第9 刀具合理几何参数的选择及 切 削用量优化PPT文档格式.pptx

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,第二节刀具合理几何角度及其选择,刀具几何参数主要包括：

刀具角度、刀刃与刃口形状、前面与后面型式等。

一、前角及前刀面形状的选择,从金属切削的变形规律可知，前角是切削刀具上重要的几何参数之一，它的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。

（一）前角的功用及选择影响切削区域的变形程度增大刀具前角，可以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，使刀具的耐用度提高。

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，会使刀具楔角减小，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；

前角过大，有可能导致切削刃处出现弯曲应力，造成崩刃。

因此，刀具前角过大时，刀具耐用度也会下降。

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。

（4）影响已加工表面质量增大前角可以抑制积屑瘤和鳞刺的产生，减轻切削过程中的振动，减小前角或者采用负前角时，振幅急剧增大，如图所示。

由此可见，增大或减小前角，各有利弊。

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。

使刀刃强度降低，容易造成崩刃；

也会使刀头散热体积减小，刀头能容纳热量的体积减小，致使切削温度增高。

因此，刀具的前角太大时，刀具耐用度T也会下降。

在一定的加工条件下，存在一个刀具耐用度为最大的前角通常称为合理前角。

图为刀具前角对刀具耐用度影响示意图。

可见前角太大、太小都会使刀具使用寿命显著降低。

对于不同的刀具材料，各有其对应着刀具最大使用寿命的前角，称为合理前角0pt。

显然，由于硬质合金的抗弯强度较低，抗冲击韧性差，其0pt也就小于高速钢刀具的0pt。

同理，工件材料不同时，刀具的合理前角也不同（如图所示）。

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。

合理前角的选择：

刀具合理前角主要取决于刀具材料和工件材料的种类与性质：

（1）刀具材料的强度及韧性较高时可选择较大的前角例如，高速钢的强度高、韧性好；

硬质合金脆性大，怕冲击，易崩刃；

因此高速钢刀具的前角可比硬质合金刀具选得大一些，可大5o10o。

陶瓷刀具的脆性更大，故前角应选择得比硬质合金刀具还要小一些。

刀具的前角还取决于工件材料的种类和性质。

加工塑性材料（如钢）时，应选较大的前角；

加工脆性材料（如铸铁）时，应选较小的前角。

切削钢料时，切屑变形很大，切屑与前刀面的接触长度较长，刀屑之间的压力和摩擦力都很大，为了减小切屑的变形和摩擦，宜选较大的前角。

用硬质合金刀具加工一般钢料时，前角可选10o20o。

切削灰铸铁时，塑性变形较小，切屑呈崩碎状，它与前刀面的接触长度较短，与前刀面的摩擦不大，切削力集中在切削刃附近。

为了保护切削刃不致损坏，宜选较小的前角。

加工一般灰铸铁时，前角可选5o15o。

2）工件材料的强度或硬度较小时，切削力不大，刀具不易崩刃，对刀具强固的要求较低，为了使切削刃锋利，宜选较大前角。

