哈工大版金属切削原理与刀具课件第10章-刀具合理几何参数的选择

4.刀面型式及参数
IS0标准确立了多棱面前、后刀面的定义，标 志着切削刀具刀面型式的发展和多样性。 前刀面上的卷屑槽、断屑槽，后刀面的双重 刃磨、铲背以及波形刀面等，都是常见的刀 面型式。 选择合理的刀面型式及其参数值，对切屑的 变形、卷曲和折断，对切削力、切削热、刀 具磨损及使用寿命，有着直接的影响，其中 前刀面的影响和作用更大。
4.要考虑具体的加工条件
选择合理几何参数，也要考虑加工条件，这就是 机床、夹具的情况，工艺系统刚度及功率大小，切 削用量和切削液性能等。 一般地说，粗加工时，着重考虑保证生产效率， 精加工时，主要考虑保证加工精度和已加工表面质 量的要求；对于自动线生产用的刀具，主要考虑刀 具工作的稳定性，有时需要着重解决断屑问题；机 床刚性和动力不足时，刀具应力求锋利(如增大前角 和主偏角，减小切削刃钝圆半径等)，以减小切削力 和振动。

10.1硬质合金车刀合理前角参考值
4.采用负倒棱强化切削刃
倒棱的主要作用是增强刃口强度，减少刀 具破损。 正的前刀面加上负倒棱，可以大大提高刀 具的强度。见图10.4。

10.2.2后角的功用及合理后角值的选择
后角数值合理与否直接影响已加工表面的质量、刀具使 用寿命和生产率。 1.后角的功用 (1)后角的主要功用是减小后刀面与过渡表面之间 的摩擦。由于切屑形成过程中的弹性、塑性变形和切 削刃钝圆半径rn的作用，在过渡表面上有一个弹性恢 复层。后角越小，弹性恢复层同后刀面的摩擦接触长 度越大，它是导致切削刃及后刀面磨损的直接原因之 一。从这个意义上来看，增大后角能减小摩擦，可以 提高已加工表面质量和刀具使用寿命。

由图10.6可看出， 切削厚度越小，后角越大，反之，切削厚度越大， 则后角越小，这是因为切削厚度较小时，后刀面的 磨损比较显著，而前刀面上的月牙洼磨损较轻微， 增大后角可以减少后刀面磨损。相反，切削厚度较 大时，前刀面月牙洼磨损较显著，而后刀面磨损相 对下降，这时用较小的后角可以增大刀头散热体积 ，减少前刀面月牙洼磨损。
(3)影响切屑形态和断屑效果：若减小前角， 可以增大切屑的变形，使之易于脆化断裂。 (4)影响已加工表面质量：前角与表面质量的 关系，在第九章已有论述。 值得注意的是，前角大小同切削过程中的振 动现象有关，减小前角或者采用负前角时， 振幅急剧增大。

2.合理前角的概念

从上述前角的作用可知，增大或减小前角，各有其 有利和不利两方面的影响。例如，从切削热的产生 和散热来说，增大前角，可以减小切削热的产生， 切削温度不致太高；但如果前角太大，则因刀头导 热面积和容热体积减小，切削温度反而升高。在切 削很硬的材料时，应用较小的前角，甚至选用适宜 的负前角，以加强切削刃，并改善刀头容热和散热 条件；但若是前角太小，或取很大的负前角，则因 切削变形严重，产生热量多，来不及散逸，结果还 会使切削温度上升。可见，在一定的条件下，前角 有一个合理的数值。


