1、第四章 切削基本理論的應(yīng)用第五節(jié) 刀具幾何參數(shù)的合理選擇本節(jié)主要內(nèi)容：一、前角的選擇 二、后角的選擇三、副后角的選擇 四、主偏角的選擇五、副偏角的選擇 六、刃傾角的選擇七、刀尖修磨形式 八、刃口修磨形式刀具幾何參數(shù)：包括刀具角度、前面與后面形式、切削刃與刃口形狀等。刀具的合理幾何參數(shù)：在保證加工質(zhì)量和刀具壽命的前提下，并使生產(chǎn)率提高、生產(chǎn)成本降低的幾何參數(shù)。2刀具合理幾何參數(shù)的基本內(nèi)容1）刃形刃形是指切削刃的形狀。常見的有直線刃、折線刃、圓弧刃等。3刀具合理幾何參數(shù)的基本內(nèi)容2）切削刃的剖面型式 切削刃的剖面型式有鋒刃、消振棱、倒圓刃、刃帶等。負(fù)倒棱 消振棱 刃帶4刀具合理幾何參數(shù)的基本內(nèi)容3

2、）刀面型式如卷屑槽、斷屑臺、后刀面的雙重刃磨等。4）刀具角度包括前角、后角、主偏角、刃傾角及副后角、副偏角等。5刀具合理幾何參數(shù)選擇原則1）工件材料工件材料的化學(xué)成分、制造方法、熱處理狀態(tài)、性能等。2）刀具材料和結(jié)構(gòu)刀具材料的化學(xué)成分、性能、結(jié)構(gòu)形式等。3）具體加工條件工藝系統(tǒng)剛性、機(jī)床功率大小、切削用量大小、切削液等。6一、前角 o 的選擇(一)前角的作用0 變形程度 F T 振動 質(zhì)量 刀刃和刀頭強(qiáng)度 散熱面積、容熱體積 斷屑困難 在一定的條件下，存在一個合理值正前角的目的是為了減小切屑被切下時的彈塑性變形和切屑流出時與前面的摩擦阻力，從而可減小切削力和切削熱。但前角過大時，楔角過小，削弱

3、刃部強(qiáng)度并降低散熱能力。負(fù)前角刀具通常在用 脆性刀具材料 加工高強(qiáng)度高硬度工件材料而當(dāng)切削刃強(qiáng)度不夠、易產(chǎn)生崩刃時才采用。7o1Pro289一、前角 o 的選擇(二)前角的選擇原則選擇前角時首先應(yīng)保證切削刃鋒利，同時又要兼顧足夠的切削刃強(qiáng)度。在保證加工質(zhì)量的前提下，以達(dá)到最高的刀具壽命為目的。刀具合理前角的選擇主要取決于刀具材料、工件材料的種類與性質(zhì)。一、前角 o 的選擇(二)前角的選擇原則刀具材料：刀具材料的強(qiáng)度和韌性較高時可選擇較大的前角。高速鋼的強(qiáng)度高，韌性好；硬質(zhì)合金脆性大，怕沖擊，易崩刃。因此，高速鋼刀具的前角可比硬質(zhì)合金刀具選得大一些，可大510。10陶瓷刀具的脆性更大，故前角應(yīng)選

4、擇的比硬質(zhì)合金還要小一些。常取負(fù)值（多在415范圍）以改善刀具受力時的應(yīng)力狀態(tài)，并選負(fù)的刃傾角（取010）與之配合以改善切入時承受沖擊的能力。立方氮化硼由于脆性更大，都采用負(fù)前角高速切削。一、前角 o 的選擇(二)前角的選擇原則刀具材料111.加工塑性材料時，一般都采用正前角。工件材料塑性愈大，強(qiáng)度和硬度愈低時，前角應(yīng)選得愈大。如：加工鋁及鋁合金取o=2535，加工低碳鋼常取o=2025。當(dāng)工件材料強(qiáng)度較大、硬度較高時，由于單位切削力大，切削溫度容易升高，為了提高切削刃強(qiáng)度，增加刀頭導(dǎo)熱面積和容熱體積，前角宜取小值。如：正火高碳鋼取o=10l5。當(dāng)加工高強(qiáng)度鋼時，為增強(qiáng)切削刃，才取負(fù)前角。工件

