§3.7刀具幾何參數(shù)的選擇.ppt

3.7 刀具幾何參數(shù)的選擇,刀具的切削性能取決于它的材料、結(jié)構(gòu)和幾何參數(shù)。刀具幾何參數(shù)選擇是否合理，將直接影響到刀具的耐用度、加工質(zhì)量、生產(chǎn)效率和加工成本。,刀具的幾何參數(shù)包括:刀具的切削角度(如ro、o、Kr、Kr、s等)，刀面的形式(如平前刀面、帶倒棱的前刀面、帶卷屑槽的前刀面)及切削刃的形狀(點(diǎn)線形、折線形、圓弧形)等。 刀具的幾何參數(shù)對切削時金屬的變形、切削力、切削溫度和刀具磨損部有顯著影響，從而影響切削生產(chǎn)率、刀具耐用度、加工表面質(zhì)量和加工成本。,一般地說，刀具的“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，從而能夠達(dá)到提高切削效率、降低生產(chǎn)成本的目的的幾何參數(shù)。,刀具合理幾何參數(shù)的選擇主要決定于工件材料、刀具材料、刀具類型及其他具體工藝條件，如切削用量、工藝系統(tǒng)剛性及機(jī)床功率等。,一、前角的選擇,1.前角的功用 其數(shù)值的大小、正負(fù)對切削變形、切削力、切削功率和切削溫度均有很大影響; 同時也決定著切削刃的鋒利程度和堅固強(qiáng)度; 也影響刀具耐用度和生產(chǎn)效率。,(1)影響切削變形。 增大前角，可減小切削變形，從而威小切削力、切削熱和切削功率。 (2)影響切削刃強(qiáng)度及散熱情況。 增大前角，會使楔角減小使切削刃強(qiáng)度降低、散熱體積減小；過分加大前角，可能導(dǎo)致切削刃處出現(xiàn)彎曲應(yīng)力，造成崩刃。 (3)影響切屑形態(tài)和斷屑效果。 減小前角，可以增大切屑的變形，使切屑易于脆化斷裂。 (4)影響加工表面質(zhì)量。,通常存在個使刀具耐用度為最大的前角為合理前角。,2.選擇原則 刀具的合理前角主要取決于刀具材料和工件材料的性能。 （1）刀具材料的強(qiáng)度及韌性較高時可選擇較大的前角。 例如，高速鋼強(qiáng)度高、韌性好，而硬質(zhì)合金脆性大、怕沖擊、易崩刃，故前者前角可比后者選得大些，一般可達(dá)5-10。陶瓷刀具的脆性更大，故合理前角選得比硬質(zhì)合金刀具還要小。,(2)工件材料的強(qiáng)度或硬度較大時，宜選用較小的前角，以保證刃口強(qiáng)度；反之，宜用較大的前角。 這是因?yàn)楫?dāng)工件材料強(qiáng)度和硬度較高時，切削力較大，切削溫度高，為了增加刃口強(qiáng)度和散熱體積，宜選用較小的前角； 當(dāng)強(qiáng)度或硬度較小時，切削力較小，刀具不易崩刃對切削刃的強(qiáng)度要求降低，為使切削刃鋒利，應(yīng)選取較大前角。 加工中硬鋼時，ro10一20；加工軟鋼時，ro20一30；加工鋁合金時ro30一35。,例如，,用硬質(zhì)合金車刀加工強(qiáng)度很高的鋼(b0.8GPa1.2GPa)或硬度很高的淬硬鋼,有時需要采用負(fù)前角(-5 -20)。,材料的強(qiáng)度和硬度越高，負(fù)前角的絕對值應(yīng)越大。 但負(fù)前角會增大切削力(特別是Fp力)，易引起機(jī)床的振動，因此只有在采用正前角要發(fā)生崩刃，而工藝系統(tǒng)剛性很好時，才采用負(fù)前角。