车刀切削部分的几何参数分析

1.刀具切削部分的表面与切削刃

如图1-17所示，车刀的切削部位由“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、刀尖）组成。

（1）前刀面 切屑流出时所流经的面。

（2）主后刀面 与工件上过渡表面相对的刀面。

（3）副后刀面 与工件上已加工表面相对的刀面。

（4）主切削刃 前刀面与主后刀面相交的部位，担负主要切削工作。

（5）副切削刃 前刀面与副后刀面相交的部位，它协同主切削刃完成金属的切除工作，以最终形成工件的已加工表面。

（6）刀尖 主、副切削刃连接处的那一小部分切削刃。为了提高刀尖的强度，延长车刀寿命，通常将刀尖磨成圆弧形或直线形的过渡刃，如图1-17b所示。

（7）修光刃 通常称副切削刃前段接近刀尖处的一段平直切削刃为修光刃，如图1-17b所示。装刀时必须使修光刃与进给方向平行，且修光刃长度要大于进给量，才能起到修光的作用。

所有车刀都有上述组成部分，但数量并不一样。如典型的外圆车刀是由三个刀面、两条刃和一个刀尖组成，如图1-17a所示；45°车刀则由四个刀面（两个副后刀面）、三条刃和两个刀尖组成，如图1-17c所示。

图1-17 车刀的组成

a）高速钢75°车刀 b）硬质合金75°车刀 c）硬质合金45°车刀

2.确定刀具角度的参考系

用来确定刀具几何角度的参考坐标系有如下两大类：

一类称为标注参考系（静态参考系），它是刀具设计计算、绘图标注、制造与刃磨及测量时用来确定切削刃、刀面空间几何角度的定位基准，用它定义的角度称为刀具的标注角度（静态角度）；另一类称为工作参考系（动态参考系），它是确定刀具切削刃、刀面在切削过程中相对于工件的几何位置的基准，用它来定义的角度称为刀具的工作角度。

下面以外圆车刀为例来说明标注参考系。

（1）标注参考系的假定条件

1）假定没有进给运动，只考虑主运动，并且限定主运动垂直于水平面，方向向上。

2）假定刀具的刃磨和安装基准面垂直于切削速度方向（或平行于基面），对车刀来说，规定其刀尖安装在工件中心高度上，刀杆中心线垂直于工件的回转轴线。

（2）刀具标注参考系 刀具的标注参考系有三个坐标平面：基面、切削平面、正交平面（当讨论主切削刃时称为主切削刃截面，简称主截面。同理，在讨论副切削刃时，称为副切削刃截面，简称副截面）。

1）基面p_r。是垂直主运动方向并通过切削刃上选定点（即要研究的点，如果切削刃是直线，并平行于水平面，切削刃上的各点均符合这个条件）的平面。根据假设条件，只考虑主运动方向和刀尖恰在工件中心线上的假设，可以认为基面就是由工件中心线和刀尖规定的一个平面。如果刀尖安装得过高或过低，根据主运动垂直向上的假设，该点不在刀尖上，而是在切削刃上的某一点，此时并不会改变基面的位置，如果切削刃是直线，也不会影响其测量的角度，如图1-18所示。

2）切削平面p_s。是指切削刃上选定点与主切削刃相切并垂直于基面的平面，如图1-18所示。一般情况下切削平面就是指主切削平面。

3）正交平面p_o。是指通过切削刃上某选定点同时垂直于基面和切削平面的平面。

必须指出，以上刀具各标注角度参考系均适用于选定点选在主切削刃上，如果选定点选在副切削刃上，则所定义的是副切削刃标注参考系的坐标平面，应在相应的符号右上角加标“′”以示区别，如副截面p′_o。

