哈工大版金屬切削原理與刀具課件第10章-刀具合理幾何參數(shù)的選擇

1、第十章 刀具合理幾何參數(shù)的選擇第十章 刀具合理幾何參數(shù)的選擇l中國諺語：“工欲善其事，必先利其器”，l國際生產(chǎn)工程科學(xué)院(CIRP，The International Academy for Production Engineering, CIRP是法語的是法語的縮寫縮寫Collge International pour la Recherche en Productique ) 的一項(xiàng)研究報(bào)告指出： “由于刀具材料的改進(jìn)，刀具的允許切削速度每隔十年幾乎提高一倍；由于刀具結(jié)構(gòu)和幾何參數(shù)的改進(jìn)，刀具使用壽命每隔十年幾乎提高二倍。” 說明:選擇刀具合理幾何參數(shù)具有重要意義。刀具的合理刀具的合理(或

2、最佳或最佳)幾何參數(shù)幾何參數(shù) 在保證加工質(zhì)量的前提下，能夠保證刀具使用壽命、生產(chǎn)效率、成本低的刀具幾何參數(shù)，稱為刀具的合理幾何參數(shù)。 10.1 概述 刀具的合理幾何參數(shù)包含四個(gè)方面基本內(nèi)容： 1.刀具角度 l前角。、l后角。、l主偏角kr、副偏角krl刃傾角sl副后角。 2.刃形 刃形即是指切削刃的形狀。l 直線刃l(wèi) 折線刃、l 圓弧刃、l 月牙弧刃、l 波形刃、l 階梯刃l(wèi) 空間曲線刃， 切削刃的剖面型式，我們通常將它簡稱為刃區(qū)型式，會(huì)影響切削加工效率、質(zhì)量和成本。 圖10.1所示為五種刃區(qū)型式，其合理參數(shù)值的選擇見有關(guān)資料。 4.刀面型式及參數(shù)刀面型式及參數(shù) IS0標(biāo)準(zhǔn)確立了多棱面前、后刀

3、面的定義，標(biāo)志著切削刀具刀面型式的發(fā)展和多樣性。 前刀面上的卷屑槽、斷屑槽，后刀面的雙重刃磨、鏟背以及波形刀面等，都是常見的刀面型式。 選擇合理的刀面型式及其參數(shù)值，對(duì)切屑的變形、卷曲和折斷，對(duì)切削力、切削熱、刀具磨損及使用壽命，有著直接的影響，其中前刀面的影響和作用更大。10.1.2選擇刀具合理幾何參數(shù)的一般性原則 1.要考慮工件的實(shí)際情況 l 選擇刀具合理幾何參數(shù)，要考慮工件的實(shí)際情況，主要是工件材料的化學(xué)成分、制造方法、熱處理狀態(tài)、物理、機(jī)械性能(包括硬度、抗拉強(qiáng)度、延伸率、沖擊韌性、導(dǎo)熱系數(shù)等)，還有毛坯表層情況、工件的形狀、尺寸、精度和表面質(zhì)量要求等。 l 2.要考慮刀具材料和刀具結(jié)

4、構(gòu) l 選擇刀具合理幾何參數(shù)時(shí)，要考慮刀具材料的化學(xué)成分、物理機(jī)械性能(包括硬度、抗彎強(qiáng)度、沖擊值、耐磨性、熱硬性和導(dǎo)熱系數(shù))，還有刀具的結(jié)構(gòu)型式，是整體式、焊接式或機(jī)夾式等。 3.要注意各個(gè)幾何參數(shù)之間的聯(lián)系 l 刀具的刃形、刃區(qū)、刀面和角度之間是相互聯(lián)系的，應(yīng)該綜合起來考慮它們之間的作用與影響，分別確定其合理數(shù)值。l從本質(zhì)上看，這是一個(gè)多變量函數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)問題，若用單因素法難免有很大的局限性。l例如，選擇前角。時(shí)，至少要考慮卷屑槽型、有無倒棱及刃傾角s的正負(fù)大小等，聯(lián)系這些情況，優(yōu)選合理的前角值，不要割裂它們之間的內(nèi)在聯(lián)系，孤立地選擇某一參數(shù)。 4.要考慮具體的加工條件要考慮具體的加工條件

