金刚石单晶刀具的设计及制备

摘要
本文首先结合一定的理论知识，设计并优化刀具的工艺参数，其中主要包括刀具的基本组成、刀具的切削角度、刀具几何参数的合理选择和单晶金刚石的晶形及特点，为刀具的制备奠定了理论基础。

然后根据学校和企业现有的条件，设计出金刚石单晶刀具的工艺流程，从而制备出所需的刀具。

其主要制作工序分为五部分：选料，定向，刀杆的线切割与粗磨，钎焊，刀具的粗磨、精磨和检验。

而在刀具的制备过程中，对钎焊温度和恒温时间这两个工艺参数进行了探索研究，确定了钎焊时的最佳工艺为钎焊温度850℃，恒温时间为15 min。

为了研究金刚石单晶刀具切削镁铝合金后刀具的磨损机理，本文设计了三因素三水平的正交实验，其中三因素分别是指刀具前角、主轴转速和进给量。

根据设计的正交实验表，制作了九把刀，进行了九次实验。

每次切削后通过立式显微镜对切削前后的金刚石单晶刀具进行了检测，获得了刀具前刀面磨损的形貌图，并测得被加工材料的表面粗糙度和刀具前刀面的磨损带宽度值。

对正交实验结果进行了极差分析，可得知在金刚石单晶刀具切削镁铝合金时，对被加工材料的表面粗糙度有显著影响的是转速。

表面粗糙度随刀具前角和进给量的增加而增大，而转速在3000 r /min以上时，表面粗糙度也呈上升趋势。

而对刀具磨损影响最主要的因素是刀具前角，其次是转速，最后是进给量。

在金刚石刀具的切削过程中，刀具的磨损量当然是越小越好，所以获得了金刚石单晶刀具车削镁铝合金时刀具磨损量较小的最优工艺参数组合：前角10°、转速3900 r /min、进给量0.1 mm/r。

金刚石单晶刀具在最优工艺参数组合下车削镁铝合金，通过对磨损后刀具前刀面形貌特征的分析，发现刀具的刃口发生了轻微磨损，并伴有崩刃和断裂迹象，刀具的前刀面出现了磨损划痕，形成了微沟槽，并发生了缺口破损。

这说明刀具的主要磨损形式是机械摩擦磨损。

关键词：金刚石单晶刀具；几何参数；镁铝合金；钎焊；磨损机理
Abstract
First, this paper combines with the certain theoretical knowledge, designs and optimizes the process parameters of the cutter, which mainly includes the basic parts of the cutting tool, the selection of proper cutting angle of the cutter, the reasonable choice of geometry parameters of the cutting tool and the crystal shape and characteristics of single crystal diamond. It laid a theoretical basis for the preparation of cutting tool. Then, according to the existing condition of the school and the enterprise, the process of single crystal diamond cutter is designed and the cutting tool is prepared. The main production process is divided into five parts: choosing material, directional, the cutting and coarse grinding of tool rod, brazing, the coarse grinding, fine grinding and inspection of the cutting tool. And in the process of preparing tools, the brazing temperature and constant temperature time were studied, which determines the best technology of the brazing for brazing temperature 850℃, constant temperature time of 15 min.
In order to study the wear mechanism of the single crystal diamond cutter after cutting magnesium alloy, this paper designs orthogonal experiment including three factors and three levels. The three factors respectively is refers to the rake angle of cutting tool, spindle speed, and feed. According to orthogonal experiment table, nine experiments were carried out. After each cutting, single crystal diamond cutting tools were detected before and after cutting through vertical microscope. The topography figures of cutter surface wear were gained, and the surface roughness of the processed material and the width values of cutter surface wear were measured. The result of the orthogonal experiment can be made range analysis, which can learn in the single crystal diamond cutter cutting magnesium alloy, the spindle speed has a significant effect on the surface roughness of the processed material. Surface roughness increases significantly with the increase of the cutting tool rake angle and feed, and at the time of the more than 3000 r /min speed, the surface roughness is also on the rise. And the main influencing factors on tool wear is rake angle of cutting tool, the second is spindle speed, the last is feeding. In the cutting process of diamond tool, tool wear volume is as small as possible, so when the single crystal diamond tool cuts magnesium alloy, the optimal process parameters combination of the smallest tool wear is rake angle 10°、spindle speed 3900 r /min、feeding 0.1 mm/r。

