刀具幾何參數(shù)

1、精選文檔第一.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(shè)計(jì)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(cè)試手段，來(lái)進(jìn)行實(shí)際的切削實(shí)驗(yàn)。用這種方法來(lái)進(jìn)行研究，往往要經(jīng)歷一個(gè)很長(zhǎng)的過(guò)程，耗時(shí)、耗力、實(shí)驗(yàn)成本高。所以刀具合理幾何參數(shù)的選擇是切削理論與實(shí)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(zhì)量的前提下，能夠滿足生產(chǎn)效率高、加工成本高的刀具幾何參數(shù)。一般的說(shuō)，選定刀具幾何參數(shù)的合理值問(wèn)題，本質(zhì)上是多變量函數(shù)針對(duì)某一目標(biāo)計(jì)算求解最佳值的問(wèn)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(xué)模型

2、的難度很大。實(shí)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并且采用適當(dāng)方法(例如方差分析法、回歸分析法)進(jìn)行處理，得出優(yōu)選結(jié)論?？梢?jiàn)，選擇合理的刀具幾何參數(shù)的重要性，所以利用相關(guān)軟件進(jìn)行直接模擬優(yōu)化結(jié)構(gòu)、幾何參數(shù)有其極其重要的現(xiàn)實(shí)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(duì)刀具具體切削過(guò)程的影響是不同的。1、前角變化對(duì)切削過(guò)程中的切削力、切屑變形等有很大的影響，其中前角對(duì)切削力的影響最大。有人曾研究認(rèn)為:前角每變化一度，主切削力約改變1.5%。在切削過(guò)程中，切削力隨著前角的增大而減小。這是因?yàn)楫?dāng)前角增大時(shí)，剪切角也

3、隨之增大，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(shì)在較低速的切削中尤為明顯。通過(guò)前述有限元分析，將刀具上沿接觸長(zhǎng)度上各節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力值相加可以獲得主切削力，而在構(gòu)成主切削力的各節(jié)點(diǎn)應(yīng)力值中，刀刃部分具有最大等效力值的節(jié)點(diǎn)貢獻(xiàn)最大。因此可以這么說(shuō)，為其前角變化對(duì)于切削力的影響，可以通過(guò)研究刀具前刀面上具有最大等效應(yīng)力的節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力狀況而表現(xiàn)出來(lái)。所以，我們選取刀具接觸長(zhǎng)度上節(jié)點(diǎn)的最大等效應(yīng)力作為刀具前角優(yōu)化的標(biāo)準(zhǔn)。2、后角的主要功用是減小切削過(guò)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(zhǎng)度以及后刀面的西華大學(xué)碩

4、士學(xué)位論文磨損強(qiáng)度，因而對(duì)刀具使用壽命和加工表面質(zhì)量有很大的影響。適當(dāng)增加后角可減小工件己加工表面彈性恢復(fù)層與刀具后刀面的接觸長(zhǎng)度，因而減小了后刀面的摩擦與磨損。但后角太大時(shí)，刀具楔角顯著減小，將削弱切削刃的強(qiáng)度。而且因刀具楔角減小會(huì)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(fù)確定了流屑角的大小和正負(fù)，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(qiáng)度和刀尖導(dǎo)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(zhǎng)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

5、件下有一定的合理數(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(jié)與配合，保證合理的刃形和切削層形狀，同時(shí)保證刀尖部位具有一定的強(qiáng)度、導(dǎo)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(zhì)量，提高刀具使用壽命和生產(chǎn)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(gè)因素看來(lái)，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(duì)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(gè)切削力的大小和比例關(guān)系，所以在選擇主偏角和副偏角的時(shí)候還是考慮選用規(guī)則的。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)之前幾個(gè)模塊

6、輸入的條件，比如，加工工藝(精加工、粗加工)、復(fù)雜刀具類(lèi)型、刀具材料(切削部分)、工件材料、來(lái)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(zhuǎn)位刀具，還要計(jì)算出刀片槽的加工幾何參數(shù)。第二. BTA 深孔鉆是內(nèi)排屑深孔鉆的一種典型結(jié)構(gòu)，它是在單刃內(nèi)排屑深孔鉆的基礎(chǔ)上改進(jìn)而成，其切削刃呈雙面錯(cuò)齒狀，切屑從雙面切下，并經(jīng)雙面排屑孔進(jìn)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(jié)構(gòu)特點(diǎn)：1. 刀體上分布有外刃刀片、中刃刀片、內(nèi)刃刀片、導(dǎo)向塊和雙面排屑孔，并通過(guò)刀體上的淺牙多頭矩形螺紋與空心鉆桿聯(lián)接。2.

