刀具幾何參數(shù)

1、第一.合理的刀具幾何參數(shù)是提高刀具切削性能的重要因素，傳統(tǒng)的刀具合理幾何參數(shù)的研究方法一般是先設計并選擇不同的刀具幾何參數(shù)及工藝參數(shù)，并借助于一定的測試手段，來進行實際的切削實驗。用這種方法來進行研究，往往要經歷一個很長的過程，耗時、耗力、實驗成本高。所以刀具合理幾何參數(shù)的選擇是切削理論與實踐的重要課題。所謂刀具的合理的(或者最佳)幾何參數(shù)是在保證加工質量的前提下，能夠滿足生產效率高、加工成本高的刀具幾何參數(shù)。一般的說，選定刀具幾何參數(shù)的合理值問題，本質上是多變量函數(shù)針對某一目標計算求解最佳值的問題，但是，由于影響切削加工效益的因素太多，而且影響因素之間又是相互作用的，因而建立數(shù)學模型的難度很

2、大。實用的優(yōu)化或最佳化工作，只能在固定若干因素后，改變少量參數(shù)，取得實驗數(shù)據(jù)，并且采用適當方法(例如方差分析法、回歸分析法)進行處理，得出優(yōu)選結論?？梢?，選擇合理的刀具幾何參數(shù)的重要性，所以利用相關軟件進行直接模擬優(yōu)化結構、幾何參數(shù)有其極其重要的現(xiàn)實意義。刀具角度包括主切削刃的前角、后角、主偏角、刃傾角和副切削刃的副后角、副偏角等。不同的角度對刀具具體切削過程的影響是不同的。1、前角變化對切削過程中的切削力、切屑變形等有很大的影響，其中前角對切削力的影響最大。有人曾研究認為:前角每變化一度，主切削力約改變1.5%。在切削過程中，切削力隨著前角的增大而減小。這是因為當前角增大時，剪切角也隨之增大

3、，金屬塑性變形減小，變形系數(shù)減小，沿前刀面的摩擦力也減小，因此切削力降低。這種變化趨勢在較低速的切削中尤為明顯。通過前述有限元分析，將刀具上沿接觸長度上各節(jié)點的應力值相加可以獲得主切削力，而在構成主切削力的各節(jié)點應力值中，刀刃部分具有最大等效力值的節(jié)點貢獻最大。因此可以這么說，為其前角變化對于切削力的影響，可以通過研究刀具前刀面上具有最大等效應力的節(jié)點的應力狀況而表現(xiàn)出來。所以，我們選取刀具接觸長度上節(jié)點的最大等效應力作為刀具前角優(yōu)化的標準。2、后角的主要功用是減小切削過程中刀具后刀面與加工表面之間的摩擦。后角的大小還影響作用在后刀面上的力，后刀面與工件的接觸長度以及后刀面的西華大學碩士學位論

4、文磨損強度，因而對刀具使用壽命和加工表面質量有很大的影響。適當增加后角可減小工件己加工表面彈性恢復層與刀具后刀面的接觸長度，因而減小了后刀面的摩擦與磨損。但后角太大時，刀具楔角顯著減小，將削弱切削刃的強度。而且因刀具楔角減小會使刀具散熱體積減少使散熱條件惡化，從而使刀具使用壽命降低。3、刃傾角的主要功用是影響切屑的流出方向，刃傾角的大小和正負確定了流屑角的大小和正負，合理選擇刃傾角和前刀面型式，可以控制切屑的排出方向。同樣刃傾角還影響切削刃的鋒利性、影響刀尖強度和刀尖導熱和容熱條件、影響切入切出的平穩(wěn)性、影響切削刃的工作長度、影響切削分力之間的比值。刃傾角并不是越大越好，而是在一定的條件下有一

5、定的合理數(shù)值，是有一定的選擇原則的。4、不論是主偏角還是副偏角，他們的共同功用是使刀具的各條切削刃有合理的分工、聯(lián)結與配合，保證合理的刃形和切削層形狀，同時保證刀尖部位具有一定的強度、導熱面積、和容熱體積。選擇合理的主偏角、副偏角和其他切削角度，可以提高加工表面質量，提高刀具使用壽命和生產率。主偏角、副偏角的功用:影響切削加工殘留面積高度，從這個因素看來，減小主偏角和副偏角，可以減少加工表面粗糙度，特別是副偏角對加工表面粗糙度的影響更大。主偏角還影響斷屑效果和排屑方向。此外他還影響三個切削力的大小和比例關系，所以在選擇主偏角和副偏角的時候還是考慮選用規(guī)則的。在此基礎上，根據(jù)之前幾個模塊輸入的條