5、材料一、前角 o 的選擇(二)前角的選擇原則122.加工脆性材料時，切屑呈崩碎狀，切削力集中在切削刃附近且產(chǎn)生沖擊，容易造成崩刃，所選前角應(yīng)比加工塑性材料時小一些。如加工灰鑄鐵取o=515。前角數(shù)值隨脆性材料強(qiáng)度和硬度的增大而逐漸減小。在加工淬火鋼、冷硬鑄鐵等高硬度難加工材料時，宜取負(fù)前角。實(shí)驗(yàn)證明，用正前角硬質(zhì)合金車刀加工高硬度淬火鋼時，切削刃幾乎一開始切削就會發(fā)生崩刃。工件材料13粗加工時或斷續(xù)切削時，切削力和沖擊較大，為使切削刃有足夠強(qiáng)度，宜取較小前角。精加工時，切削刃強(qiáng)度要求較低，為使刀具刀刃鋒利，降低切削力，以減小工件變形和減小表面粗糙度值，宜取較大前角。在工藝系統(tǒng)剛性較差或機(jī)床馬達(dá)

6、功率不足時，宜取較大前角，以減小切削力和切削功率，減輕振動。在自動機(jī)床上加工時，為使刀具穩(wěn)定，宜取小一些的前角。一、前角 o 的選擇(二)前角的選擇原則加工條件14510鈦合金35403035鋁及鋁合金5101015銅及銅合金5101015灰鑄鐵20251520奧氏體不銹鋼-15-5淬火鋼152010-15合金鋼15201015中碳鋼25302025低碳鋼精車粗車合理前角（度）工件材料硬質(zhì)合金車刀合理前角參考值15后角的作用主要是：減小后面與過渡表面和已加工表面之間的摩擦；影響楔角0的大小，從而可配合前角調(diào)整切削刃的鋒利程度和強(qiáng)度。影響刀具壽命和加工表面質(zhì)量。二、后角 o 的選擇(一)后角的作

7、用16二、后角 o 的選擇(一)后角的作用0 刀尖鋒利、 l 摩擦 F 質(zhì)量 VB 一定，磨損體積 T 但NB 刀頭強(qiáng)度 ，散熱體積 ，重磨體積 在一定的條件下，存在一個合理值17二、后角 o 的選擇(二)合理后角的選擇原則在摩擦不嚴(yán)重的情況下，選取較小后角。精加工時，后角取較大值；粗加工時，后角取較小值。 工件材料的強(qiáng)度、硬度較高時，為加強(qiáng)切削刃，宜取較小后角（0=57）。工件材料塑性較大，加工硬化嚴(yán)重時，為減小后刀面摩擦，應(yīng)取較大后角（1012）。18二、后角 o 的選擇(二)合理后角的選擇原則當(dāng)采用負(fù)前角刀具加工高硬度高強(qiáng)度材料時，宜采用較大后角（1215）。工藝系統(tǒng)剛性較差時，為避免振

8、動，應(yīng)適當(dāng)減小后角。對于徑向尺寸精度要求較高的刀具，宜取較小的后角。191015鈦合金1012810鋁及鋁合金6868銅及銅合金6846灰鑄鐵81068奧氏體不銹鋼810淬火鋼6857合金鋼6857中碳鋼1012810低碳鋼精車粗車合理后角（度）工件材料硬質(zhì)合金車刀合理后角參考值20三、副后角 o 的選擇車刀的副后角一般取其等于主后角。切斷刀及切槽刀的副后角，由于受其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的限制，只能取得很小，0=12。 21四、主偏角r的選擇影響刀具壽命。隨著主偏角減小，刀具壽命提高。影響切削分力比值及切削層單位面積切削力。影響已加工表面質(zhì)量。影響斷屑效果。(一)主偏角的作用r1rr2FpFf22四、主偏