,(3)加工塑性材料時，應(yīng)選較大的前角；加工脆性材料(如鑄鐵、青銅)時，宜選較小的前角。,切削灰鑄鐵等脆性材料時，塑性變形較小，切屑呈崩碎狀，只是在刀刃附近與前(刀)面接觸，且不沿前(刀)面流動，因而與前(刀)面的摩擦不大，切削力集中在刀刃附近，為了保護(hù)切削刃不致?lián)p壞，宜選較小的前角。 加工一般灰鑄鐵，前角可選5一15。,切削鋼料時，切削變形較大，切屑與前(刀)面的接觸長度較長，刀-屑間的壓力和摩擦力均較大，為了減小切削變形和摩擦，宜選較大的前角。被加工材料的塑性越大、前角應(yīng)選得越大。用硬質(zhì)合金刀具加工一般鋼料時，前角可選為10-20。,(4)還要考慮其它一些具體加工條件。,例如:粗加工時特別是斷續(xù)切削時、切削力和沖擊較大，為保證刃口的強(qiáng)度前角應(yīng)小些； 精加工時，為減小切削變形，提高加工質(zhì)量，宜取較大前角; 在工藝系統(tǒng)剛度較差或機(jī)床動力不足時，宜取較大的前角; 在自動機(jī)床上加工時，考慮到刀具的尺寸、耐用度及工作的穩(wěn)定性，宜取較小的前角。,3.強(qiáng)化切削刃的方法,(1)采用負(fù)倒棱。 增大刀具前角，雖然有利于切屑的形成和減小切削力，但往往受到刀刃強(qiáng)度降低的限制，在正前角的前(刀)面上磨出倒棱是較好的解決辦法。 倒棱面可為負(fù)前角、零前角或小正前角，但實(shí)際使用的多為負(fù)倒棱。,倒棱的主要作用是增強(qiáng)刀刃，威少刀具破損。,這對脆性較大的刀具材科(如硬質(zhì)合金和陶瓷)進(jìn)行粗加工或斷續(xù)切削時，對減少崩刃和提高刀具耐用度有很明顯的效果(耐用度可提而1-5倍)。,用陶瓷刀銑削淬硬鋼時，沒有倒核的刀刃是不能用來加工的。,此外，刀具倒棱處的棱角較大，使散熱條件也得到改善。,負(fù)倒棱與負(fù)前角的前(刀)面是不同的，這里負(fù)倒棱的尺寸是關(guān)鍵。 倒棱的寬度br與切削厚度(進(jìn)給量)有關(guān)。 一般可取0.2mm一1mm或br(0.3-0.8)f; 粗加工時取大值，精加工時取小值; 對高速鋼刀具倒棱的前角取0一5; 對硬質(zhì)合金刀具取-5-10。,因?yàn)榈估獾膶挾壬跣?，只要倒棱的參?shù)選擇恰當(dāng)，切屑仍沿前(刀)面流出，故切削力增加的不多。 由于負(fù)倒棱增強(qiáng)了切削刃，故前角可比不帶倒棱的前(刀)面選擇得大些。 對于進(jìn)給量很小(f0.2mmr)的精加工刀具，由于切削厚度很小，為了使切削刃鋒利，不宜磨出倒棱。 加工鑄鐵、某些鋁合金等脆性材料時，由于切屑不沿前(刀)面流動，倒棱面即為前(刀)面，故不宜磨出倒棱。 形狀復(fù)雜的刀具(如成形車刀)也不宜磨倒棱。,(2)刃口鈍圓半徑 刀口鈍圓也是增強(qiáng)切削刃的有效方法:,不但可以減少刀具的早期破損; 而且可以提高刀具耐用度; 刀口鈍圓還有一定消振作用，可降低已加工表面粗糙度。,刃口鈍圓半徑的推薦值如下：,一般情況下rnf/3; 輕型鈍圓rn0.02mm0.03mm； 中型鈍圓rn0.05mm0.1mm； 重型鈍圓(用于重型切削) rn0.15mm。,二、后角的選用 1.