刀具合理几何参数的选择

刀具合理几何参数的选择是切削刀具理论与实践的重要课题。

中国有句谚语说：“工欲善其事，必先利其器”，刀具正是切削加工的直接作用工具，它的完善程度对切削加工的现状和发展起着决定性的作用。

CIRP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。

”这也说明了选择刀具合理几何参数的重要意义。

什么是刀具的合理(或最佳)几何参数呢？
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。

一般地说，选定刀具几何参数的合理值问题，本质上是多变量函数针对某一目标计算求解最佳值的问题。

但是，由于影响切削加工效益的因素很多，而且影响因素之间又是相互作用的，因而建立数学模型的难度甚大。

实用的优化或最佳化工作，只能在固定若干因素后，改变少数参量，取得实验数据，并且采用适当方法(例如方差分析法、回归分析法等)进行处理，得出优选结果。

二、刀具合理几何参数的基本内容
刀具的合理几何参数包含以下四个方面基本内容：
1.刃形
刃形即是切削刃的形状。

从简单的直线刃发展到折线刃、圆弧刃、月牙弧刃、波形刃、阶梯刃及其他适宜的空间曲线刃，同时也明确了一定的切削加工条件必定对应有某种适宜的刃形。

这是刀具几何构形趋于合理的一种标志。

刀尖形状的变革，也是刃形变革的内容之一。

刃形直接影响切削层的形状，影响切削图形的合理性；刃形的变化，将带来切削刃各点工作角度的变化。

因此，选择合理的刃形，对于提高刀具使用寿命、改善已加工表面质量、提高刀具的抗振性和改变切屑形态等，都有直接的意义。

以切断刀为例(图10—1)，说明
改革的刃形具有多样性。

图中a为左偏刃，b为右偏刃，可避免切断后工件芯部残留一段细杆，亦可防止切断终了时刀头折断；c为双过渡刃，增强了两个刀尖；d为双偏角刃，e、f、g、h、i、j为折线刃或圆弧刃，均可增加切削刃的有效长度，改善刀尖处散热条件，获得有利于排屑的切削层形状；k、l为月牙弧刃，有抗振作用；m、n为前刀面上磨出—条或几条纵向槽(搓板槽)形成的波形刃，抗振性好；o为单面阶梯打；p为双阶梯刃。

这些刃形总的特点是强化了刀尖，减少单位切削刃长度上的切削负荷，排屑顺利，还有一定的抗振作用，因而在各自适宜的切削条件下均可发挥较好的作用。

图10—3所示为普通的平直切削刃切断刀与双阶梯刃切断刀(图10—2)的切削力实验曲线。

这是刃形对比实验研究的一个适例。

进行实验的双阶梯刃切断刀(图10—2)和普通平直刃切断刀的刀片材料均为YT5，除刃形不同外，其他几何参数都一样。

图10—3为三种不同的进给量下，两把切断刀的切入深度h对主切削力Fc的影响曲线。

由图可见，随着切入深度h的增加，普通平直刃的切削力迅速上升，约为阶梯刃切削力的两倍。

这是因为阶梯刃的主切削刃分为三段，切屑也相应地分成三条，切屑同切出槽形两壁之间的摩擦大大减小，即使切入较深时，也不致使切屑阻塞在刀头与切出槽形两壁之间。

同时，切削液也容易注入切削区域，因此切削力和切削温度均显著减小。

当切入深度增加时，阶梯刃切断刀仅仅由于切削速度降低而使切削力略有增加。

实验得知，阶梯刃的切削温度同平直刃相比，约降低20％—25％，而刀具使用寿命延长了50％一100％。

由此可以看出变革刃形的重要意义。

2.切削刃刃区的剖面型式及参数
切削刃的剖面型式，我们通常将它简称为刃区型式，对切削加工效率、质量和成本有重要的意义。

针对不同的加工条件和技术要求，选择合理的刃区型式(如锋刃、前刀面负
倒棱刃、后刀面消振棱刃、倒圆刃、零度后角的刃带)及其合理的参数值，是选择刀具合理几何参数的基本内容。

图10—4所示为五种刃区型式，其合理参数值的选择见附录10。

3.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。

关于刀面作用机理及其参数选择，可参阅本书第三章和后续课程《金属切削刀具》第一章。

4.刀具角度
刀具角度包括主切削刃的前角γ。

、后角α。

、主偏角k r、刃倾角λs和副切削刃的副后角α。

’、副偏角k r’等。

三、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、制造方没热处理状态、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。

2.要考虑刀具材料和刀具结构
选择刀具合理几何参数时，要考虑刀具材料的化学成分、物理机械性能(包括硬度、抗弯强度、冲击值、耐磨性、热硬性和导热系数)，还有刀具的结构型式，是整体式、焊接式或机夹式等。

3.要注意各个几何参数之间的联系
刀具的刃形、刃区、刀面和角度之间是相互联系的，应该综合起来考虑它们之间的作用与影响，分别确定其合理数值。

从本质上看，这是一个多变量函数的优化设计问题，若用单因素法难免有很大的局限性。

例如，选择前角γ。

时，至少要考虑卷屑槽型、有无倒棱及刃倾角λs的正负大小等，联系这些情况，优选合理的前角值，不要割裂它们之间的内在联系，孤立地选择某一参数。

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，着重考虑保证最长的刀具使用寿命，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。