刀具幾何角度對金屬切削加工的影響分析及選用策略

李玉平

（新余學(xué)院機電工程學(xué)院，江西 新余 338004）

金屬切削加工的目的是在保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，提高效率、降低成本。要解決好質(zhì)量、效率、成本三者之間的關(guān)系，除了要制定合理的工藝規(guī)程，配置合適的工藝裝備，還受到切削條件的影響。切削條件包括切削刀具的幾何角度，切削用量以及切削過程中的冷卻潤滑條件等。所以切削加工必須根據(jù)工件材料，加工性質(zhì)及工藝條件等，合理選擇刀具的幾何角度，使刀具潛在的切削性能得到充分有效的發(fā)揮，在確保加工質(zhì)量的前提下，既能提高加工效率，又能降低加工成本[1]。

1 刀具幾何角度對金屬切削加工的影響分析及選用策略

刀具的幾何角度主要包括前角、后角、主偏角、副偏角、刃傾角等。刀具幾何角度對加工質(zhì)量、切削變形、切削力、切削溫度及刀具耐用度都有顯著的影響。下面主要分析這些角度對切削加工的影響及選用策略。

1.1 刀具前角（γo）對金屬切削加工的影響分析及選用策略

1.1.1 刀具前角對金屬切削加工的影響分析

前角是刀具的重要參數(shù)之一，它對切削加工的影響主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）影響切削過程中的切削變形和切削力。在其他條件不變的前提下，前角增大，刀頭鋒利，切削輕松省力，切屑容易流出，不僅可以減小切削變形、切削力和切削功率，而且有利于提高加工表面質(zhì)量。

（2）影響刀頭的強度、散熱條件及受力性質(zhì)。前角增大，刀頭強度降低，切削區(qū)散熱條件惡化，切削溫度升高，磨損加劇，刀具耐用度降低，甚至崩刃。

1.1.2 刀具前角的選用策略

根據(jù)上述分析可知，前角的選擇要在保證加工質(zhì)量的前提下，既希望刀刃鋒利，切削起來輕松省力，又希望能夠兼顧刀頭強度和散熱條件，提高刀具耐用度。所以在一定的加工條件下，必然存在一個合理的前角。

（1）工件材料的強度硬度越高，切削力越大，切削溫度越高，為了保證刀頭強度，改善散熱條件，減緩刀具的磨損，應(yīng)選擇較小的前角，如正火高碳鋼常取；材料的塑性韌性越好，摩擦越大，為了減小摩擦，避免積屑瘤，一般選用較大的前角，如加工低碳鋼常取；加工脆性材料，切削刃受力集中而且承受沖擊力，甚至出現(xiàn)崩刃現(xiàn)象，為了提高切削刃強度和散熱能力，刀具前角通常比加工塑性材料時取值要小，如加工灰鑄鐵常取。

（2）不同的刀具材料，性能特點不同，所選的前角也不相同。高速鋼比硬質(zhì)合金鋼強度高，韌性好，因此，前角要比硬質(zhì)合金刀具大5 ～10 ；陶瓷材料又比硬質(zhì)合金的脆性更大，為了保證切削刃強度，所選前角應(yīng)比硬質(zhì)合金刀具更小；立方氮化硼刀具脆性更大，通常采用負前角進行切削。

（3）粗加工和斷續(xù)加工時，由于振動沖擊比較大，主要考慮刀頭強度，通常選用較小的前角；精加工時，主要考慮加工質(zhì)量，通常選用較大的前角[2]。

（4）工藝系統(tǒng)剛性較差，或機床功率較小時，為了減小切削力，應(yīng)該選用較大的前角。

（5）數(shù)控加工或自動化加工，為了減少刀具的磨損，保障刀具的耐用度及工作的穩(wěn)定性，前角應(yīng)選用較小值；展成刀具或成型刀具，為了增加刀頭的強度，防止刃形畸變，常取較小的前角，甚至取0 度[3]。

1.2 刀具后角（αo）對金屬切削加工的影響分析及選用策略

1.2.1 刀具后角對加工過程的影響分析

（1）影響刀頭的強度。后角越大, 刀頭強度越弱，散熱體積減小，且徑向磨純標(biāo)準(zhǔn)NP 一定時的磨耗體積小, 刀具耐用度降低。

（2）影響刀具后刀面與加工表面之間的摩擦。在刀具磨鈍標(biāo)準(zhǔn)一定的前提下，后角越大，摩擦越小，刀具耐用度越高，加工表面質(zhì)量越好。

1.2.2 后角的選用策略

在實際生產(chǎn)中，為了減小摩擦, 提高表面質(zhì)量，自然希望選取較大后角，但從增強刀刃強度, 改善刀刃的散熱條件來考慮, 又希望選取較小后角， 因而存在一個合理的后角。

（1）加工高硬度、高強度的材料, 通常采用較小的后角來增加刀頭的強度； 加工塑性材料, 通常選取較大的后角，目的是為了減小后刀面與已加工表面的摩擦，減小加工硬化，防止刀具后刀面磨損；加工脆性材料時, 為了保證切削刃的強度，應(yīng)選較小的后角；加工特硬材料時, 由于采用了較大的負前角，為了便于切入，通常選取較大的后角。

（2）粗加工、斷續(xù)切削或強力切削，為增加刀具強度，后角應(yīng)取較小值；精加工時，通常選取較大的后角，目的是減小后刀面和加工表面之間的摩擦，提高加工表面質(zhì)量。

