刀具几何参数优化方法

2023-06-26 理论教育版权反馈

【摘要】：图1-12 车刀切削部分的结构要素2.刀具的几何参数刀具静止参考系的各平面如图1-13所示。影响刀具合理几何参数选择的主要因素是工件材料、刀具材料及类型、切削用量、工艺系统刚度以及机床功率等。

1.刀具切削部分的组成

外圆车刀的切削部分可以看做是各类刀具切削部分的基本形态。图1-12所示是外圆车刀的切削部分。

前面A_γ：切下的切屑沿其流出的表面。

主后面A_α：与工件上过渡表面相对的表面。

副后面A_α′：与工件上已加工表面相对的表面。

主切削刃S：前面与主后面的交线，它承担主要切削工作。

副切削刃S′：前面与副后面的交线，它协同主切削刃完成切削工作，并最终形成已加工表面。

刀尖：主切削刃与副切削刃连接处的那部分切削刃。

图1-12 车刀切削部分的结构要素

2.刀具的几何参数

刀具静止参考系的各平面如图1-13所示。

基面p_r：通过切削刃上的选定点，垂直于该点切削速度方向的平面。

切削平面p_s：通过切削刃上的选定点，与切削刃相切，且垂直于该点基面的平面。

正交平面p_o：通过切削刃上的选定点，垂直于基面和切削平面的平面。

法平面p_n：通过切削刃上的选定点，且与切削刃垂直的平面。

假定工作平面p_f：通过切削刃上的选定点，垂直于基面且平行于假定进给运动方向的平面。

背平面p_p：通过切削刃上的选定点，且垂直于基面和假定工作平面的平面。

图1-13 刀具静止参考系

3.刀具角度

刀具角度是指刀具在静止参考系中的角度。外圆车刀的刀具角度如图1-14所示。

前角γ₀：前面A_γ与基面p_r之间的夹角。

法前角γ_n：在正交平面中测量。

侧前角γ_f：在法平面中测量。

背前角γ_p：在背平面中测量。

后角α_o：主后面A_a与切削平面p_s之间的夹角。

法后角α_n：在正交平面中测量。

侧后角α_f：在法平面中测量。

背后角α_p：在背平面中测量。

主偏角κ_r：主切削平面p_s与假定工作平面p_f之间的夹角，在基面p_r中测量。

刀尖角ε_r：主切削平面p_s与副切削平面p′之间的夹角，在基面p_r中测量。

刃倾角λ_s：主切削刃与基面p_r间的夹角，在主切削平面p_s中测量。

4.刀具的工作角度

刀具的工作角度是刀具在工作参考系中定义的一组角度。在切削过程中，由于刀具安装位置和进给运动的影响，使刀具的工作角度（即刀具的实际切削角度）不同于其在静止参考系中的角度。

5.刀具几何角度与刃部参数的选择

刀具切削部分的几何参数，对切削过程中的金属变形、切削力、切削温度、工件的加工质量以及刀具的磨损都有显著影响。选择合理的刀具几何参数，就是要在保证工件加工质量和刀具经济寿命的前提下，达到提高生产率、降低生产成本的目的。影响刀具合理几何参数选择的主要因素是工件材料、刀具材料及类型、切削用量、工艺系统刚度以及机床功率等。

（1）前角的选择前角的大小影响切削变形、切削力、切削温度、加工表面质量和生产率，也影响切削刃的锋利程度及强度。增大前角可使切削变形减小，使切削力、切削温度降低，也可抑制积屑瘤等现象的产生，提高已加工表面的质量。但前角过大，会造成刀具楔角变小，刀头强度降低，散热体积变小，切削温度升高，刀具磨损加剧，刀具寿命降低。

图1-14 外圆车刀刀具角度

加工塑料材料选大前角，加工脆性材料选小前角，材料的强度、硬度越高，前角越小，甚至为负值。

高速钢刀具强度高、韧性好，可选较大前角；硬质合金刀具的硬度高、脆性大，应选较小前角；陶瓷刀具脆性更大，不耐冲击，前角应更小。

粗加工、断续切削时选较小前角，精加工的选较大前角。

机床功率大、工艺系统刚度高时，可选较小前角；功率小、刚度低时，可选较大前角。

（2）后角的选择后角的大小主要影响后面与已加工表面之间的摩擦。增大后角，可减小刀具后面的摩擦与磨损，楔角减小，切削刃锋利。但后角太小会使切削刃强度、散热能力降低。

粗加工、强力切削及承受冲击载荷的刀具要求刀具强固，应选小后角；精加工刀具磨损主要发生在切削刃和后面上，选大后角可以提高工件的加工表面质量。

工件材料的塑性好、韧性大，容易产生加工硬化，选大后角可减小摩擦；工件材料的强度或硬度高时，选小后角可保证刀具刃口强度。

工艺系统刚度低，切削时容易出现振动，应选小后角，以增大后面与加工表面的接触面积，增强刀具的阻尼作用。也可以在后面上磨出刃带或消振棱，以提高工件的加工表面质量。

（3）主、副偏角的选择主偏角减小时刀尖角增大、刀尖强度提高、散热体积增大，同时参加切削的刃长增加，可减小因切入冲击而造成的刀尖损坏，从而提高刀具的寿命；还可使已加工面的表面粗糙度值减小。但减小主偏角会使背向力增高，易造成工件或刀杆弯曲变形，影响加工质量。工艺系统刚度小时，取大的主偏角；加工很硬的材料时，为减小单位切削刃上的负荷，宜取较小的主偏角。切削层面积相同时，主偏角大的切削厚度大，易断屑。

副偏角的作用是减小副切削刃与工件已加工表面间的摩擦。副偏角太大会使工件表面粗糙度增大，太小又会使背向力增大。在不引起振动的前提下取较小的副偏角，系统刚度低时取较大的副偏角。

（4）刃倾角的选择刃倾角的功用是控制切屑流出方向、增加切削刃的锋利程度、延长切削刃参与切削的长度、保护刀尖、使切削过程平稳。

粗加工时应选负刃倾角，以提高刃口强度；有冲击载荷时，为了保护刀尖，应尽量取较大的刃倾角；精加工时，为保证加工质量宜采用正刃倾角，使切屑流向刀杆以免划伤已加工表面；工艺系统刚度不定时，取正刃倾角以减小背向力；刀具材料、工件材料硬度高时，取负刃倾角。

刀具几何参数优化方法

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