1、1-2 刀具的幾何參數(shù),一、刀具的類型 金屬切削刀具是完成切削加工的重要工具，它直接參與切削過程，從工件上切除多余的金屬層。因為刀具變化靈活、收效顯著，所以它是切削加工中影響生產率、加工質量和成本的最活躍的因素。在數(shù)控機床的自身技術性能不斷提高的情況下，刀具的性能直接決定機床性能的發(fā)揮。 根據(jù)用途和加工方法不同，刀具有如下幾大類： (1)切刀類 包括車刀、刨刀、插刀、鏜刀、成形車刀、自動機床和半自動機床用的切刀以及一些專用切刀。一般多為只有一條切削刃的單刃刀具。,(2)孔加工刀具 是在實體材料上加工出孔或對原有孔擴大孔徑(包括提高原有孔的精度和減小表面粗糙度值)的一種刀具。如麻花鉆、擴孔鉆、锪

2、鉆、深孔鉆、鉸刀、鏜刀等。 (3)拉刀類 在工件上拉削出各種內、外幾何表面的刀具，生產率高，用于大批量生產，刀具成本高。 (4)銑刀類 是一種應用非常廣泛的在圓柱或端面具有多齒、多刃的刀具。它可以用來加工平面、各種溝槽、螺旋表面、輪齒表面和成形表面等。 (5)螺紋刀具 指加工內、外螺紋表面用的刀具。常用的有絲錐、板牙、螺紋切頭、螺紋液壓工具以及車刀、梳刀等。,(6)齒輪刀具 用于加工齒輪、鏈輪、花鍵等齒形的一類刀具。如齒輪滾刀、插齒刀、花鍵滾刀等。 (7)磨具類 用于表面精加工和超精加工的刀具。如砂輪、砂帶、拋光輪等。 (8)組合刀具、自動線刀具 是根據(jù)組合機床和自動線特殊加工要求設計的專用刀

3、具，可以同時或依次加工若干個表面。 (9)數(shù)控機床刀具 刀具配置根據(jù)零件工藝要求而定，有預調裝置、快速換刀裝置和尺寸補償系統(tǒng)。 (10)特種加工刀具 如水刀等。,二、刀具的結構幾何參數(shù) 金屬切削刀具包含刀柄和切削部分，刀柄是指刀具上的夾持部分，切削部分是刀具上直接參加切削工作的部分。在某些刀具(如外圓車刀)上切削部分也稱為刀頭。有些刀具(如麻花鉆)還有導向部分。 各類金屬切削刀具切削部分的形狀和幾何參數(shù)，都可由外圓車刀切削部分演變而來，因此我們以外圓車刀為例研究金屬切削刀具的幾何參數(shù)。,1刀具切削部的組成 如圖所示，外圓車刀的切削部分包括以下要素： (1)前(刀)面 切屑流過的刀面； (2)主

4、后(刀)面 與加工表面相對的刀面； (3)副后(刀)面 與工件已加工表面相對的刀面； (4)主切削刃 擔任主要切削工作，由前刀面與主后刀面相交的棱邊形成； (5)副切削刃 擔任少量切削工作，由前刀面與副后刀面相交的棱邊形成； (6)刀尖 主、副切削刃聯(lián)接處的一部分切削刃，常指它們的實際交點。,刀具切削部分的組成要素,在實際刀具上常見的刀尖結構有：,2刀具的幾何參數(shù) 2.1 確定刀具切削角度的參考平面 刀具要從工件上切下金屬，就必須具備一定的切削角度，這些角度決定了刀具切削部分各表面的空間位置。 如后圖所示，圖中標出寬刃刨刀的前角和后角，于是就確定了刨刀前刀面和后刀面的位置。但是刨刀的前角和后角

5、需要在選定的參考平面作為坐標系的基礎之后才能表明其大小。后圖中所示的基面和切削平面就是選作坐標系的參考平面。,由于大多數(shù)加工表面都不是平面，而是空間曲面，不便于直接用來作為參考平面，因此，將構造刀具角度坐標系的參考平面定義如下。 (1)基面pr 通過主切削刃上選定點，垂直于該點合成切削運動向量的平面。 (2)切削平面ps 通過主切削刃上選定點，與切削刃相切并垂直于基面的平面。也就是切削刃的切線與合成切削運動向量構成的平面。顯然，切削刃上同一點的基面與切削平面是互相垂直的。 應該指出，上述切削平面和基面的定義是在刀具與工件的相對運動狀態(tài)中給出的，是廣義定義。根據(jù)上述定義分析刀具角度時，對于同一切

6、削刃上的不同點，可能有不同的切削平面和基面，因而同一切削刃上各點切削角度的數(shù)值也就不一定相等。,2.2 刀具標注角度的參考系 刀具的標注角度是設計、制造和刃磨刀具所需要的角度。標注角度應在選定的參考平面所構成的坐標系中確定，它與刀具工作時的切削角度不同，標注角度的切削平面與基面的定義不考慮進給運動，因而，這時的切削平面ps只包含切削刃在其選定點的切線和切削速度向量，基面pr則是通過該點面垂直于切削速度向量的平面。除此之外，為了便于刃磨和檢驗刀具的標注角度，還應盡可能使刀具標注角度的參考平面和刀具的刃磨檢驗基準面一致，所以要根據(jù)不同刀具的情況，對刃磨檢驗時刀具的安裝定位面做某些規(guī)定。,實際上，除

