車刀幾何角度對切削過程的影響與角度選擇原則

摘要：合理選擇車刀幾何角度，有利于改善加工條件，提高工件加工質量，延長刀具與設備的使用壽命。現從車刀幾何角度在切削過程中對切削力、切削熱和刀具耐用度的影響角度，分析車刀幾何角度選擇的一般原則。

關鍵詞：幾何角度 切削力 切削熱 耐用度

車刀的幾何角度表示了車刀切削部分各幾何要素之間，或它們與參考平面之間構成的兩面角或線、面之間的夾角。它們分別決定著車刀的切削刃和各刀面的空間位置。科學合理地選擇車刀的幾何角度，有利于改善加工條件，提高工件加工質量，延長刀具與設備的使用壽命。本文從車刀幾何角度對切削力、切削熱和刀具耐用度影響等角度，分析車刀幾何角度選擇的一般原則。

一、車刀的六個幾何角度及含義

刀具的切削性能、鋒利程度、強度、排屑等主要是由刀具的幾何角度決定的。車刀的幾何角度中前角、后角、主偏角和刃傾角是主切削刃上四個最基本的角度。

二、車刀幾何角度對切削力的影響

在金屬切削時，刀具切入工件，將多余材料從工件上切除會產生強烈的力的作用，這些力統稱為切削力。切削力主要來源于被加工材料在發生彈性和塑性變形時的抗力、刀具與切屑及工件表面之間的摩擦力。根據切削力產生的作用效果的不同，可將切削力分解成三個相互垂直方向的分力。它們分別是：主切削力F ，進給抗力F 和切深抗力F ；其中，F 是切削總力F 沿主運動切向分解而得；F 也叫軸向力，它是F 沿工件軸向的分力；F 也叫徑向力，它是F 沿著工件徑向的分力，當機床或工藝系統剛度不足時，易引起振動。

（一）前角對切削力的影響

前角增大，刀尖鋒利，金屬塑性變形減小，沿前刀面的摩擦力減小，因此切削力減小。

前角的增大，對切削分力F 、F 的影響程度也不一樣，當主偏角K 較大時，對F 的影響較明顯，而當主偏角K 較小時，則對F 的降低幅度更大些。

（二）主偏角對切削力的影響

主偏角的改變，會改變各切削分力間的比例，從而改變了各分力的大小。實踐證明，主偏角對主切削力的影響較小，對進刀抗力F 和走刀抗力F 的影響較大；根據切削力分解公式：F ＝F cosK ；Fx＝F sinK 分析，主偏角減小，則軸向力增大，徑向力減小；主偏角增大，使F 減小，F 增大，這有利于減輕工件的變形和系統的振動。（往往采用較大主偏角的車刀切削細長軸類零件，來減小徑向分力F ，就是這個道理）

但當工藝系統剛性較差時，主偏角減小，軸向力增大，易引起振動，因此，在選擇主偏角時也要考慮此問題。

（三）刃傾角λ 對切削力的影響

刃傾角λ 對主切削力F 影響較小，但對進給抗力F 和切深抗力F 的影響較大。當λ 減小時，使刀具受到的正壓力的方向發生了變化，從而改變了切削合力F 及其分力F 的作用方向，使F 增大，F 減小。由此可見，從切削力角度分析，切削時不宜選用過大的負刃傾角，否則會增大F 的作用而產生振動，從而影響加工質量。

三、車刀幾何角度對切削熱的影響

車削過程所消耗的能量，除了極少部分用以形成新表面外，絕大部分都轉換為熱能，以切削熱的形式表現出來，使工藝系統的溫度升高。分析可知，車削時熱量主要來源于切屑的變形功和前、后刀面的摩擦功。這些熱量產生后又將通過切屑、工件、刀具和周圍介質傳出，使產熱與散熱達到動態平衡狀態。影響切削熱與切削溫度的因素很多，這里分析車刀幾何角度對其產生的影響。

（一）前角對切削溫度的影響

前角增大，使切削力下降，切屑的變形和工藝系統的摩擦減輕，使產生的切削熱減少，從而降低了切削溫度。事實上，切削溫度的高低不僅取決于工藝系統產生熱量的多少，還受工藝系統散熱條件的影響。

（二）主偏角對切削溫度的影響

減小主偏角時，使切削寬度增大，切削厚度減小，切削變形和摩擦減輕，同時，切削寬度增大后，散熱條件改善，又有利于降低切削溫度。因此，當工藝系統剛性足夠時，采用小的主偏角切削，是降低切削溫度、提高刀具的耐用度的一個重要措施，尤其是切削難加工材料時效果更顯著。

四、車刀幾何角度對刀具耐用度的影響

刀具的耐用度就是用來衡量刀具連續切削時間長短的參量，是指刀具從開始使用至達到磨損限度為止所用的連續的切削時間，它是衡量刀具切削性能的重要指標。由于刀具幾何角度對耐用度的影響較大，合理選擇刀具幾何角度，可以大幅度提高刀具的耐用度。

（一）前角對刀具耐用度的影響

適當增大前角，有利于減少切削力，降低切削溫度，使刀具的耐用度提高。但是，如果前角增大到一定值以后，會使刀刃強度下降，散熱條件逐漸變差，而且刀刃易于產生破損，耐用度反而會下降。

（二）主偏角對刀具耐用度的影響

適當減小主偏角，能降低摩擦，提高刀具強度，改善散熱條件，使刀具耐用度升高。當然，隨著主偏角和副偏角的減小，會使系統的切深抗力F 增大，當系統剛性不足時，會引起振動而影響加工質量。

五、車刀幾何角度的選擇原則

車刀的幾何角度對車刀的切削性能有很重要的影響，科學合理的選擇車刀的幾何角度，應以保證加工質量，滿足刀具的耐用度，提高生產率為目的。（粗加工、半精加工時，應提高生產率和滿足刀具的耐用度；精加工時應保證加工的質量）同時，還應考慮車刀幾何角度對切削過程中的切削力、切削熱和刀具耐用度的影響，合理選擇車刀的幾何角度。

（一）車刀前角選擇原則

前角主要影響切削過程中的變形和摩擦、刀具強度，改變散熱條件，影響刀具的耐用度。選擇前角時，應該綜合考慮材料和加工工藝的要求。1. 在刀具強度允許的條件下，盡量選用大前角。2. 被加工的材料導熱系數低，應該選擇小前角車刀，以改善散熱效果，提高車刀的耐用度。3. 在加工高強度材料時，為了防止車刀的破損，常采用負前角，以提高車刀的使用壽命。

（二）車刀后角的選擇原則

后角主要影響切削時的摩擦和刀具強度。1. 當工件材料的強度、硬度較高時，宜取較小后角，以提高刀具強度；2. 當工藝系統剛性較差時，應適當減小后角，防止系統產生振動；3. 當加工精度要求較高時，應采用小后角。

（三）主偏角的選擇原則

主偏角主要影響刀具強度、耐用度和工藝系統加工穩定性。1. 在工藝系統剛性不足時，常取較大主偏角，以減小切削力。2. 在加工高強度、高硬度材料時，取較小主偏角以提高刀具的耐用度。3. 副偏角影響工件的表面質量和刀具強度，在系統不易產生振動和摩擦的條件下，應選擇較小的副偏角。

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