1.刀具几何参数
刀具的几何参数及其对加工过程的影响
刀具的几何参数及其对加工过程的影响前角定义：前刀面与基面的夹角。
前刀面在基面之下称正前角，前刀面在基面之上称负前角。
影响因素：切屑变形、切削力、切削温度、切削功率、刀头强度、容热体积、导热面积、切屑的形态、断屑效果、加工质量影响过程：影响切削变形：前角增大，刀具锋利，塑性变形小，切削力小，温度小；影响切削热的产生：前角增大，可以减小切削热的产生，但导致刀头导热面积和容热体积减小。
影响刀具耐用度：前角小时：前角增大切削力小，温度小，耐用度增大；前角大时：前角增大刀头强度小，散热条件差，耐用度小。
影响切屑形态和断屑效果：前角减小会增大切屑的变形，使切屑容易卷曲和折断影响加工表面质量：前角增大塑性变形小，加工硬化小，振动小，有利于提高表面质量后角定义：主后刀面与切削平面之间的夹角。
影响因素：加工表面的质量、刀具耐用度、生产率影响过程：减小后刀面与加工表面之间的磨擦：后角越小，磨擦长度越大，磨损越厉害；增大后角，减小磨擦，提高表面质量和刀具耐用度后角越大，切削刃钝圆半径值越小，切削刃越锋利影响材料耗损：在同样的磨钝标准VB下，后角大的刀具由新到磨钝，所磨去的金属体积较大，可提高刀具耐用度；但刀具径向磨损值NB增大，当工件尺寸精度要求较高时，不宜采用大后角；（P81图3-49）增大后角将使切削刃和刀头的强度削弱，导热面积和容热体积减小；且NB一定时，磨耗体积小，刀具耐用度低。
主偏角和副偏角定义：主偏角是进给方向与主切削刃在基面上的投影之间的夹角。
副偏角是进给方向与副切削刃在基面上的投影之间的夹角。
影响因素：加工表面质量，刀具耐用度和生产率影响过程：影响已加工表面残留面积高度：减小主偏角和副偏角，可以减小加工表面粗糙度，特别是副偏角对加工表面粗糙度的影响更大。
影响切削层的形状：主偏角直接影响切削刃工作长度和单位长度切削刃上的切削负荷。
增大主偏角，切削宽度减小，切削厚度增大，切削刃单位长度上的负荷增大。
因此主偏角直接影响刀具的磨损和耐用度。
刀具几何参数的选择
刀具几何参数的选择刀具的切削性能主要是由刀具材料的性能和刀具几何参数两方面打算的。
刀具几何参数的选择是否合理对切削力、切削温度及刀具磨损有显著影响。
选择刀具的几何参数要综合考虑工件材料、刀具材料、刀具类型及其他加工条件（如切削用量、工艺系统刚性及机床功率等）的影响。
一、前角的选择前角是刀具上最重要的几何参数之一。
增大前角可以减小切削变形，降低切削力和切削温度；但过大的前角使刀具楔角减小，刀刃强度下降，刀头散热体积减小，刀具温度上升，使刀具寿命下降。
针对某一详细加工条件，客观上有一个最合理的前角取值。
工件材料的强度、硬度较低时，前角应取得大些；加工塑性材料宜取较大的前角，加工脆性材料宜取较小的前角。
刀具材料韧性好时宜取较大前角，硬质合金刀具就应取比高速钢刀具较小的前角。
粗加工时，为保证刀刃强度，应取小前角；精加工时，为提高表面质量，可取较大前角。
工艺系统刚性较差时，应取较大前角。
为减小刃形误差，成形刀具的前角应取较小值。
用硬质合金刀具加工中碳钢工件时，通常取；加工灰铸铁工件时，通常取。
二、后角的选择后角的主要功用是减小切削过程中刀具后刀面与工件之间的摩擦。
较大的后角可减小刀具后刀面上的摩擦，提高已加工表面质量。
在磨钝标准取值相同时，后角较大的刀具，磨损到磨钝标准时，磨去的刀具材料较多，刀具寿命较长；但是过大的后角会使刀具楔角显著减小，减弱切削刃强度，减小刀头散热体积，导致刀具寿命降低。
可按下列原则正确选择合理后角值。
切削厚度（或进给量）较小时，宜取较大的后角。
进行粗加工、强力切削和承受冲击载荷的刀具，为保证刀刃强度，宜取较小后角。
工件材料硬度、强度较高时，宜取较小的后角；工件材料较软、塑性较大时，宜取较大后角；切削脆性材料，宜取较小后角。
对精度要求高的定尺寸刀具（例如铰刀），宜取较小的后角；由于在径向磨损量NB 取值相同的条件下，后角较小时允许磨掉的刀具材料较多，刀具寿命长。
车削中碳钢和铸铁工件时，车刀后角通常取为6~8°。