9、角r的選擇(一)主偏角的作用r hD bD 單位刃長負(fù)荷 T 刀尖強(qiáng)度 ，散熱體積 ，Ra Fp 變形 ，加工精度，不易振動Ra，T 在一定的條件下，存在一個合理值r1rr2FpFf23四、主偏角r的選擇(二)合理主偏角的選擇原則1)根據(jù)加工材料選擇 加工高強(qiáng)度、高硬度、熱導(dǎo)率小和表面有硬化層的材料，應(yīng)選取較小主偏角。如冷硬鑄鐵和淬硬鋼時，在系統(tǒng)剛性好，切削深度不大時。取較小的主偏角( Kr1030 )，以利于提高刀具壽命。242）根據(jù)加工工藝系統(tǒng)剛性選擇 在加工工藝系統(tǒng)剛性不足的情況下，為減小背向力Fp，減少振動，應(yīng)選用較大主偏角，一般取r=6075。剛性不足，車削細(xì)長軸時，應(yīng)取大的主偏角，

10、可取r=9093，以減小背向力ap，減少振動。粗加工時，硬質(zhì)合金車刀一般選用較大的主偏角(r=6075)，以利于減少振動、斷屑和采用較大的切削深度。工藝系統(tǒng)剛性較好時，取較小的主偏角可提高刀具壽命。四、主偏角r的選擇(二)合理主偏角的選擇原則253）根據(jù)加工表面形狀要求選擇 在車細(xì)長軸、階梯軸時，選r=90；用于車外圓、車端面和倒角時，r=45。 要用一把刀加工外圓、端面和倒角時可取 r=45。 需要從中間切入及仿形加工的車刀，應(yīng)取較大主偏角；四、主偏角r的選擇(二)合理主偏角的選擇原則26五、副偏角r的選擇(一)副偏角的作用副偏角的主要作用是形成已加工表面。副偏角r的大小主要影響刀具壽命和已

11、加工表面質(zhì)量，是影響表面粗糙度的主要角度。通常是在不產(chǎn)生摩擦和振動的條件下，應(yīng)選取較小的副偏角。 副偏角 r Ra ，刀尖強(qiáng)度 ，散熱體積 副刃工作長度 摩擦Fp易振動Ra，T 在一定條件下，存在一合理值。 系統(tǒng)剛性好，取較小值；剛性差，取較大值。27因副偏角影響表面粗糙度和刀具強(qiáng)度，所以副偏角主要根據(jù)加工性質(zhì)選取。通常是在不產(chǎn)生摩擦和振動的條件下，應(yīng)選取較小的副偏角。 五、副偏角r的選擇(二)合理副偏角的選擇原則28五、副偏角r的選擇(二)合理副偏角的選擇原則1）一般刀具的副偏角，在不引起振動的情況下，可選取較小的數(shù)值，如車刀、端銑刀、刨刀，均可取r=510。2）精加工刀具的副偏角應(yīng)取得更小

12、一些，必要時，可磨出一段r=0的修光刃，修光刃長度 b(1.21.3)f，硬質(zhì)合金端銑刀的 b(46) f。29五、副偏角r的選擇(二)合理副偏角的選擇原則3）加工高強(qiáng)度高硬度材料或斷續(xù)切削時，應(yīng)取較小的副偏角(r=46)，以提高刀尖強(qiáng)度。 4）切斷刀、鋸片銑刀和槽銑刀等，為了保證刀頭強(qiáng)度和重磨后刀頭寬度變化較小，只能取很小的副偏角，即r=12。30使用范圍加工條件加工系統(tǒng)剛性差的臺階軸、細(xì)長軸、多刀車、仿形車加工系統(tǒng)剛性較差、粗車、強(qiáng)力車削加工系統(tǒng)剛性較好、可中間切入，加工外圓、端面、倒角加工系統(tǒng)剛性足夠的淬硬鋼、冷硬鑄鐵加工不銹鋼加工高錳鋼加工鈦合金主偏角r()75936070451030

