优选车刀前角和刀尖角的方法

1.优选车刀“四角”的倾向和原则

（1）前角的选择 优选车刀角度主要是对“四角”（前角γ_o、后角α_o、主偏角κ_r和刃倾角λ_s）和刀尖状况的选择，而在“四角”中，首先要确定合理的前角。

在任意一把车刀中，前角都是非常重要的，因为前角的大或小，与切削质量的好坏有很大关系。前角大时，由于切屑变形小，切削力下降，切削起来轻快，如果其他角度配合得当，是可以提高生产率的。增大前角可以减少切屑的变形，降低切削力和减少车床动力的消耗。任何一台车床，其主轴所能输送的最大功率是一定的。因此，就刀尖角度而言，挖掘车床潜力的主要方法是增大前角。但是，前角增大后，由于楔角相应减小而使切削刃部分的强度降低，使刀头变得薄弱（图1-60a），散热性差，特别是对于抗弯强度差的硬质合金刀具，其刃口处易产生崩刃或裂纹。因此粗加工时，前角宜取小值。硬质合金车刀由于刀片本身的脆性大，前角应比高速工具钢车刀小一些。但是，前角过小时会使切屑变形增大（图1-60b），造成切削力增大，也就限制了切削用量的提高，特别是当车床的刚性不足时，常常引起振动。在车削硬度和强度都较大的钢件时，为了保护刀尖和切削刃，常采用负前角。

图1-60 车刀前角过大或过小

a）前角太大 b）前角太小

前角究竟选择多大才合适？这取决于采用哪种车刀，切削什么样的材料和工件，是精加工还是粗加工等情况。

为了克服增大前角造成切削刃强度降低的不良后果，可以设法增长切削刃的长度，减小单位切削刃承受的压力，加强切削刃部位的散热状况和改变车刀的受力状况等。在实际应用上，一般是增大刀尖角和采用大的刃倾角。这里应注意，刀尖角的增大不是以减小主偏角来获得的，而是通过在刀尖处磨一条过渡刃来解决。主偏角的增大使切屑变得厚而窄（图1-61a），这样可以减小工件的背向力，在加工刚度不足的工件时，可采用较大的切削用量。但在个别情况下，如加工奥氏体钢和冷硬铸铁一类材料时，宜选用20°～30°的主偏角，此时切屑将变得薄而宽（图1-61b），有利于减小单位切削压力和加强刀尖部分的散热。

切削脆性材料，如灰铸铁、可锻铸铁、脆性的青铜及黄铜等时，切屑呈崩碎小块，切削力全部集中在切削刃上（图1-62a），因此刀尖处受到冲击。为了保护刀尖，需要选择较小的前角。一般来说，使用硬质合金车刀时，前角可选为0°～10°；使用高速工具钢车刀时，前角可以选择得比硬质合金车刀大些。切削塑性材料，如普通钢材、铸钢及软的青铜时，切屑呈节状或长带形，切削力集中点离切削刃较远（图1-62b），切削刃不易崩缺。但另一方面，由于切削塑性材料时金属变形较大，为了减小切削力，使切屑变形容易，通常把前角加大到10°～15°；车削硬度和强度大的钢件时，前角可取0°～10°。

图1-61 改变主偏角的作用

a）选用90°主偏角 b）选用30°主偏角

图1-62 根据被切削材料选择前角

a）切削脆性材料 b）切削塑性材料

按照上述推荐数值确定前角的角度时，对于粗加工、硬度和强度较高的材料以及在毛坯质量差的情况下，一般取下限。

（2）后角的选择 一般认为后角的作用是减少车刀与工件的摩擦和后刀面的磨损。可根据切削厚度选择后角，习惯上选6°～12°。实践证明，在某些加工情况下，减小后角能收到很好的效果。

（3）刃倾角的选择 采用负的刃倾角是增加切削刃强度的一项有力措施。刃倾角的大小会影响切屑流出的方向，如图1-63所示。当λ_s为正值时，切屑流向待加工表面；当λ_s为负值时，切屑流向已加工表面。因此精加工时，为了获得好的表面质量，λ_s总取正值；粗加工时，为增大切削刃的强度，λ_s总取负值，这对于大前角的强力切削刀具特别重要。

图1-63 刃倾角与切屑流出的方向

a）λ_s＞0° b）λ_s＜0° c）λ_s=0°

当λ_s为负值时，刀尖位置最低，切削时切削刃离刀尖较远的部分先接触工件，而后逐渐切入，这样可以减少刀尖所受的冲击，使切削刃不易崩裂，而且作用力远离刀尖部分，大大改善了受力情况。若采用正的刃倾角，则刀尖高于切削刃，切削时刀尖先接触工件，刀尖将承受很大的弯曲压力，很容易产生打尖和崩刃现象。

