第十章-刀具合理幾何參數(shù)的選擇

刀具幾何參數(shù)包括：角度、刀面形式、切削刃形狀等。它們對切削時金屬的變形、切削力、切削溫度、刀具磨損、已加工表面質(zhì)量等都有明顯的影響。所謂合理幾何參數(shù)，是指在保證加工質(zhì)量的前提下，能夠獲得最高刀具耐用度，從而達到提高切削效率，降低生產(chǎn)成本的目的。第十章刀具合理幾何參數(shù)的選擇2021/4/91確定參數(shù)時的一般原則是：

(1)

考慮刀具材料和結(jié)構(gòu)。刀具材料有高速鋼、硬質(zhì)合金等；而刀具結(jié)構(gòu)有整體、焊接、機夾、可轉(zhuǎn)位等。

(2)考慮工件的實際情況。如材料的物理機械性能、毛坯情況(鑄、鍛等)、形狀、材質(zhì)等。

(3)

了解具體加工條件。如機床、夾具情況，系統(tǒng)剛性、粗或精加工、自動線等。

(4)

注意幾何參數(shù)之間的關(guān)系。如選擇前角，應(yīng)同時考慮卷屑槽的形狀、是否倒棱、刃傾角的正、負等。

(5)處理好刀具鋒銳性與強度、耐磨性的關(guān)系。在保證具有足夠強度和耐磨性的前提下，力求刀具鋒銳；在提高刀具鋒銳性的同時，設(shè)法強化刀尖和刃區(qū)等。2021/4/92

一、前角γo的功用及選擇

1、作用

①影響切削區(qū)的變形、力、溫度、功率消耗等。②影響刀具耐用度，切削刃強度、散熱條件等有關(guān)。③改變切削刃受力性質(zhì)。如+γo受彎；-γo受壓。④影響切屑形態(tài)、斷屑效果，如小的γo，切屑變形大，易折斷。⑤影響已加工表面的質(zhì)量，主要是通過積屑瘤、鱗刺、振動等因素產(chǎn)生影響。10.1前角及前刀面形狀的選擇2021/4/93圖γo為正或負時的受力情況(a)正前角;(b)負前角

2021/4/94顯然γo大或小，各有利弊。如γo大，切削變形小，可降低溫度,但刀具散熱條件差，溫度可能上升;γo小，甚至負值，如切削硬材料時，雖可改善散熱條件，使溫度下降，但因變形嚴重、熱量多，反而使溫度上升。2021/4/95

2、選擇

在一定條件下，γo必有一個合理值γoPt。這里所說的γoPt是指保證最大耐用度的γo，在某些情況下未必是最適宜的。如出現(xiàn)振動，為減振或消振，有時仍需增大γo；在精加工時，考慮到加工精度和粗糙度，也可能重新選擇適宜的γo。

①依據(jù)刀具材料：抗彎強度低、韌性差、脆性大且忌沖擊、易崩刃的，取小的γo。陶瓷刀具前角<硬質(zhì)合金刀具前角<高速鋼刀具前角2021/4/96

②依據(jù)工件材料：鋼料，塑性大，切屑變形大，與刀面接觸長度長，刀屑間壓力、摩擦力均大，為減小變形與摩擦，宜取較大的γo；鑄鐵，脆性大，切屑是崩碎的，集中于切削刃處，為保證有較好的切削刃強度，γo宜取得比鋼小。用硬質(zhì)合金刀加工鋼，常取γo≈10°～20°；加工鑄鐵，常取γo≈5°～15°。材料的強度、硬度高時，宜取小γo;特硬的，如淬硬鋼，γo應(yīng)更小，甚至取-γo，以使刀片處在受壓的工作狀態(tài)，這是因為硬質(zhì)合金的抗壓強度比抗彎強度高3～4倍。2021/4/97圖10－1、2γo的合理值γoPt

(a)不同刀具材料;(b)不同工件材料2021/4/98③考慮具體的加工條件：

粗加工，特別是斷續(xù)切削，或有硬皮時,如鑄、鍛件，γo可小些；但在需強化切削刃或刀尖時，γo可適當(dāng)加大；工藝系統(tǒng)剛性差、機床功率不足時，γo應(yīng)大些，減小切削力和振動；

成形刀具，如成形車刀、銑刀，為防止刃形畸變，可取γo＝0°；

數(shù)控機床、自動機或自動線上用的刀具，考慮應(yīng)有較長的刀具耐用度及工作穩(wěn)定性，常取較小的γo。2021/4/99二、倒棱及其參數(shù)的選擇