7、 鉆芯部分由內(nèi)刀刃代替了麻花鉆的橫刃，從而克服了麻花鉆橫刃較長(zhǎng)、軸向阻力較大的缺點(diǎn)；由于鉆芯相對(duì)于鉆孔軸心線偏移了一段距離，加工時(shí)鉆芯處刀刃低于中心處刀刃，因此會(huì)形成一個(gè)導(dǎo)向芯柱(見(jiàn)圖1)，使鉆頭具有較好的導(dǎo)向性，鉆孔時(shí)不易偏斜，該導(dǎo)向芯柱增長(zhǎng)到一定長(zhǎng)度后會(huì)自行折斷并隨切屑一起排出。3. 主刀刃采用非對(duì)稱(chēng)的分段、交錯(cuò)排列形式，可保證分屑可靠，并避免用整體硬質(zhì)合金刀片磨削卷屑槽、分屑槽時(shí)易產(chǎn)生裂紋的情況。圖1 BTA深孔鉆鉆孔時(shí)形成的導(dǎo)向芯柱4. 刀片材料可采用幾種不同牌號(hào)的硬質(zhì)合金，以適應(yīng)各部分結(jié)構(gòu)對(duì)耐磨性和強(qiáng)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

8、較好的硬質(zhì)合金刀片；鉆頭外緣部分則可選用耐磨性較好的硬質(zhì)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(chǔ)，分析了切屑卷曲形式，提出了設(shè)計(jì)卷屑臺(tái)的具體方案。關(guān)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 forwardKeywor

9、ds：cutting chip plastic deformation chip breaking在金屬切削加工中，不利的屑形將嚴(yán)重影響操作安全、加工質(zhì)量、刀具壽命、機(jī)床精度和生產(chǎn)率。因此有必要對(duì)切屑的卷曲形式和斷屑方法進(jìn)行深入研究，以便對(duì)切屑形態(tài)進(jìn)行有效控制。1切屑卷曲形式在塑性金屬切削加工過(guò)程中，由于切屑向上卷曲和橫向卷曲的程度不同，所產(chǎn)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(fù)合卷曲型和橫向卷曲型三大類(lèi)。在脆性金屬切削加工中，容易產(chǎn)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(shí)，此類(lèi)切屑的卷曲方向才與一般情況下略有差異。在切削塑性金

10、屬時(shí)，如刀具刃傾角為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(chē)削加工中，當(dāng)進(jìn)給量與背吃刀量之比較大，且刀具的前角為0°時(shí)，切屑容易橫向卷曲成墊圈狀（見(jiàn)圖1）。這是因?yàn)榍行純啥瞬糠衷跈M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(zhǎng)度不縮短，就必然產(chǎn)生橫向卷曲；另外，若在車(chē)刀上磨有過(guò)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(chǎn)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(shí)也產(chǎn)生橫向卷曲。長(zhǎng)緊卷屑和螺狀卷屑的形成就是切屑

11、同時(shí)向上和橫向卷曲的結(jié)果（如圖2）。圖2精車(chē)時(shí)的長(zhǎng)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(shí)，大都采用設(shè)置斷屑臺(tái)和卷屑槽來(lái)控制屑形。本文主要討論卷屑槽基本參數(shù)的計(jì)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(zhǎng)度L圖3中，切屑在前刀面上的接觸長(zhǎng)度可由下式4獲得LKmachsin（o）sincos（1）式中Km切屑與前刀面接觸長(zhǎng)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

12、性金屬的斷屑條件是ffc（2）式中f切屑卷曲應(yīng)變fc臨界斷裂應(yīng)變圖3卷屑槽的基本形式及參數(shù)對(duì)于向上卷曲型切屑，其折斷條件如圖4所示。假設(shè)在切屑外表面拉長(zhǎng)L后達(dá)到斷裂極限，由幾何關(guān)系得L（R1y）dR1d（3）式中L切屑斷裂時(shí)斷裂表面的伸長(zhǎng)量R1切屑斷裂時(shí)的卷曲半徑y(tǒng)切屑中性層至斷裂表面的法向距離因?yàn)閺澢鷳?yīng)變?yōu)閘l式中l(wèi)中性層上的切屑長(zhǎng)度所以斷裂應(yīng)變?yōu)閒c（R1y）dR1dR1dyR1（4）由塑性力學(xué)知bEfc（5）由式（4）和式（5）可得向上卷曲型切屑折斷時(shí)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(lèi)似，故其理論模型可參照弧形切屑（略）。對(duì)于長(zhǎng)耳狀切屑，因

13、其與刀具后刀面碰撞而折斷，故其理論模型如圖5所示。其應(yīng)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(zhǎng)耳狀切屑斷裂時(shí)的卷曲半徑圖5長(zhǎng)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(diào)質(zhì)）為例，其彈性模量E206GPa，強(qiáng)度極限b650GPa，測(cè)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(shí)卷屑槽最大卷曲半徑為2.643.96mm，而由試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)得到的卷屑槽卷曲半徑為3mm左右。通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，金屬經(jīng)過(guò)塑性變形以后，

14、硬度和強(qiáng)度大大提高，而塑性和韌性卻顯著下降，這是造成理論值遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于試驗(yàn)值的主要原因。因此，在設(shè)計(jì)卷屑槽時(shí)，斷屑系數(shù)可選取理論值與試驗(yàn)值之比。卷屑槽半徑最后計(jì)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110°120°（參見(jiàn)圖3）。角太小會(huì)使切屑堵塞在槽中，造成打刀；角太大，則會(huì)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(nèi)斜式。外斜式卷屑槽容易造成切屑翻轉(zhuǎn)到車(chē)刀后刀面而得到C形屑（短耳狀或長(zhǎng)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(nèi)斜式卷屑槽的切屑容易