副后角的作用是减少副后 刀面与已加工表面的摩擦 。一般车刀的副后角等于 主后角，切断刀和切槽刀 的副后角由于受结构强度 和刃磨后尺寸变化的影响 ，只能取得很小，一般取 1—2度。见图10.8.
三、主偏角及副偏角的功用和选择
1、主偏角的功用 一、主偏角的功用及选用 ① 主偏角κr的变化，影响各切削分力的大小比 值与产生振动的可能性。 减小主偏角κr，则吃力抗力Fy增大，走刀抗力 Fx减小，反之加大主偏角κr，则可使Fy减小， Fx增大。当工艺系统刚度较差时，若过于减小 κr，Fy显著减小，就可能引起振动，造成损坏 刀具，顶弯工件。

（3）工艺系统刚度较差时，为适当增大刀 具后刀面和加工表面之间的接触面积，以达 到阻尼消振的目的，也应取较小的后角。（ 图10.7消振棱） （4）对于定尺寸刀具，即尺寸精度要求高 的精加工用刀具（如拉刀、铰刀等）为了保 证较高的尺寸耐用度，后角也应取得较小。 合理后角的选择具体值见表10.2。
第十章 刀具合理几何参数的选择
第十章 刀具合理几何参数的选择
中国谚语：“工欲善其事，必先利其器”， 国际生产工程科学院(CIRP，The International Academy for Production Engineering, CIRP是法语的 缩写Collège International pour la Recherche en Productique ) 的一项研究报告指出： “由于刀具材料的改进，刀具的允许切削速度每隔 十年几乎提高一倍；由于刀具结构和几何参数的改进， 刀具使用寿命每隔十年几乎提高二倍。”
图10.2为刀具前角对使用 寿命影响的示意曲线。可 见前角太大、太小都会使 刀具使用寿命显著降低。 对于不同的刀具材料，各 有其对应着刀具最长使用 寿命的前角，称为合理前 角γopt。 硬质合金的抗弯强度较低 ，抗冲击韧性差，其γopt 也就小于高速钢刀具的

工件材料对刀具的合理前角影响图10.3

3.合理前角的选择原则 (1)工件材料的强度、硬度低，可以取较大 的甚至很大的前角；工件材料强度、硬度高 ，应取较小的前角；加工特别硬的工件(如淬 硬钢)时，前角很小甚至取负值。 (2)加工塑性材料时，尤其是冷加工硬化严重 的材料，应取较大的前角；加工脆性材料时 ，可取较小的前角。


(3)粗加工，特别是断续切削，承受冲击性 载荷，或对有硬皮的铸锻件粗切时，为保 证刀具有足够的强度，应适当减小前角； 但在采取某些强化切削刃及刀尖的措施之 后，也可增大前角至合理的数值。 (4)成形刀具和前角影响刀刃形状的其它刀 具，为防止刃形畸变，常取较小的前角， 甚至取γ。＝0，但这些刀具的切削条件不 好，应在保证切削刃成形精度的前提下， 设法增大前角，例如有增大前角的螺纹车 刀和齿轮滚刀等。


从实验曲线可以看出，加工塑性材料 比加工脆性材料的合理前角值大，加 工低强度钢比加工高强度钢的合理前 角值大。 这是因为切削塑性大的金属材料产生 的切屑，在切削过程中，它同前刀面 接触长度(刀—屑接触长度)较大，由于 塑性变形的缘故，刀—屑之间的压力 和摩擦力很大，为了减少切削变形和 切屑流动阻力，应取较大的前角。加 工材料的强度硬度较高时，由于单位 切削力大，切削温度容易升高，为了 提高切削刃强度，增加刀头导热面积 和容热体积，需适当减小前角。

说明:选择刀具合理几何参数具有重要意义。
刀具的合理(或最佳)几何参数
在保证加工质量的前提下，能够保证 刀具使用寿命、生产效率、成本低的刀具 几何参数，称为刀具的合理几何参数。
10.1 概述
刀具的合理几何参数包含四个方面基本内容： 1.刀具角度 前角γ。、 后角α。、 主偏角kr、副偏角kr’ 刃倾角λs 副后角α。’。