后角的功用 后角的主要功用就是減小后(刀)面與加工表面間的摩擦，影響加工表面質(zhì)量和刀具耐用度。,(1)增大后角，可減小加工表面上的彈性恢復(fù)層與后(刀)面的接觸長度，從而減小后(刀)面的摩擦與磨損。 (2)增大后角，楔角則減小，使刀口鈍圓半徑rn減小，刃口越鋒利。 (3)后(刀)面磨鈍標(biāo)準(zhǔn)VB相同時，后角大的刀具達(dá)到磨鈍標(biāo)準(zhǔn)時，磨去的金屑體積較大，從而加大刀具的磨損值NB，影響工件尺寸精度；反之，磨去的金屑較少。,當(dāng)后角太大時，楔角減小顯著，將會降低刀刃強(qiáng)度和散熱能力使刀具耐用度下降。 同前角一樣，也存在耐用度最大的后角值，稱合理后角，表示成opt,2.選擇原則 合理后角的大小主要取決于加工性質(zhì)(粗加工或精加工)，還與一些具體切削條件有關(guān)，選擇原則如下： (1)精加工時切削厚度較小，宜取較大后角；反之，切削厚度較大，宜取較小后角。 因?yàn)楫?dāng)切削厚度很小時，刀具的磨損主要發(fā)生在后(刀)面上，為了減小后(刀)面磨損和增加切削刃鋒利程度，宜取較大的后角； 當(dāng)切削厚度較大時，前 (刀)面的負(fù)荷大，前(刀)面 的月牙洼磨損比后(刀)面 磨損顯著，這時宜取 較小后角，以增強(qiáng)刀刃及改 善散熱條件。,（2)與工件材料性能有關(guān) 工件材料的塑性好、韌性大，容易產(chǎn)生加工硬化，為了減少后(刀)面磨損，應(yīng)選用較大后角(例如，加工鈦合金時，由于它的彈性恢復(fù)較大、宜取較大后角)； 工件材料的強(qiáng)度或硬度較高時，為了保證刀具刃口強(qiáng)度，宜選用較小的后角。,(3)工藝系統(tǒng)剛性差、易出現(xiàn)振動時，應(yīng)選用較小后角，以增大后(刀)面與加工表面的接觸面積，增強(qiáng)刀具的阻尼作用，還可在后(刀)面上磨出刃帶或磨出消振棱，以提高加工表面質(zhì)量。,(4)對尺寸精度要求較高的刀具(如圓孔拉刀、鉸刀)，宜取較小后角。 因?yàn)橐环矫娈?dāng)徑向磨損量NB為定值時，后角較小時所允許磨損的金屑體積可大些，即刀具使用壽命可長些； 另一方面刀具重磨后的尺寸變小，即增加了重磨次數(shù)。具體數(shù)值見表。,三、主偏角和副偏角的選擇,1.主偏角和副偏角的功用 (1)影響切削加工殘留面積高度。 增大主偏角和副偏角，使加工表面粗糙度值增大，副偏角對理論粗糙度的影響更大。 (2)影響切削層尺寸和刀尖強(qiáng)度及斷屑效果。 在背吃刀量和進(jìn)給量一定時，減小主偏角將使切削厚度減小，切削寬度增大，從而使切削刃單位長度上的負(fù)荷減輕；同時，主偏角或副偏角減小使刀尖角增大，刀尖強(qiáng)度增加、散熱條件得到改善，提高了刀具耐用度；反之，增大主偏角使切屑變得窄而厚，有利于斷屑。 (3)影響各切削分力比值。減小主偏角，則背向力Fp增大，進(jìn)給力Ff減小。同理，減小副偏角，F(xiàn)p也增大。Fp增大，增加工藝系統(tǒng)的彈性變形、影響加工精度。,2.主偏角的選擇 從刀具耐用度出發(fā)，主偏角選小些為宜；選取小主偏角還可以減小加工殘留面積高度，減小表面粗糙度值。 但主偏角太小會導(dǎo)致背向力Fp增大，降低加工精度，甚至?xí)鹫駝?。