当材料的强度或硬度较高时，切削力较大，切削温度也较高，为了增加切削刃的强度和散热体积，宜取较小前角。

例如，加工铝合金时，前角可取30o35o；

加工中硬钢时，前角可取10o20o；

加工软钢时，前角可取20o30o。

3）用硬质合金车刀加工强度很大的钢料或淬硬钢，特别是断续切削时，应从刀具破损的角度出发选择前角，这时常需采用负前角。

材料的强度或硬度越高，负前角的绝对值也越大。

采用负前角时，切削刃和刀尖部分受到的是压应力，硬质合金的抗压强度比抗弯强度高34倍，切削刃不易因受压而损坏。

抗弯强度更差的陶瓷和立方氮化硼刀具，也经常采用负前角。

但是负前角刀具会增大切削力（特别是径向力）和能耗，易引起机床振动；

因此，只在工件材料的强度和硬度很高、切削时冲击很大，采用正前角要产生崩刃，且工艺系统刚性很好时，才采用负前角。

加工一般脆性金属时，由于这类金属的抗压强度大于抗拉强度、用正前角刀具较容易切除切屑，故通常不采用负前角。

（3）选择合理前角时还要考虑一些具体加工条件例如：

粗加工时，特别是断续切削时，切削力和冲击一般都比较大，工件表面硬度也可能很高，为使切削刃有足够强度，宜取较小前角；

精加工时，对切削刃强度要求较低，为使刀刃锋利，降低切削力，以减小工件变形和减小表面粗糙度，宜取较大前角。

在工艺系统刚性较差或机床电动机功率不足时，宜取较大的前角；

但在自动机床上加工时，为使刀具切削性能稳定，宜取小一些的前角。

用不同刀具材料加工各种工件材料时，合理前角的参考值可查相关的手册。

表为硬质合金车刀合理前角、后角的参考值，高速钢车刀的前角一般比表中的值大510。

（二）倒棱及其参数的选择在切削加工中，增大刀具前角，有利于切屑形成和减小切削力；

但增大前角，又使切削刃强度减弱。

在正前角的前刀面上磨出如图a和b所示的倒棱则可二者兼顾。

倒棱的主要作用是增强切削刃，减小刀具破损。

在使用硬质合金和陶瓷等脆性较大的刀具，尤其是在进行粗加工或断续切削时，对减少崩刃和提高刀具耐用度的效果是很显著的（可提高15倍）；

用陶瓷刀具铣削淬硬钢时，没有倒棱的切削刃是不可能进行切削的。

同时，刀具倒棱处的楔角较大，使散热条件也得到改善。

倒棱的参数包括倒棱宽度br1和倒棱前角01。

倒棱的宽度值一般与切削厚度（或进给量f）有关。

通常取为br1=0.21mm或br1=（0.30.8）f。

粗加工时取大值，精加工时取小值。

高速钢刀具倒棱的前角取01=05，硬质合金刀具取01=-5-10。

用硬质合金车刀切削带硬皮的工件时，如果切削时冲击较大，而机床的刚性和功率允许的条件下，倒棱的br1和01的绝对值可以选的大一些。

这样可以进一步强化切削刃，崩刃的会更加减小，但切削力也会明显增加。

如果倒棱的br1过大，01过小，则负倒棱将代替前刀面进行切削。

一般来说，精加工刀具，为使切削刃锋利，不宜磨出倒棱。

加工铸铁、铜合金等脆性材料的刀具，以及形状复杂的成形刀具等，也不磨倒棱。

在刀具中采用如图c所示的刀刃钝圆，是强化切削刃的另外一种有效方法。

目前，经钝圆处理的硬质合金可转位刀片，在生产中已获得广泛的应用。

刀具钝圆可以减少刀具的早期破损，使刀具耐用度可能提高200%。

在断续切削时，适当增大钝圆半径，可大大增加刀具崩刃前所受的冲击次数。

钝圆刃还有一定的切挤熨压及消振作用，可减小工件已加工表面粗糙度。

钝圆半径值推荐如下：

一般情况下钝圆半径f/3，轻型钝圆半径：

=0.050.03mm，中型钝圆半径=0.050.1mm，重型钝圆半径=0.15mm。

重型钝圆用于重载切削。