3.刀具标注角度

下面以外圆车刀为例，介绍刀具的标注角度，如图1-19所示。

图1-18 切削时的几个面

图1-19 车刀的标注角度

（1）在正交平面内测量的角度

1）前角γ_o。前角是前刀面与基面之间的夹角。当前刀面与切削平面的夹角小于90°时，前角为正值，大于90°时，前角为负值。

2）后角α_o。后角是主后刀面与切削平面间的夹角。当主后刀面与基面的夹角小于90°时，后角为正值；当主后刀面与基面的夹角大于90°时，后角为负值。

在副截面p′_o内测量的角度是副后角（α′_o）及副前角（γ′_o）。

3）楔角β_o。楔角是前刀面与主后刀面之间的夹角。它是由前角和后角得到的派生角度计算公式为

β_o=90°-（γ_o+α_o） （1-8）

（2）在基面中测量的角度

1）主偏角κ_r。主切削刃在基面上的投影与进给方向之间的夹角。

2）副偏角κ′_r。副切削刃在基面上的投影与背离进给方向之间的夹角。

3）刀尖角ε_r。主切削刃与副切削刃在基面上的投影之间的夹角，其值按式（1-9）来计算：

ε_r=180°-（κ_r-κ′_r） （1-9）

（3）在切削平面中测量的角度 刃倾角λ_s为主切削刃与基面之间的夹角。当刀尖位于主切削刃的最高点时，刃倾角为正值；反之，刃倾角为负值。当切削刃与基面平行时，刃倾角为零度。

4.车刀主要角度的初步选择

（1）前角γ_o 前角的主要作用是影响切削刃口锋利程度、切削力的大小与切削变形的大小。前角增大，可使切削刃口锋利、切削力减小，降低加工表面粗糙度值，同时还会使切屑变形小、排屑容易。

前角还会影响刀具的强度、受力情况和散热条件。若增大前角，会使楔角减小，从而削弱了刀体强度。前角增大还会使散热体积缩小，而散热条件变差，导致切屑区温度升高。

只要刀体强度允许，尽量选较大的前角。具体选择时尚需综合考虑工件材料、刀具材料、加工性质等因素。(www.xing528.com)

1）在刀具强度许可的条件下，尽量选用大的前角，一般情况下高速钢刀具可比硬质合金刀具的前角大5°～10°。

2）对于成形刀具来说，为减少刀具形状误差，常用较小的前角，甚至取前角为0°。

3）加工塑性材料时，应选用较大的前角，加工脆性材料时用较小的前角。

4）粗加工，尤其是断续切削，为保证切削刃有足够的强度，应选用较小的前角，但在采取某些强化切削刃和刀尖的措施后，仍可增大前角至合理的数值。精加工时，应选用较大的前角。

5）工艺系统刚性差和机床功率不足时，应选用较大的前角。

6）数控车床、自动生产线等所用刀具，考虑到要有较长的刀具寿命及工作的稳定性，常取较小的前角。表1-10为硬质合金刀具前角选用参考值。

表1-10 硬质合金刀具前角选用参考值

（2）后角α_o

1）主后角α_o。主后角的作用是减少后刀面与工件上过渡表面之间的摩擦，以提高工件的表面质量，延长刀具的使用寿命。增大主后角可减小主后刀面与过渡表面之间的摩擦；主后角影响楔角β_o的大小，从而它可配合前角来调整切削刃的锋利程度和刀具的强度。主后角α_o过小会引起刀具和过渡表面之间的剧烈摩擦，使切削区的温度急剧升高，其现象是切屑颜色加深，工件因热膨胀使尺寸加大，甚至产生严重的加工硬化。反之，增大后角能明显改善上述情况，但后角α_o过大时，将使楔角β_o过小，切削刃强度削弱，散热条件变差，反而降低了刀具寿命。

在保证刀具有足够的强度和散热体积的基础上，保证刀具锋利和减少后刀面与工件的摩擦，所以后角的选择应根据刀具、工件材料和加工条件而定。在粗加工时以确保刀具强度为主，应取较小的后角（α_o=4°～6°）；在精加工时以保证加工表面质量为主，一般取α_o=8°～12°。工件材料硬度高、强度大或者加工脆性材料时取较小后角；反之，后角可取大值。高速钢刀具的后角比同类型的硬质合金刀具稍大一些。当工艺系统刚性差时，为防止振动，取较小后角。