6、件，比如，加工工藝(精加工、粗加工)、復雜刀具類型、刀具材料(切削部分)、工件材料、來優(yōu)化刀具的整體幾何角度(前角、后角、刃傾角、主偏角、副偏角)，若是可轉位刀具，還要計算出刀片槽的加工幾何參數(shù)。第二. BTA 深孔鉆是內排屑深孔鉆的一種典型結構，它是在單刃內排屑深孔鉆的基礎上改進而成，其切削刃呈雙面錯齒狀，切屑從雙面切下，并經雙面排屑孔進入鉆桿排出孔外。BTA 深孔鉆切削力分布均勻，分屑、斷屑性能好，鉆削平穩(wěn)可靠，鉆削出的深孔直線性好。BTA 深孔鉆具有以下結構特點：1. 刀體上分布有外刃刀片、中刃刀片、內刃刀片、導向塊和雙面排屑孔，并通過刀體上的淺牙多頭矩形螺紋與空心鉆桿聯(lián)接。2. 鉆芯部

7、分由內刀刃代替了麻花鉆的橫刃，從而克服了麻花鉆橫刃較長、軸向阻力較大的缺點；由于鉆芯相對于鉆孔軸心線偏移了一段距離，加工時鉆芯處刀刃低于中心處刀刃，因此會形成一個導向芯柱(見圖1)，使鉆頭具有較好的導向性，鉆孔時不易偏斜，該導向芯柱增長到一定長度后會自行折斷并隨切屑一起排出。3. 主刀刃采用非對稱的分段、交錯排列形式，可保證分屑可靠，并避免用整體硬質合金刀片磨削卷屑槽、分屑槽時易產生裂紋的情況。圖1 BTA深孔鉆鉆孔時形成的導向芯柱4. 刀片材料可采用幾種不同牌號的硬質合金，以適應各部分結構對耐磨性和強度的不同要求，如鉆芯部分切削速度低、切削力大，在切屑擠壓作用下易發(fā)生崩刃，可選用韌性較好的硬

8、質合金刀片；鉆頭外緣部分則可選用耐磨性較好的硬質合金刀片。切屑的卷曲形式與斷屑方法艾小凱常興王琪摘要：以塑性理論為基礎，分析了切屑卷曲形式，提出了設計卷屑臺的具體方案。關鍵詞：切削切屑塑性變形斷屑Chip Curling Forms and Chip Breaking MethodAi Xiaokai et alAbstract：On the basis of plastic theore chip curling forms are analysed，and a concrete scheme of designing chip groove is put forwardKeywords：c

9、utting chip plastic deformation chip breaking在金屬切削加工中，不利的屑形將嚴重影響操作安全、加工質量、刀具壽命、機床精度和生產率。因此有必要對切屑的卷曲形式和斷屑方法進行深入研究，以便對切屑形態(tài)進行有效控制。1切屑卷曲形式在塑性金屬切削加工過程中，由于切屑向上卷曲和橫向卷曲的程度不同，所產生的切屑形態(tài)也各不相同。為了便于分析切屑卷曲的形式，可將切屑分為向上卷曲型、復合卷曲型和橫向卷曲型三大類。在脆性金屬切削加工中，容易產生粒狀切屑和針狀切屑，只有在高速切削、刀具前角較大、切削厚度較小時，此類切屑的卷曲方向才與一般情況下略有差異。在切削塑性金屬時，如

10、刀具刃傾角為0，有卷屑槽且切削寬度較大，切屑大多向上卷曲。在其它情況下，切屑大都為橫向卷曲。例如，在外圓車削加工中，當進給量與背吃刀量之比較大，且刀具的前角為0時，切屑容易橫向卷曲成墊圈狀（見圖1）。這是因為切屑兩端部分在橫向上變寬，而切屑的體積不變，橫向變寬部分的厚度必然變薄，若長度不縮短，就必然產生橫向卷曲；另外，若在車刀上磨有過渡刃，加上刀尖和副切削刃的作用，使得在切屑寬度方向上剪切角發(fā)生變化，也可使切屑產生橫向彎曲而呈墊圈狀。圖1墊圈狀切屑在通常情況下，切屑不可能僅僅向上卷曲或橫向卷曲，而是在向上卷曲的同時也產生橫向卷曲。長緊卷屑和螺狀卷屑的形成就是切屑同時向上和橫向卷曲的結果（如圖2

