刀具几何参数的选择

4.5.2　刀具几何参数的选择

刀具的几何参数，对切削变形、切削力、切削温度、刀具寿命等有显著的影响。选择合理的刀具几何参数，对保证加工质量、提高生产率、降低加工成本有重要的意义。所谓刀具合理的几何参数，是指在保证加工质量的前提下，能够满足较高生产率、较低加工成本的刀具几何参数。

1．前角的合理选择

增大前角，可减小切削变形，从而减小切削力、切削热，降低切削功率的消耗，抑制积屑瘤和鳞刺的产生，提高加工质量。但增大前角，会使楔角减小、切削刃与刀头强度降低，容易造成崩刃，还会使刀头的散热面积和容热体积减小，使切削区局部温度上升，易造成刀具的磨损，刀具耐用度下降。可见，前角应有一个合理的参数范围。在刀具强度允许下，应尽可能取较大的前角。对成型刀具应采用较小的前角或零前角，以减少刀具刃磨后截形产生的误差。具体选择原则如下：

（1）工件材料。加工塑性材料时，为减小切削变形，降低切削力和切削温度，应选较大的前角，而加工脆性材料时，为增加刃口强度，应取较小的前角。如图4-23所示，工件的强度低，硬度低，应选较大的前角；反之，应取较小的前角。用硬质合金刀具切削特硬材料或高强度钢时，应取负前角。

（2）刀具材料。刀具材料的抗弯强度和冲击韧度较高时，应取较大的前角，如图4-24所示。如高速钢刀具的前角比硬质合金的前角要约大5°～10°；陶瓷刀具的韧性差，其前角应更小（−4°～−15°）；立方氮化硼由于脆性更大，都采用负前角高速切削。

图4-23　工件材料不同时刀具的合理前角

图4-24　刀具材料不同时刀具的合理前角

（3）加工性质。粗加工，特别是断续切削时，为提高切削刃的强度，应选择较小的前角；精加工时，为使刀具锋利，提高表面加工质量，应选择较大的前角。

（4）机床功率和工艺系统刚度。当机床功率不足或工艺系统的刚度较差时，应取较大的前角，以减小切削力和切削功率，减轻振动。

（5）对于成型刀具和在数控机床、自动线上不宜频繁更换的刀具，为保证工作的稳定性（如不发生崩刃等）和刀具耐用度，应选较小的前角或零度前角。

前角的选择还与刀面形状及几何参数有关，尤其是和刃倾角λ_s有密切关系。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匹配来保证切削刃强度和抗冲击能力。表4-4中为硬质合金车刀合理前角的参考值，高速钢车刀的前角一般比表中的值大5°～10°。

2．后角的合理选择

后角的大小与刀具后刀面、已加工表面间的摩擦及刀具磨损有关。增大后角，可减小刀具后刀面与已加工表面间的摩擦，减小刀具磨损，还会使切削刃钝圆半径减小，提高刃口锋利程度，改善表面加工质量。但若后角过大，将削弱切削刃的强度，减小散热体积使散热条件恶化，降低刀具耐用度。

实验证明，合理的后角主要取决于切削厚度。具体选择原则如下：

（1）工件材料。工件的强度、硬度较高时，为增加切削刃的强度，应选择较小的后角。工件材料的塑性、韧性较大时，为减小刀具后刀面的摩擦，可取较大的后角。加工脆性材料时，切削力集中在刃口附近，应取较小的后角。

（2）加工性质。粗加工或断续切削时，为了强化切削刃，应选择较小的后角（4°～6°）；精加工或连续切削时，刀具的磨损主要发生在刀具后刀面，应选择较大的后角（8°～12°）。

（3）工艺系统刚性。当工艺系统刚性较差，易出现振动时，应适当减小后角，以增强刀具对振动的阻尼作用；对于尺寸精度要求较高的精加工刀具，应选较小的后角，以减小刀具重磨后尺寸的变化。通常，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。硬质合金车刀合理后角的参考值见表4-4。

表4-4　硬质合金车刀合理前角、后角的参考值

副后角可减少副后刀面与已加工表面间的摩擦。为了使制造、刃磨方便，一般车刀、刨刀等的副后角等于主后角。对特殊刀具，为了保证其强度，只能取较小的副后角。例如切断刀、锯片刀等，副后角通常取1°～2°。

3．主偏角与副偏角的选择

减小主偏角和副偏角，可降低残留面积高度，减小已加工表面的粗糙度值，也可提高刀尖强度，改善散热条件，提高刀具耐用度，但会使径向力增大，容易引起工艺系统的振动，加大工件的加工误差和表面粗糙度值。