选择刃倾角的原则是：粗车钢料和铸铁材料以及车削冲击较大的工件时，要求刀头强度好，刃倾角总是取负值，一般在-5°～0°范围内选择；精车时，为了防止切屑流出后划伤已加工表面，刃倾角应取正值，可在0°～5°范围内选择；进行一般性车削时，可选择0°的刃倾角；切削不连续表面时，为了提高刀具的抗冲击能力，λ_s可取-30°～-10°；微量精车外圆时，λ_s可在45°～75°范围内取值，但采用很大的正刃倾角时，应同时采用较大的正前角和主偏角，以使背向力不致太大。

图1-64在刀尖处磨出过渡刃

2.强力切削时刀尖角的优选

在实际加工中，增大前角通常同时配合增大刀尖角和采用负的刃倾角。前面讲到，增大刀尖角不是以减小主偏角来获得的，而是在刀尖处磨出一个过渡刃（图1-64），这是增加主切削刃和刀尖强度的一项有力措施。(www.xing528.com)

例如，采用如图1-65所示的车刀加工45钢的锻件，转速已根据工件直径选定了，为了提高车削效率，背吃刀量选择得较大，车刀前角选择得也较大，同时将进给量从0.5mm/r提高到了1mm/r。车削时车刀走过一段后，刀尖突然崩刃，经检查是由于前角较大，致使切削刃强度不够造成的，于是决定采用较大的刀尖角，并使用优选法对刀尖角进行优选。采用的优选范围为90°～180°，用对分法取试验点，如图1-66所示，即先在中间找一点为135°（90°+180°=270°/2=135°），然后进行切削试验，若发现较90°刀尖角有好转，则在135°～180°的范围内找中点157°做试验，切削后发现情况更好。若主偏角经优选仍采用75°，则可对进给量进行优选，如将进给量提高到1.21mm/r，若切削情况仍然良好，则整个优选完毕。在实际磨刀时，刀尖角为135°，主偏角仍取75°，副偏角不变。刀尖角的增大是在主切削刃处增磨出一条30°的过渡刃，如图1-65b所示（若刀尖角为157°，则在刀尖处磨一条23°的过渡刃），并在斜刃后面磨出一条0°的平刃（图1-65c中的b段部分）。过渡刃的尺寸e约取背吃刀量的1/4；平刃宽度b取进给量的1～1.5倍。实践证明，以上刀尖角的选取对强力车削能获得良好的效果。

图1-65 车削外圆时不同的刀尖角

a)ε_r=90° b)ε_r=135° c)ε_r=157°

图1-66 优选刀尖角

车削工件中，为了提高工作效率，往往采用加大进给量的方法，但当进给量加大到一定程度时，会出现车刀刀尖被打掉的现象，并且表面粗糙度值极大，给精加工带来了不利。例如，某厂在中型车床上粗车ϕ75mm×600mm的外圆，材料为45钢，所用刀片的材料是P10硬质合金。开始加工时使用如图1-67所示的车刀，其主偏角κ_r=90°，前角γ_o=8°，后角α_o=6°，刃倾角λ_s=0°；采用的切削用量为：切削速度v_c=84m/min，进给量f=0.48mm/r，背吃刀量a_p=2.5mm。

分析加工情况，为了提高效率，需要增大进给量，但这时进给力也会随之增大，刀尖承受的冲击力也增大。当进给量增大到一定程度时会出现“打刀尖”现象，其主要原因是刀尖薄弱，不耐冲击。由于影响车刀强度的主要因素有主偏角k_r和刃倾角λ_s，当进给量增大，而表面粗糙度值大时，应考虑刃磨修光刃。后来，该厂调整了车刀角度如图1-67b所示，κ_r=45°，γ_o=12°，α_o=6°，λ_s=-6°，刀尖修光刃为4mm；并将切削用量调为：v_c=84m/min，f=2.65mm/r，a_p=2.5mm，从而保证了车刀的使用寿命，提高了加工效率。

