關(guān)于對車刀幾何參數(shù)的選擇分析

隋聚江　劉子國

【摘 要】刀具的幾何參數(shù)對切削過程中的金屬切削變形、切削力、切削溫度、工件的加工質(zhì)量及刀具的磨損都有顯著的影響。選擇合理的刀具幾何參數(shù)，可使刀具潛在的切削能力得到充分發(fā)揮，降低生產(chǎn)成本，提高切削效率。

【關(guān)鍵詞】車刀；幾何參數(shù)；選擇

車刀刃磨水平的高低直接關(guān)系到產(chǎn)品的生產(chǎn)效率、加工質(zhì)量、設(shè)備能耗和產(chǎn)品成本，甚至關(guān)系到操作者的人身安全，也反映出操作者對加工主體的特性和切削用量的靈活應(yīng)變能力。合理選擇車刀的幾何參數(shù)是決定刃磨質(zhì)量的關(guān)鍵，其主要體現(xiàn)于對車刀角度和前面形狀的合理選擇。兩者既相互依賴又相互制約，一把車刀不能只有一個角度，如果只有一個角度選擇合理，它的切削效果也不一定理想，操作者必須根據(jù)工件材料、車刀材料、切削用量，以及工件、車刀、夾具和車床的剛性等各方面因素，全面分析，找出切削過程中的主要矛盾，合理選擇車刀的角度和前面形狀。

刀具幾何參數(shù)包含切削刃的形狀、切削區(qū)的剖面形式、刀面形式和刀具幾何角度四個方面，這里主要討論刀具幾何角度的合理選擇，即前角、后角、副后角、主偏角、副偏角及刃傾角的合理選擇。

1.前角的選擇

前角r0是車刀切削部分的一個最主要的角度，車刀是否鋒利主要取決于前角的大小。一般增大前角時可以減小切削變形，減小切屑和前刀面的摩擦，使切削力降低，加工起來很輕快。增大前角還可以使前刀面上承受切削力的位置后移，改善切削刃受力情況，同時還可以抑制積屑瘤的產(chǎn)生。減小前角可增強(qiáng)刀尖強(qiáng)度，但切削變形和切削力都會增大。前角的選擇主要遵循以下原則：

（1）加工塑性材料時，前角應(yīng)取較大值；加工脆性材料時，應(yīng)選用較小的前角；（2）工件材料的強(qiáng)度、硬度較低時，選用較大的前角；反之，選用較小的前角；（3）刀具材料韌性好時，前角應(yīng)選大些，如高速鋼車刀；刀具材料韌性差時，如硬質(zhì)合金車刀；（4）粗加工和斷續(xù)切削時應(yīng)選較小的前角，橫加工時應(yīng)選較大的前角；（5）車床一夾具一工件—刀具系統(tǒng)剛度差時，應(yīng)選較大的前角。高速鋼車刀的合理前角一般比表面的值大5°-10°。

2.后角和副后角的選擇

后角與車刀強(qiáng)度有直接關(guān)系。后角大，相對的摩擦可以減小，車削時較輕快，車刀的磨損也比較饅。但后角選得過大，車刀的楔角會顯著減小，使車刀的強(qiáng)度大大降低，容易崩刀。

同時車刀切削刀的散熱條件變差，磨損加劇。后角的選擇主要根據(jù)以下原則：

（1）加工硬度高、機(jī)械強(qiáng)度大及脆性材料時，應(yīng)選較小的后角；加工硬度低、機(jī)械強(qiáng)度小及塑性材料時，應(yīng)選較大的后角；（2））粗加工時應(yīng)選取較小后角，精加工時應(yīng)選取較大后角選大一些；（3）工件與車刀的剛度差時應(yīng)選較小的后角；（4）高速車削時，應(yīng)選較小的后角。

副后角—般與后角取相同的數(shù)值。但切斷刀受刀頭強(qiáng)度限制，應(yīng)把副后角磨得較小。

3.主偏角的選擇

主偏角是一個重要的角度，它對車刀的耐用度有很大的影響，它的變化直接影響到切削厚度大與切削寬度的大小。改變主偏角的大小，可改變徑向力和軸向力的大小。主偏角增大時，徑向力減小，軸向力增大，不易產(chǎn)生振動。常用的車刀主偏角有45°、60°、75°、90°四種。主偏角的選擇主要根據(jù)以下幾個原則：

（1）工件材料越硬，應(yīng)選取越小的主偏角；（2）剛度差的工件（如細(xì)長軸）應(yīng)選較大的主偏角，減小徑向力；（3）在車床一夾具一工件一刀具系統(tǒng)剛度較好的情況下，主偏角應(yīng)盡量選小一些。

