刀具主要参数及应用.pdf

刀具的主要几何参数及作用刀具的主要几何参数及作用刀具作为具有既定功能的金属切削工具，其性能除了决定于刀具材料和涂层以外，还 决定于刀具切削部分的几何参数 刀具的切削部分是一个由几何参数确定的几何体 由于刀 具切削部分直接参与切削过程，其几何参数关系着切削时金属的变形、切屑与刀具的摩擦、 工件已加工表面与刀具的摩擦等，从而影响切削力、切削热及刀具的磨损；此外，还影响工 件已加工表面的形状和质量、切屑的卷曲、折断和流向的控制等，从而对刀具的切削性能和 切削效果起重大的作用 因此， 了解刀具几何参数与切削性能和切削过程的关系是设计刀具 和合理使用刀具的前提 刀具切削部分的具体形状因不同的刀具类别有很大的区别，但是它们参加切削的部分 在几何特征和各几何要素的功能上却具有共性 下面就以车刀为例表示刀具的主要几何要素 (图 6 )图 6 的左边是刀具切削部分的工作状态，右边表示构成切削部分的几何要素，包括 前刀面、主后面、副后面、主切削刃、副切削刃、刀尖，其作用如下： 前刀面前刀面是直接挤压金属形成切屑并引导切屑排出的表面，它与切屑产生剧烈的摩擦， 金属变形的热量和与切屑摩擦的热量是刀具两个主要的热源， 因此前刀面刀尖附近区域的温 度很高。

前刀面的形状、倾角是刀具控制切屑卷曲、折断和流向的要素主后面主后面是与前刀面共同构成刀具切削楔和主切削刃的表面，主后面与过渡表面或切削 表面之间的摩擦是切削过程的第三个热源 为了减少摩擦， 在切削楔与工件的过渡表面或切 削表面之间须形成必要的隙角 主切削刃主切削刃是前刀面与主后面相交形成的刀刃，起着对金属的切入、切离的作用，是切 削过程中载荷和热量最集中的部位 副后面副后面是与主后面相连并与前刀面一起三者共同构成刀尖和副切削刃的表面除某些 类型的刀具以外， 对于大多数刀具它为实现走刀、 进行连续切削和刀具的实际应用提供了可 能， 副后面对着已加工表面并与已加工表面之间有一个隙角， 以减少副后面与已加工表面的 摩擦图 6车刀的工作状态及几何要素副切削刃副切削刃是副后面与前刀面相交形成的刀刃，与主切削刃相连因切削时有一定的切 削厚度，刀尖埋入工件材料内部，副切削刃也参与了对部分金属的切入、切离工作，并共同 形成已加工表面和形态 副切削刃与主切削刃连接形成刀尖， 为提高刀尖强度和加大散热的 体积， 或减小已加工表面的粗糙度， 可将刀尖倒圆或倒角， 在主、 副切削刃之间形成过渡刃 这些几何要素的位置、形状决定了刀具的切削性能，关系着刀具锋利的程度、承载的 能力、摩擦的大小和散热的快慢等，因而决定着切削的效率及刀具的磨损。

刀具的几何参数 就是用以确定几何要素在空间位置的角度参数或与形状相关的参数 刀具的几何角度是把刀 具放在与其工作位置相关的坐标系里并在规定的截面里测量的角度值,其值因坐标系或截面 的不同而变化 图 7 所示为外圆车刀在正交坐标参考系中各截面的主要几何角度， 包括前角 (γo)、后角(αo)、主偏角(κr)、副偏角(κ´r)、刃倾角(λs)、刀尖圆弧半径(rε)刀具的切 削性能与刀具的这些几何角度有着密切的关系，并随着刀具材料、工件材料、工序类别、 加 工条件的不同而变化 前角前角(γγo o)影响刀具的锋利程度和刀楔的强度加大前角则刃口锋利，切削轻快、平稳， 但刀尖强度下降，散热条件变坏因此，大的前角适用于强度较高的刀具材料和加工强度较 低、塑性较好的工件材料；反之，要用较小的前角甚至负的前角但在加工奧氏体不锈钢、 钛合金、镍基合金时亦要使用较大的前角、锋利的刀刃；而加工铸铁要用较小的前角 后角后角(ααo o)影响后刀面与工件表面的摩擦程度、刀具磨损的速率和刀楔的强度加大后 角可减少摩擦，也降低磨损速率和工件已加工表面硬化的程度，提高刀具耐用度，但也使刀 尖的强度降低，散热条件变坏因此，大的后角适用于加工强度低的有色金属和加工硬化严 重的钢材，以及切削厚度较小的精加工、半精加工。