图1-67 粗车外圆时使用的车刀

a）开始加工时使用的车刀 b）经过调整后使用的车刀

3.间断切削时车刀角度的优选

如果需要在正方体毛坯上车削出一段圆柱形，此时车刀进行间断切削，工件转一转，车刀要承受四次冲击，要求切削刃有好的抗冲击强度。对于这种加工情况，采用0°前角或负前角车刀不能取得好的效果。因为实践证明，当切削用量略微提高后，刀片易出现裂纹折断，其原因是负前角增加了切削抗力，当超过刀片的抗压强度后，刀片就会产生破坏，同时还增加了车床功率的消耗。因此，采用负前角车刀进行间断切削并不利于加工，更不利于提高生产率。这时，如果采用大的正前角车刀，则会使切削抗力大大减小，使切削变得轻快。但前角增大后，切削刃的抗弯强度降低，容易产生弯曲折断，出现崩刃，解决此问题的办法是在增大前角的同时，采用大的刀尖角和负的刃倾角。在实践中，通过对各种角度的优选，发现用前角和主偏角都为30°（不超过45°）、刃倾角为-30°的车刀进行断续切削时，切削轻快，刀具寿命长，加工质量好，且能减轻对车床的冲击负荷，改善车床的工作状况。

从以上间断切削车刀角度的选择上可以看出：只要对车刀切削原理有明确的认识，即可确定角度优选范围，然后经过反复优选，就可以获得理想的角度。

4.精车时车刀角度的优选

精车的目的是获得低的表面粗糙度值和高的尺寸精度。因此，在车刀角度的选择上，要保证有锋利的刃口，能进行微量切削和高速切削。副偏角的大小直接影响着已加工表面残余面积的高度，因而精车时应尽量采用小的副偏角或取一段平刃。此外，由于副切削刃对工件表面起修光作用，因此副切削刃的刃口应锋利，并有合理的负前角和副后角。为了降低工件的表面粗糙度值，应尽量使车刀各刀面具有更高的光洁性。在切削用量的优选上，应以提高切削速度为主。下面举例说明精车时车刀几何角度的选择原则。

某厂在卧式车床上加工ϕ65mm×200mm的45钢轴件，要求表面粗糙度值达到Ra1.6μm。根据精加工的特点，采用了刀片材料为P01的小平刃硬质合金车刀，其刃宽6mm，前角γ_o为8°，后角α_o为6°；切削用量取主轴转速150r/min，进给量f=0.2mm/r，背吃刀量a_p=0.1mm。加工后，发现工件表面有微小的波纹，定为不合格品。通过检查，认为车床、夹具等均无问题，造成工件表面有微小波纹的主要原因，是车刀采用6mm宽的平刃而使加工系统产生了微振。为了解决这一质量问题，通过反复优选，采用了大刃倾角高速平刃精车刀，取刃倾角为73°，进行平刃斜车。采用该刀具加工上述工件后，转速可达1200r/min，生产率提高了3倍以上，并可进行背吃刀量为0.02～0.03mm的微量切削。关于平刃斜车的切削原理，通过分析研究，认为平刃倾斜73°以后，车刀的前角将相应增大为55°～65°，后角则较原来有所减小。

5.刀尖圆弧半径的优选

精加工时，常在刀尖处磨出一个小圆弧（图1-68），这不仅增加了刀尖强度，还能使工件上的残余面积减少，从而增加被切削表面的光洁性。小圆弧半径一般为0.5～2mm，磨大了反而不好。但是，并不是说粗加工中为了切削顺利，应采用小的刀尖圆弧半径；而精加工时，为了提高被加工表面的光洁性，就应该采用大的刀尖圆弧。车削中，切削力和切削热都集中在刀尖处，同时刀尖处的强度差，不容易散热，又最容易磨损，直接影响着车刀的寿命和工件的加工质量。因此，对刀尖圆弧半径的选择是很重要的。当刀尖圆弧半径增大时，车刀的圆弧刃增长，其主偏角小于直线刃主偏角，容易引起工件变形和振动，并且会使切削热增多。但是，车刀切削刃工作长度的增加改善了散热条件，使切削温度降低，同时使刀尖强度增大，有利于提高加工表面的光洁性。选择刀尖圆弧半径时一般可以依据以下几点。

图1-68 刀尖处形状

a）尖形 b）圆弧形

1）粗车时，切屑变形严重，切削力大，切削热多，可选择较大的圆弧半径；精车时，考虑加工精度和表面粗糙度，应选用适当的圆弧半径。

2）工艺系统（工件、车床、车刀、夹具）刚性较好时，应选取较大的圆弧半径；反之，应选用较小的圆弧半径。

3）车削较硬材料或容易引起车刀磨损的材料时，应选取较大的圆弧半径；反之，应选用较小的圆弧半径。

车刀上的刀尖圆弧半径与过渡刃、刃倾角和前角等有关，有的车刀刀尖处不采用大的圆弧，而采用过渡刃或前角、刃倾角等角度的协调配合，加工中应根据具体情况合理选用和确定。