因此，也存在一個位刀具耐用度為最大的合理主偏角(圖中硬質(zhì)合金刀具的合理主偏角為60)。,合理主偏角應(yīng)主要根據(jù)工藝系統(tǒng)剛度來選擇，同時兼顧工件材料的性質(zhì)和工件表面形狀等要求。 基本原則如下： (1)當(dāng)工藝系統(tǒng)剛度足夠時，應(yīng)選用較小主偏角，以提高刀具耐用度和加工表面質(zhì)量；當(dāng)系統(tǒng)剛度較差時，則應(yīng)選用較大主偏角，以減小背向力Fp，避免切削過程中產(chǎn)生振動。 (2)加工很硬的材料(如冷硬鑄鐵、淬硬鋼)，宜取較小主偏角，以減輕單位長度切削刃上的負(fù)荷，改善刀尖散熱條件，提高刀具耐用度。 (3)還應(yīng)考慮工件形狀和具體條件。 例如，車階梯軸時，必須取Kr90；要用同一把車刀加工外圓、端面和倒角時，取Kr45，需要從中間切入或仿形加工用的車刀，可取Kr45-60。具體數(shù)值參見表。,3.副偏角的選擇 副切削刃的主要功用是最終形成已加工表面，因此，副偏角的選取應(yīng)首先考慮已加工表面質(zhì)量要求，還要考慮刀尖強(qiáng)度、散熱、振動等。 副偏角也存在某一合理值，其選擇原則如下： (1)在工藝系統(tǒng)剛性好、不產(chǎn)生振動的條件下，應(yīng)取較小的副偏角(如車刀5一10)，以減小已加工表面粗糙度值。 (2)精加工時副偏角比粗加工選得小些； 必要時，可磨出一段修光刃，用來進(jìn)行大走刀的光整加工，注意使修光刃長度 略大于進(jìn)給量，一般br (1.21.5)f。,(3)加工高強(qiáng)度、高硬度材料或斷續(xù)切削時，為提高刀尖強(qiáng)度，宜取較小副偏角(4-6)。 (4)切斷(槽)刀、鋸片銑刀、鉆頭、鉸刀等由于受結(jié)構(gòu)強(qiáng)度或加工尺寸精度的限制，只能取很小的副偏角，即1-2。,4.過渡刃的選擇 主切削刃和副切削刃連接處稱為過渡刃或刀尖。刀尖處強(qiáng)度、散熱均較差,主、副偏角大時尤為嚴(yán)重。生產(chǎn)中，需采取強(qiáng)化刀尖措施。刀尖強(qiáng)化的方法是磨過渡刃。,四、刃傾角的選擇 1.刃傾角的功用 1）影響切屑的流出方向。 刃傾角的大小和正負(fù)，直接影響流屑角，即直接影響切屑的卷曲和流出方向。s為負(fù)值時，切屑流向已加工表面，易劃傷已加工表面；為正值時，切屑流向待加工表面。精加工時，常取正刃傾角。,2）影響刀尖及斷續(xù)切削時切削刃上受沖擊的位置。 圖示Kr=90刨刀加工情況。s=0時，削刀全長同時接觸工件，因而沖擊較大；s0時，刀尖首先接觸工件，容易崩尖；s0時，遠(yuǎn)離刀尖切削刃的其余部分首先接觸工件，從而保護(hù)了刀尖，切削過程也比較平穩(wěn)，大大減少了沖擊和崩刃現(xiàn)象。,3）切削刃鋒利程度，具有斜角切削特點(diǎn)。 4)切削分力間的比值。 以外圓車削為例，當(dāng)s由0化到-45，F(xiàn)p約增大1倍，F(xiàn)f降到1/3,Fc基本不變。Fp增大，將導(dǎo)致工件變形甚至引起振動從而影響加工精度和表面質(zhì)量。因此，非自由切削時不宜選用絕對值過大的負(fù)刀傾角。 5）影響切削刃實(shí)際工作長度。 刃傾角的絕對值越大，斜角切削時切削刃的工作長度越大,切削刃單位