第五讲 刀具切削部分几何参数选择

1 第五讲 主讲 熊晓萍 刀具合理几何参数的选择 2 刀具的几何参数包括刀具的切削角度 刀面的形式以及切削刃的形状 刀具的合理几何参数 在保证加工质量的前提下 能够获得最高刀具耐用度 从而能达到提高切削效率 降低加工成本目的的几何参数 3 为什么要选择刀具合理几何参数 刀具的几何参数对切屑变形 切削力 切削温度和刀具磨损都有显著影响 从而影响切削加工生产率 刀具耐用度 加工质量和加工成本 怎样选择刀具合理几何参数 选择刀具合理几何参数主要取决于工件材料 刀具材料 刀具类型 也与切削用量 工艺系统刚性和机床功率等因素有关 4 第一节前角及前刀面形状的选择 一 前角的功用及选择 前角有正前角和负前角之分 前角是刀具上重要的几何参数之一 它的大小决定切削刃的锋利程度和强固程度 直接影响切削过程 o1 Pr o2 5 正前角的目的是为了减小切屑被切下时的弹塑性变形和切屑流出时与前面的摩擦阻力 从而可减小切削力和切削热 使切削轻快 提高刀具寿命 并提高已加工表面质量 但前角过大时 楔角过小 会削弱切削刃部的强度并降低散热能力 反而会使刀具寿命降低 在一定加工条件下 存在一个耐用度为最大的前角 即合理前角 opt 6 负前角的目的在于改善刃部受力状况和散热条件 提高切削刃强度和耐冲击能力 负前角刀具通常在用脆性刀具材料加工高强度高硬度工件材料而当切削刃强度不够 易产生崩刃时才采用 7 选择前角时首先应保证切削刃锋利 同时又要兼顾足够的切削刃强度 在保证加工质量的前提下 一般以达到最高的刀具寿命为目的 前角的合理数值选取原则 刀具合理前角的选择主要取决于刀具材料 工件材料的种类与性质 8 刀具材料的强度和韧性较高时可选择较大的前角 刀具材料 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5 10 不同牌号的硬质合金 其强度和韧性也不相同 所用前角也应有所区别 陶瓷刀具的脆性更大 故前角应选择得比硬质合金还要小一些 要充分注意增加切削刃强度 常取负值 多在 4 15 范围 以改善刀具受力时的应力状态 并选负的刃倾角 取0 10 与之配合以改善切入时承受冲击的能力 立方氮化硼由于脆性更大 都采用负前角高速切削 9 工件材料 1 加工塑性材料时 切屑呈带状 沿刀具前面流出时和前面接触长度较长 摩擦较大 为减小变形和摩擦 一般都采用正前角 工件材料塑性愈大 强度和硬度愈低时 前角应选得愈大 如 加工铝及铝合金取 o 25 35 加工低碳钢常取 o 20 25 如 正火高碳钢取 o 10 l5 当加工高强度钢时 为增强切削刃 才取负前角 当工件材料强度较大 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 前角宜取小值 10 2 加工脆性材料时 塑性变形小 切屑呈崩碎状 刀屑接触长度短 摩擦不大 切削力集中在切削刃附近且产生冲击 容易造成崩刃 所选前角应比加工塑性材料时小一些 以提高切削刃强度和散热能力 如加工灰铸铁取 o 5 15 前角数值随脆性材料强度和硬度的增大而逐渐减小 在加工淬火钢 冷硬铸铁等高硬度难加工材料时 宜取负前角 实验证明 用正前角硬质合金车刀加工高硬度淬火钢时 切削刃几乎一开始切削就会发生崩刃 11 具体加工条件 粗加工时或断续切削时 切削力和冲击较大 为使切削刃有足够强度 宜取较小前角 精加工时 切削刃强度要求较低 为使刀具刀刃锋利 降低切削力 以减小工件变形和减小表面粗糙度值 宜取较大前角 在工艺系统刚性较差或机床马达功率不足时 宜取较大前角 以减小切削力和切削功率 减轻振动 在自动机床上加工时 为使刀具稳定 宜取小一些的前角 12 其他参数的选择 前角的合理数值不是孤立的 还和刀面形状及刃区参数以及其他角度有关 