13、457525453045副偏角r()10615104510581510201015表4-7 主偏角r、副偏角r 選用值31六、刃傾角 s 的選擇(一)刃傾角的作用1）控制切屑流出方向-s切屑流向已加工表面 ， +s切屑流向待加工表面。可見，在精車時，希望取正刃傾角(+s)，以使切屑流向待加工表面，防止纏繞和劃傷已加工表面。刃傾角對排屑方向的影響32六、刃傾角 s 的選擇(一)刃傾角的作用2）影響刀尖強(qiáng)度、刀尖導(dǎo)熱和容熱條件負(fù)刃傾角 刀頭強(qiáng)度 ，散熱體積 在粗加工或沖擊較大的加工中，常采用負(fù)刃傾角的刀具。負(fù)刃傾角車刀的強(qiáng)度較高，散熱條件也較好。刃傾角對刀尖強(qiáng)度的影響（以r=90刨刀刨削工件）33

14、3）影響切入切出的平穩(wěn)性 當(dāng) s =0時，切削工作刃全長與工件同時接觸，沖擊較大。當(dāng) s 0時，刀尖首先接觸工件，容易崩尖。當(dāng) s 0時，離刀尖較遠(yuǎn)的切削刃首先接觸工件，保護(hù)了刀尖。同時，切削面積在切入時由小變大，切出時由大變小，故切削過程比較平穩(wěn)。刃傾角對刀尖強(qiáng)度的影響（以r=90刨刀刨削工件）34六、刃傾角 s 的選擇(一)刃傾角的作用4）影響切削刃的工作長度 和鋒利程度s的絕對值越大，工作長度值越大，切削刃單位長度上的負(fù)荷越小，有利于提高刀具壽命 。當(dāng) s0的斜角切削時，由于切屑在前刀面上流向的改變，使實(shí)際前角增大；同時，刃傾角增大還可減小刀刃的鈍圓半徑，使切削刃變得鋒利。如切下極薄切屑

15、的精車刀、精刨刀多采用4575的大刃傾角。 5）影響切削分力之間的比值負(fù)刃傾角絕對值增大時 Fp 變形 ，易振動 Ra 35六、刃傾角 s 的選擇(二)刃傾角的選擇原則1）根據(jù)加工要求選擇 精加工，為防止切屑劃傷已加工表面，s取正值；粗加工、刀材脆、工材強(qiáng)度硬度高，s取負(fù)值。2）根據(jù)加工條件選擇 加工斷續(xù)表面、加工余量不均勻表面，或在其它產(chǎn)生沖擊振動的切削條件下，通常選取-s 。工藝系統(tǒng)剛性不足時，盡量不采用負(fù)刃傾角。36六、刃傾角 s 的選擇(二)刃傾角的選擇原則3）根據(jù)加工材料選擇 加工一般鋼料和灰鑄鐵，粗車取s0-5，精車時取s=0+5；有沖擊負(fù)荷時，s=-5-15；當(dāng)沖擊特別大時，可取

16、s=-30-45。加工高強(qiáng)度鋼、高錳鋼、淬硬鋼時，可取s=-5-15或負(fù)數(shù)的絕對值更大一些。37刀尖是切削刃上工作條件最惡劣、構(gòu)造最薄弱的部位，刀尖處強(qiáng)度差，散熱條件不好，故切削溫度高、易磨損。強(qiáng)化刀尖可顯著提高刀具壽命。同時刀尖部分的形狀對已加工表面的粗糙度值也有很大的影響。若采用減小主、副偏角的辦法增強(qiáng)刀尖，常會使背向力Fp增大，引起振動。若在主、副刃之間磨出倒角刀尖，即具有直線切削刃的刀尖，既可使刀尖角 r 加大，增強(qiáng)了刀尖，又可不使背向力增加許多。七、刀尖修磨形式38在主、副切削刃交接處可修磨的三種形式：修圓刀尖、倒角刀尖和倒角帶修光刃 。七、刀尖修磨形式刀尖修磨形式修圓刀尖倒角刀尖倒

