浅谈如何选择刀具的几何角度

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  金属切削刀具是切削加工中的重要工具,也是切削加工中影响生产率、加工质量与成本的最活跃的因素。刀具角度是确定刀头几何形状与切削性能的重要参数,是各类刀具设计、选择、使用、刃磨的基础。全面掌握刀具的角度,对提高生产率、保证加工质量、降低生产成本起着决定性的作用。
  一、了解刀具的组成
  刀具可分为夹持部分和切削部分,刀具切削部分(以车刀为例)号称“三面两刃一尖”,即前刀面、主后刀面、副后刀面、主切削刃、副切削刃和刀尖。前刀面Aγ:切屑流出的表面。主后刀面Aα:切削时刀具上与工件过渡表面相对的表面。C、副后刀面A′α:切削时刀具上与工件已加工表面相对的表面。主切削刃S:前刀面与主后刀面的交线,切削时起主要切削作用。副切削刃S′:前刀面与副后刀面的交线,切削时起辅助作用。刀尖:指主切削刃与副切削刃的连接处相当少的一部分切削刃,分为修圆刀尖和倒角刀尖。
  二、识别刀具角度的几个辅助平面
  用于定义和规定刀具角度的各辅助基准坐标平面,只是假定参考,事实上看不见,摸不着。其中包括:切削平面Ps ——通过切削刃上一点,并与加工表面相切的平面;基面Pr ——过主切削刃选定点,并与该点的切削速度方面垂直的平面;主截面Po ——过主切削刃选定点与基面,主切削平面两两垂直的平面。
  三、认识刀具的几何角度
  1.前角(γo)——刀具前刀面与基面的夹角,在主截面内测量
  前角的大小决定了刀具的锋利程度,前角越大,刀具越锋利。前角大,切削层的塑性变形小,刀具和切屑摩擦阻力小,切削力和切削热可降低;但前角过大,会使切削刃和刀头强度降低,散热条件恶化,刀具寿命下降;有时为了增加刀具强度、断屑,常采用较小前角。
  2.主后角(αo)——主后刀面与切削平面之间的夹角,简称后角
  后角的大小决定了刀刃的强度,并配合前角改变切削刃的锋利程度。增加后角,可以减少刀具的后刀面或副后刀面与工件之间的摩擦,但后角过大,会减弱切削刃强度,并恶化散热条件,使刀具寿命下降。
  3.副后角(α'o)——副后刀面与副切削平面的夹角
  它在副截面上测量产生,其作用与主后面相似(注:副截面是指κ垂直于副切削刃且垂直于基面的平面)。
  4.主偏角(κ'r)——主刀刃与待加工表面之间的夹角,也称为导角
  主偏角的大小主要影响到切削层的形状以及切削分力的变化。改变主偏角的大小,可调整径向切削分力和轴向切削分力的比例。主偏角增大时,径向切削分力减小,轴向切削分力增大;减小主偏角,可减小切削厚度和切削刃单位长度上的负荷;同时,由于主切削刃工作长度增大,刀尖增大,刀具的散热条件得到改善,刀具寿命可提高;但主偏角过小,使径向切削力增大,容易引起切削振动。
  综合以上分析,主偏角的选择可根据以下几个因素:在工艺系统(机床-工件-夹具-刀具)刚性允许得条件下,应尽可能采用较小的主偏角,提高刀具的寿命;工件材料强度,硬度高时,宜取较小的主偏角;在切削过程中,刀具需作中间切入时,应取较大的主偏角。
  5.副偏角(κ'r)——副刀刃与已加工表面之间的夹角,也称为离角
  副偏角和主偏角一起影响已加工表面的粗糙度。副偏角越大,副后面与已加工表面的摩擦越小,可减小副切削刃工作部分与工件已加工表面之间的摩擦;副偏角过大,会使刀尖角减小,工件表面的残留面积也增加,刀具的散热条件恶化,表面粗糙度增大。减小副偏角,副切削刃的工作长度增大,对工件已加工表面的修光作用加强,有利于减小工件表面粗糙度;但过小的副偏角,会使刀具的径向切削力增大,在工艺系统刚性不足情况下容易引起切削振动。
  6.刃倾角(λr)——主刀刃与基面之间的夹角,又称为主刀刃斜角
  该角在切削平面上测量。改变刃倾角的方向和大小,可控制切屑的流动方向。断续切削时,适当的刃倾角可使切削刃逐渐切入和切出工件,缓和冲击,使切削平稳;刃倾角还影响刀尖的强度,当刃倾角为正值时,刀尖的强度降低,铁屑向刀架方向流出,适用于精加工类型刀具。负值的刃倾角,可提高刀尖的抗冲击能力,但过大的负刃倾角会使径向切削力显著增大,同时增大实际切削前角,减小切屑变形,使切削轻快。
  另外,刀具还有两个派生角度。第一,楔角(βo)——前刀面与主后刀面的夹角。第二,刀尖角(εr)——主、副刀刃在基面上的投影夹角,它影响到刀尖的强度。因为主偏角、副偏角和刀尖角之和等于180°,刀尖角数值随着主偏角、副偏角的变化而变化。
  (作者单位:山东枣庄职业学院)
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