2）副后角α′_o。一般刀具的副后角取和主后角相同的数值。只有切断刀，因受结构强度的限制，只许取较小的副后角（α′_o=1°～2°）。

（3）主偏角及副偏角的选择

1）主偏角的作用。主偏角对切削过程主要有两方面的影响：首先是影响主切削刃单位长度上的负荷、刀尖强度和散热条件。当进给量为定值时，主偏角的变化将改变切削层形状，使切削层参数发生变化，从而影响切削刃上的负荷。当主偏角κ_r减小时，由于切削层公称宽度增加，切削层公称厚度减小，使作用在主切削刃上单位长度的负荷减轻；且刀尖角增大，刀尖强度提高，散热条件改善；这两个变化都有利于提高刀具寿命。另一方面，会影响切削分力的比值。当进给量为定值，主偏角κ_r减小时，使径向切削力增加，轴向切削力减小，容易引起工艺系统振动。

此外，主偏角还影响断屑效果和排屑方向，以及残留面积高度等。增大主偏角κ_r有利于切屑折断，有利于孔加工刀具使切屑沿轴向流出。减小主偏角κ_r可减小表面粗糙度值。

2）副偏角的作用。工件已加工表面靠副切削刃最终形成，副偏角κ′_r值影响刀尖强度、散热条件、刀具寿命、振动情况等，减小副偏角κ′_r可提高刀尖强度，增大散热体积，减小表面粗糙度值，有利于提高刀具寿命。

3）主偏角κ_r及副偏角κ′_r的选择。主偏角选择原则如下：

①在加工强度高、硬度高的材料时，为提高刀具寿命，应选取较小主偏角。

②在工艺系统刚性不足的情况下，为减小背向力，应选取较大主偏角。

③根据加工表面形状要求：如加工台阶轴时取κ_r≥90°；如需要中间切入工件时，应取κ_r=45°～60°；车外圆又车端面时取κ_r=45°等。

副偏角的选择原则如下：

①一般刀具的副偏角，在不引起振动的情况下可选取较小的数值。

②精加工刀具的副偏角应取得更小些，必要时，可磨出一段κ′_r=0°的修光刃。

③加工高强度、高硬度材料或断续切削时，应取较小的副偏角，以提高刀尖强度。

④切断刀为了使刀头强度和重磨后刀头宽度变化较小，只能取较小的副偏角。

表1-11为不同加工条件下主、副偏角参考值。

表1-11 主偏角、副偏角参考值

（4）过渡刃的选择 刀尖是刀具工作条件最恶劣的部位。刀尖处磨有过渡刃后，则能显著地改善刀尖的切削性能，延长刀具寿命。

过渡刃有圆弧形和直线形两种，如图1-20所示。

1）圆弧形过渡刃。圆弧形过渡刃的特点：选用合理的刀尖圆弧半径γ_ε可提高刀具寿命，并对工件表面有较好的修光作用，但刃磨较困难；刀尖圆弧半径过大时，会使径向切削力增大，易引起振动。圆弧形过渡刃的参考值：

高速钢车刀：γ_ε=1～3mm。

硬质合金车刀：γ_ε=0.5～1.5mm。

图1-20 过渡刃

a）直线形过渡刃 b）圆弧形过渡刃

2）直线形过渡刃。直线形过渡刃的特点：可提高刀具寿命和改善工件的表面质量。偏角κ_rε越小，对工件表面的修光作用越好。直线过渡刃刃磨方便，适用于各类刀具。直线形过渡刃的参考值：

粗加工及强力切削车刀：κ_rε=1/2κ_r，b_ε=0.5～2mm（一般为a_p的1/5～1/4）。

精加工车刀：κ_rε=1°～2°，b_ε=0.5～1mm。

切断车刀：κ_rε=45°，b_ε=0.5～1mm（约主切削刃宽度的1/5）。

在刃磨过渡刃时勿将其磨得过大，否则会使径向切削力增大，易引起振动。

（5）刃倾角的功用及其选择 刃倾角的主要作用是控制排屑方向，其排出切屑情况、刀尖强度和冲击点先接触车刀的位置见表1-12。

表1-12 车刀刃倾角正负值的规定及使用情况一览表

（续）