車刀角度對切削過程的影響

摘要：科學地選擇合理的車刀角度，對車削工藝過程有著關鍵性的影響。研究車刀幾何角度與工件加工過程以及形成的物理結果之間如何發生變化，對于車刀角度、刃磨車刀以及加工過程中相關工藝的選擇具有重要意義。

關鍵字：車刀角度；切削過程；幾何角度

中圖分類號： TG50 文獻標識碼：A 文章編號1672-3791（2015）05（a）-0000-00

俗話說：“三分手藝，七分刀”，一把好的車刀對提高工件加工質量、勞動生產效率、甚至操作安全都有至關重要的作用。合理選擇與設置車刀的幾何參數是決定刃磨質量的關鍵，因此，僅從合理選擇車刀幾何角度的思路出發，加工者應根據工件材質、車刀材料以及切削用量，同時考慮到機床、工件、車刀、夾具剛性等物理特性，綜合實際情況綜合考慮。

1.車刀的基本角度與基本作用過程概述

車刀作為車床的主要刀具，在車刀的切削部分中，從數學坐標角度來看，分布著6個獨立的基本角度，其情況為：

κr——車刀主偏角。

λs——車刀傾角。車刀主偏角與傾角共同確定了車刀主切削刀刃位置。

γO——車刀前角。

αO——車刀后角。車刀前角和后角用于確定車刀前刀面與后刀面的位置。

κr'——副偏角。

αO′——副后角。副偏角和副后角用于確定副切削刃及副后刀面。

使用車刀加工工件的過程也稱為車刀的切削過程，是指在機床上，車刀刀具在車床動力的作用下運動，對是指在機床中，刀具在動力的作用下動作，對工件產生切削、切割的作用，使受加工的工件切削層產生變形、剪切、滑移而形成碎屑，從工件母體上脫落的過程。在這一過程中，會出現一系列的物理現象，如切削變形、切削力、切削熱、刀具的磨損等等。由前述車刀的基本角度可知，由于其相關指標的設置，會對工件的形狀、位置產生重大影響，從而直接影響到加工工件的質量與精度。因此，有必要認識到車削工藝中車刀角度的設置與調校，深入理解車刀幾何角度與這些物理現象之間的變化規律，有助于我們合理正確地選擇、刃磨車刀幾何角度，同時也有助于提升加工件質量與精度，延長刀具使用壽命。

2.車刀幾何角度對切削力的影響分析

切削過程就是車刀作用于工具進行切削動作，而此時受加工工件材料抵抗刀具運動的反作用力（阻力）被稱為切削力。考慮車刀幾何角度對切削力的影響，從力學角度分析，將切削力進行三個方向垂直的分解，分別是Fc（主切削力）、Ff（進給抗力）、Fp（切深抗力）。

根據上圖分析可知，沿加工主要方向分解的切削力稱為主切削力，用Fc表示。Fc是設計、計算刀具強度、工件零件加工方式，以最終確定機床功率的主要依據。Ff是沿工件行進方向產生的力，是沿進給方向加工工件而產生的，因此，校驗機床進給系統主要零部件強度的依據；Fp也叫徑向力，車外圓時，切深抗力Fp是使工件在水平面內發生彎曲的力，而且Fp是產生振動的重要因素。

2.1γO對切削力的影響分析

γO是車刀前面Ar與甚而Pr之間的夾角。前角是刀具與工件作用面之間角度的主要參數，在加工過程中，影響著車刀的鋒利程度與強度。在加工過程中，由于γO增大時，變形系數ξ降低，金屬塑性形變影響變小，車刀鋒利，切削力減小。基于此特性，在盡可能的情況下，選取較大的前角。但由于材料特性的緣故，脆性材料形變小，受前角的影響較小，因此不會對車削力產生顯著影響。故而大前角往往適用于塑性材料以及精加工過程。

2.2 κr對切削力的影響分析

從加工過程來看，主偏角主要會影響車刀的散熱、影響軸向、徑向力之比值。由上圖分析可見，κr一旦發生改變，切削力產生的主切削力Fc、切削分力Fr將發生變化。據實驗，當κr增大時，也同時加深了切削厚度Ac，切削層變形減小，Fc減小，切屑也隨之變厚。在κr增大到65-70°后，Fc卻隨著角度增大而回升，原因是此時刃具刀尖圓弧切削工作面比例加大，造成了切屑變形、排屑阻力增大，反作用于刀具，使Fc增大所致。