如圖所示，倒棱是防止因γo增大削弱切削刃強度的一種措施。在用脆性大的刀具材料，粗加工或斷續(xù)切削時，對減小刀具崩刃，提高刀具耐用度效果顯著(可提高1～5倍)。

寬度br1不可太大，應(yīng)保證切屑仍沿正前角γo的前刀面流出。br1的取值與進給量有關(guān)，常取br1≈(0.3～0.8)f，精加工取小值，粗加工取大值；倒棱前角γo１：高速鋼刀具γo1=0°～5°，硬質(zhì)合金刀具γo1=-5°～－10°。對于進給量很小(f≤0.2mm／r)的精加工刀具，切屑很薄，為使切削刃鋒利，不宜磨出倒棱。

2021/4/910圖

前刀面上的倒棱

2021/4/911采用切削刃鈍圓，也是增強切削刃、減少刀具破損的有效方法，可使刀具耐用度提高約200%；斷續(xù)切削時，適當(dāng)加大rβ值，可增加刀具崩刃前所受的沖擊次數(shù)；鈍圓刃還有一定的切擠熨壓及消振作用，可減小已加工表面的粗糙度。

一般情況下，常取rβ<f／3。輕型鈍圓rβ＝0.02～0.03mm；中型鈍圓rβ＝0.05～0.1mm；用于重切削的重型鈍圓rβ＝0.15mm。2021/4/912圖

切削刃鈍圓

2021/4/913三、帶卷屑槽的前刀面形狀

加工韌性材料時，為使切屑卷成螺旋形或折斷成C形，使之易于排出和清理，常在前刀面磨出卷屑槽，其槽形有直線圓弧形、直線形、全圓弧形三種不同形式。

直線圓弧形的槽底圓弧半徑Rn和直線形的槽底角對切屑的卷曲變形有直接的影響，較小時，切屑卷曲半徑較小、切屑變形大、易折斷；但過小時又易使切屑堵塞在槽內(nèi)，增大切削力，甚至崩刃。一般條件下，常取Rn＝(0.4～0.7)Ｗn；槽底角取110°～130°。這兩種槽形較適于加工碳素鋼、合金結(jié)構(gòu)鋼、工具鋼等，一般γo為5°～15°。

全圓弧形可獲得較大的前角，且不致使刃部過于削弱，較適于加工紫銅、不銹鋼等高塑性材料，γo可增至25°～30°。2021/4/914卷屑槽寬Wn愈小，切屑卷曲半徑愈小，切屑愈易折斷；但太小，切屑變形很大，易產(chǎn)生小塊的飛濺切屑，也不好。過大的Wn也不能保證有效地卷屑或折斷。一般根據(jù)工件材料和切削用量決定，常取Wn＝(1～10)f。2021/4/915一、主后角αo：正交平面內(nèi)，后刀面與切削平面之間的夾角。1、作用:VB不變，αo增大，允許磨去的金屬多，表明刀具耐用；但NB加大，影響工件尺寸精度。

αo增大，楔角βo減小，rβ也減小，切削刃鋒銳，易切入，工件表面的彈性恢復(fù)減小，從而減小了后刀面與已加工表面的摩擦，減小了后刀面的磨損，有利于提高表面質(zhì)量和刀具耐用度。但太大的αo將顯著削弱刀頭強度，使散熱條件惡化而降低刀具耐用度；并使重磨量和時間增加，提高了磨刀費用。10.2后角的選擇2021/4/916圖αo對刀具磨損量的影響2021/4/9172、選擇

切削時同樣存在著一個合理的αoPt。αoPt隨γo的減小而增大；也因刀具材料不同而改變，硬質(zhì)合金的γo小于高速鋼，rβ大于高速鋼，所以αoPt大于高速鋼(如圖所示)。

2021/4/918根據(jù)切削厚度ac(進給量f)進行選擇：

粗加工、強力切削及承受沖擊的刀具，要求切削刃強固，宜取較小的αo；

精加工時，ac小，磨損主要發(fā)生在后刀面，加以rβ的影響，為減小后刀面磨損和增加切削刃的鋒銳性，應(yīng)取較大的αo。通常，f>0.25mm／r時，取αo＝5°～8°；f≤0.25mm／r時，取αo=10°～12°。根據(jù)工件材料進行選擇：