（三）带卷屑槽的前刀面形状及其参数选择在加工韧性金属时，为了使切屑卷成螺旋形或折断成C形，使之易于排出和清理，常在前刀面上磨出卷屑槽。

卷屑槽可作成直线圆弧形、直线形和全圆弧形三种（图）。

每种形状的卷屑槽可得到不同的卷屑效果。

图卷屑槽的形状,a）直线圆弧型,b）直线型c）全圆弧型,前刀面：

有平面型、曲面型和带倒棱型三种。

平面型前刀面：

制造容易，重磨方便，刀具廓形精度高。

曲面型前刀面：

起卷刃作用，并有助于断屑和排屑。

故主要用于粗加工塑性金属刀具和孔加工刀具。

如丝锥、钻头。

带倒棱型前刀面：

是提高刀具强度和刀具耐用度的有效措施。

二、后角的选择,后角的主要功用是减小切削过程中刀具后刀面与加工表面之间的摩擦。

后角的大小还影响作用在后刀面上的力、后刀面与工件的接触长度以及后刀面的磨损强度，因而对刀具耐用度和加工表面质量有很大的影响。

（一）后角的功用,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。

后角越大，切削刃钝圆半径值越小，刀刃易切入工件，切削刃越锋利，当切下的切屑很薄时，尤其重要。

在同样的磨钝标准VB下，后角大的刀具用到磨钝时，所磨去的金属体积较大（如图a所示），有利于延长刀具使用寿命。

但是径向磨损量NB也随之增大，这会影响工件的尺寸精度。

从图b可知，在取径向磨钝标准NB值不变时，增大后角，到同样的径向磨钝标准NB值时，磨损体积却比较小后角时的磨损体积小，所以，在选择径向磨钝标准时，为保证精加工刀具的耐用度，后角不宜选得过大。

如果后角过大，楔角减小，将削弱切削刃的强度，减少散热体积，磨损反面加剧，使刀具的耐用度降低。

并且重磨时，磨掉的刀具材料量增多，将增加刃磨刀具的费用。

（二）后角的选择,

（1）实验证明，合理的后角主要取决于切削厚度（或进给量）。

当切削厚度很小时，磨损主要发生在后刀面上，为了减小后刀面的磨损和增加切削刃的锋利程度，宜取较大的后角。

当切削厚度很大时，前刀面上的磨损量加大，这时后角取小些可以增强切削刃及改善散热条件；

同时，由于这时楔角较大，可以使月牙洼磨损深度达到较大值而不致使切削刃碎裂，因而可提高刀具耐用度。

但若刀具已采用了较大负前角则不宜减小后角，以保证切削刃具有良好的切入条件。

当f0.25mm/r时，可选0=1012，当f0.25mm/r时，取0=58。

后角的大小与切削厚度的关系见图10-8。

工件材料的强度或硬度较高时，为了加强切削刃，宜取较小的后角，工件材料较软，塑性较大，已加工表面易产生加工硬化时，后刀面摩擦对刀具磨损和加工表面质量影响较大，这时应取较大的后角。

粗加工或断续切削时，为了强化切削刃，应选较小的后角。

精加工或连续切削时，刀具的磨损主要发生在刀具后刀面，应选用较大的后角。

（4）当工艺系统刚性较差，容易出现振动时，应适当减小后角。

为了减小或消除切削时的振动，还可以在车刀后面上磨出b1=0.10.2mm，o1=0的刃带，刃带不但可以消振，还可以提高刀具耐用度，以及起稳定和导向作用，主要用于铰刀、拉刀等有尺寸精度要求的刀具上。

或磨出如图4.9所示的b1=0.10.3mm，o1=-5-10的消振棱。

消振棱可以使切削过程稳定性增加，有助于消除切削过程的低频振动，同时强化了切削刃，改善了散热条件，从而提高了刀具耐用度。

对于尺寸精度要求较高的刀具，宜取较小的后角。

因为当径向磨损量NB选为定值时，后角较小所磨损掉的金属体积较多，刀具可连续使用较长时间，故刀具耐用度较高。

生产现场中，在粗加工时以确保刀具强度为主，应取较小的后角46;

