刀具幾何參數(shù)及其作用

刀具幾何參數(shù)及其作用第一頁，共45頁。

(2)孔加工刀具是在實(shí)體材料上加工出孔或?qū)υ锌讛U(kuò)大孔徑(包括提高原有孔的精度和減小表面粗糙度值)的一種刀具。如麻花鉆、擴(kuò)孔鉆、锪鉆、深孔鉆、鉸刀、鏜刀等。(3)拉刀類在工件上拉削出各種內(nèi)、外幾何表面的刀具，生產(chǎn)率高，用于大批量生產(chǎn)，刀具成本高。(4)銑刀類是一種應(yīng)用非常廣泛的在圓柱或端面具有多齒、多刃的刀具。它可以用來加工平面、各種溝槽、螺旋表面、輪齒表面和成形表面等。(5)螺紋刀具指加工內(nèi)、外螺紋表面用的刀具。常用的有絲錐、板牙、螺紋切頭、螺紋液壓工具以及車刀、梳刀等。第一頁第二頁，共45頁。(6)齒輪刀具用于加工齒輪、鏈輪、花鍵等齒形的一類刀具。如齒輪滾刀、插齒刀、花鍵滾刀等。(7)磨具類用于表面精加工和超精加工的刀具。如砂輪、砂帶、拋光輪等。(8)組合刀具、自動(dòng)線刀具是根據(jù)組合機(jī)床和自動(dòng)線特殊加工要求設(shè)計(jì)的專用刀具，可以同時(shí)或依次加工若干個(gè)表面。(9)數(shù)控機(jī)床刀具刀具配置根據(jù)零件工藝要求而定，有預(yù)調(diào)裝置、快速換刀裝置和尺寸補(bǔ)償系統(tǒng)。(10)特種加工刀具如水刀等。第二頁第三頁，共45頁。第三頁第四頁，共45頁。二、刀具的結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)金屬切削刀具包含刀柄和切削部分，刀柄是指刀具上的夾持部分，切削部分是刀具上直接參加切削工作的部分。在某些刀具(如外圓車刀)上切削部分也稱為刀頭。有些刀具(如麻花鉆)還有導(dǎo)向部分。各類金屬切削刀具切削部分的形狀和幾何參數(shù)，都可由外圓車刀切削部分演變而來，因此我們以外圓車刀為例研究金屬切削刀具的幾何參數(shù)。第四頁第五頁，共45頁。1．刀具切削部的組成如圖所示，外圓車刀的切削部分包括以下要素：(1)前(刀)面切屑流過的刀面；(2)主后(刀)面與加工表面相對(duì)的刀面；(3)副后(刀)面與工件已加工表面相對(duì)的刀面；(4)主切削刃擔(dān)任主要切削工作，由前刀面與主后刀面相交的棱邊形成；(5)副切削刃擔(dān)任少量切削工作，由前刀面與副后刀面相交的棱邊形成；(6)刀尖主、副切削刃聯(lián)接處的一部分切削刃，常指它們的實(shí)際交點(diǎn)。第五頁第六頁，共45頁。刀具切削部分的組成要素第六頁第七頁，共45頁。第七頁第八頁，共45頁。在實(shí)際刀具上常見的刀尖結(jié)構(gòu)有：第八頁第九頁，共45頁。2．刀具的幾何參數(shù)2.1確定刀具切削角度的參考平面刀具要從工件上切下金屬，就必須具備一定的切削角度，這些角度決定了刀具切削部分各表面的空間位置。如后圖所示，圖中標(biāo)出寬刃刨刀的前角和后角，于是就確定了刨刀前刀面和后刀面的位置。但是刨刀的前角和后角需要在選定的參考平面作為坐標(biāo)系的基礎(chǔ)之后才能表明其大小。后圖中所示的基面和切削平面就是選作坐標(biāo)系的參考平面。第九頁第十頁，共45頁。第十頁第十一頁，共45頁。由于大多數(shù)加工表面都不是平面，而是空間曲面，不便于直接用來作為參考平面，因此，將構(gòu)造刀具角度坐標(biāo)系的參考平面定義如下。(1)基面pr通過主切削刃上選定點(diǎn)，垂直于該點(diǎn)合成切削運(yùn)動(dòng)向量的平面。(2)切削平面ps通過主切削刃上選定點(diǎn)，與切削刃相切并垂直于基面的平面。也就是切削刃的切線與合成切削運(yùn)動(dòng)向量構(gòu)成的平面。顯然，切削刃上同一點(diǎn)的基面與切削平面是互相垂直的。應(yīng)該指出，上述切削平面和基面的定義是在刀具與工件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)中給出的，是廣義定義。