4.副偏角的選擇

較小的副偏角可顯著地減小車削后的殘留面積，減小工件的表面粗糙度。但是減小副偏角會增加切削面積，容易引起振動。只有當(dāng)工件一車刀一夾具一車床系統(tǒng)有足夠的剛度時，才能取較小的副偏角。有時為了得到租糙度值較小的工件表面，應(yīng)采用寬刃刀來進(jìn)行。如果進(jìn)給量小于切削刃寬度，那么它的副偏角就等于零。副偏角的選取主要根據(jù)以下原則：

（1）工件一車刀一夾具一車床系統(tǒng)的剛度好，可選較小的副偏角；（2）精加工刀具應(yīng)選較小的副偏角；（3）加工高硬度材料或斷續(xù)切削時，應(yīng)該選較小的副偏角，以提高刀尖強(qiáng)度。

5.刃傾角的選擇

刃傾角的選擇主要根據(jù)以下幾點：

（1）一般粗車時（指工件圓整、被切削層均勻），選取稍偏于負(fù)值的刃傾角（-3°-0°）；精車時，應(yīng)選取負(fù)值的刃傾角（-8°-3°）。

（2）強(qiáng)力車削時，選取負(fù)值的刃傾角（-10°-5°）；沖擊負(fù)荷大的斷續(xù)車削時，應(yīng)選取較大負(fù)值的刃傾角。

（3）加工高硬度材料時，應(yīng)選取負(fù)值的刃傾角，以提高刀尖強(qiáng)度。

6.過度刃的選擇

主偏角較大時，為增加刀尖強(qiáng)度，在靠近刀尖處對主切削刃進(jìn)行修磨，便形成了過渡刃。

過渡刃的作用主要是提高刀具強(qiáng)度和改善散熱條件。車削時，刀尖處的主副切削刃都參加切削，切削力和切削熱最集中，溫度最高，因此，刀尖處的磨損最嚴(yán)重。而當(dāng)?shù)都馓幠ビ羞^渡刃后，就能顯著改善刀尖處的切削性能，提高車刀的耐用度。過渡刃的形狀有直線形和圓弧形（即刀尖圓弧半徑）兩種，前者因呈直線形，其偏角大小通常均取主偏角值的一半左右，過渡刀長度為0.5-2mm；后者不但能提高車刀的耐用度，還可減小車削后的殘留面積，降低工件已加工表面粗糙度。但刀尖圓弧半徑不宜過大，否則會引起振動。

7.車刀安裝位置的選擇

（1）刀具的安裝位置對車刀工作角度的影響在安裝車刀時，車刀刀尖應(yīng)盡量對準(zhǔn)工件旋轉(zhuǎn)中心，車削外圓時，如果車刀裝得太高，則前角增大，后角減小，增大車刀后面的摩擦，降低了刀尖的強(qiáng)度；相反如果車刀裝得太低，則后角增大，前角變小，切削不夠順暢，有時甚至?xí)鸸ぜ?，打壞車刀。車削?nèi)孔時，車刀裝得高或低，結(jié)果恰恰與車外圓時相反。車刀除了在車無孔端面時，必須對準(zhǔn)中心外，一般情況下，尚可略高于中心。經(jīng)驗認(rèn)為，車刀安裝的高低誤差，應(yīng)小于工件直徑的百分之一。此外，車刀裝偏會影響主、副偏角的大小。

（2）進(jìn)給運動對車刀工作角度的影響在橫向進(jìn)給時，車刀按一定的走刀量向前推進(jìn)，這時車刀在端面上走過的軌跡不是一個圓圈，而是一條阿基米德螺旋線，車刀越接近中心和走刀量越大，螺旋線越傾斜，從而使車刀切削時的后角變小，前角變大，因此在刃磨時后角應(yīng)磨得大一些。在縱向進(jìn)給時，由于車刀在工件上走出的軌跡是一條螺旋線，這條螺旋線的切線與原切削平面不重合，而是相交一定角度，所以在切削時實際后角是減去這個交角的差值。在車外圓或內(nèi)孔時，由于影響很小，可以忽略不計。在車削螺紋時，這個交角很大，所以在刃磨螺紋刀后角時，要加上這個螺旋角差值，以克服走刀運動的影響。

（3）工件形狀對車刀幾何參數(shù)的影響在加工凸輪類零件時，由于工件形狀的變化，也能引起車刀前后角的變化，刃磨時應(yīng)考慮這個角度的變化。以上這三個因素在選擇刀具的幾何參數(shù)時必須給予適當(dāng)考慮。

總之，在選擇車刀的幾何參數(shù)時，應(yīng)根據(jù)工件材料和車刀材料的機(jī)械物理性能、切削用量以及工件、車刀、夾具和機(jī)床的剛度等等因素，找出切削過程中的主要問題，把車刀的鋒利放在第一位，以鋒利為前提，適當(dāng)考慮車刀的強(qiáng)度。由于車刀的鋒利主要取決于前角的大小，所以在選擇時首先要抓住切削過程中的主要問題，合理確定前角值，然后選擇其它幾何角度加以配合。

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