刀具几何角度的选择优化方案

（1）刀具几何角度的作用及选择原则 刀具几何角度的作用及选择原则如表2-10所示。

图2-1 刀具的几何角度

表2-10 刀具几何角度的作用及选择原则

（2）高速钢车刀的前角及后角的选择 高速钢车刀的前角及后角参考值如表2-11所示。

表2-11 高速钢车刀的前角及后角参考值

（续）

（3）硬质合金车刀前角的选择 硬质合金车刀的前角参考值如表2-12所示。

由表2-12可见，硬质合金车刀前角的值为-15°～+40°。显然，采用大的正前角（见图2-2a），可以减小切削力和切削功率，从而降低刀具温度，提高刀具寿命。但当正前角过大时，会削弱车刀刃部的强度，减少散热体积，使刀头温度升高而加剧刀具的磨损。由图2-2b可见，用较大正前角车刀切削脆性材料时，切屑和前面的接触长度L_γ较短（与图2-2a比较），切削力集中作用在刃口附近，切削刃受切削力的弯曲、冲击作用，容易产生崩刃。而采用负前角车刀切削（见图2-2c），车刀前面则承受压力，且增加了刃口强度，改善了散热条件，提高了抗冲击能力。但是，负前角车刀的锋利程度降低，切削力和切削功率增加，通常是在用脆性材料制作的刀具切削高强度、高硬度材料时采用。因此，选择刀具前角应是在保证切削刃锋利的同时，兼顾切削刃的强度和散热条件。

图2-2 正、负前角车刀的受力情况

a）正前角加工塑性材料 b）正前角加工脆性材料 c）负前角

表2-12 硬质合金车刀前角参考值

（4）车刀前刀面形状及断屑槽

1）车刀前刀面形状及刃区参数的选择。由表2-10可见，增大车刀前角有利于减小切削力，但会使切削刃强度减弱。因此，不能过分地增大前角，但通过合理选择车刀前刀面形状及刃区参数，就可以实现两者兼顾。如果在正前角的前刀面上磨出负倒棱（见图2-3），就可以增加切削刃强度，这在用脆性较大的刀具材料（硬质合金、陶瓷等）制作的车刀进行粗加工或断续切削时，对防止崩刃和提高刀具寿命有明显的效果。此外，倒棱还有利于改善散热条件。

表2-13列出了常用的前刀面形状及切削刃区剖面参数。由表2-13可见，前刀面形状可分为平面形和曲面断屑形两大类，切削刃区剖面型式有倒棱型、锋刃型和钝圆切削刃型三种，组成了前刀面的多种结构形态。根据工件、刀具材料的性质和切削特点进行合理选择，有利于提高车刀的切削效率和刀具寿命。

图2-3 前刀面上的倒棱与刀刃钝圆

a）倒棱型 b）锋刃型 c）钝圆型

表2-13 前刀面形状及切削刃区剖面参数

（续）

① 锋刃是指刃磨前刀面和后刀面直接形成的切削刃，刃磨后自然形成一个切削刃钝圆半径r_n。一般地，新磨好的高速钢车刀r_n=12～15μm，硬质合金车刀r_n=18～26μm。

2）断屑槽形状与尺寸的选择。车削塑性金属材料时，能否顺利断屑与排屑对生产与安全都有很大的影响。尤其在自动车床和自动线上，断屑往往成为要解决的一个关键问题。

在车刀的前刀面上磨出断屑槽，是车削加工中常用的断屑方法。它能使切屑在切削过程中，以螺旋状、发条状弯曲折断后排出。断屑槽的基本形状有三种，即直线圆弧形、直线形与圆弧形，其剖面形状及应用参见表2-13内的插图。直线形、圆弧形硬质合金车刀断屑槽尺寸如表2-14和表2-15所示。

通常，工件材料的脆性越大，或弹性模量大时，断屑越容易；材料的断裂极限越小，越容易折断断屑越困难；切削速度越大，切削变形减小，断屑效果差；进给量增加，断屑容易；背吃刀量增大，断屑困难；车刀前角增大，切削变形减小，不利于断屑；主偏角增大，切削厚度增大，有利于断屑；负倒棱能增加切削变形，也有利于断屑；刀尖圆弧半径增大，则不利于断屑。

表2-14 直线形硬质合金车刀断屑槽尺寸 （单位：mm）

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表2-15 圆弧形硬质合金车刀断屑槽尺寸 （单位：mm）