11、）。圖2精車時的長螺狀卷屑2 斷屑方法在塑性金屬切削中，直帶狀切屑和纏繞形切屑是不受歡迎的；而在脆性金屬切削中，又希望得到連續(xù)型切屑。通常，改變切削用量或刀具幾何參數(shù)都能控制屑形。在切削用量已定的條件下加工塑性金屬時，大都采用設置斷屑臺和卷屑槽來控制屑形。本文主要討論卷屑槽基本參數(shù)的計算。圖3是直線型、直線圓弧型和圓弧型三種卷屑槽的基本形式。其主要參數(shù)如下：（1）接觸長度L圖3中，切屑在前刀面上的接觸長度可由下式4獲得LKmachsin（o）sincos（1）式中Km切屑與前刀面接觸長度修正系數(shù)，一般取16左右ach切屑厚度（2）卷屑槽半徑R2由斷裂理論可知，塑性金屬的斷屑條件是ffc（2）式

12、中f切屑卷曲應變fc臨界斷裂應變圖3卷屑槽的基本形式及參數(shù)對于向上卷曲型切屑，其折斷條件如圖4所示。假設在切屑外表面拉長L后達到斷裂極限，由幾何關系得L（R1y）dR1d（3）式中L切屑斷裂時斷裂表面的伸長量R1切屑斷裂時的卷曲半徑y(tǒng)切屑中性層至斷裂表面的法向距離因為彎曲應變?yōu)閘l式中l(wèi)中性層上的切屑長度所以斷裂應變?yōu)閒c（R1y）dR1dR1dyR1（4）由塑性力學知bEfc（5）由式（4）和式（5）可得向上卷曲型切屑折斷時的卷曲半徑為R1Eyb（6）圖4向上卷曲型切屑的折斷條件由于短耳狀切屑與弧形切屑類似，故其理論模型可參照弧形切屑（略）。對于長耳狀切屑，因其與刀具后刀面碰撞而折斷，故其理

13、論模型如圖5所示。其應變可由下式求出fc05ach（1R21RL）（7）式中ach切屑厚度R2卷屑槽半徑RL長耳狀切屑斷裂時的卷曲半徑圖5長耳狀切屑的卷曲折斷條件由式（5）和式（7）可得卷屑槽半徑為R21（2bEach1RL）（8）以切削45鋼（調質）為例，其彈性模量E206GPa，強度極限b650GPa，測得切屑厚度為02mm。由式（6）得R1317mm，由式（8）得R2317mm。為了保證斷屑，根據(jù)不同材料，可選取斷屑系數(shù)為812，此時卷屑槽最大卷曲半徑為2.643.96mm，而由試驗統(tǒng)計得到的卷屑槽卷曲半徑為3mm左右。通過分析發(fā)現(xiàn)，金屬經過塑性變形以后，硬度和強度大大提高，而塑性和韌性

14、卻顯著下降，這是造成理論值遠遠高于試驗值的主要原因。因此，在設計卷屑槽時，斷屑系數(shù)可選取理論值與試驗值之比。卷屑槽半徑最后計算公式為RR1n（9）式中R卷屑槽卷曲半徑n斷屑系數(shù)，一般取812（3）在中等切深情況下，一般可選取110120（參見圖3）。角太小會使切屑堵塞在槽中，造成打刀；角太大，則會使切屑卷曲半徑太大，切屑因變形小而不折斷。（4）卷屑槽與主切削刃的傾斜方式分為外斜式、平行式和內斜式。外斜式卷屑槽容易造成切屑翻轉到車刀后刀面而得到C形屑（短耳狀或長耳狀切屑）；平行式卷屑槽的切屑大多是碰到工件加工表面折斷；內斜式卷屑槽的切屑容易形成連續(xù)的長緊卷屑。切削中碳鋼時，內斜式和外斜式卷屑槽的

15、斜角常取8106。作者單位：艾小凱常興華北工學院（太原030051）王琪河北秦皇島電視大學（066001）參考文獻1陳日曜金屬切削原理機械工業(yè)出版社，19932常興金屬切削過程中物理現(xiàn)象問題的探討太原機械學院學報，1984（2）3曹鴻德塑性變形力學基礎與軋制原理機械工業(yè)出版社，19814日中山一雄著，李云芳譯金屬切削加工理論機械工業(yè)出版社，19855美G布思羅伊德著，山東工學院機制教研室譯金屬切削加工的理論基礎山東科學技術出版社，19806華南工學院，甘肅工業(yè)大學主編金屬切削原理及刀具設計（上冊）上?？茖W技術出版社，19797常興關于脆性金屬切屑形狀和變形的試驗研究中國兵工學會論文選編，198