When the single crystal diamond tool cuts magnesium alloy in the optimal process parameters combination, through analyzing the wear morphology characteristics of the cutter
blade surface, it is found that cutting tool has a mild wear and accompanies by signs of the dissociation and fracture wear. The tool rake face has wear scratches, and form the micro grooves and the gap of damage. This shows that the main wear form of cutting tool is mechanical friction wear.
Key words: Single crystal diamond cutting tool; Geometry parameters; Magnesium- aluminum alloy; Brazing; Wear mechanism
1 绪论
1.1引言
随着二十一世纪新科技发展和工业技术的进步，我们对机械零件加工精度、表面切削的完整性要求越发的严格。

超精密机械零件加工工艺技术的工艺精度也要求的越来越高，目前的加工精度能高达几十纳米，与此同时表面加工粗糙度也达到了几个纳米，这些高达纳米级别的工艺在国防和航天及其新型装备等高尖端产品制造领域得到广泛的应用。

金刚石单晶刀具加工的工件光洁度非常高，几乎能达到镜面效果，因此在超精密加工中常常使用金刚石单晶刀具来进行超精密切削，例如军工用品中的陀螺仪、反射镜和透镜、精密仪器仪表等都可以用金刚石单晶刀具来加工。

通常来讲单晶金刚石可区分成为两种，即天然与非天然合成金刚石，后者也称之为人工金刚石。

总所周知，在自然界中，纯天然金刚石是极其稀少的，而且分布也极其不均匀。

截至目前，全球能够找到具有商业价值的金刚石矿床也只有仅仅27个国家。

虽然世界天然金刚石近年有较大幅度增长，但仍然远远满足不了全球经济发展的需要。

因此人造金刚石的出现正好弥补了产销之间的巨大差额。

据称，人造金刚石在世界实际金刚石消费中约占80﹪。

因此，金刚石的人工合成研究对人类科技的发展是很重要的。

非天然金刚石的人工合成工艺的研究，其实就是在不断探索天然金刚石化学成分的过程中完成的。

十七世纪后半期，牛顿提出“金刚石必定是可燃的”这一结论，英国化学家波义耳经实验证实了这一结论。

十八世纪末，科学家们发现金刚石和石墨是由碳元素组成的，为人工合成金刚石迈出了艰难的第一步。

十九世纪末，法国化学家穆瓦桑和俄国矿物学教授赫鲁晓夫做了一系列的高温实验得到了类似金刚石的晶体，但在后来的工作中证明他们所制成合成物不可能是金刚石，然而他们的研究却为后人积累了宝贵经验。

1954年12月8日，美国GE公司的研究发展中心首席科学家霍尔（H·T·Hall）与本迪（F·P·Bundy）等人首次成功地从石墨和含碳物质的金属熔体中提炼合成非天然金刚石，这是当时世界所认可的第一颗人造金刚石，他们的成功在人工合成金刚石领域做出了巨大的的贡献，同时推动了金刚石人工合成工艺的发展研究。

应该指出的是，就在几个月前，瑞典的斯德哥尔摩ASEA 科学实验室已经有科学家采用高温高压方法，在金属催化剂的作用下，得到了由石墨转变而成的人工金刚石，但当时并没有申请专利，也就此没有及时公布于世人。

所以才有后来的美国科学家捧得了首次合成人工金刚石的殊荣。

此后短短的几年时间，人造金刚石的合成即已投入商业生产[1]。

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我国人工合成金刚石的研究比国外的起步要晚，但发展较快。

1963年12月，我国成功研制了第一颗人造金刚石，其原料是高纯石墨粉，触媒是镍铬合金，在两面顶超高压的国产装置上合成成功的；从1964年4月开始，我国自主研发的6×6MN DS-023A型铰链式六面顶压机成功问世；第二年8月，六面顶压机也研制成功；第三年7月已经正式投入使用同时进行金刚石合成工艺试验，就在这一年时间内，人造金刚石的产量达到一万克拉以上；1969年，仅六年的时间，我国第一个人造金刚石及其制品的专业化生产厂——第六砂轮厂投产[2]，发展之迅速，令国人之震惊。

而在机理研究方面，我国在二十世纪六十年代就已制造出耐热性好、无色透明、抗压强度高的人造金刚石；进入九十年代，我国研究合成了金刚石薄膜，使人工合成金刚石的工艺达到了一个新阶段。