在精加工时以保证加工表面质量为主，一般取ao=812。

在一般条件下，为了提高刀具耐用度，可加大后角，但为了降低重磨费用，对重磨刀具可适当减小后角。

刀具的副后角主要用来减少副后刀面与已加工表面的摩,擦，它对刀尖强度也有一定的影响。

为了使制造、刃磨方便，,o,一般车刀的副后角a取和,o,较小（a=1,工件材,料种类,合理前角参考值/（）合理后角参考值/（）,粗车,精车,粗车,后角a相同的数值。

但切断刀精受车刀,2530,3028）10。

头强低度碳钢限制，副后20角25中碳钢1015,o1520,57,101268,合金钢101515205768,表淬为火钢硬质合金车刀合理-15后-5角的参考值，高速钢车8刀10的前角一,般不比锈钢表（奥中氏体的）,值大5152010。

202568810,（三）常见后刀面形状,前角大，刀锋利，强度差。

适于精加工。

前角小，强度好，散热佳。

适于粗加工。

后角大，刀锋利，摩擦小。

后角小，强度好。

散热佳，适于粗加工。

三、主偏角、副偏角及刀尖形状的选择

（一）主偏角的功用及选择主偏角对刀具耐用度影响很大，并且可以在很大范围内变化。

影响切削条件（切削宽度和切削厚度的比例）。

随着主偏角的减小，刀具耐用度得以提高。

（1）当背吃刀量和进给量不变时，主偏角减小会使切削厚度减小，切削宽度增加（图）。

这时参加切削的切削刃长度增加，单位长度切削刃上的负荷减轻，散热条件亦得以改善。

（2）主偏角减小时，刀尖角增大，使刀尖强度提高，刀尖散热体积增大。

（3）主偏角较小的刀具（s在=0时）在切入工件时，最先与工件接触处是远离刀尖的地方，而当主偏角大于等于90时，主切削刃参加切削部分同时切入工件，因而可减少因切入冲击而造成的刀尖损坏。