15、形成連續(xù)的長(zhǎng)緊卷屑。切削中碳鋼時(shí)，內(nèi)斜式和外斜式卷屑槽的斜角常取8°10°6。作者單位：艾小凱常興華北工學(xué)院（太原030051）王琪河北秦皇島電視大學(xué)（066001）參考文獻(xiàn)1陳日曜金屬切削原理機(jī)械工業(yè)出版社，19932常興金屬切削過(guò)程中物理現(xiàn)象問(wèn)題的探討太原機(jī)械學(xué)院學(xué)報(bào)，1984（2）3曹鴻德塑性變形力學(xué)基礎(chǔ)與軋制原理機(jī)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(jī)械工業(yè)出版社，19855美G布思羅伊德著，山東工學(xué)院機(jī)制教研室譯金屬切削加工的理論基礎(chǔ)山東科學(xué)技術(shù)出版社，19806華南工學(xué)院，甘肅工業(yè)大學(xué)主編金屬切削原理及刀具設(shè)計(jì)（上冊(cè)）上?？茖W(xué)技術(shù)出版社

16、，19797常興關(guān)于脆性金屬切屑形狀和變形的試驗(yàn)研究中國(guó)兵工學(xué)會(huì)論文選編，1984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(zhì)量的前提下，能夠滿足刀具使用壽命長(zhǎng)、生產(chǎn)效率高、加工成本低的刀具幾何參數(shù)，稱(chēng)為刀具的合理幾何參數(shù)。 一般地說(shuō)，選定刀具幾何參數(shù)的合理值問(wèn)題，本質(zhì)上是多變量函數(shù)針對(duì)某一目標(biāo)計(jì)算求解最佳值的問(wèn)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(xué)模型的難度甚大。實(shí)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并且采用適當(dāng)方法(例如方差分析法、回歸分析法等)進(jìn)行

17、處理，得出優(yōu)選結(jié)果。   二、刀具合理幾何參數(shù)的基本內(nèi)容       刀具的合理幾何參數(shù)包含以下四個(gè)方面基本內(nèi)容：     1.刃形     刃形即是切削刃的形狀。從簡(jiǎn)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(shí)也明確了一定的切削加工條件必定對(duì)應(yīng)有某種適宜的刃形。這是刀具幾何構(gòu)形趨于合理的一種標(biāo)志。刀尖形狀的變革，也是刃形變革的內(nèi)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(lái)切削刃各點(diǎn)工作角度的變化。因此，選擇合理的刃

18、形，對(duì)于提高刀具使用壽命、改善已加工表面質(zhì)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(shuō)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(xì)桿，亦可防止切斷終了時(shí)刀頭折斷；c為雙過(guò)渡刃，增強(qiáng)了兩個(gè)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(zhǎng)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(diǎn)是強(qiáng)化了刀尖，減少單位切削刃長(zhǎng)度上的切削負(fù)荷，排屑順利，還有

19、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(shí)驗(yàn)曲線。這是刃形對(duì)比實(shí)驗(yàn)研究的一個(gè)適例。     進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的雙階梯刃切斷刀(圖102)和普通平直刃切斷刀的刀片材料均為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(jìn)給量下，兩把切斷刀的切入深度h對(duì)主切削力Fc的影響曲線。由圖可見(jiàn)，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?yàn)殡A梯刃的主切削刃分為三段，切屑也相應(yīng)地分成三條，切屑同切出槽形兩壁之間的摩擦大大減小

20、，即使切入較深時(shí)，也不致使切屑  阻塞在刀頭與切出槽形兩壁之間。同時(shí)，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(dāng)切入深度增加時(shí)，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(shí)驗(yàn)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(zhǎng)了50一100。由此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(jiǎn)稱(chēng)為刃區(qū)型式，對(duì)切削加工效率、質(zhì)量和成本有重要的意義。針對(duì)不同的加工條件和技術(shù)要求，選擇合理的刃區(qū)型式(如鋒刃、前刀面負(fù)倒棱刃、后刀面消振棱刃、倒圓

21、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(nèi)容。圖104所示為五種刃區(qū)型式，其合理參數(shù)值的選擇見(jiàn)附錄10。     3.刀面型式及參數(shù)      IS0標(biāo)準(zhǔn)確立了多棱面前、后刀面的定義，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(jiàn)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。關(guān)于刀面作用機(jī)理及其參數(shù)選擇，可參閱本書(shū)第三章和后續(xù)課程金屬切削刀具第一章。        4.刀具角度 刀具角度包括主切削刃的前角。、后角。、主偏角kr、刃傾角s和副切削刃的副后角。、副偏角kr等。   三、選擇刀具合理幾何參數(shù)的一般性原則   &#