強度、硬度高時，為加強切削刃強度，應(yīng)取較小的αo；材質(zhì)軟，塑性大，易產(chǎn)生加工硬化時，為減小后刀面摩擦，宜取較大的αo；脆性材料，應(yīng)力集中在刀尖處，可取小的αo；特硬材料在γo為負值時，為造成較好的切入條件，應(yīng)加大αo。2021/4/919根據(jù)具體加工條件進行選擇：

工藝系統(tǒng)剛性差時，易出現(xiàn)振動，所以應(yīng)適當(dāng)減小αo；為減振或消振，還可在后刀面上磨出bα1＝0.1～0.2mm、αo1＝0°的刃帶或bα1＝0.1～0.3mm，αo1=-5°～10°的消振棱。對于尺寸精度要求較高的刀具，如拉刀，宜取較小的αo，因為當(dāng)NB為定值時，αo小，所允許磨去金屬量多，刀具可連續(xù)使用的時間較長。

2021/4/920圖

后刀面的消振棱

2021/4/921圖

αo對磨去量的影響（NB一定時）

2021/4/922切斷刀因進給量關(guān)系，使近中心處工作后角減小，αo應(yīng)取的比外圓車刀大，常取αo=10°～12°；車削大螺距的右旋螺紋時，也因走刀關(guān)系，務(wù)必使左切削刃的后角磨的比右切削刃的后角大。2021/4/923二、副后角αo′：副正交平面內(nèi)，副后刀面與副切削平面之間的夾角。

一般取αo′=αo。惟切斷刀、切槽刀、鋸片等的αo′，因受其結(jié)構(gòu)強度限制，只允許取小的αo′，如１°～2°。2021/4/924一、主偏角κr：基面上，主切削刃的投影與進給方向的夾角。

1、作用（1）當(dāng)背吃刀量和進給量不變時，κr值影響殘留面積高度：κr減小時，殘留面積高度減小。（2）影響切削層橫截面形狀：κr減小ac減小，aw增大，作用主切削刃長度增加，單位長度切削刃上的負荷減輕，刀尖角εr增大，提高刀尖強度，改善散熱條件，提高刀具耐用度。10.3主、副偏角及刀尖形狀的選擇2021/4/925（3）影響切削力的比值：κr減小時，徑向分力Fy增大，切削時撓度增大，工藝系統(tǒng)剛性差時，易引起振動，影響加工精度。（4）影響排屑方向和斷屑效果：增大κr，ac增大，切屑窄厚，易折斷。（5）影響刀片許可的最大背吃刀量：κr大時，許可的背吃刀量大。κr小于90°時，切削刃最先與工件接觸的在遠離刀尖處，可減小因切入沖擊而造成的刀尖損壞。2021/4/926κr對一些參數(shù)的影響

2021/4/9272、選擇

據(jù)加工性質(zhì)：κr大，ac大，切削變形小，切削力小，可減振，但散熱條件差，影響刀具耐用度。綜合結(jié)果：用硬質(zhì)合金刀粗加工或半精加工時，常取κr＝75°；

精加工時，為減小殘瘤面積高度，提高工件表面質(zhì)量，κr應(yīng)盡量小。

據(jù)工件材料：硬度、強度大的，如冷硬鑄鐵、淬火鋼等，為減輕單位切削刃上的負荷，改善刀頭散熱條件，提高刀具耐用度，在工藝系統(tǒng)剛性較好時，宜取小的κr。κr

＝10°

～30°

2021/4/928

據(jù)加工情況：工藝系統(tǒng)剛性差時，如工件長度與直徑之比大于12的細長軸的加工，應(yīng)選大的κr，甚至取κr＝90°～93°，以使Fy下降并消振；需中間切入的、仿形車等，可取κr=45°～60°；階梯軸的加工:κr≥90°；單件、小批量生產(chǎn)時，考慮到一刀多用(車外圓、端面、倒角)，宜取通用性好的κr=45°或90°車刀。2021/4/929二、副偏角κr′1、作用

工件已加工表面靠副切削刃最終形成，κr′值影響刀尖強度、散熱條件、刀具耐用度、振動和已加工表面的質(zhì)量等。2、選擇粗加工時，考慮到刀尖強度、散熱條件等，κr′不宜太大，可取10°～15°。

精加工時，在工藝系統(tǒng)剛性較好、不產(chǎn)生振動的條件下，考慮到殘留面積高度等，κr′應(yīng)盡量的小，可取5°～10°。2021/4/930圖