（4）减小主偏角还可使工件表面残留面积高度减小，从而使已加工表面粗糙度减小。

根据上述原理，刀具的主偏角理应是小些为好。

减小主偏角会导致径向力Fy增大（图421），轴向分力Fx减小。

这会引起下述结果：

随着径向力的增大和工件刚性减小，切削时产生的挠度也增大，因而会降低加工精度。

在工艺系统刚性不足的情况下，径向力增大会引起振动。

振动会使刀具（特别是刀具材料脆性大时）耐用度显著下降，和已加工表面粗糙度显著增大。

由图可知，在工艺系统刚性很强时，随着主偏角减小，刀具耐用度或可用切削速度显著提高（如图中的高速钢曲线）；

但当工艺系统刚性不足时，主偏角太大或太小都会使刀具耐用度下降。

由此可知，合理主偏角的大小也决定于工艺系统的刚性。

当刚性允许时，则主偏角宜取小一些。

因此，合理选择主偏角主要按以下原则：

工艺系统的刚度较好时，主偏角可取小值，如r3045，在加工高强度，高硬度的工件时，可取r1030，以增加刀头的强度。

当工艺系统的刚度较差或强力切削时，一般取r6075。

综合考虑工件形状、切屑控制等方面的要求。

车削细长轴时，为了减小径向力，取r9093；

车削阶梯轴时，可取r90；

用一把车刀车削外圆、端面和倒角时，可取r4560；

镗盲孔时r90。

较小的主偏角易形成长而连续的螺旋屑，不利于断屑，故对于切削屑控制严格的自动化加工，宜取较大的主偏角。

（二）副偏角的功用及选择,车刀副切削刃的主要作用是最终形成已加工表面。

副偏角的大小对刀具耐用度和已加工表面粗糙度都有影响。

副偏角r越小，切削刀痕理论残留面积的高度越小，已加工表面粗糙度值越小，同时小的副偏角r还可以增强刀尖强度，改善散热条件。

副偏角过小会增加副切削刃参加切削工作的长度，增大副后刀面与已加工表面的摩擦和磨损，因此刀具耐用度较低。

此外，副偏角太小，也易引起振动，反而增大表面粗糙度值。

但是，副偏角太大会使刀尖强度降低，和散热条件恶化，因此刀具耐用度也较低。

由此可知，副偏角也存在一个合理值。

副偏角r的大小主要根据工件已加工表面的粗糙度要求和刀具强度来选择，在不引起振动的情况下，尽量取小值。

一般地，精加工时，取r510；

粗加工时，取r1015。

当工艺系统刚度较差或从工件中间切入时，可取r3045。

在精车时，可在副切削刃上磨出一段r=0、长度为（1.21.5）f的修光刃，以减小已加工表面的粗糙度值。

用带有修光刃的车刀切削时，径向分力Fy很大，因此工艺系统刚度必须很好，否则容易引起振动。

在刀具上，强度较差，散热条件不好的地方是刀尖，即主切削刃和副切削刃连接处。

在切削过程中，刀尖处切削温度较高，很容易磨损。

当主偏角及副偏角都很大时，这一情况尤为严重。

为了减少切削过程中的振动，往往选取较大的主偏角，取较大值时，刀尖角减小引起刀具耐用下降。

所以，为强化刀尖，在刀尖处磨出图所示的过渡刃，不但显著提高刀具的耐崩刃性和耐磨性，改善其散热条件，而且还可以减小刀尖部分的形状对残留面积高度和已加工表面粗糙度值，提高已加工表面质量。

（三）刀尖形状及尺寸的选择,1圆弧形过渡刃（如图a所示）圆弧过渡刃圆弧过渡刃不但可以提高刀具耐用度，而且还可以大大减小已加工表面粗糙度。

精加工车刀常采用圆弧形过渡刃。

圆弧过渡刃的主要参数是圆弧半径，值越大，刀具的磨损和破损均可减小,断续切削时产生崩刃的冲击次数可显著减少，对提高表面质量和刀具耐用度越显著，但取得过大，则会使径向力Fy增大，易引起振动。

一般地，硬质合金及陶瓷等脆性较大的刀具材料，因其对振动较敏感，刀具的刀尖圆弧半径取得较小；

精加工时，因要求较小的表面粗糙度值，比粗加工时取得小一些。

所以，硬质合金和陶瓷车刀一般取=0.51.5mm，高速钢车刀取=13mm。

一般地，精加工车刀常采用圆弧形过渡刃。

2直线过渡刃（如图b、c所示）,在硬质合金车刀、铣刀上常磨出直线过渡刃，用于粗加工，以改善刀尖强度较差，散热条件恶化的状况，提高刀具耐用度一般外圆车刀直线过渡刃参数是：