（5）硬质合金车刀后角的选择 硬质合金 车刀后角的参考值如表2-16所示。

表2-16 硬质合金车刀后角的参考值

（6）车刀主偏角的选择 由图2-4可见，采用小的主偏角κ_r，在a_p、f不变的条件下，主切削刃参与切削的长度（a_w）增大，切削刃单位长度上的负荷减小；刀尖角增大又改善了刀头的散热条件，因而可提高刀具寿命。但是由图2-5可见，小的主偏角κ_r会使背向力F_p增大，容易增大工件的变形和引起振动。因此，选择车刀主偏角κ_r必须考虑工艺系统的刚性。车刀主偏角的参考值如表2-17所示。

图2-4 主偏角变化对主切削刃参与切削长度的关系

a）主偏角小，a_w长 b）主偏角大，a_w短

表2-17 硬质合金车刀主偏角参考值

（7）车刀副偏角（κ_r′）的选择 车刀副偏角应根据工艺系统刚性、工件加工要求和加工条件适当选择，其角度参考值如表2-18所示。

表2-18 硬质合金车刀副偏角参考值

（8）车刀刀尖形状的选择 车刀主切削刃和副切削刃连接的地方称为刀尖，是切削刃上工作条件最恶劣、构造最薄弱的部位，其强度和散热条件都很差。切削时，刀尖部位切削温度高，易磨损，当主偏角和副偏角都很大时，这一情况尤为严重。因此，如何合理选择刀尖形状，提高刀具的耐磨性、耐崩刃性和寿命，就显得十分重要。

图2-5 主偏角变化对F_p和F_f力的影响

a）主偏角小，F_p大 b）主偏角大，F_p小

通常，简单地用减小主、副偏角的方法来增强刀尖，常会使背向切削力F_p增大而引起振动。选用适当的直线或圆弧形的过渡刃，不仅可以有效地增强刀尖，改善散热条件，提高刀具寿命，还可以减小加工表面的粗糙度值。如图2-6a所示，在主、副切削刃之间磨出直线过渡刃，既可使刀尖角增大，又可不使背向力（F_p）增加过多。过渡刃偏角一般取κ_rε=1/2κ_r，。切断刀过渡刃的长度，可取b_r=0.5～1mm，或取槽宽的1/5，过渡刃偏角κ_rε=45°（见图2-6c）。圆弧形过渡刃的半径r_ε（见图2-6b），高速钢车刀可取r_ε=1～3mm，硬质合金和陶瓷车刀可取r_ε=0.5～1.5mm。当工艺系统刚性不足时，为避免振动，r_ε取小值；精加工时，为减小加工表面粗糙度值，r_ε也应取小值。也可磨出一段κ_rε=0°，宽度b_r=（1.2～1.5）f（f：进给量），与进给方向平行的修光刃（见图2-6d），只要切削刃平直、参数合理、使用正确，在工艺系统刚性足够的条件下，用较大的进给量切除加工表面的残留面积，即可获得较小的表面粗糙度值。

（9）车刀刃倾角（λ_s）的选择 刃倾角λ_s值的正、负，影响车削时切屑的流向和刀头的强度。由图2-7b可见，当刃倾角为正值时，切屑流向工件待加工表面；当刃倾角为负值时（见图2-7c），切屑流向工件已加工表面；当刃倾角λ_s=0°时（见图2-7a），切屑基本上垂直于主切削刃方向排出。然而，当刃倾角为负值时（见图2-8b），刀尖位于主切削刃的最低点，切削时使离刀尖较远的切削刃先接触工件，而后逐渐切入。这样可使刀尖免受冲击，提高刀具寿命。此外，增大刃倾角可增加实际切削前角，使切削力减小。由上可见，选择刃倾角不可背离工件材料和加工条件的变化，即在精车时刃倾角应取正值，使切屑不流向已加工表面；粗车时应取负值，使刀尖免受冲击，有利于提高刀具寿命。车削高硬度材料或断续切削时，应取较大负值的刃倾角，以提高刀头强度；当工艺系统刚度不足时，尽量不采用负刃倾角。硬质合金车刀刃倾角参考值如表2-19所示。

图2-6 车刀的刀尖形状

a）形状一 b）形状二 c）形状三 d）形状四

图2-7 刃倾角对切屑流向的影响

a）λ_s=0 b）+λ_s（λ_s＞0） c）-λ_s（λ_s＜0）

图2-8 正、负刃倾角切削时的状态

a）正刃倾角切削时的状态 b）负刃倾角切削时的状态

表2-19 硬质合金车刀刃倾角参考值