7、了由上述切削平面和基面組成的參考平面系以外，還需要選一個用來標注和測量刀具前、后角度的平面，即“測量平面”。圖中標注刨刀角度的N-N平面就是測量平面。它是垂直于刨刀直線切削刃的法剖面。通常，根據(jù)刃磨和測量的方便等需要，可以選用不同的平面作為測量平面。在切削刃上同一選定點測量其角度時，如果測量平面選得不同，刀具角度的大小也就不同。 為定量地表示刀具切削部分的幾何形狀，必須把刀具放在一個確定的參考系中，用一組確定的幾何參數(shù)確切表達刀具表面和切削刃在空間的位置，該幾何參數(shù)就是刀具的幾何參數(shù)。,測量平面、切削平面和基面組成了刀具標注角度參考系。目前各國由于選用的測量平面不同，故所采用的刀具標注角度參考

8、系也不完全統(tǒng)一?，F(xiàn)以外圓車刀為例，說明幾種不同的刀具標注角度參考系。 度量刀具幾何參數(shù)的參考系分兩類。一類是刀具的靜止參考系，是用于定義刀具的設計、制造、刃磨和測量時幾何參數(shù)的參考系，它不受刀具工作條件變化的影響，即只考慮主運動和進給運動的方向，不考慮進給運動的大小，刀具的安裝定位基準與主運動方向平行或垂直；另一類是刀具的工作參考系，即規(guī)定刀具切削加工時的幾何參數(shù)的參考系，它與刀具安裝情況、切削運動大小和方向等有關。,刀具的參考坐標面,刀具參考系由坐標平面和測量面組成，最基本的坐標平面有兩個。 基面 pr：通過切削刃上選定點，垂直于切削運動方向的平面。 切削平面 ps：通過切削刃上選定點，與切

9、削刃相切并垂直于基面的平面 。它包含切削速度方向，切于工件上的過渡表面。 上述坐標面與不同的測量面組合就構成了不同的標注參考系。 (1)正交平面參考系及標注幾何參數(shù) 正交平面 po：通過切削刃上選定點并同時垂直于基面和切削平面的平面，它是測量平面，如圖所示。 正交平面參考系：由基面 pr、切削平面 ps和正交平面 po構成的直角坐標系。,標注參考系內的標注角度,要確定外圓車刀切削部分在正交平面參考系中的結構，需要6個基本角度 ： 1)主偏角 kr 過主切削刃上選定點，在基面內測量的切削刃與進給運動方向間的夾角 2)副偏角 過副切削刃上選定點，在基面內測量的副切削刃與進給運動方向間的夾角。,3)

10、前角 過主切削刃上選定點，在正交平面內測量的前刀面與基面之間的夾角。前刀面與切削平面間的夾角為銳角時，前角為正值；夾角為鈍角時，前角為負值。 4)后角 過主切削刃上選定點，在正交平面中測量的主后刀面與切削平面之間的夾角。后刀面與基面的夾角為銳角時，后角為正值；夾角為鈍角時，后角為負值。,5)刃傾角 過主切削刀上選定點，在切削平面中測量的主切削刃與基面間的夾角。當?shù)都馐侵髑邢魅猩献罡唿c時， 為正值，刀尖位于切削刃最低點時， 為負值；主切削刃與基面平行時，,6)副后角 過副切削刃上選定點在副正交平面內測量的副后刀面與副切削平面之間的夾角。 當主偏角和刃傾角確定后，主切削刃在空間的位置隨之確定。在正

11、交平面內，前角和后角確定后，前刀面和主后刀面隨之確定。副偏角和副后角確定，副后刀面就隨之確定。這6個基本角度確定了普通外圓車刀切削部分的幾何形狀。 前刀面和主后刀面之間所夾角度為楔角0，它由前角和后角派生而來：0= 90(0+0) 主切削刃和副切削刃所夾的角度為刀尖角r ，它由主偏角和副偏角派生而來：,車刀的組成,確定車刀幾何角度 的輔助平面,車刀的主要標注角度,關于刀具角度的說明： 1)前角0 前角對切屑變形、切削力以及切削刃強度都有很大的影響。 較大的前角，可減少切屑的變形，使切削輕快，降低切削溫度，減輕刀具磨損。但如前角過分加大，刀具導熱體積減小，切削部分強度下降，反而影響刀具的使用壽命

