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.ppt
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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l中国谚语：
“工欲善其事，必先利其器”，l国际生产工程科学院（CIRP，TheInternationalAcademyforProductionEngineering,CIRP是法语的是法语的缩写缩写CollgeInternationalpourlaRechercheenProductique）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。
”说明:
选择刀具合理几何参数具有重要意义。
刀具的合理刀具的合理（或最佳或最佳）几何参数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l前角。
、l后角。
、l主偏角kr、副偏角krl刃倾角sl副后角。
2.刃形刃形即是指切削刃的形状。
l直线刃l折线刃、l圆弧刃、l月牙弧刃、l波形刃、l阶梯刃l空间曲线刃，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。
3.切削刃刃区的剖面及其参数切削刃刃区的剖面及其参数4.刀面型式及参数刀面型式及参数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。
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l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。
l2.要考虑刀具材料和刀具结构l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l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。
l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。
l例如，选择前角。
时，至少要考虑卷屑槽型、有无倒棱及刃倾角s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。
5.考虑刀具锋利性与强度关系l考虑刀具锋利性与强度矛盾关系考虑刀具锋利性与强度矛盾关系l保证强度前提下，力求锋利保证强度前提下，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（。
）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。
l1.前角的主要功用l
（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。
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。
ll
（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。
l（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。
l（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。
l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.合理前角的概念合理前角的概念l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。
l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。
l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opt。
l硬质合金的抗弯强度较低，抗冲击韧性差，其opt也就小于高速钢刀具的opt。
工件材料对刀具的合理前角影响工件材料对刀具的合理前角影响图图10.3l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。
l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。
l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。
l在某些情况下，这样选定的opt未必是最适宜的，l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。
l3.合理前角的选择原则l
（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。
l
（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。
l（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。
l（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。
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。
l（5）刀具材料的抗弯强度较大、韧性较好时，应选用较大的前角，如高速钢刀具比硬质合金刀具，允许选用较大的前角（约可增大510）。
l（6）工艺系统刚性差和机床功率不足时，应选取较大的前角。
l（7）数控机床和自动机、自动线用刀具，应考虑保障刀具尺寸公差范围的使用寿命及工作的稳定性，而选用较小的前角。
l硬质合金车刀合理前角参考值见表10.1P107。
10.1硬质合金车刀合理前角参考值硬质合金车刀合理前角参考值4.采用负倒棱强化切削刃采用负倒棱强化切削刃l倒棱的主要作用是增强刃口强度，减少刀具破损。
l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l
（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。
l
（2）后角越大，切削刃钝圆半径rn值越小，切削刃越锋利。
l（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。
lNB一定时，后角越小越耐磨，寿命越长。
后角越小越耐磨，寿命越长。
2、合理后角的概念、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，l图10.6为不同切削厚度时的合理后角值opt。
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、合理后角的选择原则、合理后角的选择原则l
（1）粗加工时切削厚度较大，宜选用较小的后角；精加工时，切削厚度较小，则应选用较大的后角。
l
（2）合理选取刀具的后角，除在一定的条件下主要取决于切削厚度外，还同工件材料、刀具材料及加工条件有关。
例如工件材料硬度、强度愈高时，为保证刃口强度，宜取较小的后角。
工件材料较软，塑性较大时，为减少后刀面的摩擦磨损，应取较大的后角，加工脆性材料时，切削力集中在刃口附近，宜取较小后角。
l（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）l（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。
l合理后角的选择具体值见表10.2。
l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12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主偏角r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r，则吃力抗力Fy增大，走刀抗力Fx减小，反之加大主偏角r，则可使Fy减小，Fx增大。
当工艺系统刚度较差时，若过于减小r，Fy显著减小，就可能引起振动，造成损坏刀具，顶弯工件。
主偏角r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r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。
主偏角r影响工件表面形状，当车削阶梯轴时，应选用r=90，而当车削外圆端面及倒角时，则可选r=45。
l主偏角r的大小，还影响断屑的效果。
r越大时，切削厚度越大，切削宽度越小，越容易断屑。
l此外主偏角r的大小，还影响残留面积的高度，当主切削刃的直线部分参与形成残留面积时，减小r，可提高加工表面粗糙度
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