对于尺寸精度要求较高的刀具，宜取较 小的后角，以提高刀具尺寸的保持性和重磨的次数主偏角主偏角(κκr r)影响刀刃上切削载荷的分布及切削力的径向分力与走刀分力的比例， 从而 影响刀具的寿命和加工系统的稳定性减少主偏角可增加切削刃的工作长度和减小切削厚 度，减轻作用在单位刀刃长度上的载荷，并加大刀尖角有利于提高刀尖强度和散热体积， 因 此，可提高刀具寿命，但使切削力的径向分力加大，在工艺系统刚性较差的情况下会降低加 工精度引起振动可见在系统刚性许可的场合宜取较小的主偏角图 7车刀几何角度副偏角副偏角(κ´κ´r r)主要影响已加工面的粗糙度和质量加大副偏角会增加已加工表面残留 面积的高度， 而较小的副偏角则增加副后面与已加工表面的摩擦和磨损， 也使表面质量变坏 解决这个矛盾的方法是在主、 副切削刃之间增加过渡刃， 用过渡刃来修正已加工表面的残留 面积，又不增加副后面的摩擦与磨损过渡刃还增加了刀尖的强度和散热的体积较常用的 过渡刃有圆弧形过渡刃、倒角形过渡刃，前者多用在可转位的车刀片，后者多用在铣削的可 转位刀片 刃倾角刃倾角(λλs s)表示切削刃倾斜的程度和方向水平的切削刃为λs=0；刀尖处于刀刃低位 的倾斜为λs＜0，λs为负值；刀尖处于刀刃高位的倾斜为λs＞0，λs为正值。

刃倾角的作 用一是控制切屑的流向， 在外圆车削时负的刃倾角可使切屑向待加工表面方向流出， 保护了 已加工表面不被切屑划伤 在镗孔时正的刃倾角可引导切屑流向孔外， 避免了切屑在孔内的 缠绕和对孔壁的划伤； 用于通孔攻丝的螺尖丝锥， 切削部分为负刃倾角， 使切屑往前端排出， 不干涉后面校正部分的切削 二是可改变刀刃切入工件时受力的位置， 保护刀尖并使切入过 程平稳，如负刃倾角车刀，或者减少断续切削时切削力的波动，使切削过程平稳；又如螺旋 刃的可转位铣刀刀片和立铣刀的螺旋刃，其螺旋角即刃倾角，使断续切削的铣削平稳轻快 刀具的几何角度还可包括刀刃倒棱或倒圆的形状和参数、前刀面断屑槽的形状及参 数、刀刃分屑槽的形状及参数等 以上只是定性地分析了选取刀具几何角度大小的原则，具体的数值通常要从专业手册 上查取为了设计、制造和测量的需要，有时必须计算出在其它截面上的前角和后角值， 需 要计算在任意截面 Pi、 径向截面 Pp 及走刀方向截面 Pf 上的前、 后角值， 如图 8 所示的γi、 αi，及背前角γp、背后角αp、侧前角γf、侧后角αf，都可由以下公式计算得出：tgγI= tgγosinτi+ tgλscosτi ctgαi= ctgαosinτi+ tgλscosτi tgγp= tgγocosκr+ tgλssinκr ctgαp= ctgαocosκr+ tgλssinκr tgγf= tgγosinκr－ tgλscosκr ctgαf= ctgαosinκr－ tgλscosκr 应当指出，上述以车刀为例的主要几何参数与其它类别刀具的几何参数在表示形式上 有一定的差别， 并且每种刀具又有独特的几何参数和称呼， 下面为常见的刀具类别的几何角 度的表示方式。

1硬质合金端铣刀几何角度(图 9 )图 8车刀任意截面角度2螺旋齿圆柱面铣刀几何角度（图 10）3立铣刀几何角度（图 11）4麻花钻几何角度（图 12）5丝锥几何角度（图 13）图10螺旋齿圆柱面铣刀几何角度图 11立铣刀几何角度图 12钻头几何角度1． 几何参数对先进刀具的开发有重要的作用． 几何参数对先进刀具的开发有重要的作用 在了解各几何参数作用和特点的基础上，科学地加以运用，可开发出各种先进刀具， 显出几何参数对提高刀具切削性能的巨大潜力 图 14 是 ISCAR 公司的一把大进给并可大悬 伸使用的加工模具的高效立铣刀，其每齿进给量高达 3.5mm/r，几乎是通常的 10 倍其特 点是采用较小的主偏角和副偏角及大圆弧的过渡刃，减小了容易引起振动的切削力径向分 力，加大了有利于提高刀具稳定性的轴向分力，使在快速进给和大悬伸的情况下，实现平稳 切削；小的副偏角和大的圆弧过渡刃又保证了较小的表面粗糙度图 15 是一种车削括光刀 片，该刀片仅仅采用了较宽的过渡刃，就可提高进给率一倍，或者减小表面粗糙度类似的 例子还有将球头铣刀改为椭圆头铣刀，也可减小表面粗糙度或加大进给速度图 16 是带前 角带螺旋刃的可转位铣刀片，使铣削轻快平稳，显著提高了铣削的效率。