17、角帶修光刃39七、刀尖修磨形式1修圓刀尖1）作用：修圓刀尖r ，Ra，刀頭強(qiáng)度和改善散熱條件。r過大，F(xiàn)c ，影響斷屑。r 大小與刀具壽命和刀具磨損有關(guān)。40七、刀尖修磨形式1修圓刀尖2）選用原則：半精加工和精加工時，r 約取f 的23倍；在加工工藝系統(tǒng)剛性足夠條件下切削難加工材料和斷續(xù)切削時，可適當(dāng)加大r 值。但r 太大時，由于背向力Fp 增大會引起振動。修圓刀尖刀尖圓弧半徑對硬質(zhì)合金和陶瓷車刀一般可取 r 0.51.5 mm，對高速鋼車刀可取 r 13 mm。412倒角刀尖 粗加工時，切削深度較大，為減小背向力Fp和振動，并使硬質(zhì)合金刀片能得到充分利用，通常采用較大的主偏角。但這時刀尖強(qiáng)度

18、變差，散熱條件惡化。為解決這個矛盾，常常在刀尖處磨出直線過渡刃。七、刀尖修磨形式倒角刀尖倒角刀尖主要適用于車刀、可轉(zhuǎn)位面銑刀和鉆頭的粗加工、半精加工和有間斷的切削中 。組成參數(shù)：423倒角帶修光刃在倒角刀尖與副切削刃間作出與進(jìn)給方向平行的修光刃（r=0 ，b=(1.21.5)f mm）。用它在切削時修光殘留面積。磨制出的修光刃應(yīng)平直鋒利，且裝刀平行于進(jìn)給方向。倒角修光刃主要適用在工藝系統(tǒng)剛性足夠的車刀、刨刀和面銑刀的較大進(jìn)給量半精加工中。七、刀尖修磨形式倒角帶修光刃43八、刃口修磨形式鋒刃能得到很高的加工表面質(zhì)量。其余的修磨形式都可提高刃口強(qiáng)度、抗沖擊能力和改善散熱條件。負(fù)后角倒棱在切削時增加

19、阻尼作用，起到抑制振動效果。鋒刃刃口修圓刃口負(fù)倒棱刃口平棱負(fù)后角倒棱44八、刃口修磨形式例如，新磨好的高速鋼車刀可達(dá) rn=1215 m。用金剛石磨料研磨后，rn 可達(dá)714 m，而用立方氮化硼磨料仔細(xì)研磨后可達(dá) rn =56 m。一般新磨好的硬質(zhì)合金車刀，其切削刃鈍圓半徑 rn =1826 m。細(xì)晶粒硬質(zhì)合金刀具的 rn 約為粗晶粒的l/22/5。 鋒 刃鋒刃指刃磨前面和后面直接形成的切削刃。但它也并不是絕對銳利的，而在刃磨后自然形成一個切削刃鈍圓半徑 rn ，其數(shù)值取決于刀具材料、刃磨工藝和楔角的大小。45八、刃口修磨形式 鋒 刃優(yōu) 點(diǎn)：與倒棱切削刃和鈍圓切削刃相比：鋒刃的鈍圓半徑很小，切

20、削刃比較鋒利。適合作精加工和超精加工的切削刃，如超精銑削或超精鏜削，以及精加工和半精加工輕金屬及其合金。46八、刃口修磨形式 鋒 刃缺 點(diǎn)：鋒刃的強(qiáng)度和抗沖擊性能較差，產(chǎn)生微小裂紋導(dǎo)致崩刃的可能性也較大。因此，對于精細(xì)切削和微量切削的刀具鋒刃，都要求仔細(xì)刃磨和研磨，以獲得小的切削刃鈍圓半徑，消除微小裂紋，提高刃口質(zhì)量。切削刃鈍圓半徑在切削過程中隨著磨損而有增大的趨勢。采用鋒刃切削時，一般應(yīng)采用較小的進(jìn)給量（0.050.l mm/r以下），以避免崩刃并減緩刃區(qū)裂紋的出現(xiàn)。47八、刃口修磨形式 倒 棱刃區(qū)剖面型式有鋒刃型、倒棱型和鈍圓切削刃型三種。倒棱是沿切削刃研磨出很窄的負(fù)前角棱面(又稱第一前面