5、 選擇合理幾何參數(shù)，也要考慮加工條件，這就是機(jī)床、夾具的情況，工藝系統(tǒng)剛度及功率大小，切削用量和切削液性能等。 一般地說，粗加工時(shí)，著重考慮保證生產(chǎn)效率，精加工時(shí)，主要考慮保證加工精度和已加工表面質(zhì)量的要求；對(duì)于自動(dòng)線生產(chǎn)用的刀具，主要考慮刀具工作的穩(wěn)定性，有時(shí)需要著重解決斷屑問題；機(jī)床剛性和動(dòng)力不足時(shí)，刀具應(yīng)力求鋒利(如增大前角和主偏角，減小切削刃鈍圓半徑等)，以減小切削力和振動(dòng)。 5.考慮刀具鋒利性與強(qiáng)度關(guān)系l考慮刀具鋒利性與強(qiáng)度矛盾關(guān)系考慮刀具鋒利性與強(qiáng)度矛盾關(guān)系l保證強(qiáng)度前提下，力求鋒利保證強(qiáng)度前提下，力求鋒利10.2 刀具合理幾何角度及其選擇一、前角的功用及合理前角值的選擇 從金屬切

6、削的變形規(guī)律可知， 前角(。) 大小直接影響切削力、切削溫度和切削功率，影響刃區(qū)和刀頭的強(qiáng)度、容熱體積和導(dǎo)熱面積，從而影響刀具使用壽命和切削加工生產(chǎn)率。l 1.前角的主要功用 l (1)影響切削區(qū)域的變形程度：若增大刀具前角，可減小前刀面擠壓切削層時(shí)的塑性變形，減小切屑流經(jīng)前刀面的摩擦阻力，從而減小了切削力、切削熱和功率。前角。對(duì)三個(gè)切削分力的影響，當(dāng)前角增大時(shí)，F(xiàn)c、Fp、Ff力均顯著減小，這是增大前角的有利方面。l l(2)影響切削刃與刀頭的強(qiáng)度、受力性質(zhì)和散熱條件：增大刀具前角，會(huì)使切削刃與刀頭的強(qiáng)度降低，刀頭的導(dǎo)熱面積和容熱體積減小；過分加大前角，有可能導(dǎo)致切削刃處出現(xiàn)彎曲應(yīng)力過大，造

7、成崩刃。這些都是增大前角的不利方面。 l(3)影響切屑形態(tài)和斷屑效果：若減小前角，可以增大切屑的變形，使之易于脆化斷裂。l(4)影響已加工表面質(zhì)量：前角與表面質(zhì)量的關(guān)系，在第九章已有論述。l值得注意的是，前角大小同切削過程中的振動(dòng)現(xiàn)象有關(guān)，減小前角或者采用負(fù)前角時(shí)，振幅急劇增大。 2.合理前角的概念合理前角的概念l從上述前角的作用可知，增大或減小前角，各有其有利和不利兩方面的影響。例如，從切削熱的產(chǎn)生和散熱來說，增大前角，可以減小切削熱的產(chǎn)生，切削溫度不致太高；但如果前角太大，則因刀頭導(dǎo)熱面積和容熱體積減小，切削溫度反而升高。在切削很硬的材料時(shí)，應(yīng)用較小的前角，甚至選用適宜的負(fù)前角，以加強(qiáng)切削

8、刃，并改善刀頭容熱和散熱條件；但若是前角太小，或取很大的負(fù)前角，則因切削變形嚴(yán)重，產(chǎn)生熱量多，來不及散逸，結(jié)果還會(huì)使切削溫度上升。可見，在一定的條件下，前角有一個(gè)合理的數(shù)值。l圖10.2為刀具前角對(duì)使用壽命影響的示意曲線?？梢娗敖翘蟆⑻《紩?huì)使刀具使用壽命顯著降低。l對(duì)于不同的刀具材料，各有其對(duì)應(yīng)著刀具最長使用壽命的前角，稱為合理前角opt。l硬質(zhì)合金的抗彎強(qiáng)度較低，抗沖擊韌性差，其opt也就小于高速鋼刀具的opt。 工件材料對(duì)刀具的合理前角影響圖工件材料對(duì)刀具的合理前角影響圖10.3l從實(shí)驗(yàn)曲線可以看出，加工塑性材料比加工脆性材料的合理前角值大，加工低強(qiáng)度鋼比加工高強(qiáng)度鋼的合理前角值大。l