由切削力分解公式Fp=Frcosκr ；Ff=Frsinκr可知，κr增大，Fp則減小，Ff增大，此時可以使工件變形減小，同時減小機床系統的振動。根據其力學性能分析，在加工細長工件時，考慮小的主偏角；而剛性較差的工件則盡量選擇稍大的主偏角。

2.3λs 對切削力的影響分析

λs本身對主切削力的影響不大，它主要影響著進給抗力Ff和切深抗力Fp。刃傾角減小，影響刀具受到的正壓力方向，從而導致切削合力F以及分力Fr的作用方向，這樣就使Fp增大，Ff減小。刃傾角的選擇直接影響到刀尖強度和切削的平穩性，因此從穩定操作的角度出發，應盡量減小刃傾角。

3.車刀幾何角度對切削熱的影響

在工件切削的過程中，其機械能大部分轉換為熱能，產生切削熱并散發，同時整個加工系統的溫度也有所升高。而車刀幾何角度的配置直接決定著刀具與工件接觸的角度與加工作用方式，因此也必須慎重分析。

3.1 γo對切削溫度的影響分析

γo增大時，車刀鋒利，切削力減小，工件、切屑的變形以及其他機械摩擦都會減輕，切削熱相應降低。γoγ增大時，刀具的楔角變小，散熱體積減小，此時散熱條件相應變差，切削熱散熱效果不顯著，從而易使溫度上升。據實驗，車刀前角增加到16°，車刀切削熱反而釋放更多，切削溫度回升。因此，在加工時，需要盡量控制車刀前角在合理的角度范疇。

3.2κr對切削溫度的影響

κr減小時，切削工作面實際上變大，切削寬度增加了，此時切削厚度減小，使得工件、刀具切削變形與摩擦相應減輕，加大了散熱空間，有利于切削熱較好釋放，對于降低切削溫度是有益處的。因此，在可能的條件下，利用較小的κr，也是降低切削熱的有效方法，特別是在加工特殊材料，硬度較高而可能產生大量熱量時。

3車刀幾何角度對刀具壽命的影響分析

任何工具都有其使用壽命，這與其使用強度直接相關。由于刀具直接作用于工件進行工作，設置合理的幾何角度直接影響到切削力、切削溫度，也就直接影響了刀具的使用壽命。而刀具使用壽命也反過來驗證了刀具幾何角度的設置科學性、正確性。

3.1前角γo對刀具壽命的影響

適當大的前角可以降低切削力，降低切削發熱量，故而就能提升刀具使用壽命。但大的前角γo會使刀頭強度變差，降低刀具的散熱條件，影響刀具的使用壽命，嚴重的甚至可能造成刀頭在切削時崩裂。

3.2后角αO對刀具壽命的影響

αO設置較大可以減少工件工作面與后刀面之間的摩擦，減小相應的摩擦阻力，從而提升刀具壽命。但必須注意到，后角過大時，使后部空間變窄，從而降低了刀具的散熱條件，影響了刀具的使用壽命。

3.3主偏角κr對刀具壽命的影響

加工工件時，若給進量相同，減小主偏角的直接效果就是減小了切削厚度，同時使切削寬度增加，也就是在同等長度的工作面上減少了刀刃的負荷，此時κr變小也可以增大刀具強度，有利于延長刀具的使用壽命。

4.車刀幾何角度對斷屑的影響

在對工件加工必然會產生各類工件碎屑。加工過程中，必須要考慮刀具設置與工件夾具等相關配置，使相關碎屑隨時流暢排出，特別是在加工塑性材料時尤應注意。就主偏角而言，κr大意味著切削百度大，容易斷屑，應選擇75-90度的kr角度，以取得較好的斷屑性能。而λs可以通過設置合理的刃傾角來使斷屑流向得到有效控制，從而有利操作。如λs為正時，切屑流向待加工面，為負值時，則流向已加工表面。從而操作者應深入分析工件特性與加工流程，適時調整λs角度，以有利于方便操作。

綜上所述，車刀角度對切削過程中一系列的物理現象都有重要影響，因此，掌握這些規律對合理選擇車刀角度，正確刃磨車刀有積極意義。

參考文獻

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