此后十年时间，全国范围已全面展开对金刚石的生产，与此同时，以6×6MN六面顶设备为特色，我国的人造金刚石工业体系已经成型。

1.2金刚石单晶刀具的概述
1.2.1金刚石分类及其性质
我们比对氮杂质在金刚石晶体中的成分差异，将金刚石分为三种类型，即Ia、Ib、IIa和IIb型。

如表1所示[3-5]。

表1 金刚石分类及其性质
Ia型Ib型IIa型IIb型
自然界中含量98﹪0.1﹪1﹪~2﹪极少
含氮杂质聚集态弥散态高纯高纯
颜色无色、黄色绿色、棕色无色蓝色
电阻(Ω·cm)104~101610161016101~104
Ia型金刚石：氮以聚集态存在。

绝大多数天然金刚石属此类型，其含氮量在3000ppm 左右，在金刚石晶体中产生一个个点缺陷。

Ib型金刚石：氮的存在形式是单一替代原子。

Ib型金刚石很少是天然的，但所有我们常见的均是氮量为40～500ppm的Ib型人造金刚石，Ib型金刚石中氮成分以置换固溶体形式存在，且均匀的分布在金刚石晶格中，这就使的Ib型金刚石呈显淡黄绿色光泽。

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IIa型金刚石：含氮量极少。

在天然金刚石中也只少量存在IIa型，其含氮量只有20ppm，因此其金刚石纯度高。

IIb型金刚石：其中氮成分含量为20ppm，而因为其中含有充足的硼元素使得金刚石形成一种P型半导体，所以IIb型金刚石又名为半导体金刚石。

在自然界中，天然金刚石中极少能遇到IIb型，但在实验室条件下，采用去氮加硼的人工合成方法获得。

1.2.2金刚石的物理特性和其对切削的影响
金刚石是单一碳原子的结晶体，其晶体结构属于等轴面心立方晶系（一种原子密度最高的晶系）。

由于金刚石晶体中碳原子间是以sp3杂化共价键连接，因此具有极强的方向性、结合力和稳定性。

金刚石因其晶体的独特结构具有最高的刚性、硬度、导热系数和折射率，以及极高的抗腐蚀性、抗磨损性及化学稳定性(详见表2)[6]。

表2 金刚石的物理性能
物理性能数值
硬度60000~100000 MPa，随晶体方向和温度而定
抗弯强度210~490 MPa
抗压强度1500~2500 MPa
弹性模量(9~10.5)×1012 MPa
热导率8.4～16.7 J/㎝·s·℃
质量热容0.156J/(g·℃)(常温)
开始氧化温度900～1000 K
开始石墨化温度1800 K(在惰性气体中)
和铝合金、黄铜间的摩擦因素0.05～0.07(在常温下)
金刚石的晶体结构均匀，无内部晶界，所以其刀具刃口的锋利度与平直度可以达到原子级别，切削时切削力小、切薄能力强、精度高。

因为金刚石的耐磨性能好，硬度高；所以金刚石刀具经长时间的使用后，磨损程度不大，并不会改变刀具的尺寸。

同时金刚石导热性能良好，在切削过程中，金刚石刀具的温度要明显低于使用其它材料的刀具温度。

而且金刚石的膨胀系数极低，所以在加工过程中刀具温度变化对加工件尺寸的影响是极小。

这些优点便使得金刚石刀具在精密、超精密机件加工领域有着重要的地位并且应用广泛。

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1.2.3金刚石的应用
根据用途将金刚石可分为两个系列的产品，即工业级的金刚石和宝石级别的金刚石。

世界上80％的金刚石都用在工业方面，只有不足于20％的金刚石用于工艺饰品加工，但这20％的宝石级别的金刚石经济价值要远高于80％的工业级别的金刚石价值。

我们市面称之为的钻石就是宝石级别的金刚石经加工后的成品，也是传统装饰品中最贵重的珠宝。

在当今时代，宝石级别的金刚石已成为人们投资与储备的商业对象。

工业所用的工业金刚石主要包括黑色金刚石、粗粒金刚石及其成分不纯的金刚石、金刚砂、粉等，而这些金刚石都不适宜用作宝石加工材料的。

98%的天然金刚石为Ia 型金刚石，而人工合成的宝石级别的金刚石Ib 型居多，所以我们最为常见的金刚石依旧是I型金刚石[7]。

由于金刚石车刀具有精度高、能加工出高光洁度的零件且大大提高工效等优点，因此金刚石刀具广泛应用在机件加工方面，可以用以加工合金、陶瓷与非金属材料等，例如象牙、橡胶、贵金属。

制造金刚石钻头也是金刚石的重要用途之一；主要用于地质探测、石油与天然气的勘探、煤矿钻探等，采用金刚石刀具做探头有着效率高、成本低的有点，同时能钻探最到坚硬的岩层，这些是其他材料探头所不能比拟优势。