根據(jù)上述定義分析刀具角度時(shí)，對(duì)于同一切削刃上的不同點(diǎn)，可能有不同的切削平面和基面，因而同一切削刃上各點(diǎn)切削角度的數(shù)值也就不一定相等。第十一頁第十二頁，共45頁。2.2刀具標(biāo)注角度的參考系刀具的標(biāo)注角度是設(shè)計(jì)、制造和刃磨刀具所需要的角度。標(biāo)注角度應(yīng)在選定的參考平面所構(gòu)成的坐標(biāo)系中確定，它與刀具工作時(shí)的切削角度不同，標(biāo)注角度的切削平面與基面的定義不考慮進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，因而，這時(shí)的切削平面ps只包含切削刃在其選定點(diǎn)的切線和切削速度向量，基面pr則是通過該點(diǎn)面垂直于切削速度向量的平面。除此之外，為了便于刃磨和檢驗(yàn)刀具的標(biāo)注角度，還應(yīng)盡可能使刀具標(biāo)注角度的參考平面和刀具的刃磨檢驗(yàn)基準(zhǔn)面一致，所以要根據(jù)不同刀具的情況，對(duì)刃磨檢驗(yàn)時(shí)刀具的安裝定位面做某些規(guī)定。第十二頁第十三頁，共45頁。實(shí)際上，除了由上述切削平面和基面組成的參考平面系以外，還需要選一個(gè)用來標(biāo)注和測(cè)量刀具前、后角度的平面，即“測(cè)量平面”。圖中標(biāo)注刨刀角度的N-N平面就是測(cè)量平面。它是垂直于刨刀直線切削刃的法剖面。通常，根據(jù)刃磨和測(cè)量的方便等需要，可以選用不同的平面作為測(cè)量平面。在切削刃上同一選定點(diǎn)測(cè)量其角度時(shí)，如果測(cè)量平面選得不同，刀具角度的大小也就不同。為定量地表示刀具切削部分的幾何形狀，必須把刀具放在一個(gè)確定的參考系中，用一組確定的幾何參數(shù)確切表達(dá)刀具表面和切削刃在空間的位置，該幾何參數(shù)就是刀具的幾何參數(shù)。第十三頁第十四頁，共45頁。測(cè)量平面、切削平面和基面組成了刀具標(biāo)注角度參考系。目前各國由于選用的測(cè)量平面不同，故所采用的刀具標(biāo)注角度參考系也不完全統(tǒng)一?，F(xiàn)以外圓車刀為例，說明幾種不同的刀具標(biāo)注角度參考系。度量刀具幾何參數(shù)的參考系分兩類。一類是刀具的靜止參考系，是用于定義刀具的設(shè)計(jì)、制造、刃磨和測(cè)量時(shí)幾何參數(shù)的參考系，它不受刀具工作條件變化的影響，即只考慮主運(yùn)動(dòng)和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的方向，不考慮進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的大小，刀具的安裝定位基準(zhǔn)與主運(yùn)動(dòng)方向平行或垂直；另一類是刀具的工作參考系，即規(guī)定刀具切削加工時(shí)的幾何參數(shù)的參考系，它與刀具安裝情況、切削運(yùn)動(dòng)大小和方向等有關(guān)。第十四頁第十五頁，共45頁。刀具的參考坐標(biāo)面第十五頁第十六頁，共45頁。刀具參考系由坐標(biāo)平面和測(cè)量面組成，最基本的坐標(biāo)平面有兩個(gè)?；鎝r：通過切削刃上選定點(diǎn)，垂直于切削運(yùn)動(dòng)方向的平面。切削平面ps：通過切削刃上選定點(diǎn)，與切削刃相切并垂直于基面的平面。它包含切削速度方向，切于工件上的過渡表面。上述坐標(biāo)面與不同的測(cè)量面組合就構(gòu)成了不同的標(biāo)注參考系。(1)正交平面參考系及標(biāo)注幾何參數(shù)正交平面po：通過切削刃上選定點(diǎn)并同時(shí)垂直于基面和切削平面的平面，它是測(cè)量平面，如圖所示。正交平面參考系：由基面pr、切削平面ps和正交平面po構(gòu)成的直角坐標(biāo)系。