图 17 是一把多功 能铣刀，其主要特点是需要时可把副切削刃也作为主切削刃使用，从而可以斜坡进刀铣窝， 用数控插补轴向进给加工孔图 18 是一种高速丝锥，其特点是较短的工作长度、较大的排 屑槽和校准部分有较大的后角，减小在高速切削时的摩擦图 19 是一种常见的粗加工苞米 铣刀，其主切削刃被交错分段，减小切削变形抗力，改善了排屑，提高切削效率图 20 是 类似的带分屑功能的可转位面铣刀，切削轻快，功率消耗少图 13丝锥几何角度图 14大进给铣刀图 15车削括光刀片图 17多功能铣刀图 18高速丝锥图 19高效立铣刀图 20高效端铣刀尽管当用户拿到刀具产品时，几何参数已被固化在刀具上面，但是熟悉刀具几何参数 的概念和功能可以帮助用户根据需要改进现有刀具，及与刀具制造商共同探讨改进的方案， 还可为刀具的创新指出方向7．刀具结构的选择．刀具结构的选择 刀具结构是刀具实现具体切削的必要的结构形式 因为被加工零件的结构、 工件材料、 工序类别等因素千变万化， 造成了刀具结构的多样性和合理选择结构的必要性 有些刀具结 构的选择因与加工对象有清晰的对应关系而较容易， 如在对众多车刀结构进行选择时加工外 圆的车刀和切槽的车刀就有明显的结构和外形差异； 又如加工平面或加工台肩需分别选用面 铣刀和台肩铣刀也是显而易见的事。

对这类刀具选用的重点在于刀具材料、 几何参数及刀片 装夹方式然而对于钻头、立铣刀、丝锥等通用标准刀具，外形相似，结构也无显著差别， 虽有标准的约束，却品种繁多，大公司的产品样本厚厚一本，产品上万种，因此有必要对选 用它们的主要信息作简单的介绍1通用刀具的共同特点 首先，钻头及其它孔加工刀具、立铣刀、丝锥等刀具，通常是整体式结构，又称为圆 形刀具，与使用相关的基本尺寸如直径序列、柄部形式和尺寸、切削部分的长度和总长度等 都有标准规定，其中有些反映在产品的名称中，如直柄超长麻花钻、莫氏锥柄立铣刀等， 便 于选用其次，按 DIN 标准规定，把刀具根据不同的加工材料分成 N、H、W 三类，N 表 示该刀具适用于加工普通结构钢、软的灰铸铁、中等硬度的有色金属，H 表示该刀具适用于 特别硬的或硬而韧的材料，W 表示该刀具适用于加工特别软的或韧的材料为了便于正确 选用圆形刀具，一些公司对产品加以 N、H、W 的标注，以示分类第三，这类刀具的表面 处理覆盖较广的范围，不仅有各种涂层，也包括传统的蒸汽处理和氮化处理，通常，制造商 会告知它们的适用范围，可供订货时选用下面进一步介绍麻花钻、立铣刀、丝锥各自结构 上的一些特点。

2麻花钻结构的选用 外形相似的麻花钻其结构可有顶角、螺旋角、刃数、冷却方式及钻尖横刃修磨形式的 不同， 麻花钻的顶角和螺旋角根据加工材料和刀具材料而定 减小顶角或加大螺旋角会增大 主切削刃靠近外径处的前角，使拐角处的刀尖变弱，散热条件变坏，加快刀具磨损因此， 整体硬质合金钻头的顶角比高速钢钻头大，可达到 140°，而螺旋角比高速钢钻头小，为 10°~20°，在加工铸铁或有色金属时甚至用直槽钻；加工强度、硬度高的 H 类材料宜选小 的螺旋角和大的顶角，如ω=10°~20°、2φ=130°~140°；而加工软的或韧的 W 类材料宜 选用大的螺旋角和小的顶角，如ω=35°~40°、2φ=118°3 刃麻花钻比 2 刃的有更高的 加工效率和加工精度为了改善麻花钻钻尖横刃处的切削条件，通常要对横刃进行修磨， 尤 其是大直径钻头和硬质合金钻头，因为钻心较粗横刃较长，切削时轴向力很大，影响进给的 速率必须缩短横刃，加大横。