合理选择车刀几何角度

江间波浪兼天涌，塞上风云接地阴。句有可削，足见其疏；字不得减，乃知其密。问姓惊初见，称名忆旧容。如切如磋，如琢如磨。生当作人杰，死亦为鬼雄。 查看文章

合理选择车刀几何角度
2009-01-06 23:41
摘要：合理选择车刀几何角度，有利于改善加工条件，提高被加工工件质量，延长刀具与设备的使用寿命，本文从车刀几何角度对切削力、切削热和刀具耐用度影响等角度，分析车刀几何角度选择的一般原则。关键词：几何角度；切削力；切削热；
车刀几何角度是指车刀切削部分各几何要素之间，或它们与参考平面之间构成的两面角或线、面之间的夹角。它们分别决定着车刀的切削刃和各刀面的空间位置。根据“一面二角”理论可知，车刀的独立标注角度有六个，它们分别是：确定车刀主切削刃位置的主偏角Kr和刃倾角λs；确定车刀前刀面Ar与后刀面Aa的前角ro和后角ao；确定副切削刃及副后刀面Aa′的副偏角Kr′和副后角ao′。

这些几何角度对车削过程影响很大，其中尤其以主偏角Kr、前角ro、后角ao和刃倾角λs的影响更为突出，科学合理地选择车刀的几何角度，对车削工艺的顺利实施起着决定性作用。下面就从车刀几何角度对切削力、切削热和刀具的耐用度的影响分析着手，本着使切削轻便、质量稳定，延长刀具使用寿命的宗旨，确定科学的车刀几何角度的一般性原则。
一、车刀几何角度对切削力的影响

在金属切削时，刀具切入工件，将多余材料从工件上切除会产生强烈的力的作用，这些力统称为切削力。切削力主要来源于被加工材料在发生弹性和塑性变形时的抗力和刀具与切屑及工件表面之间的摩擦作用。根据切削力产生的作用效果的不同，可将切削力分解成三个相互垂直方向的分力。它们分别是：主切削力Fz，进给抗力Fx和切深抗力Fy，其中Fz是切削总力Fr沿主运动切向分解而得，是计算车刀强度，设计机床零件，确定机床功率的主要依据；Fx也叫轴向力，它是Fr沿工件轴向的分力，是设计进给机构，计算车刀进给功率所必需的；Fy也叫径向力，它是Fr沿着工件径向的分力，它不消耗机床功率，但是当机床或工艺系统刚度不足时，易引起振动。
（一）前角ro对切削力的影响

前角ro增大，剪切角Φ随着增大，金属塑性变形减小，变形系数ξ减小，沿前刀面的摩擦力减小，因此切削力减小。但对于脆性材料而言，前角ro的变化则不会对车削力产生较大的影响，这是因为脆性材料

在车削时，切屑变形和加工硬化都很小，变形抗力自然会随之减小。同时，实验还证明，前角ro的增大，对切削分力Fx、Fy的影响程度也不一样，当主偏角Kr较大时，对Fx的影响较明显，而当主偏角Kr较小时，则对Fy的降低幅度更大些。
（二）主偏角Kr对切削力的影响

主偏角Kr的改变，使得切削面积的形状和切削分力Fxy的作用方向改变，从而使切削力也随之变化。实验证明，主偏角Kr增大，切削厚度也随之增大，切削变厚，切削层的变形减小，因此主切削力也随之减小，如图3所示。但当Kr增大到60°－75°后，Fz又随着Kr的增大而有所回升，这是因为此时刀尖圆弧所占的切削工作比例增大，使切屑变形和排屑阻力增大，又使主切削力Fz增大。根据切削力分解公式：Fy＝FxycosKr；Fx＝FxysinKr可知，主偏角Kr增大，使Fy减小，Fx增大，这有利于减轻工件的变形和系统的振动。因此，在工程上我们往往采用较大主偏角的车刀切削细长轴类零件，来减小径向分力Fy。
（三）刃倾角λs对切削力的影响

刃倾角λs对主切削力Fz影响很小，但对进给抗力Fx和切深抗力Fy的影响较大。当λs减小时，使刀具受到的正压力的方向发生了变化，从而改变了切削合力Fr及其分力Fxy的作用方向，使Fy增大，Fx减小。由此可见，从切削力角度分析，切削时不宜选用过大的负刃倾角，否则会增大Fy的作用而产生振动。
二、车刀几何角度对切削热的影响

车削过程所消耗的能量，除了极少部分用以形成新表面和潜藏能以外，绝大部分都转换为热能，以切削热的形式表现出来，使工艺系统的温度升高。分析可知，车削时热量主要来源于切屑的变形功和前、后刀面的摩擦功。这些热量产生后又将通过切屑、工件、刀具和周围介质传出，使产热与散热达到动态平衡状态，此时工艺系统的切削温度就是稳态切削温度。影响切削热与切削温度的因素很多，这里分析车刀几何角度对其产生的影响。
（一）前角ro对切削温度的影响