（3）對于剛性差的工藝系統(tǒng), 為了增大摩擦，減小加工過程中的振動，通常選用較小的后角，甚至采用負后角，并帶有消振棱。

（4）高精度刀具和定尺寸刀具，通常選取較小的后角，以保證重磨后刀具尺寸精度；采用多刃刀具切削, 且切削厚度較薄時，應(yīng)選取較大后角。

1.3 主偏角（Kr）對金屬切削加工的影響分析及選用原則

1.3.1 主偏角對切削加工的影響

（1）影響刀具耐用度。隨著主偏角的減小，切削層的形狀變寬變薄，作用在主切削刃單位長度上的負荷減輕，磨損減慢, 同時，隨著主偏角的減小，刀尖強度提高，散熱體積增大，磨損減慢，刀具耐用度提高。

（2）影響已加工表面質(zhì)量。減小主偏角，可降低表面殘留層高度，減小已加工表面粗糙度值，提高加工表面質(zhì)量。

（3）影響切削分力比值及切削層單位面積切削力。隨著主偏角的減小，在總切削力一定的前提下，背向分力增大，容易引起工件的彎曲變形及工藝系統(tǒng)振動。當(dāng)工藝系統(tǒng)剛度不足時，會使刀具壽命降低，工件的加工精度降低。

1.3.2 主偏角的選用策略

由上述分析可知，主偏角的選擇不能過大，也不能過小，在一定的切削條件下，存在一個合理取值[4]。

（1）加工高硬度的材料，如淬硬鋼和冷硬鑄鐵時，刀具容易磨損，在確保系統(tǒng)剛性足夠的前提下，可取較小的主偏角(Kr ＝10 ～30)，達到增加刀頭的強度，提高刀具耐用度的目的。

（2）粗加工時，為了減少振動、便于采用較大的切削深度和控制切屑，通常選用較大的主偏角；精加工時，為了提高表面質(zhì)量，通常選取較小的主偏角。

（3）當(dāng)工藝系統(tǒng)的剛度較差或強力切削時，為了減小振動，一般選取較大的主編角，取κr=60°～75° ；車削細長軸時，為減小背向力，常取κr=90°～93°。

（4）需要從中間切入的刀具及仿形車刀，通常選取較大的主偏角；車削階梯軸時，選用90 的偏刀；要用一把刀加工外圓、端面和倒角時可取Kr ＝45。

1.4 副偏角（Kr）對切削加工的影響分析及選用原則

1.4.1 副偏角對切削加工的影響

（1）影響已加工表面質(zhì)量。副偏角的大小直接影響表面層的殘余高度，從而影響已加工表面的質(zhì)量。副偏角越小，已加工表面質(zhì)量越好。

（2）影響刀具耐用度。隨著副偏角的減小，刀尖強度提高，散熱體積增大，磨損減慢，刀具耐用度提高。

1.4.2 副偏角的選用策略

主要根據(jù)工件已加工表面的粗糙度要求和刀具耐用度來選擇。

（1）一般刀具的副偏角，在工藝系統(tǒng)剛性足夠的前提下，盡量選取較小值，即可提高刀具的耐用度，又有利于工件表面質(zhì)量的提高。

（2）精加工刀具，為了提高加工表面質(zhì)量，通常選取較小的副偏角，必要時，可在副切削刃上磨出一段κr'=0°的修光刃。

（3）切槽刀和切斷刀等由于受到刀具結(jié)構(gòu)的限制，只能取很小的副偏角，通常取Kr=1 ～3。

（4）當(dāng)系統(tǒng)剛度較差或從工件中間切人時，可取κr'=30°～45°。切斷刀，鋸片銑刀和槽銑刀等，為了保持刀具強度和重磨后寬度變化較小，副偏角宜取130。

1.5 刃傾角(s) 對切削加工的影響分析及選用原則

1.5.1 刃傾角對切削加工的影響

（1）影響切屑的流出方向。刃傾角為正值時，切屑流向待加工表面；刃傾角為零時，切屑垂直于主切削刃流出; 刃傾角為負值時，面。

（2）影響刀頭強度。刃傾角越大，刀頭強度越弱，切削刃越鋒利，斷續(xù)切削時沖擊越大，切削過程越不平穩(wěn)，容易崩刃。

（3）影響切削分力的大小。刃傾角越小時，背向力越大，工件變形及振動明顯。

1.5.2 刃傾角的選用策略

（2）工藝系統(tǒng)剛性不足時，盡量不采用負刃傾角，避免背向力過大，引起工件變形和振動。

2 結(jié)語

需要強調(diào)的是，上述的選用策略并不是一成不變的。由于刀具各角度之間是互相關(guān)聯(lián)的，孤立地選擇某一角度是不科學(xué)的，也不可能達到理想的切削效果。例如：刀具前角和后角是相互影響的，刀具前角和刃傾角的選擇也常常是互相影響的。強力切削時，為強化刀刃，通常選較小的前角，過小的前角會導(dǎo)致切屑變形太大，切削力過大，此時我們可以考慮增大前角，同時采用負的刃傾角及負倒棱來強化切削刃，采用過渡刃來強化刀尖，從而達到理想的切削效果。由此可見，刀具幾何角度的選擇，應(yīng)該在綜合考慮各關(guān)聯(lián)因素的基礎(chǔ)上靈活確定，許多先進刀具就是采用這樣的策略而設(shè)計出來的。