21、)，是增強(qiáng)刀刃強(qiáng)度的有效措施。倒棱可以兼顧切削刃的鋒利和強(qiáng)度。鋒刃刃口修圓刃口負(fù)倒棱刃口平棱負(fù)后角倒棱48在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下可能轉(zhuǎn)化為積屑瘤，使切屑層同工件的分離面發(fā)生在刃前三角區(qū)的峰部。切屑仍沿著正前角的前面流出，切削力增大不明顯，卻使切削刃加強(qiáng)并受到三角區(qū)滯留金屬的保護(hù)，刀具壽命明顯提高。八、刃口修磨形式 倒 棱負(fù)倒棱前的金屬滯留區(qū)當(dāng)負(fù)倒棱面寬度和棱面前角選取合理時，在切削過程中，棱面上將形成滯留金屬三角區(qū)。49進(jìn)給量無論刃區(qū)取何參數(shù)，隨進(jìn)給量的增加，刀具壽命就下降，但下降的程度隨參數(shù)值而異。對應(yīng)于某個進(jìn)給量值，總有一個使刀具壽命最高的倒棱參數(shù)值。一般精加工時 01 要小些；粗加工時，進(jìn)給量

22、大， 01 要大些。用硬質(zhì)合金刀具加工鋼時，負(fù)倒棱寬度 b1 一般不宜超過進(jìn)給量。這時，切削力與鋒刃相比增大較小，b1 大于f 時，切削力將有明顯增大趨勢。當(dāng)負(fù)倒棱寬度大于一定數(shù)值時，切屑流出時只和負(fù)倒棱部分接觸，隨即卷曲而去，根本不和具有正前角的前面接觸，這時，負(fù)倒棱實(shí)際上即變成負(fù)前角的前面。 刃區(qū)倒棱參數(shù)的選擇：主要取決于進(jìn)給量、刀具材料和工件材料。50刀具材料用硬質(zhì)合金車刀車削碳鋼、合金鋼時，一般可取 b1=(0.30.8) f，01= -10-15。對WC基硬質(zhì)合金刀片，b1取小值；高速鋼刀具強(qiáng)度和韌性較好，一般不磨負(fù)倒棱，必要時可研磨出零度或小前角正倒棱。刃區(qū)倒棱參數(shù)的選擇：主要取決

23、于進(jìn)給量、刀具材料和工件材料。51刃區(qū)倒棱參數(shù)的選擇：主要取決于進(jìn)給量、刀具材料和工件材料。工件材料 加工低碳鋼、不銹鋼、灰鑄鐵時，可取b1 0.5 f，01= -5-10；加工有硬皮的鍛件和鑄鋼件時，在機(jī)床功率和剛度足夠的條件下，倒棱負(fù)前角可減小到-30，當(dāng)沖擊嚴(yán)重時，負(fù)倒棱寬度可取 b1 =(1.52) f，但這時切削力增大較多。 52八、刃口修磨形式 鈍圓切削刃特點(diǎn)：鈍圓半徑比鋒刃增大了一定數(shù)值，它不但在提高切削刃強(qiáng)度方面獲得和負(fù)倒棱同樣的效果，而且比負(fù)倒棱更有利于消除刃區(qū)微小裂紋，使刀具獲得最佳壽命。在切削過程中對已加工表面還有一定的熨壓和消振作用，有利于提高已加工表面質(zhì)量。經(jīng)刃口鈍化處理的可轉(zhuǎn)位刀片和硬質(zhì)合金涂層刀片就是采用了鈍圓切削刃，已獲得廣泛應(yīng)用。 是在負(fù)倒棱的基型上進(jìn)一步修磨而成，或直接通過刀片鈍化處理而成。53八、刃口修磨形式 鈍圓切削刃鈍圓切削刃的鈍圓半徑選擇：主要取決于刀具材料、工件材料和切削條件三個方面