特别是和刃倾角有密切关系 例如 带负倒棱的刀具允许采用较大前角 大前角刀具常与负刃倾角相匹配来保证切削刃强度和抗冲击能力 许多先进刀具就是在针对某种加工条件 善于灵活运用这些原则而产生的 硬质合金车刀合理前角的经验数值 13 二 刃区参数及前刀面形状的选择 1 刃区参数刃区剖面型式有锋刃型 倒棱型和钝圆切削刃型三种 锋刃型 倒棱型 钝圆型 14 指刃磨前面和后面直接形成的切削刃 但它也并不是绝对锐利的 而在刃磨后自然形成一个切削刃钝圆半径rn 其数值取决于刀具材料 刃磨工艺和楔角的大小 例如 新磨好的高速钢车刀可达rn 12 15 m 用金刚石磨料研磨后 rn可达7 14 m 而用立方氮化硼磨料仔细研磨后可达rn 5 6 m 锋刃 一般新磨好的硬质合金车刀 其切削刃钝圆半径rn 18 26 m 细晶粒硬质合金刀具的rn约为粗晶粒的l 2 2 5 15 与倒棱切削刃和钝圆切削刃相比 锋刃的钝圆半径很小 切削刃比较锋利 适合作精加工和超精加工的切削刃 如超精铣削或超精镗削 以及精加工和半精加工轻金属及其合金 优点 16 锋刃的强度和抗冲击性能较差 产生微小裂纹导致崩刃的可能性也较大 因此 对于精细切削和微量切削的刀具锋刃 都要求仔细刃磨和研磨 以获得小的切削刃钝圆半径 消除微小裂纹 提高刃口质量 缺点 切削刃钝圆半径在切削过程中随着磨损而有增大的趋势 采用锋刃切削时 一般应采用较小的进给量 0 05 0 lmm r以下 以避免崩刃并减缓刃区裂纹的出现 17 倒棱是沿切削刃研磨出很窄的负前角棱面 又称第一前面 是增强刀刃强度的有效措施 倒棱 当负倒棱面宽度和棱面前角选取合理时 在切削过程中 棱面上将形成滞留金属三角区 在复杂应力状态下可能转化为积屑瘤 使切屑层同工件的分离面发生在刃前三角区的峰部 这时 切屑仍沿着正前角的前面流出 切削力增大不明显 却使切削刃加强并受到三角区滞留金属的保护 刀具寿命明显提高 负倒棱前的金属滞留区 18 使切削合力的方向发生变化 实验结果看出 当倒棱宽度b 1一定时 刀具总切削力的方向与后面的夹角随负倒棱前角 01的增大而增大 从而在一定程度上改变了刀片的受力状况 减小了对切削刃产生弯曲应力的比例分量 它对脆性刀具材料提高冲击能力是极为有利的 负倒棱前角对总切削力方向的影响 19 无论刃区取何参数 随进给量的增加 刀具寿命就下降 但下降的程度随参数值而异 对应于某个进给量值 总有一个使刀具寿命最高的倒棱参数值 一般精加工时 01要小些 粗加工时 进给量大 01要大些 用硬质合金刀具加工钢时 负倒棱宽度b 1一般不宜超过进给量 这时 切削力与锋刃相比增大较小 b 1大于f时 切削力将有明显增大趋势 当负倒棱宽度大于一定数值时 切屑流出时只和负倒棱部分接触 随即卷曲而去 根本不和具有正前角的前面接触 这时 负倒棱实际上即变成负前角的前面 刃区倒棱参数的选择 主要取决于进给量 刀具材料和工件材料 进给量 20 用硬质合金车刀车削碳钢 合金钢时 一般可取b 1 0 3 0 8 f 01 10 15 对WC基硬质合金刀片 b 1取小值 高速钢刀具强度和韧性较好 一般不磨负倒棱 必要时可研磨出零度或小前角正倒棱 刀具材料 21 加工低碳钢 不锈钢 灰铸铁时 可取b 1 0 5f 01 5 10 加工有硬皮的锻件和铸钢件时 在机床功率和刚度足够的条件下 倒棱负前角可减小到 30 当冲击严重时 负倒棱宽度可取b 1 1 5 2 f 但这时切削力增大较多 工件材料 22 是在负倒棱的基型上进一步修磨而成 或直接通过刀片钝化处理而成 钝圆切削刃 特点 钝圆半径比锋刃增大了一定数值 它不但在提高切削刃强度方面获得和负倒棱同样的效果 而且比负倒棱更有利于消除刃区微小裂纹 使刀具获得最佳寿命 同时 在切削过程中对已加工表面还有一定的熨压和消振作用 有利于提高已加工表面质量 