第十六頁第十七頁，共45頁。標(biāo)注參考系內(nèi)的標(biāo)注角度第十七頁第十八頁，共45頁。要確定外圓車刀切削部分在正交平面參考系中的結(jié)構(gòu)，需要6個(gè)基本角度：1)主偏角kr

過主切削刃上選定點(diǎn)，在基面內(nèi)測(cè)量的切削刃與進(jìn)給運(yùn)動(dòng)方向間的夾角2)副偏角過副切削刃上選定點(diǎn)，在基面內(nèi)測(cè)量的副切削刃與進(jìn)給運(yùn)動(dòng)方向間的夾角。

第十八頁第十九頁，共45頁。3)前角過主切削刃上選定點(diǎn)，在正交平面內(nèi)測(cè)量的前刀面與基面之間的夾角。前刀面與切削平面間的夾角為銳角時(shí)，前角為正值；夾角為鈍角時(shí)，前角為負(fù)值。4)后角過主切削刃上選定點(diǎn)，在正交平面中測(cè)量的主后刀面與切削平面之間的夾角。后刀面與基面的夾角為銳角時(shí)，后角為正值；夾角為鈍角時(shí)，后角為負(fù)值。第十九頁第二十頁，共45頁。5)刃傾角過主切削刀上選定點(diǎn)，在切削平面中測(cè)量的主切削刃與基面間的夾角。當(dāng)?shù)都馐侵髑邢魅猩献罡唿c(diǎn)時(shí)，為正值，刀尖位于切削刃最低點(diǎn)時(shí)，為負(fù)值；主切削刃與基面平行時(shí)，第二十頁第二十一頁，共45頁。6)副后角過副切削刃上選定點(diǎn)．在副正交平面內(nèi)測(cè)量的副后刀面與副切削平面之間的夾角。當(dāng)主偏角和刃傾角確定后，主切削刃在空間的位置隨之確定。在正交平面內(nèi)，前角和后角確定后，前刀面和主后刀面隨之確定。副偏角和副后角確定，副后刀面就隨之確定。這6個(gè)基本角度確定了普通外圓車刀切削部分的幾何形狀。前刀面和主后刀面之間所夾角度為楔角β0，它由前角和后角派生而來：β0=90°–(γ0+α0)主切削刃和副切削刃所夾的角度為刀尖角εr，它由主偏角和副偏角派生而來：第二十一頁第二十二頁，共45頁。車刀的組成第二十二頁第二十三頁，共45頁。確定車刀幾何角度的輔助平面車刀的主要標(biāo)注角度第二十三頁第二十四頁，共45頁。關(guān)于刀具角度的說明：1)前角γ0

前角對(duì)切屑變形、切削力以及切削刃強(qiáng)度都有很大的影響。較大的前角，可減少切屑的變形，使切削輕快，降低切削溫度，減輕刀具磨損。但如前角過分加大，刀具導(dǎo)熱體積減小，切削部分強(qiáng)度下降，反而影響刀具的使用壽命。一般加工韌性材料時(shí)，切屑變形較大，所以應(yīng)取較大的前角。反之，加工脆性材料時(shí)，應(yīng)采用較小的前角。通常硬質(zhì)合金車刀的前角γ0在－5~+25°的范圍內(nèi)選取。第二十四頁第二十五頁，共45頁。2)后角α0

合適的后角可減少工件與主后刀面的摩擦和主后刀面的磨損。但后角也不能取得過大，否則會(huì)削弱切削刃強(qiáng)度，減少導(dǎo)熱體積。所以，正確地選擇后角，對(duì)提高刀具壽命也有很大意義。加工時(shí)，切削厚度愈小，后角就應(yīng)愈大。因此，精加工時(shí)，后角可以比粗加工時(shí)大些。硬質(zhì)合金車刀的后角一般為6~12°。第二十五頁第二十六頁，共45頁。3)主偏角kr

改變主偏角的大小可以在切削深度和進(jìn)給量相同的情況下改變切削厚度和寬度，也就是改變切削刃參加切削工作的長(zhǎng)度。小的主偏角，可使主切削刃參加切削的長(zhǎng)度加大，使刀刃單位長(zhǎng)度上受力減小，而且散熱情況好，刀具較為耐用。但這樣會(huì)使刀具作用在工件上的徑向力加大，在加工細(xì)長(zhǎng)工件時(shí)，容易引起工件變形和振動(dòng)。通常主偏角kr為30~75°。第二十六頁第二十七頁，共45頁。4)副偏角它可減少副后刀面和已加工表面的摩擦，但副偏角過大，又會(huì)影響表面光潔度。一般角取5~10°。5)刃傾角λs