（1）主偏角的选择。一般在工艺系统刚度允许时，主偏角应尽量选取较小的值。

1）当工艺系统的刚度较好时，主偏角可取小值（30°～45°）；当工艺系统的刚度较差或强力切削时，一般取60°～75°。如车削细长轴、薄壁套筒时，为减小径向力，取κr=90°～93°，以降低工艺系统的弹性变形和振动。

2）粗加工和半精加工时，硬质合金车刀应选择较大的主偏角，以利于减少振动，提高刀具的耐用度，易于断屑，如效果显著的强力切削车刀的主偏角取75°。

3）加工高强度、高硬度的工件，如淬硬钢和冷硬铸铁时，主偏角应取10°～30°，以增加刀头的强度、减少单位长度切削刃上的切削力和提高刀具的耐用度。

4）考虑工件形状及加工条件选择主偏角。车削阶梯轴时，可选主偏角为90°的车刀；单件小批量生产时，希望用一把车刀车削外圆、端面和倒角等所有表面，可选通用性好的主偏角45°车刀；需从工件中间切入的车刀或仿形加工的车刀，则应适当增加主偏角和副偏角。

（2）副偏角的选择。主要根据工件已加工表面粗糙度的要求和刀具强度来选择副偏角，在不引起振动的情况下，尽量取小值。

1）精加工时，副偏角应取小些（5°～10°）；而粗加工时，取10°～15°。

2）当工艺系统的刚度较差或从工件中间切入时，可取30°～45°。

3）在加工高强度、高硬度材料或断续加工时，应取较小的副偏角（4°～6°）。

4）切断刀、锯片刀和槽铣刀等刀具，为了保证刀头强度和重磨后刀头宽度变化较小，只能取很小的副偏角（1°～2°）。

5）在精加工时，可在副切削刃上磨出一段副偏角为0°、长度为（1.2～1.5）f的修光刃，以减小已加工表面的粗糙度值。

硬质合金车刀合理主偏角、副偏角的参考值见表4-5。

表4-5　硬质合金车刀合理主偏角、副偏角的参考值

4．刃倾角的合理选择

刃倾角的作用如下：

（1）影响切屑的流向。如图4-25所示，当λs=0°时，切屑沿垂直于主切削刃方向流出；当λs＞0°时，切屑流向待加工表面；当λs＜0°时，切屑流向已加工表面。

（2）影响刀尖强度和散热条件以及切削平稳性。当λs＜0°时，切削过程中远离刀尖的切削刃处先接触工件，刀尖可免受冲击，同时，切削面积在切入时由小到大。切出时由大到小逐渐变化，因而切削过程比较平稳，大大减小了刀具受到的冲击和崩刃的现象。可见，在粗加工开始，尤其是断续切削时，采用负的刃倾角可以保护刀尖。

图4-25　刃倾角对切屑流向的影响

（3）影响切削刃的锋利程度。当刃倾角的绝对值增大时，可使刀具的实际前角增大，刃口实际钝圆半径减小，增大切削刃的锋利性。

（4）影响切削分力F_p、F_f的比例。当λ_s为负值时，F_p增大，F_f减少；当λs为正值时，F_p减小，F_f力增大。可见，刃倾角影响径向力和进给力的比值。

刃倾角λs主要根据刀具强度、流屑方向和加工条件来合理选择。

一般钢料或铸铁，粗加工取−5°～0°，精加工取0°～5°，以使切屑不流向已加工表面使其划伤；有冲击负荷或断续，取−5°～−15°；切削淬硬钢、高强度钢等难加工材料时，则取−30°～−10°；微量（a_p=5～10μm）精细切削取45°～75°，以增加切削刃的锋利程度和切薄能力。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。

5．其他几何参数的选择

（1）切削刃区的剖面形式。通常使用的刀具切削刃的刃区形式有锋刃、倒棱、刃带、消振棱和倒圆刃等，如图4-26所示。

1）锋刃。刃磨刀具时由前刀面和后刀面直接形成的切削刃称为锋刃，特点是刃磨简便、切入阻力小，广泛应用于各种精加工刀具和复杂刀具，但其刃口强度较差，见图4-26（a）。

2）倒棱。沿切削刃磨出负前角（或零度前角）的窄棱面，称为倒棱。倒棱的作用可增强切削刃，提高刀具耐用度，见图4-26（b）。

3）刃带。沿切削刃磨出后角为零度的窄棱面，称为刃带。刃带有支承、导向、稳定和消振作用。对于铰刀、拉刀和铣刀等定尺寸刀具，刃带可使制造、测量方便，见图4-26（c）。