9、這是因?yàn)榍邢魉苄源蟮慕饘俨牧袭a(chǎn)生的切屑，在切削過程中，它同前刀面接觸長度(刀屑接觸長度)較大，由于塑性變形的緣故，刀屑之間的壓力和摩擦力很大，為了減少切削變形和切屑流動(dòng)阻力，應(yīng)取較大的前角。加工材料的強(qiáng)度硬度較高時(shí)，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，需適當(dāng)減小前角。l切削脆性材料時(shí)，塑性變形不大，切出的崩碎切屑，與前刀面的接觸長度很小，壓力集中在切削刃附近，為了保護(hù)切削刃，宜取較小的前角。 l在某些情況下，這樣選定的opt未必是最適宜的，l例如在出現(xiàn)振動(dòng)的情況下，為了減小振動(dòng)的振幅或消除振動(dòng)，除采取其他措施外，有時(shí)需增大前角；在精加工條件下，往

10、往需要考慮加工精度和已加工表面的粗糙度要求，選擇某一適宜的前角；有些刀具需考慮其重磨次數(shù)最多而選擇某一前角，等等。 l 3.合理前角的選擇原則 l (1)工件材料的強(qiáng)度、硬度低，可以取較大的甚至很大的前角；工件材料強(qiáng)度、硬度高，應(yīng)取較小的前角；加工特別硬的工件(如淬硬鋼)時(shí)，前角很小甚至取負(fù)值。l (2)加工塑性材料時(shí)，尤其是冷加工硬化嚴(yán)重的材料，應(yīng)取較大的前角；加工脆性材料時(shí)，可取較小的前角。 l (3)粗加工，特別是斷續(xù)切削，承受沖擊性載荷，或?qū)τ杏财さ蔫T鍛件粗切時(shí)，為保證刀具有足夠的強(qiáng)度，應(yīng)適當(dāng)減小前角；但在采取某些強(qiáng)化切削刃及刀尖的措施之后，也可增大前角至合理的數(shù)值。l(4)成形刀具和

11、前角影響刀刃形狀的其它刀具，為防止刃形畸變，常取較小的前角，甚至取。0，但這些刀具的切削條件不好，應(yīng)在保證切削刃成形精度的前提下，設(shè)法增大前角，例如有增大前角的螺紋車刀和齒輪滾刀等。 l (5)刀具材料的抗彎強(qiáng)度較大、韌性較好時(shí)，應(yīng)選用較大的前角，如高速鋼刀具比硬質(zhì)合金刀具，允許選用較大的前角(約可增大510)。 l (6)工藝系統(tǒng)剛性差和機(jī)床功率不足時(shí)，應(yīng)選取較大的前角。 l(7)數(shù)控機(jī)床和自動(dòng)機(jī)、自動(dòng)線用刀具，應(yīng)考慮保障刀具尺寸公差范圍的使用壽命及工作的穩(wěn)定性，而選用較小的前角。 l硬質(zhì)合金車刀合理前角參考值見表10.1P107。 10.1硬質(zhì)合金車刀合理前角參考值硬質(zhì)合金車刀合理前角參考

12、值4.采用負(fù)倒棱強(qiáng)化切削刃采用負(fù)倒棱強(qiáng)化切削刃l(wèi)倒棱的主要作用是增強(qiáng)刃口強(qiáng)度，減少刀具破損。l正的前刀面加上負(fù)倒棱，可以大大提高刀具的強(qiáng)度。見圖10.4。10.2.2后角的功用及合理后角值的選擇后角的功用及合理后角值的選擇后角數(shù)值合理與否直接影響已加工表面的質(zhì)量、刀具使用壽命和生產(chǎn)率。 1.后角的功用 l (1)后角的主要功用是減小后刀面與過渡表面之間的摩擦。由于切屑形成過程中的彈性、塑性變形和切削刃鈍圓半徑rn的作用，在過渡表面上有一個(gè)彈性恢復(fù)層。后角越小，彈性恢復(fù)層同后刀面的摩擦接觸長度越大，它是導(dǎo)致切削刃及后刀面磨損的直接原因之一。從這個(gè)意義上來看，增大后角能減小摩擦，可以提高已加工表面