经刃口钝化处理的可转位刀片和硬质合金涂层刀片就是采用了钝圆切削刃 已获得广泛应用 23 主要取决于刀具材料 工件材料和切削条件三个方面 可制成轻型 rn约为0 025 0 05mm 中型 rn约为0 05 0 1mm 和重型 rn约为0 1 0 15mm 三种 钝圆切削刃的钝圆半径选择 刀具材料的强度和韧性影响钝圆切削刃钝圆半径的最佳数值 高速钢刀具一般取正前角锋刃或轻型钝圆切削刃 陶瓷刀片一般要求负倒棱且带有重型钝圆切削刃 WC基硬质合金刀片一般多采用中型钝圆切削刃 TiC基硬质合金的钝圆切削刃参数则介于陶瓷刀片与WC基硬质合金刀片两者之间选择 刀具材料 24 工件材料的切削加工性也影响切削刃钝圆半径的合理数值 切削可加工性较好的有色金属 如铜 铝合金时 刀具刃区常采用轻型钝圆切削刃或锋刃 切削灰铸铁 球墨铸铁 可锻铸铁时 由于其多孔性及其分布不均匀而产生冲击 刀具刃区通常采用中型钝圆切削刃 切削普通钢材时 其刃区参数可根据含碳量确定 切削低碳钢和大多数不锈钢的刀具可采用轻型钝圆切削刃 切削高硬度合金时 刀具刃区需要中型乃至重型钝圆切削刃 工件材料 25 在切削加工条件中 进给量和切削刃钝圆半径rn也有一定关系 用WC基硬质合金切削钢材时 一般可取rn f 3 用Tic基硬质合金刀片和涂层刀片时 可取rn f l 5 rn过小时 切削刃容易产生裂纹和崩碎 但rn过大时 也会使切削刃严重挤压切削层而降低刀具寿命 并增大已加工表面冷硬程度 甚至引起振动 切削加工条件 26 2 前刀面形状及其参数选择 前刀面形状分平面型和断屑前面型两大类 在切削过程中金属材料受到变形 如变形程度超过了材料的断裂应变 则切屑将自行折断 但多数情况下 只靠切削过程中的变形还不能使切屑折断 必须采用断屑器使切屑得到附加的二次变形 27 在加工塑性材料时 为使切屑卷成螺旋形或折断成C形 使之易于排出和清理 常在前刀面上制成卷断屑槽 卷断屑槽可作成直线圆弧型 直线型和全圆弧型三种 28 直线圆弧型和直线型断屑槽适用于切削碳素钢 合金结构钢 工具钢等 0 5 15 直线圆弧型的槽底圆弧半径Rn和直线型的槽底角 180 较小时 切屑卷曲半径较小 切屑变形大 易于折断 但此时切屑易堵塞在槽内 会增大切削力 甚至造成崩刃 一般取Rn 0 4 0 7 Wn 180 110 130 全圆弧型适用于切削紫铜 不锈钢等高塑性材料 0可增大至25 30 29 常用的前刀面形状及刃区剖面参数 切削刃口较锋利 但强度较差 0不能太大 不易断屑 各种高速钢刃形复杂刀具及成形刀具 精加工铸铁 青铜等脆性材料的硬质合金刀具 切削刃强度较好 但刀刃较钝 切削变形大 硬脆刀具材料 加工高强度 高硬度 如淬火钢 的车刀 铣刀 面铣刀等 30 比平前刀面可取较大前角且改善了卷屑和断屑条件 但刃磨不如平前面简便 各种高速钢刀具 加工纯铜 铝合金等低强度 低硬度的硬质合金刀具 31 加工各种钢材等塑性材料的硬质合金车刀 加工铸铁等脆性材料用的硬质合金 陶瓷刀具 零度倒棱 适用于高速钢刀具 切削刃强度及抗冲击能力增加 在同样条件下允许采用较大的前角 提高了刀具寿命 32 适用于陶瓷等脆性材料刀具 切削刃强度及抗冲击能力增加 且有一定的慰压和消振作用 33 第二节后角及后面形状的选择 一 后角的功用及合理后角 后角的作用主要是 减小后面与过渡表面和已加工表面之间的摩擦 影响楔角 0的大小 从而可配合前角调整切削刃的锋利程度和强度 影响刀具耐用度和加工表面质量 34 适当增大后角可提高刀具耐用度 这是因为 增大后角时能减小已加工表面弹性恢复层 h与后面的摩擦面积 从而减小后面摩擦与磨损 后角增大 楔角则减小 刀刃钝圆半径可以减小 切削刃锋利 刀刃易切入工件 可减小工件表面的弹性恢复 在一定的后刀面磨损量VB下 后角较大时 所允许磨去的金属体积较大 