12、。 一般加工韌性材料時，切屑變形較大，所以應取較大的前角。反之，加工脆性材料時，應采用較小的前角。通常硬質合金車刀的前角0在5 +25的范圍內選取。,2)后角0 合適的后角可減少工件與主后刀面的摩擦和主后刀面的磨損。 但后角也不能取得過大，否則會削弱切削刃強度，減少導熱體積。所以，正確地選擇后角，對提高刀具壽命也有很大意義。 加工時，切削厚度愈小，后角就應愈大。因此，精加工時，后角可以比粗加工時大些。硬質合金車刀的后角一般為612。,3)主偏角kr 改變主偏角的大小可以在切削深度和進給量相同的情況下改變切削厚度和寬度，也就是改變切削刃參加切削工作的長度。 小的主偏角，可使主切削刃參加切削的長度

13、加大，使刀刃單位長度上受力減小，而且散熱情況好，刀具較為耐用。但這樣會使刀具作用在工件上的徑向力加大，在加工細長工件時，容易引起工件變形和振動。 通常主偏角kr為3075。,4)副偏角 它可減少副后刀面和已加工表面的摩擦，但副偏角 過大，又會影響表面光潔度。一般 角取510。 5)刃傾角s 主要影響刀頭的強度和排屑的方向。一般為10+5，粗加工時為了增強切削刃強度常取負值，精加工時為了不使切屑劃傷已加工面，常取正值或零度。,s=0,s為負,s為正,車刀主切削刃刃傾角s對排屑方向的影響,上面分別介紹了車刀的主要角度，應當指出，車刀幾何參數(shù)之間都是相互影響，相互依賴，相互制約的。一個實際問題的解決

14、，往往不是孤立地改變某一參數(shù)就能辦到的，應該把車刀幾何參數(shù)看成一個有機的整體，根據(jù)切削過程的具體條件，綜合考慮。 如前角0與后角0都影響切削刃強度，影響刀具的散熱體積，它們之間可以互相補償。粗加工時，為了減輕刀具負荷，采用較大的前角，可適當減小后角，這時切削刃弧度不會明顯削弱。反之，精加工時為減少后刀面與加工表面間的摩擦，采用較大后角，可適當減小前角。,在前角、主偏角、刃傾角之間，也有一定的辯證關系：采用負的刃傾角，小的主偏角，都能增加刀尖強度和耐用度。因此，在切削較硬的材料或有沖擊作用存在時，采用較小的主偏角和負的刃傾角，而不必明顯地減小前角。加工精度、光潔度要求較高的細長軸時，為了減少振動

15、，須選用較大的主偏角，為避免擦傷已加工表面，須選用正的刃傾角，在這種情況下，前角應相應地減小。,(2)其他靜止參考系 除正交平面參考系外，有法平面參考系、假定工作平面和背平面參考系。 法平面 pn ：過切削刃上選定點，垂直于切削刃在該點的切線的平面。 假定工作平面 pf ：過切削刃上選定點，垂直于基面且平行于進給運動方向的平面。它平行或垂直于刀具在制造、刃磨及測量時適合于安裝或定位的一個平面或軸線。 背平面 pp ：過切削刀上選定點、垂直于基面和假定工作平面的平面 。,刀具的參考坐標面,在法平面參考系中，前角和后角在法平面 pn內測量；在假定工作平面和背平面參考系中，前角和后角在假定工作平面

16、pf和背平面 pp中測量；而主偏角 kr 和刃傾角s 在三種參考系中完全一樣。 (3)工作參考系及幾何參數(shù) 實際工作中，由于假定的工作條件發(fā)生了變化，使標注參考系中的各個坐標面和測量面的位置也隨之變化。因此，刀具切削加工時的實際幾何參數(shù)就要在工作參考系中測量。工作參考系也分為正交平面工作參考系、法平面工作參考系及工作平面和背平面工作參考系等。,工作參考系中各坐標平面的定義與標注參考系相同，只需用合成切削運動方向取代主運動方向。它們是工作基面 pre 、工作切削平面 pse、工作正交平面 poe、工作法平面 pne (pnepn)、工作平面 pfe、工作背平面ppe等，如圖所示。 相應地，在工作

17、狀態(tài)下刀具的角度也改變了，稱為工作角度?？紤]進給運動和刀具在機床上的實際安裝位置的影響，分別用 、 、 、 、 表示，它們是切削過程中真正起作用的角度。,1)進給運動對工作角度的影響 一般切削(如車外圓)時，進給速度遠小于切削速度，此時刀具工作角度近似等于標注角度。但在進給速度較大時，改變了合成切削運動方向，工作角度就有較大改變。 橫向進給的影響：如后圖所示。切斷、切槽時，因為刀具相對于工件的運動軌跡為阿基米德螺旋線，則合成切削運動力向是它的切線方向，與主運動方向夾角為，刀具工作前、后角分別為： 由上式看出，隨著切削進行，切削刃越靠近工件中心，值越大， 越小，有時甚至達到負值，對加工有很大影響，不容忽視。,進給運動對工作角度的影響,縱向進給的影響：車螺紋時，如圖所示，合成運動方向與主運動方向之間形成夾角f ，刀具左側刃工作前、后角分別為： 由上式看出，隨著d的減小，左側刀刃 將增大， 將減小。右側刃則相反 。,2)刀具安裝位置對工作角度的影響 刀尖安裝高低的影響：如后圖所示，s=0的外圓車刀縱車外圓情況，刀尖高于工件的中心線，