刀具几何参数的静态与工作参考系

1.刀具切削部分的结构要素

图2-2所示为外圆车刀切削部分，它由下列要素构成：

前刀面Ar——切削时切屑流经的刀具表面。

主后刀面Aa——切削时与工件上过渡表面相对的刀具表面。

副后刀面A′a——切削时与工件上已加工表面相对的刀具表面。

主切削刃S——前刀面与主后刀面的交线，在切削刃切削过程中完成主要切削工作。

副切削刃S′——前刀面与副后刀面的交线，它参与部分切削工作最终形成已加工表面，并影响已加工表面粗糙度的大小。

图2-2　车刀切削部分的组成

2.刀具标注角度参考系

为了确定构成刀具切削部分的各刀面、刀刃的空间位置，必须建立空间坐标参考系。用于确定刀具角度的坐标参考系有两类：静态参考系（也称标注角度参考系）是用于定义刀具的设计、制造、刃磨和测量时几何参数的参考系；工作参考系是用于定义刀具在切削过程中几何参数的参考系，主要用来分析刀具切削时的实际角度（即工作角度）。

（1）静态参考系

静态参考系中的各基准平面，是在以下假定条件下确定的。

①假定切削刃上选定点和工件中心等高度；

②假定刀杆轴线垂直于机床进给运动方向；

③假定刀具底面垂直于选定点的主运动方向。

刀具静态参考系主要由以下坐标平面组成，如图2-3所示。

图2-3　刀具静态参考系

基面Pr——通过切削刃上选定点，并与该点的切削速度方向垂直的平面。

切削平面Ps——通过切削刃上选定点，并与切削刃相切且垂直于基面的平面。

正交平面Po——通过切削刃上选定点，并同时垂直于该点的基面和切削平面的平面。

法平面Pn——通过切削刃上选定点，并与切削刃垂直的平面。

假定工作平面Pf——通过切削刃上选定点，且垂直于基面并平行于假定进给运动方向

的平面。

背平面Pp——通过切削刃上选定点，并同时垂直于基面和假定工作平面的平面。

（2）刀具的标注角度

刀具的标注角度是刀具设计图上需要标注的刀具角度，用于刀具的制造、刃磨和测量。我国以正交平面参考系为主，兼用法平面参考系及假定工作平面和背平面参考系。静态参考系车刀标注角度如图2-4所示，其基本定义如下：

图2-4　车刀静态参考系和标注角度

①正交平面参考系标注角度。正交平面参考系由PO、Pr和PS组成，其基本角度有以下几个：

主偏角κr——主切削刃在基面上的投影与进给运动方向间的夹角，在基面Pr内测量。

副偏角——副切削刃在基面上的投影与进给运动方向间的夹角，在基面Pr内测量。

刃倾角λs——主切削刃与基面间的夹角，在切削平面PS内测量。

前角γo——前刀面与基面间的夹角，在正交平面PO内测量。

后角αo——主后刀面与切削平面间的夹角，在正交平面PO内测量。

前角和后角始终为锐角，从切削刃选定点开始，前刀面（或后刀面）向刀具实体倾斜为正，反之为负。

楔角βo——前刀面与后刀面之间的夹角，在正交平面PO内测量。(www.xing528.com)

刀尖角βr——主切削刃和副切削刃在基面内投影之间的夹角，在基面Pr内测量。

②法平面参考系标注角度。法平面参考系由Pr、PS和Pn三个平面组成。法平面参考系中的刀具角度的定义与正交平面参考系中的角度定义相似，除法前角γn、法后角αn和法楔角βn是在法平面Pn内测量外，其他三个角度与正交平面参考系角度完全相同。

③假定工作平面和背平面参考系。假定工作平面和背平面参考系由Pf、Pp、Pr三个平面组成。在假定工作平面Pf内测量的角度有侧前角γf、侧后角αf和侧楔角βf，在背平面Pp内测量的角度有背前角γp、背后角αp和背楔角βp。其他角度和正交平面参考系角度相同。

（3）刀具的工作角度

在切削过程中，刀具因受安装位置和进给运动的影响，使静态参考系中参考平面的位置发生变化，造成由工作参考系所确定的刀具角度即工作角度与标注角度不一样。

①进给运动对刀具工作角度的影响。在切削过程中由于进给运动的影响，使静态参考系中的基面、切削平面向进给方向倾斜了一个角度，成为工作坐标系中的基面、切削平面，如图2-5、图2-6所示，从而影响了刀具的前角、后角。

图2-5　横向进给运动对工作角度的影响

图2-6　纵向进给运动对工作角度的影响

a.横向进给（图2-5所示）时，在正交平面内的工作角度：

在切断工件时，当进给量f增大时，μ值增大；工件直径dw减小，μ值也增大。切削刃接近工件中心时，μ值急剧增大，工作后角αoe变为负值，使工件最后被挤断。

b.纵向进给（图2-6所示）时，在假定工作平面内的工作角度：

进给量f越大，工件直径dw越小，工作角度变化值就越大。一般车削时f值较小，其影响可不计。但在车削大螺距螺纹或螺杆时，进给量f很大，η值较大，必须考虑对刀具工作角度的影响。

②刀具安装位置对工作角度的影响。

a.刀具安装高度的影响，如图2-7所示。

假定车刀λs=0时，则当刀尖安装高于工件轴心线时，在背平面Pp内，刀具的工作前角γpe增大，工作后角αpe减小，两者的变化值均为θp。

γpe=γp+θp

αpe=αp-θp

式中，h——刀尖高于工件中心线的数值。

在正交平面PO内，刀具工作前角γoe和工作后角αoe的变化与上面情况相似。如果刀尖低于工件轴线，则上述工作角度的变化情况恰好相反。内孔镗削时装刀高度对工作角度的影响与外圆车削正好相反。

图2-7　刀具安装高度对工件角度的影响

b.车刀刀杆中心线与进给方向不垂直时，如图2-8所示。

车刀刀杆中心线与进给方向不垂直时，则工作主偏角将增大（或减小），而工作副偏角将减小（或增大），其角度变化值为G，即：

式中，符号由刀杆偏斜方向决定；

G——刀杆中心线与进给方向的垂线的夹角。

车圆锥时，进给方向与工件轴线不平行，也会使车刀主偏角和副偏角发生变化。

图2-8　刀杆中心线与进给方向不垂直对工作角度的影响

3.切削层

切削层是指刀具切削部分沿进给运动方向移动一个进给量（或由一个刀齿）所切除的工件材料层。一般用经过起作用的一段主切削刃的中点，且垂直于切削速度平面内的切削层参数来表示。它的形状和尺寸，如图2-9所示。

①切削层公称厚度hD是在切削层尺寸平面内，垂直于过渡表面测量的切削层参数。单位是mm。

hD=f sinκr

②切削层公称宽度bD是在切削层尺寸平面内，沿过渡表面测量的切削层参数。单位是mm。

③切削层公称横截面积AD在切削层尺寸平面内，切削层公称厚度与公称宽度的乘积，单位是mm2。

由于副偏角故工件已加工表面上将留下一小块残留面积，如图2-9所示中的△B1DB2。残留面积一般较小，但其高度对已加工表面粗糙度影响较大。

图2-9　切削层参数