金刚石还可应用于玻璃刀、金刚石笔、轴承、唱针等的生产制造；金刚石微粒，粉尘也可用做磨料，主要应用于制砂布、研磨油石、砂纸、金刚石砂轮、磨头等的制造[8]。

IIa 型金刚石的热传导性能在固体中最高，主要用于尖端工业和高技术领域，例如固定激光器件及固体微波器件的散热片。

为了不降低效率或者损坏器件，IIa 型金刚石吸收了这些器件在工作时产生的热。

这一应用有利于制造通讯设备和微型雷达。

同时金刚石用作的散热片用在高功率晶体管、集成电路和二极管或其它半导体器件上，其性能稳定也广受欢迎。

IIa型金刚石也可用作红外线穿透材料，用于远程导弹和人造卫星红外激光器的窗口材料。

IIa型金刚石用作雷达罩材料，不仅可以使得雷达波进出自如，反馈的映像清晰准确，同时可以避免雨点和灰尘颗粒的冲击腐蚀，其金刚石高热振性能使得雷达罩在骤冷骤热时稳定运行更不会被破裂。

IIb 型金刚石具备有良好热导性能，可做半导体材料。

金刚石的热传导系数为
1000 W/(m·2000W/(m·K)K)，因此可以用来制作大功率且耐高温的整流器，用金刚石制得的三极管能经受住高温达600℃；掺入微量其它元素的金刚石可用来制备金刚石半导体电阻温度计[9]。

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金刚石的广泛应用并不仅仅停留理论层面上，目前各色各样的金刚石产品已经陆续问世或正在开发中。

毫无疑问，金刚石将成为各个领域的宠儿，譬如商业、工业、军事、医学、教育及娱乐等。

正因为如此，科学工作者们更为深入、更为广泛地探索金刚石的合成和应用技术。

人造金刚石及制品基本能满足国内各行业、工业、加工业各个部门的生产需求，为国民经济稳定和健康发展贡献不可磨灭的一份力量[10]。

1.3金刚石单晶刀具的国内外研究现状
很早的时候，人们就发现了天然的单晶金刚石，但其作为装饰品仅为显示权贵地位。

随着工业的发展和科技的进步，大多数的单晶金刚石作为工业切削加工刀具，用来对特定工件如非金属、有色金属和极硬的金属陶瓷进行精密、超精密生产加工或是镜面的切削工艺[11]。

1980年以后，针对激光核融合技术的研究，众多科学家投入大量时间和精力以研制高精度软质金属反射镜，且软质金属有超精密水平的形状精度和表面粗糙度。

其加工过程中，若采用传统方法，不但精密度达不到工件的要求，而且操作困难、费用高、加工时间长。

因此，新的工艺生产方法应运而生；在实际生产要求的推动下，单晶金刚石超精密镜面切削技术才能得以快速的发展，结合当前已有的金刚石车削加工技术，通过严格控制加工条件、提高机床刚性与精度性能、研制超精密金刚石单晶刀具，逐渐形成了镜面切削工艺体系，并迅速发展成为一门专业技术[12,13]。

二十世纪末，日本De Beers公司联合住友公司制造出的大颗粒人造金刚石产品晶体长度达到13mm，这说明用人工合成方法制造大颗粒单晶金刚石的技术有了很大突破。

美国Edge Technologies公司选用日本住友公司的人造金刚石制造了高精度的切削用刀，获得了良好效果；采用De Beers公司的人造单晶制成的各种刀具的使用寿命较天然金刚石提高20%~200%[14]。

二十一世纪初，日本Osaka(大阪金刚石)公司研制成功研制了单晶金刚石微型刀具，包括槽刀、成型轮廓刀立铣刀、和球头铣刀等。

上述刀具均可达到实用要求的商品化并迅速得以推广和工业应用。

现在美、德等国采用的超精密微铣削加工刀具，都是从日本购买[15]。

当前国内水平还没有研究单晶金刚石刀具的技术能力。

我国对金刚石刀具加工技术研究较晚，与国外差距较大，在未来加大对单晶金刚石刀具的设计、研究新的高效的研磨方法、研磨工艺及设备等的研究尤为重要。

现阶段，我国金刚石刀具的研究和生产厂家虽主要集中在北京、上海、广州等一些发达地区，但
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我国仍无法自主生产金刚石原材料，还需要向欧美国家采购金刚石原材料，这是因为我国与欧美国家的金刚石刀具制造厂商的生产技术有较大差距。