13、質(zhì)量和刀具使用壽命。 l(2)后角越大，切削刃鈍圓半徑rn值越小，切削刃越鋒利。 l (3)在同樣的磨鈍標(biāo)準(zhǔn)VB下，后角大的刀具由新用到磨鈍，所磨去的金屬體積較大見圖10.5，這也是增大后角可以延長刀具使用壽命的原因之一。但它帶來的問題是刀具后角過大，楔角減小，則將削弱刃口強(qiáng)度，減少散熱體積，磨損反而加劇，導(dǎo)致刀具使用壽命下降，且易發(fā)生顫振 。lNB一定時(shí)， 后角越小越耐磨，壽命越長。后角越小越耐磨，壽命越長。2、合理后角的概念、合理后角的概念 后角增大雖可減小刃口鈍圓半徑rn，減少后刀面與加工表面之間的摩擦，減少磨損。 提高刀具使用壽命和加工表面質(zhì)量，但后角過大則將削弱刃口強(qiáng)度，惡化散熱條件

14、，刀具使用壽命反而降低。因此，后角過大、過小，對(duì)切削過程和刀具使用壽命都是不利的。在一定的切削條件下，它有一個(gè)合理的數(shù)值。 通常合理的后角值是根據(jù)切削厚度來選擇的，l圖10.6為不同切削厚度時(shí)的合理后角值opt。 由圖10.6可看出， 切削厚度越小，后角越大，反之，切削厚度越大，則后角越小，這是因?yàn)榍邢骱穸容^小時(shí)，后刀面的磨損比較顯著，而前刀面上的月牙洼磨損較輕微，增大后角可以減少后刀面磨損。相反，切削厚度較大時(shí)，前刀面月牙洼磨損較顯著，而后刀面磨損相對(duì)下降，這時(shí)用較小的后角可以增大刀頭散熱體積，減少前刀面月牙洼磨損。3、合理后角的選擇原則、合理后角的選擇原則l（1）粗加工時(shí)切削厚度較大，宜選

15、用較小的后角；精加工時(shí)，切削厚度較小，則應(yīng)選用較大的后角。l（2）合理選取刀具的后角，除在一定的條件下主要取決于切削厚度外，還同工件材料、刀具材料及加工條件有關(guān)。例如工件材料硬度、強(qiáng)度愈高時(shí)，為保證刃口強(qiáng)度，宜取較小的后角。工件材料較軟，塑性較大時(shí)，為減少后刀面的摩擦磨損，應(yīng)取較大的后角，加工脆性材料時(shí)，切削力集中在刃口附近，宜取較小后角。l（3）工藝系統(tǒng)剛度較差時(shí)，為適當(dāng)增大刀具后刀面和加工表面之間的接觸面積，以達(dá)到阻尼消振的目的，也應(yīng)取較小的后角。（圖10.7消振棱）l（4）對(duì)于定尺寸刀具，即尺寸精度要求高的精加工用刀具（如拉刀、鉸刀等）為了保證較高的尺寸耐用度，后角也應(yīng)取得較小。l合理后

16、角的選擇具體值見表10.2。l副后角的作用是減少副后刀面與已加工表面的摩擦。一般車刀的副后角等于主后角，切斷刀和切槽刀的副后角由于受結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和刃磨后尺寸變化的影響，只能取得很小，一般取12度。見圖10.8.三、主偏角及副偏角的功用和選擇1、主偏角的功用一、主偏角的功用及選用 主偏角r的變化，影響各切削分力的大小比值與產(chǎn)生振動(dòng)的可能性。 減小主偏角r，則吃力抗力Fy增大，走刀抗力Fx減小，反之加大主偏角r，則可使Fy減小，F(xiàn)x增大。當(dāng)工藝系統(tǒng)剛度較差時(shí)，若過于減小r，F(xiàn)y顯著減小，就可能引起振動(dòng)，造成損壞刀具，頂彎工件。 主偏角r的變化，影響切削截面的形狀。在切削深度和進(jìn)給量一定的情況下，隨著r