修光刃

2021/4/931

切斷刀、鋸片等，因受結(jié)構(gòu)、強度限制，并考慮到重磨后刃口寬度變化盡量小，宜選用較小的κr′，一般僅1°～2°。有時，為了提高已加工表面質(zhì)量，生產(chǎn)中還使用κr′=0°的帶有修光刃的刀具，其寬度bε應(yīng)大于進給量f：車刃bε=(1.2～1.3)f；硬質(zhì)合金端銑刀bε=(4～6)f，此時，工件上的理論殘留高度已不存在。對于車刀，使用時應(yīng)注意：修光刃必須確保在水平線上與工件軸線平行，否則將得不到預(yù)期的效果。實踐表明：這種車刀在f=3～3.5mm／r時還能得到粗糙度為Ra10～5μm的表面；而用κr′>0°的普通車刀，要得到同樣的粗糙度，f幾乎要減小到1/10。2021/4/932

三、刀尖形狀及尺寸的選擇1、圓弧形過渡刃。刃磨較難，但可減小已加工表面粗糙度，較適用于精加工。rε值與刀具材料有關(guān)：高速鋼，rε=1～3mm；硬質(zhì)合金、陶瓷刀rε略小，常取0.5～1.5mm。這是因為rε大時，F(xiàn)y也大，工藝系統(tǒng)剛性不足時，易振，而脆性刀具材料對此反應(yīng)較敏感。2、直線形過渡刃。為增強刀尖強度和改善散熱條件，常將其做成直線形或圓弧形的過渡刃，直線形過渡刃，刃磨較容易，一般適于粗加工，常取

bε=0.5～2mm或2021/4/933圖

刀尖形狀

2021/4/934刃傾角λs：切削平面Ps內(nèi)，主切削刃與基面Pr的夾角。

一、作用1、控制切屑流出方向。λs=0°時，即直角非自由切削，主切削刃與基面重疊，切屑在前刀面上近似沿垂直于主切削刃的方向流出；λs≠0°時，即斜角非自由切削，主切削刃不在基面上。λs為負值時，切屑流向與vf方向相反，可能纏繞、擦傷已加工表面，但刀尖強度較好，常用在粗加工；λs為正值時，切屑流向與vf方向一致，保護了已加工表面，但刀尖強度較差，適用于精加工。10.4刃傾角的選擇2021/4/935圖

λs對切屑流出方向的影響

2021/4/9362、影響刀尖強度及繼續(xù)切削時切削刃上受沖擊的位置

如圖所示。+λs時(雙點劃線部分)，首先接觸工件，受沖擊的是刀尖,容易崩刀；-λs時(實線部分)，首先接觸工件的是離刀尖較遠的切削刃，保護了刀尖，較適于粗加工，特別是沖擊較大的加工。

2021/4/9373、影響切削刃參加工作的長度和切削時的平穩(wěn)性

如圖所示。λs＝0°時，aw=ap,切削刃切入、切出時與切削力有關(guān)的切削面積的增加、減小是瞬時的，波動大；λs≠0°時，aw＞ap，單位切削刃上的切削負荷小，切削面積是從切入時由小至大到切出時由大至小逐漸變化，切削比較平穩(wěn)。2021/4/9384、改變Fx、Fy的比值。

參見圖可知，當(dāng)-λs的絕對值增大時，F(xiàn)y增加得很快，將導(dǎo)致工件變形和引起振動。顯然，非自由切削時不宜選用過大的-λs。5、影響切削刃的鋒銳性。

因λs改變了流屑方向，切削時起作用的前角應(yīng)是流屑剖面內(nèi)的工作前角γoe，它與λs、γn的關(guān)系為sinγoe≈sinγncos2λs+sin2λs

計算表明：當(dāng)λs＝15°、γn＝10°，γo＝21°時，γoe過27°；γn不變，λs增至60°時，γoe可增至55°，這對改善切削過程是極為有利的。2021/4/939λs對切削力的影響

2021/4/940刃傾角的作用①影響刀刃鋒利性.λs↑→γ0e↑、rn↓→↑鋒利性

②負刃傾角→刀頭強度↑散熱體積↑

③負刃傾角→Fy↑→變形↑，易振動→Ra↑

④正λs切屑流向待加工表面，負λs切屑流向已加工表面

在一定條件下，存在一合理值2021/4/941二、選擇1、刃傾角的選擇原則①粗加工、有沖擊、刀材脆、工材強度硬度高，λs取負值；