35 但后角过大时 将使楔角且过小 削弱切削刃强度 减小散热体积而使刀具耐用度降低 所以 在一定条件下 后角也有一个对应于最高刀具寿命的合理数值 36 主要取决于切削层公称厚度hD 或进给量f 的大小 合理后角的选择 当hD 或进给量f 很小时 精加工 磨损主要发生在后刀面上 为减小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 前刀面上月牙洼磨损显著 这时取较小后角可以增强切削刃和加大散热体积 例如 高速钢立铣刀 由于每齿进给量很小 后角取到16 而圆片铣刀当每齿进给量为0 01mm时 后角取30 车刀后角的变动范围比前角要小 粗车时 因hD较大 为保证切削刃强度取较小后角 4 8 而精车时 hD较小 为保证已加工表面质量 取较大后角8 12 切断刀的进给量较小 且考虑进给运动对工作后角的影响 宜取较大后角10 12 37 刀具合理后角还与一些切削条件有关 工件材料的强度 硬度较高时 为加强切削刃 宜取较小后角 0 5 7 工件材料塑性较大 加工硬化严重时 为减小后刀面摩擦 应取较大后角 10 12 当采用负前角刀具加工高硬度高强度材料时 宜采用较大后角 12 15 工艺系统刚性较差时 为避免振动 应适当减小后角 38 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为定值时 较小的后角所允许磨损掉的刀具材料体积较多 故刀具耐用度较高 合理后角的选择还应考虑切削刃的运动轨迹 例如切断刀愈接近工件中心 工作后角愈小 因此切断刀的后角应比外圆车刀大一些 在车削大螺距右旋螺纹时 左刀刃的后角应比右刀刃的后角大一些 39 车刀的副后角一般取其等于主后角 切断刀及切槽刀的副后角 由于受其结构强度的限制 只能取得很小 0 1 2 车刀的副后角 40 二 后刀面形状及选择 为减少刃磨后面的劳动量 提高刃磨质量 常把后面作成双重后面 b 1取l 3mm 41 为了在制造刃磨刀具时便于控制和保持其尺寸精度 同时在切削时也可起到支承 导向 稳定切削过程和消振 产生摩擦阻尼 的作用 刃带对已加工表面还会产生所谓 熨压 作用 从而能有效降低已加工表面粗糙度值 沿主切削刃或副切削刃磨出后角为零的窄棱面 刃带 对定尺寸刀具沿后面 如拉刀 或副后面 如铰刀 浮动镗刀 立铣刀等 磨出刃带的目的是 刃带宽度一般在0 05 O 3mm范围内 超过一定值后会增大摩擦 导致擦伤已加工表面 甚至引起振动 42 它可以增加后刀面与加工表面的接触面积 在切削时能产生同振动位移方向相反的摩擦阻力 不仅可以减小振动 也可对工件表面起一定的熨压作用 从而提高加工表面质量 沿着后刀面磨出负后角倒棱面 倒棱角 01 5 10 倒棱面宽b 1 0 1 0 3mm 消振棱 这是车削细长轴和镗孔时常采取的消振措施之一 43 第三节主 副偏角及刀尖形状的选择 一 主偏角对切削加工的影响 1 对刀具耐用度影响很大 随着主偏角减小 刀具耐用度提高 这是因为 当背吃刀量ap和进给量f相同时 主偏角的变化将改变切削层形状 使切削层参数发生变化 从而影响切削刃上的负荷 当主偏角Kr减小时 由于切削层公称宽度bD ap sinKr 增加 切削层公称厚度hD fsinKr 减小 使作用在主切削刃单位长度上的负荷减轻 44 主偏角减小 则刀尖角 r增大 使刀尖强度提高 散热体积增大 主偏角较小的刀具在切入时 最先与工件接触处是远离刀尖的地方 因而可减少因切入冲击造成的刀尖损坏 45 Kr1 Kr Kr2 Fp Ff 2 影响切削分力比值及切削层单位面积切削力 当Kr减小时 由于hD减小 变形系数 增大 使切削层单位面积切削力有所增大 在ap和f相同时 使切削功率有所增加 但更主要的是会使背向力Fp增大 容易引起工艺系统振动 