17、角的減小，切削厚度將減小，切削寬度增加，切削刃參加工件的長度增加，切削刃單位長度的負(fù)荷減輕，刀尖角增大，這就會(huì)提高刀尖強(qiáng)度，改善散熱條件，因而可提高刀具使用壽命。 主偏角r影響工件表面形狀，當(dāng)車削階梯軸時(shí)，應(yīng)選用r=90，而當(dāng)車削外圓端面及倒角時(shí)，則可選r=45。l 主偏角r的大小，還影響斷屑的效果。r越大時(shí)，切削厚度越大，切削寬度越小，越容易斷屑。l此外主偏角r的大小，還影響殘留面積的高度，當(dāng)主切削刃的直線部分參與形成殘留面積時(shí)，減小r，可提高加工表面粗糙度。l2、主偏角的選用l1）一般地在機(jī)床工藝系統(tǒng)剛度允許的情況下，選用較小的主偏角。l2）加工高強(qiáng)、高硬材料時(shí)，為減輕單位切削刃上的負(fù)荷，

18、增強(qiáng)刀尖強(qiáng)度，改善散熱條件，以提高刀具使用壽命就要取較小的主偏角r=1030。l3）在高速強(qiáng)力切削時(shí)，為防止振動(dòng)應(yīng)選用較大的主偏角，一般r15。l選擇主偏角的具體數(shù)值見表10.3P109。二、副偏角的功用及選用二、副偏角的功用及選用l減小副偏角r ，則可以顯著減少切削后的殘留面積，提高表面粗糙度。且可增強(qiáng)刀尖強(qiáng)度。但r 太小就會(huì)增加副后刀面同已加工表面之間的摩擦，從而可能引起振動(dòng)。副偏角r 的合理數(shù)值主要考慮以下原則。1、副偏角r的功用l1）影響工件加工表面粗糙度。l2）r 太小會(huì)增加副后刀面同已加工表面之間的摩擦，從而可能引起振動(dòng)。l2、副偏角r 的合理選擇l1）在不引起振動(dòng)的情況下，減小副

19、偏角r ，以提高表面粗糙度。取r =5-10度。l2）精加工時(shí)，為提高表面粗糙度可刃磨出一段修光刃。 （r =0）修光刃的具體參數(shù)見圖10.10 P110。 l修光刃：Kr= 0 b= (1.21.5)f， 剛性足夠、大進(jìn)給的半精加工。l3）加工高強(qiáng)度、高硬度材料或斷續(xù)切削時(shí)，選擇小的副偏角r =4-6。l4）切斷刀、槽銑刀等，為了保證刀頭強(qiáng)度和重磨后寬度變化較小，只能取很小的副偏角r =12。見圖10.8。l選擇副偏角的具體數(shù)值見表10.3。l三、過渡刃的選擇l主刀刃和副刀刃的連接處稱為過渡刃或者刀尖。刀尖處的強(qiáng)度和散熱條件較差，通常應(yīng)當(dāng)考慮采取強(qiáng)化刀尖的措施。l刀尖強(qiáng)化方法是刃磨出過渡刃。

20、過渡刃的刃型見圖10.11所示。P111。l精加工用圓弧過渡刃：減小Ra,提高強(qiáng)度和改善散熱條件。 l r=（2 3）f。高速鋼：r.mm，l 硬質(zhì)合金：r.mm。l 粗加工用直線過渡刃： Kr= Kr/2 、 b= 0.52l 修光刃：剛性足夠、大進(jìn)給的半精加工。四、刃傾角的功用和選擇l一、刃傾角s的特點(diǎn)l刃傾角s正負(fù)的變化，直接控制切屑的卷曲和流出的方向。直接確定著流屑角的大小和正負(fù)。圖10.12所示為斜角切削刃傾角s對(duì)流屑方向的影響。l斜角切削=刃傾角s0的切削。斜角切削的特點(diǎn)：l1、切與割的綜合效果什么是切削？什么是切割？l垂直刀刃的速度分量具有切削作用；l沿刀刃的速度分量可以增加切割的效果。2、工作前角增大，切屑容易排出。l3、刃鈍圓半徑減小。刀刃將更加鋒利。l見圖10.13；圖10.14 P111。l二、刃傾角的功用及其選擇l1、刃傾角的功用l1）影響切屑的流出方向l當(dāng)s為負(fù)值時(shí)，切屑