4）消振棱。沿切削刃磨出负后角的窄棱面，称为消振棱。消振棱可消除切削加工中的低频振动，强化切削力，提高刀具耐用度，见图4-26（d）。

图4-26　切削刃区的剖面形式

5）倒圆刃。研磨切削刃，使它获得比锋刃的钝圆半径大一些的切削刃钝圆半径，称为倒圆刃。它可提高刀具耐用度，增强切削刃，广泛应用于硬质合金可转位刀片，见图4-26（e）。

（2）前刀面形式。常见的刀具前刀面形式有：正前角平面型、正前角带倒棱型、正前角带断屑槽型、负前角单平面型、负前角双平面型五种，如图4-27所示。

图4-27　前刀面的形式

1）正前角平面型。如图4-27（a）所示，结构简单，刃口锋利，但强度低，传热能力差，多用于精加工、成型刀具、多刃刀具（如铣刀）及脆性材料刀具。

2）正前角带倒棱型。如图4-27（b）所示，沿切削刃磨出很窄负倒棱。它可提高切削刃的强度和增大传热能力，从而提高刀具耐用度，尤其是在选择大前角时效果更为显著。负倒棱形式一般用于粗切铸锻件或断续表面的加工。硬质合金刀具切削塑料材料时通常按b_r=0.5～1.0mm、γ_o1=−5°～−10°选取。

3）正前角带断屑槽型。如图4-27（c）所示，在正前角平面带倒棱型基础上，在前刀面又磨出一个曲面凹槽，它可增大前角并起到断屑的作用。断屑槽参数约为：W_m=（6～8）f，R_m=（0.7～1）W_m。在粗加工或精加工塑性材料中用得较多。

4）负前角单平面型。如图4-27（d）所示，磨损主要发生在后刀面上时，这种形式可使脆性硬质合金刀片承受压应力，且具有较好的强度，常用于切削高硬度、高强度材料。

5）负前角双平面型。如图4-27（e）所示，当磨损发生在前、后两个刀面时，这种形式可使刀片的重磨次数增多。此时，负前角的棱面应有足够的宽度，以保证切屑沿该棱面流出。

（3）后刀面形式。常见的后刀面形式有平后刀面、带刃带或消振棱的后刀面、双重或三重后刀面，如图4-28所示。平后刀面形状简单，制造刃磨方便，应用广泛。带消振棱的后刀面用于减小振动；带刃带的后刀面用于定尺寸刀具。双重或三重后刀面主要能增强刀刃强度，减少后刀面的摩擦。刃磨时一般只磨第一后刀面。

图4-28　后刀面的形式

（4）过渡刃和修光刃。刀尖是整个刀具最薄弱的部位，刀尖处的强度和散热条件很差，易磨损。为此，常在主、副切削刃间磨出过渡刃，如图4-29所示。

图4-29　过渡刃和修光刃

1）直线形过渡刃。如图4-29（a）所示，一般取过渡刃长度b_ε=0.5～2.0mm（约为a_p的1/4～1/5）；过渡刃偏角κrε=0.5κr。直线过渡刃刃磨方便，多用在粗加工或强力切削车刀、切断刀和钻头等多刃刀具上，以增强刀尖的强度和散热能力。刃磨时切不要将b_ε磨得过大，过大会使径向切削力增大，易引起振动。

2）圆弧形过渡刃。如图4-29（b）所示，多用于精加工单刃刀具上，如车刀、刨刀等，以提高刀具耐用度，减小已加工表面粗糙度值。高速钢车刀圆弧半径取r_ε=1～3mm；硬质合金和陶瓷车刀取r_ε=0.5～1.5mm。圆弧形过渡刃刃磨较困难，r_ε过大会使径向切削力增大，易引起振动。

过渡刃的选择原则：随工件强度和硬度提高，切削用量增大，过渡刃r_ε相应加大。

3）修光刃。当直线过渡刃的κ_rε=0°、b_ε′＞f（一般为b_ε′=（1.2～1.5）f）或圆弧过渡刃的r_ε很大时，过渡刃称为修光刃，如图4-29（c）所示。这样，在增大进给量的同时仍可获得小的表面粗糙度值。修光刃应刃磨得直、光、平。装刀时，修光刃应与进给方向平行。

4）大圆弧刃。当圆弧形过渡刃磨成非常大的圆弧形时称为大圆弧刃，其作用相当于水平修光刃。