其次，我国的技术装备落后，阻碍了金刚石刀具的制作，也导致产品的精度及表面光滑程度远远达不到发达国家的水平。

国内几乎所有厂家使用的金刚石刀具刃磨机床和其他附属加工设备都依靠进口。

近年来，我国以哈尔滨工业大学、大连理工大学、清华大学为代表的高校已经开始在超精密刀具领域研究，极大推动我国金刚石刀具的研究发展和工业应用[16]。

1.4镁铝合金
镁铝合金是用镁锭和铝锭在保护气体中高温熔融而成。

其分子式为Mg4Al3，分子量为178.22，熔点为463℃，比重约为2.15g／cm3，灰褐色，在燃烧时有高达2000℃一3000℃的温度。

长期以来，人们对镁铝合金的结构给出了两种说法。

一种是镁铝合金内部的晶体结构发生了改变，；另一种指的是通过简单的物理混合得到了镁铝合金。

镁铝合金应用广泛，主要以信息通讯产品为主，其他方面有自行车零件、汽车零件、航天国防、运动用品等(见表3)。

表3 镁铝合金的主要用途
应用产业应用产品
电子通讯笔记本电脑外壳、移动电话外壳、投影仪外壳等
汽车零件仪表板、后视镜架、汽车车身板、托架等
自行车零件刹车手把、车架、轮圈、曲柄等
运动用品滑雪板固定器、球棒、网球拍等
航天国防雷达机壳、导弹元件、飞机板焊接件等
器材工具控制阀、电锯机壳、高档门窗
1.5课题研究的目的和意义
超精密切削是精密加工工艺领域的重要技术手段，它是内容广泛的一项新技术，
在国防和尖端技术的发展中起着重要的作用。

在超精密机件加工工艺中，表面质量的主要因素包括稳定的机加工环境和高精度的机床；同时一把高质量的刀具也是非常重要的。

金刚石具有高强度、高硬度、超高热导性能、良好耐磨性、有色金属摩擦系数低、抗黏
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结性能好以及优秀的化学稳定性和抗腐蚀能力，这些条件都为刃磨出锋利的刀刃提供保证，在工业领域内被公认为最理想的超精密切削刀具材料[17]。

由于镁铝合金具有比强度高、密度小、耐腐蚀、可回收、导热性好、防电磁辐射、可薄壁成型等诸多有点，进而促进了其在医疗、家电、通讯、计算机、轻工业、仪器仪表等行业的应用发展[18]。

一般从原则上来讲，所有刀具材料都可以切削镁铝合金，即使是普通的碳素钢刀具也行。

但工厂多选用硬质合金刀具来进行镁铝合金的大批量的生产加工，然而镁铝合金属于软金属，在高速切削时，容易粘结刀具，使其表面形成积屑瘤。

所以当加工表面的质量要求较高时，选用金刚石刀具来切削镁铝合金。

然而国内外有关金刚石单晶刀切削镁铝合金的研究比较少，所以本课题选择镁铝合金为被加工材料，从而研究金刚石单晶刀具的磨损机理。

1.6本课题的主要研究内容
（1）金刚石单晶刀具的制备
结合一定的理论知识，设计并优化刀具的工艺参数。

然后根据学校和企业现有的条件，设计出刀具的工艺流程，从而制备出所需的刀具。

而在刀具的制备过程中，对钎焊温度和恒温时间这两个工艺参数进行了探索研究，确定了钎焊时的最佳工艺。

（2）金刚石单晶刀具磨损机理的研究
结合前人研究的理论成果，本文中将采用正交实验进行切削，分析研究作者设计刀具在各个切削的参数对其金刚石单晶刀具磨损影响的主次顺序和规律；为后期减少刀具的磨损实验做支持提供基础，确定最优工艺参数组合。

然后通过实际切削实验和实验结果的理论分析，探究在实际情况下，具体加工环境下，金刚石刀具磨损机理及其造成磨损的原因。

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2 金刚石单晶刀具的设计及制备
2.1引言
在超精密切削加工中，刀具要经受振动、冲击、摩擦、高温高压等一系列过程，其主要性能在切削加工中能起决定性作用，例如韧性、耐磨性、耐热性、经济适用性和工艺性等，同时也影响着制造成本、加工效率和加工精度等。