前角增大，使切削力下降，切屑的变形和工艺系统的摩擦减轻，使产生的切削热减少，从而降低了切削温度。事实上，切削温度的高低不仅取决于工艺系统产生热量的多少，还受工艺系统散热条件的影响。实验证明，当车工的前角增大到16°左右时，由于车刀的楔角减少后使刀具的散热条件变差，切削温度反而有一些回升。
（二）主偏角Kr对切削温度的影响

主偏角Kr减小时，使切削宽度增大，切削厚度减小，切削变形和摩擦减轻，同时，切削宽度增大后，散热条件改善，又有利于降低切削温度。因此，当工艺系统刚性足够时，采用小的主偏角切削，是降低切削温度、提高刀具的耐用度的一个重要措施，尤其是切削难加工材料时效果更显著。
三、车刀几何角度对刀具耐用度的影响

车刀在切削加工过程中，受切屑和工件表面的摩擦，使用一段时间后，它就会钝化，从而失去其切削的能力，这时就要对刀具进行重磨或更换刀片。刀具的耐用度就是用来衡量刀具连续切削时间长短的参量。它是指刀具从开始使用至达到磨损限度为止所用的切削时间，它是衡量刀具切削性能的重要指标。由于刀具几何角度对耐用度的影响较大，合理选择刀具几何角度，可以大幅度提高刀具的耐用度，因此刀具的耐用度也是衡量刀具几何角度先进与否的重要标志。
（一）前角ro对刀具耐用度的影响

适当增大前角，有利于减少切削力，降低切削温度，使刀具的耐用度提高。但是，如果前角增大到一定值以后，会使刀刃强度下降，散热条件逐渐变差，而且刀刃易于产生破损，耐用度反而会下降。因此前角ro对刀具耐用度的影响呈山峰状，它的峰顶处前角值使刀具的耐用度最高，切削不同的材料时，刀具的耐用度达到最高时的前角值也不相同。
（二）主偏角Kr对刀具耐用度的影响

主偏角减小，增加了刀具强度，改善了刀具的散热条件，使刀具的耐用度升高。另外，适当减小副偏角Kr′还能降低摩擦，提高刀具强度，改善散热条件，使刀具耐用度升高。当然，随着主偏角Kr和副偏角Kr的减小，会使系统的切深抗力Fy增大，当系统刚性不足时，会引起振动而影响加工质量。

四、如何选择科学合理的几何参数评价车刀的几何角度对车削工艺过程的影响，应该用辩证的观点去分析，同时还应该综合考虑车刀几何角度对切削过程中的切削力、切削热和刀具耐用度的影响，选择科学合理的几何参数。
（一）车刀前角选择原则

前角主要影响切削过程中的变形和摩擦、刀具强度，改变散热条件，影响刀具的耐用度。选择前角时，应该综合考虑材料和加工工艺的要求。一般认为，在刀具强度允许的条件下，尽量选用大前角。例如，高速钢的强度高、韧性好，硬质合金脆性大、

怕冲击，因此，高速钢刀具的前角可比硬质合金刀具的前角大5°左右，陶瓷刀具的脆性更大，前角不能太大。另外，如果被加工的材料导热系数低，应该选择小前角车刀，以改善系统的散热效果，提高车刀的耐用度。特别需要说明的是，在加工高强度材料时，为了防止车刀的破损，常采用负前角，以提高车刀的使用寿命。
（二）车刀后角的选择原则

后角主要影响切削时的摩擦和刀具强度。当工件材料的强度、硬度较高时，宜取较小后角，以提高刀具强度；当工艺系统刚性较差时，应适当减小后角，防止系统产生振动；当加工精度要求较高时，应采用小后角。
（三）主偏角的选择原则

主偏角主要影响刀具强度、耐用度和工艺系统加工的稳定性。一般认为，在工艺系统刚性不足时，常取较大主偏角，以减小切削力。加工高强度、高硬度材料时，取较小主偏角以提高刀具的耐用度。副偏角影响工件的表面质量和刀具强度，在系统不易产生振动和摩擦的条件下，应选择较小的副偏角。
（四）车刀刃倾角的选择原则

刃倾角主要影响切屑的倾向和刀具的强度及其锋利程度。在无冲击的正常车削时，刃倾角一般取正值，如果切削时有间断冲击，选择负刃倾角能提高刀头强度，保护刀尖。当系统刚性不足时，不宜采用负刃倾角，否则会因为切深抗力Fy的增大，引起系统的振动而影响加工质量。
度尽劫波兄弟在，相逢一笑泯恩仇。三山半落青山外，一水中分白鹭洲。一万年太久，只争朝夕。朝闻道，夕死可矣。