，改善已加工表面的质量。但前角过大，刀刃和刀尖的强度下降，刀具导热体积减小，影响刀具使用寿命。因此刀具前角存在一个最佳值γopt，通常称γopt 为刀具的合理前角，如图2-26所示。

③前角的选择原则。在刀具强度许可的条件下，应尽可能选用大的前角。

工件材料的强度、硬度低，前角应选得大些，反之应选得小些（如有色金属加工时，选前角较大）。

刀具材料韧性好（如高速钢），前角可选得大些，反之应选得小些（如硬质合金）。

精加工时，前角可选得大些；粗加工时应选得小些。表2-7给出了硬质合金车刀合理前角的参考值。

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图2-26　刀具的合理前角

表2-7　硬质合金车刀合理前角、后角的参考值（°）

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续表

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（2）后角和后刀面的选择。

①后角的作用。后角αo 的主要作用是减小后刀面与工件间的摩擦和后刀面的磨损，其大小对刀具耐用度和加工表面质量都有很大影响。后角同时又会影响刀具的强度。

②后角的选择原则。增大后角，可减小刀具后刀面与已加工表面的摩擦，减小刀具磨损，还可使切削刃钝圆半径减小，刀尖锋利，提高工件表面质量。但后角太大，会使刀楔角显著减小，削弱切削刃的强度，使容热体积减小、散热条件变差，降低刀具耐用度。因此，后角也存在一个合理值。粗加工以确保刀具强度为主，可在4°～6°范围内选取；精加工以加工表面质量为主，常取8°～12°。

一般来说，切削厚度越大，刀具后角越小；工件材料越软，塑性越大，后角越大；工艺系统刚性较差时，应适当减小后角（切削时起支承作用，增加系统刚性并起消振作用）；工件尺寸精度要求较高时，后角宜取小值。

表2-7给出了硬质合金车刀合理后角的参考值。

③后刀面的形式。后刀面的形式有双重后面、消振棱和刃带。

a.双重后面。为保证刃口强度，减少刃磨后面的工作量，常在车刀后面磨出双重后角，如图2-27（a）所示。

b.消振棱。为了增加后刀面与过渡表面之间的接触面积，增加阻尼作用，消除振动，可在后刀面上刃磨出一条有负后角的倒棱，称为消振棱，如图2-27（b）所示。其参数为bα1=0.1～0.3 mm，αo1=-5°～-20°。

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图2-27　后刀面形式

c.刃带。对一些定尺寸刀具（如钻头、绞刀等），为便于控制刀具尺寸，避免重磨后尺寸精度的变化，常在后面上刃磨出后角为0°的小棱边，称为刃带，如图2-27（c）所示。刃带形成一条与切削刃等距的棱边，可对刀具起稳定、导向和消振作用，延长刀具的使用时间。刃带不宜太宽，否则会增大摩擦作用。刃带宽度bα=0.02～0.03 mm。

（3）主偏角和副偏角的选择。

①主偏角和副偏角的作用：

a.影响已加工表面的残留面积高度。减小主偏角和副偏角可以减小已加工表面粗糙度值，特别是副偏角对已加工表面粗糙度影响更大。

b.影响切削层形状。主偏角直接影响切削刃工作长度和单位长度切削刃上的切削负荷。在切削深度和进给量一定的情况下，增大主偏角，切削宽度减小，切削厚度增大，切削刃单位长度上的负荷随之增大。因此，主偏角直接影响刀具的磨损和使用寿命。

c.影响切削分力的大小和比例关系。增大主偏角可减小背向力Fp，但增大了进给力Ff。同理，增大副偏角，也可使Fp 减小。而Fp 的减小有利于减小工艺系统的弹性变形和振动。

d.影响刀尖角的大小。主偏角和副偏角共同决定了刀尖角εr，故直接影响刀尖强度、导热面积和容热体积。

e.影响断屑效果和排屑方向。增大主偏角，切屑变厚变窄，容易折断。

②主偏角的选择。主偏角的大小影响刀具耐用度、背向力与进给力的大小。减小主偏角能提高刀刃强度、改善散热条件，并使切削层厚度减小、切削层宽度增加，减轻单位长度刀刃上的负荷，从而有利于提高刀具的耐用度；而加大主偏角，则有利于减小背向力，防止工件变形，减小加工过程中的振动和工件变形。主偏角的选择原则是在保证表面加工质量和刀具耐用度的前提下，尽量选用较大值。

工艺系统指切削加工时由机床、刀具、夹具和工件所组成的统一体。加工细长轴时，工艺系统刚度差，应选用较大的主偏角，以减小背向力。加工强度、硬度高的材料时，切削力大，工艺系统刚度好时，应选用较小的主偏角，以增大散热面积，提高刀具耐用度。主偏角的选择可参考表2-8。

表2-8　主偏角的参考值

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③副偏角的选择。副偏角影响刀具的耐用度和已加工表面的表面粗糙度。增大副偏角，可减小副切削刃与已加工表面的摩擦，防止切削时产生振动。减小副偏角有利于降低已加工表面的残留高度，如图2-28所示，降低已加工表面的粗糙度，但加剧副后面与已加工表面的摩擦。副偏角的选择原则是在保证表面质量和刀具耐用度的前提下，尽量选用较小值。

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