当工艺系统刚度不足时 会使刀具寿命降低 46 3 影响已加工表面质量 减小Kr进可以使工件表面残留面积高度减小 从而使已加工表面粗糙度值减小 4 影响断屑效果 排屑方向 增大Kr会使hD增厚 bD减小 有利于切屑折断 有利于孔加工刀具使切屑沿轴向顺利流出 47 粗加工时 硬质合金车刀一般选用较大的主偏角 Kr 60 75 以利于减少振动 断屑和采用较大的切削深度 加工硬度高的材料 如冷硬铸铁和淬硬钢时 在系统刚性好 切削深度不大时 取较小的主偏角 Kr 10 30 以利于提高刀具耐用度 二 合理主偏角的选择原则 48 工艺系统刚性较好时 取较小的主偏角可提高刀具耐用度 刚性不足 加车削细长轴时 应取大的主偏角 可取Kr 90 93 以减小背向力ap 减少振动 需要从中间切入及仿形加工的车刀 应取较大主偏角 车阶梯轴则需用Kr 90 的偏刀 要用一把刀加工外圆 端面和倒角时可取Kr 45 49 副偏角K r的大小主要影响刀具耐用度和已加工表面质量 三 副偏角的作用及选择 1 副偏角K r的作用 减小副切削刃及副后面与已加工表面之间的摩擦 50 副偏角太小或太大刀具耐用度都不高 其存在着一个合理值 K r对刀具耐用度的影响 这是因为 副偏角过小会增加参加切削工作的刀刃长度 增大副后刀面与已加工表面间的摩擦 同时也易引起振动 而副偏角过大致使刀尖强度降低和散热条件恶化 结果会使刀具耐用度降低 51 在副偏角较小时 加工表面粗糙度值较小 K r对加工表面质量的影响 这是因为 减小副偏角可减小残留面积高度 降低理论表面粗糙度值 52 2 合理副偏角K r的选择 一般刀具的副偏角 在工艺系统刚性较好 不产生振动的情况下 可选取较小的数值 如取K r 5 10 精加工刀具的副偏角应取得更小一点 必要时 可磨出一段K r 0 的修光刃 车刀的修光刃长度取为b 1 2 1 3 f 硬质合金端铣刀的b 4 6 f 53 切断刀和切槽刀由于结构强度的限制 只能取很小的副偏角 K r 1 3 54 四 刀尖形状及尺寸选择 若采用减小主 副偏角的办法增强刀尖 常会使背向力Fp增大 引起振动 刀尖是切削刃上工作条件最恶劣 构造最薄弱的部位 刀尖处强度差 散热条件不好 故切削温度高 易磨损 强化刀尖可显著提高刀具耐用度 同时刀尖部分的形状对已加工表面的粗糙度值也有很大的影响 55 若在主 副刃之间磨出倒角刀尖 即具有直线切削刃的刀尖 既可使刀尖角 r加大 增强了刀尖 又可不使背向力增加许多 刀尖处的过渡刃有 圆弧形过渡刃不仅可提高刀具耐用度 还可大大减小已加工表面粗糙度值 常在精加工车刀上采用 1 圆弧形过渡刃 刀尖圆弧半径对硬质合金和陶瓷车刀一般可取r 0 5 1 5mm 对高速钢车刀可取r 1 3mm 适当增大r 可减小刀具的磨损和破损 但r 太大时 由于背向力Fp增大会引起振动 56 2 直线形过渡刀 粗加工时 切削深度较大 为减小背向力Fp和振动 并使硬质合金刀片能得到充分利用 通常采用较大的主偏角 但这时刀尖强度变差 散热条件恶化 为解决这个矛盾 常常在刀尖处磨出直线过渡刃 过渡刃偏角一般取为Kr 1 2Kr 过渡刃长度b 0 5 2mm或b 1 4 1 5 ap 切断刀的b 1 4B 57 第四节斜角切削及刃倾角的选择 一 斜角切削的概念 直角切削 刀具切削刃垂直合成切削运动方向的切削 切削刃垂直主运动速度方向 或刃倾角 s 0的切削 斜角切削 切削刃与合成切削运动方向不垂直的切削 切削刃不垂直主运动速度方向或刃倾角 s 0的切削 自由切削 当只有一个切削刃进行的切削 58 二 刃倾角的功用 1 控制切屑流出方向 外圆车刀刃倾角 s对排屑方向的影响 可见 在精车时 希望取正刃倾角 s 以使切屑流向待加工表面 防止缠绕和划伤已加工表面 59 2 影响刀头强度及断续切削时切削刃上受冲击的位