过渡刃偏角，过渡刃长度b=0.52mm或者b=（0.20.5）。

对于切断刀，过渡刃偏角一般取为=45，过渡刃长度b=0.25Bmm（B为切断刀的宽度）。

过渡刃处的后角，可与主切削刃后角相同。

直线过渡刃因刃磨方便，且容易磨得对称，多用于多刃刀具上。

四、刃倾角的选择,刃倾角的功用1控制切屑流出方向图所示为外圆车刀主切削刃刃倾角对切屑流向的影响。

当s0时，进行直角切削时，切屑沿垂直于主切削刃方向流出；

当s0时，切屑流向待加工表面；

当s0时，切屑流向已加工表面，容易划伤工件表面。

刃倾角等于0时,刃倾角大于0时，切屑不仅妨碍工人操作，而且容易缠绕在机床转动部件上。

刃倾角小于0时，切屑流向以加工表面，并形成长卷屑，易损坏已加工表面，但对操作者影响较小。

2影响刀尖强度和散热条件图是一把主偏角为90度的刨刀的加工情况，当刃倾角为00时（b），切削刃全长与工件同时接触，切削力在瞬间由零增至最大，因而冲击较大。

当刃倾角大于0时（c），刀尖首先接触工件，冲击作用在刀尖上，容易崩尖。

当刃倾角小于0（a），即为负值时，离刀尖较远处的切削刃首先接触工件，保护了刀尖。

其次，切削面积在切人时由小到大，切出时由大到小逐渐变化；

因而切削力也是逐渐变化，切削比较平稳，可大大减少刀具受到的冲击和崩刃现象。

因此，在粗加工时，特别是冲击较大的加工中，常常采用负刃倾角的刀具。

3影响切割刃的锋利程度当刃倾角s15时，刃倾角对实际前角的影响不大。

当刃倾角s15时，斜角切削时，由于切屑在前刀面上流向的改变，使实际起作用的前角增大。

如图1018所示，工作前角增大。

此外，刃倾角增大还可减小刀刃钝圆半径，使切削刃变得更为锋利。

因此，切下极薄切屑的微量精车刀和精刨刀可采用450750刃倾角。

4影响切削分力的大小刃倾角对径向力和轴向力的影响较大。

当负刃倾角绝对值增大时，径向力会显著增大，将导致工件变形和工艺系统振动。

例如，当s从0变化到-45时，径向力Fy约增大1倍，轴向力Fx降低约三分之一，主切削力Fz基本不变。

因此，在加工钢件或铸铁件时，粗车取s50，精车取s05；

有冲击负荷或断续切削取s155。

工高强度钢、淬硬钢或强力切削时，为提高刀头强度，取s3010。

当工艺系统刚度较差时，一般不宜采用负刃倾角以避免径向力的增加。

刃倾角的选择,根据加工性质和加工条件选择粗加工S0（使FP小些）断续切削：

S0（使FP小些）微量切削：

S取大值（使刀具实际刃口半径）,五、刀具合理几何参数选择实例,在选择刀具几何参数应当注意，刀具各角度之间是互相联系互相影响的，不能为提高刀具性能单独选择某一角度。

例如，在加工硬度较高的工件材料时，为了增加切削刃的强度，一般取较小的后角。

但在加工特别硬的材料，如淬硬钢时，通常采用负前角，这时楔角较大，如适当增大后角，不仅使切削刃易于切入工件，而且还可提高刀具耐用度。

另外，刀具前角与刃倾角的选择也常常相互影响,图所示为强力车刀的几何参数，用于在p=3035mm，f=11.5mm/r，v=50m/min条件下切削锻钢件。

车刀的前角0=1820，这样可以减小切削力。

为了增加切削刃的强度，采用了s=-4-6的刃倾角和br1=0.81mm，01=-10的负倒棱。

刀具主偏角选为75，可以减小径向切削力。

刀尖强度则通过采用24mm的过渡刃及1.52mm的刀尖圆弧得到保证。

因此这把车刀的使用效果较好。

任何一个刀具合理几何参数，都应该在多因素的相互联系中确定。

切削三要素对切削力、刀具磨损和刀具耐用度、产品加工质量等都有直接的影响。

只有选择合适的切削用量，才能充分发挥机床和刀具的功能，最大限度地挖掘生产潜力，降低生产成本。

制订切削用量就是确定工序中的背吃刀量ap、进给量f、切削速度v以及刀具耐用度的大小。

合理的切削用量是指充分利用刀具的切削性能和机床性能（功率、扭矩），在保证质量的前提下，使得切削效率最高和加工成本最低的切削用量。

制订合理的切削用量，要综合考虑生产率、加工质量和加工成本。

第三节切削用量的制订,按切削工时tm，计算的生产率P为:

P1/tm,1、切削用量对生产率的影响,式中，dw车削前的毛坯直径（mm）；

Lw工件切削部分长度（mm）；

加工余量（mm）；

nw工件转速（r/min）。

P=A0vfap利用上式，ap、f、v中的任何参数增加1倍，都可提高生产效率1倍。

2、切削用量对刀具耐用度的影响,用YT5硬质合金车刀切削抗拉强度为0637GPa的碳钢时，切削