切削脆性材料时，塑性变形不大，切出的 崩碎切屑，与前刀面的接触长度很小，压 力集中在切削刃附近，为了保护切削刃， 宜取较小的前角。
在某些情况下，这样选定的γopt未必是最适宜 的， 例如在出现振动的情况下，为了减小振动的振 幅或消除振动，除采取其他措施外，有时需增 大前角；在精加工条件下，往往需要考虑加工 精度和已加工表面的粗糙度要求，选择某一适 宜的前角；有些刀具需考虑其重磨次数最多而 选择某一前角，等等。
1.前角的主要功用 (1)影响切削区域的变形程度：若增大刀 具前角，可减小前刀面挤压切削层时的塑 性变形，减小切屑流经前刀面的摩擦阻力 ，从而减小了切削力、切削热和功率。前 角γ。对三个切削分力的影响，当前角增大 时，Fc、Fp、Ff力均显著减小，这是增大 前角的有利方面。


(2)影响切削刃与刀头的强度、受力性质和散 热条件：增大刀具前角，会使切削刃与刀头 的强度降低，刀头的导热面积和容热体积减 小；过分加大前角，有可能导致切削刃处出 现弯曲应力过大，造成崩刃。这些都是增大 前角的不利方面。
② 主偏角κr的变化，影响切削截面的形状。在切 削深度和进给量一定的情况下，随着κr角的减 小，切削厚度将减小，切削宽度增加，切削刃 参加工件的长度增加，切削刃单位长度的负荷 减轻，刀尖角增大，这就会提高刀尖强度，改 善散热条件，因而可提高刀具使用寿命。 ③ 主偏角κr影响工件表面形状，当车削阶梯轴时 ，应选用κr=90º ，而当车削外圆端面及倒角时 ，则可选κr=45º 。
10.1.2选择刀具合理几何参数的一般性原则
1.要考虑工件的实际情况 选择刀具合理几何参数，要考虑工件的实 际情况，主要是工件材料的化学成分、制造 方法、热处理状态、物理、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。
5.考虑刀具锋利性与强度关系
考虑刀具锋利性与强度矛盾关系 保证强度前提下，力求锋利

10.2 刀具合理几何角度及其选择
一、前角的功用及合理前角值的选择 从金属切削的变形规律可知， 前角(γ。) 大小直接影响切削力、切削温度 和切削功率，影响刃区和刀头的强度、容 热体积和导热面积，从而影响刀具使用寿 命和切削加工生产率。

2、合理后角的概念
后角增大虽可减小刃口钝圆半径rn，减少后刀面 与加工表面之间的摩擦，减少磨损。 提高刀具 使用寿命和加工表面质量，但后角过大则将削弱 刃口强度，恶化散热条件，刀具使用寿命反而降 低。因此，后角α过大、过小，对切削过程和刀 具使用寿命都是不利的。在一定的切削条件下， 它有一个合理的数值。 通常合理的后角值是根据切削厚度来选择的， 图10.6为不同切削厚度时的合理后角值αopt。
2.刃形 刃形即是指切削刃的形状。 直线刃 折线刃、 圆弧刃、 月牙弧刃、 波形刃、 阶梯刃 空间曲线刃，
3.切削刃刃区的剖面及其参数
切削刃的剖面型式，我们通常将它简称为刃区 型式，会影响切削加工效率、质量和成本。 图10.1所示为五种刃区型式，其合理参数值的 选择见有关资料。
(2)后角越大，切削刃钝圆半径rn值越小，切削刃 越锋利。 (3)在同样的磨钝标准VB下，后角大的刀具由新 用到磨钝，所磨去的金属体积较大见图10.5，这 也是增大后角可以延长刀具使用寿命的原因之一 。但它带来的问题是刀具后角过大，楔角β减小， 则将削弱刃口强度，减少散热体积，磨损反而加 剧，导致刀具使用寿命下降，且易发生颤振 。 NB一定时， 后角越小越耐磨，寿命越长。