要正确选择刀具需考虑加工参数、切削方式、刀具和工件的匹配是否合理等因素。

影响刀具性能的主要因素是刀具的几何参数，它能影响刀具在加工过程中的切削温度、切削力、切削变形和刀具磨损等。

刀具的几何角度是刀具几何参数中最重要的一部分，主要包括前角、后角、主偏角、负偏角等。

合理设计刀具几何参数能使刀具切削效率提高，生产成本降低，刀具耐用度获得最高。

金刚石单晶刀具的制备一般包括选料、定向、切割、装卡、粗磨、精磨和检验等一些工序，想要制备高质量单晶金刚石刀具，就必须在每个工序把关，做好每个工序的制备工作[19]。

本课题制备金刚石单晶刀具的工艺流程图如图1所示。

2.2刀具的基本组成部分与切削角度
车刀的刀头是车刀的切削部分。

它由以下部分组成（见图2）：
(1) 前刀面：又称前面，是指切屑流出时，刀头与切屑相接触的表面，符号Ar。

(2) 主后刀面：又称主后面，是指刀头上与切削表面相对的表面，符号Aa。

(3) 副后刀面：又称副后面，是指刀头上与工件已加工表面相对的表面，符号A′a。

(4) 主切削刃：指的是前面与主后刃面的交线，担负主要的切削工作，符号S。

(5) 副切削刃：指的是前面与副后刃面的交线，也起切削作用，符号S′。

(6) 刀尖：主切削刃与副切削刃的交点。

任何车刀都由上述部分组成，只是数目不完全相同，如切断刀由两个副切削刃和两个刀尖组成，而普通外圆车刀的刀头部分一般由一尖、两刃、三面组成。

另外，刀头部分的切削刃也不是完全一样的，有的可能是直线，也可能是曲线，如样板车刀的切削刃就是曲线。

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车刀的切削角度共有7项，用于表示切削部分的几何形状，并可在主截面与3个基准面内度量。

(1) 前角：指的是车刀前刀面与基面之间在正交平面投影的角度，符号γo 。

在车刀切削部分，它是一个主要的工作角度，直接影响车刀主切削刃的刃口强度和锋利度。

(2) 后角：指的是车刀副后刀面与基面之间在正交平面的投影角度，符号αo 。

它对主后面与过渡表面之间的摩擦情况有影响。

(3) 主偏角：指的是主切削刃与进给方向在基面上投影的夹角，符号κr。

它对主刀刃参加工作的长度和切削力的大小有影响。

(4) 副偏角：指的是副切削刃与进给方向在基面上投影的夹角，符号κ′r。

它对已加工表面的粗糙度及副刀刃参加工作的长度有影响。

(5) 刀尖角：指的是刀尖角与副切削刃在基面上投影的夹角，符号εr。

刀尖角的大小影响刀尖的强度及传热性能。

(6) 刃倾角：指的是主切削刃与基面间的夹角，符号λs。

它主要对排屑情况和刀尖承受冲击的能力有影响。

当刀尖是主切削刃最低点时λs为负值；当刀尖是主切削刃最高点时λs为正值。

当刀刃与基面平行时λs为零。

(7) 副后角：指的是副切削平面在副截面内的夹角，符号α′o。

其作用与后角αo相似。

为了保证加工质量，要选择合适的刀具几何参数，从而使生产成本降低，刀具切削效率提高，刀具耐用度获得最高。

刀具的几何参数主要包括刀具的几何角度（如前角、后角、主偏角等）、刀面的形式（如平面前刀面、倒棱前刀面等）、切削刃的形状（直线形、圆弧形等）三部分，而刀具的几何角度是所有刀具参数中最重要的内容。

在刀具的几何角度中，前角是重要的参数之一，对刀具的刃口强度和锋利程度有直接影响。

依据前刀面与基面有不同的相对位置，前角可能是正数、负数或零。

若前角较大，刀具的刃口就会变得锋利，切削力和切削变形就会减小，切削就会显得很快；但如果前角过大，就会使切削刃变弱，容易发生崩刃现象。

在实际生产的过程中，人们常常根据工件材料、刀具材料和加工性能等因素来选择前角的大小。

从原则上来讲，刀具材料的抗弯强度及冲击韧性较高时，可选择稍大前角。

在加工软材料、塑性材料时，应选择较大前角；而与其相对应的，在加工硬材料、脆性材料时，应选择较小前角。

例如当被加工材料为铝、铜等时，可选用前角γo=0°~10° [20]。

若根据加工要求来选择前角时，精加工时的前角较大；粗加工和断续切削的前角较小；加工成形面前角应小，这是为了
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