主要影響刀頭的強(qiáng)度和排屑的方向。一般為－10～+5°，粗加工時(shí)為了增強(qiáng)切削刃強(qiáng)度常取負(fù)值，精加工時(shí)為了不使切屑劃傷已加工面，常取正值或零度。第二十七頁第二十八頁，共45頁。λs=0λs為負(fù)λs為正車刀主切削刃刃傾角λs對(duì)排屑方向的影響第二十八頁第二十九頁，共45頁。上面分別介紹了車刀的主要角度，應(yīng)當(dāng)指出，車刀幾何參數(shù)之間都是相互影響，相互依賴，相互制約的。一個(gè)實(shí)際問題的解決，往往不是孤立地改變某一參數(shù)就能辦到的，應(yīng)該把車刀幾何參數(shù)看成一個(gè)有機(jī)的整體，根據(jù)切削過程的具體條件，綜合考慮。如前角γ0與后角α0都影響切削刃強(qiáng)度，影響刀具的散熱體積，它們之間可以互相補(bǔ)償。粗加工時(shí)，為了減輕刀具負(fù)荷，采用較大的前角，可適當(dāng)減小后角，這時(shí)切削刃弧度不會(huì)明顯削弱。反之，精加工時(shí)為減少后刀面與加工表面間的摩擦，采用較大后角，可適當(dāng)減小前角。第二十九頁第三十頁，共45頁。在前角、主偏角、刃傾角之間，也有一定的辯證關(guān)系：采用負(fù)的刃傾角，小的主偏角，都能增加刀尖強(qiáng)度和耐用度。因此，在切削較硬的材料或有沖擊作用存在時(shí)，采用較小的主偏角和負(fù)的刃傾角，而不必明顯地減小前角。加工精度、光潔度要求較高的細(xì)長(zhǎng)軸時(shí)，為了減少振動(dòng)，須選用較大的主偏角，為避免擦傷已加工表面，須選用正的刃傾角，在這種情況下，前角應(yīng)相應(yīng)地減小。第三十頁第三十一頁，共45頁。(2)其他靜止參考系除正交平面參考系外，有法平面參考系、假定工作平面和背平面參考系。法平面pn：過切削刃上選定點(diǎn)，垂直于切削刃在該點(diǎn)的切線的平面。假定工作平面pf：過切削刃上選定點(diǎn)，垂直于基面且平行于進(jìn)給運(yùn)動(dòng)方向的平面。它平行或垂直于刀具在制造、刃磨及測(cè)量時(shí)適合于安裝或定位的一個(gè)平面或軸線。背平面pp：過切削刀上選定點(diǎn)、垂直于基面和假定工作平面的平面。第三十一頁第三十二頁，共45頁。刀具的參考坐標(biāo)面第三十二頁第三十三頁，共45頁。在法平面參考系中，前角和后角在法平面pn內(nèi)測(cè)量；在假定工作平面和背平面參考系中，前角和后角在假定工作平面pf和背平面pp中測(cè)量；而主偏角kr和刃傾角λs在三種參考系中完全一樣。(3)工作參考系及幾何參數(shù)實(shí)際工作中，由于假定的工作條件發(fā)生了變化，使標(biāo)注參考系中的各個(gè)坐標(biāo)面和測(cè)量面的位置也隨之變化。因此，刀具切削加工時(shí)的實(shí)際幾何參數(shù)就要在工作參考系中測(cè)量。工作參考系也分為正交平面工作參考系、法平面工作參考系及工作平面和背平面工作參考系等。第三十三頁第三十四頁，共45頁。工作參考系中各坐標(biāo)平面的定義與標(biāo)注參考系相同，只需用合成切削運(yùn)動(dòng)方向取代主運(yùn)動(dòng)方向。它們是工作基面pre、工作切削平面pse、工作正交平面poe、工作法平面pne(pne＝pn)、工作平面pfe、工作背平面ppe等，如圖所示。相應(yīng)地，在工作狀態(tài)下刀具的角度也改變了，稱為工作角度?？紤]進(jìn)給運(yùn)動(dòng)和刀具在機(jī)床上的實(shí)際安裝位置的影響，分別用、、、、表示，它們是切削過程中真正起作用的角度。第三十四頁第三十五頁，共45頁。第三十五頁第三十六頁，共45頁。1)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)對(duì)工作角度的影響一般切削(如車外圓)時(shí)，進(jìn)給速度遠(yuǎn)小于切削速度，此時(shí)刀具工作角度近似等于標(biāo)注角度。但在進(jìn)給速度較大時(shí)，改變了合成切削運(yùn)動(dòng)方向，工作角度就有較大改變。橫向進(jìn)給的影響：如后圖所示。切斷、切槽時(shí)，因?yàn)榈毒呦鄬?duì)于工件的運(yùn)動(dòng)軌跡為阿基米德螺旋線，則合成切削運(yùn)動(dòng)力向是它的切線方向，與主運(yùn)動(dòng)方向夾角為μ，刀具工作前、后角分別為：由上式看出，隨著切削進(jìn)行，切削刃越靠近工件中心，μ值越大，越小，有時(shí)甚至達(dá)到負(fù)值，對(duì)加工有很大影響，不容忽視。

第三十六頁第三十七頁，