16、4編輯：石明收稿日期：1998年10月什么是刀具的合理(或最佳)幾何參數(shù)呢？ 在保證加工質量的前提下，能夠滿足刀具使用壽命長、生產效率高、加工成本低的刀具幾何參數(shù)，稱為刀具的合理幾何參數(shù)。 一般地說，選定刀具幾何參數(shù)的合理值問題，本質上是多變量函數(shù)針對某一目標計算求解最佳值的問題。但是，由于影響切削加工效益的因素很多，而且影響因素之間又是相互作用的，因而建立數(shù)學模型的難度甚大。實用的優(yōu)化或最佳化工作，只能在固定若干因素后，改變少數(shù)參量，取得實驗數(shù)據(jù)，并且采用適當方法(例如方差分析法、回歸分析法等)進行處理，得出優(yōu)選結果。 二、刀具合理幾何參數(shù)的基本內容 刀具的合理幾何參數(shù)包含以下四個方面基本內

17、容： 1.刃形 刃形即是切削刃的形狀。從簡單的直線刃發(fā)展到折線刃、圓弧刃、月牙弧刃、波形刃、階梯刃及其他適宜的空間曲線刃，同時也明確了一定的切削加工條件必定對應有某種適宜的刃形。這是刀具幾何構形趨于合理的一種標志。刀尖形狀的變革，也是刃形變革的內容之一。 刃形直接影響切削層的形狀，影響切削圖形的合理性；刃形的變化，將帶來切削刃各點工作角度的變化。因此，選擇合理的刃形，對于提高刀具使用壽命、改善已加工表面質量、提高刀具的抗振性和改變切屑形態(tài)等，都有直接的意義。以切斷刀為例(圖101)，說明改革的刃形具有多樣性。圖中a為左偏刃，b為右偏刃，可避免切斷后工件芯部殘留一段細桿，亦可防止切斷終了時刀頭折

18、斷；c為雙過渡刃，增強了兩個刀尖；d為雙偏角刃，e、f、g、h、i、j為折線刃或圓弧刃，均可增加切削刃的有效長度，改善刀尖處散熱條件，獲得有利于排屑的切削層形狀；k、l為月牙弧刃，有抗振作用；m、n為前刀面上磨出條或幾條縱向槽(搓板槽)形成的波形刃，抗振性好；o為單面階梯打；p為雙階梯刃。這些刃形總的特點是強化了刀尖，減少單位切削刃長度上的切削負荷，排屑順利，還有一定的抗振作用，因而在各自適宜的切削條件下均可發(fā)揮較好的作用。 圖103所示為普通的平直切削刃切斷刀與雙階梯刃切斷刀(圖102)的切削力實驗曲線。這是刃形對比實驗研究的一個適例。 進行實驗的雙階梯刃切斷刀(圖102)和普通平直刃切斷刀

19、的刀片材料均為YT5，除刃形不同外，其他幾何參數(shù)都一樣。圖103為三種不同的進給量下，兩把切斷刀的切入深度h對主切削力Fc的影響曲線。由圖可見，隨著切入深度h的增加，普通平直刃的切削力迅速上升，約為階梯刃切削力的兩倍。這是因為階梯刃的主切削刃分為三段，切屑也相應地分成三條，切屑同切出槽形兩壁之間的摩擦大大減小，即使切入較深時，也不致使切屑 阻塞在刀頭與切出槽形兩壁之間。同時，切削液也容易注入切削區(qū)域，因此切削力和切削溫度均顯著減小。當切入深度增加時，階梯刃切斷刀僅僅由于切削速度降低而使切削力略有增加。實驗得知，階梯刃的切削溫度同平直刃相比，約降低2025，而刀具使用壽命延長了50一100。由此

20、可以看出變革刃形的重要意義。 2.切削刃刃區(qū)的剖面型式及參數(shù) 切削刃的剖面型式，我們通常將它簡稱為刃區(qū)型式，對切削加工效率、質量和成本有重要的意義。針對不同的加工條件和技術要求，選擇合理的刃區(qū)型式(如鋒刃、前刀面負倒棱刃、后刀面消振棱刃、倒圓刃、零度后角的刃帶)及其合理的參數(shù)值，是選擇刀具合理幾何參數(shù)的基本內容。圖104所示為五種刃區(qū)型式，其合理參數(shù)值的選擇見附錄10。 3.刀面型式及參數(shù) IS0標準確立了多棱面前、后刀面的定義，標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，對切屑的變形、卷曲和折斷，對切削力、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。關于刀面作用機理及其參數(shù)選擇，可參閱本書第三章和后續(xù)課程金屬切削刀具第一章。 4.刀具角度 刀具角度