刀具几何形状参数对切削力的影响分析
刀具几何形状参数对切削力的影响分析引言：切削力是刀具加工过程中的重要参数，对加工质量、切削效率和刀具寿命有着重要影响。
刀具的几何形状参数是切削力大小的决定因素之一。
本文将分析刀具几何形状参数对切削力的影响，并提出一些优化措施，以提高加工效率和刀具寿命。
一、刀具几何形状参数的类型1. 刀尖几何形状参数：常见的刀尖几何形状参数包括切割角、刃倒角、刃倾斜角等。
这些参数可以影响刀具与工件间的接触情况，进而影响切削力的大小和方向。
2. 刀尖半径：刀尖半径是刀具边界上一个曲率半径，它可以影响切削力的大小和方向，一般来说，刀尖半径越大，切削力越小。
3. 刀片后角：刀片后角是指刀片后角与工件间的夹角，它可以影响切削力的大小和切屑形态。
较小的刀片后角可以减小切削力，改善切削效果。
二、刀具几何形状参数对切削力的影响1. 刀尖几何形状参数的影响：刀尖几何形状参数可以影响刀具与工件的接触情况，进而影响切削力。
例如，增加切割角可以增加刀具与工件之间的摩擦力，从而增加切削力。
而增加刃倒角可以减小刀具与工件之间的接触面积，从而减小切削力。
刃倾斜角的改变也会影响切削力的大小和方向。
2. 刀尖半径对切削力的影响：刀尖半径主要影响了刀具接触压力的分布。
较大的刀尖半径可以减小切削区域的压力，从而减小切削力。
然而，过大的刀尖半径可能导致刀具易于磨损，减少工具使用寿命。
3. 刀片后角对切削力的影响：刀片后角的改变可以影响切削力的大小，但也会对切削质量产生影响。
在一定范围内，较小的刀片后角会减小切削力，并提升切削质量；然而，过小的刀片后角可能导致切削力不稳定和切削质量下降。
三、刀具几何形状参数的优化方法1. 刀尖几何形状参数的优化：选择合适的切割角、刃倒角和刃倾斜角，可以在保证切削力不过大的前提下，提高切削效果和工具寿命。
优化刀尖几何形状参数的方法包括结构设计与材料选择等。
2. 刀尖半径的优化：根据具体加工要求，选择适当的刀尖半径，以平衡切削力与刀具寿命之间的关系。
刀具几何参数
底座为圆盘形，在零度 线左右方向各有100o角度， 用于测量车刀的主偏角和 副偏角，通过底盘指针读 出角度值；工作台可绕底 座中心在零刻度线左右 100o范围内转动；定位块 可在平台上平行滑动，作 为车刀的基准
大扇形刻度盘上有 正负的刻度，用于测 量前角、后角、刃倾 角，通过测量片的指 针指出角度值
节状切屑
节状切屑又称挤裂切屑。切屑上各滑移面 大部分被剪断，尚有小部分连在一起，犹 如节骨状。它的外弧面呈锯齿形，内弧面 有时有裂纹。这种切屑在切削速度较低， 切削厚度较大的情况下产生。出现节状切 屑时，切削过程不平稳，切削力有波动， 已加工表面粗糙度较大。
粒状切屑(单元切屑)
切屑沿剪切面完全断开，因而切屑呈粒 状(单元状)。当切削塑性材料，在切削速度 极低时产生这种切屑。出现粒状切屑时切 削力波动大，已加工表面粗糙度大。
测量片有主平面 （大平面）、底平面、 侧平面三个成正交的 平面组成，在测量过 程中，根据不同的情 况可分别用以代表剖 面、基面、切削平面 等
原始位置调整
• 在基面Pr内测量主偏角Kr和副偏角K'r
在切削平面Ps内测量刃倾角λs
在切削平面内所度量的主 刀刃和基面的夹角 测量方法：旋转测量片，即旋 转底平面（基面）使其与主 刀刃重合
●在自动机或自动线上，宝塔状切屑是一 种比较好的屑形。
●车削铸铁、黄铜等脆性材料时，为避免 切屑飞溅伤人或损坏滑动表面，应设法使 切屑连成卷状。
只有在立式床上镗盲孔时，为了使切屑顺利排出孔外，才 要求形成带状切屑或长螺卷屑。
●C形屑不缠绕工件，也不易伤人，是 一种比较好的屑形。但C形屑高频率的碰撞 和折断会影响切削过程的平稳性，对已加 工表面粗糙度有影响，所以精车时希望形 成长螺卷屑。
合理选择刀具几何参数
低碳钢 8°～10° 10°～12°
中碳钢 5°～7° 6°～8°
淬火钢 8°～10°
不锈钢 6°～8° 8°～10°
灰铸铁 4°～6° 6°～8°
铝及铝合金 8°～10° 10°～12°
跳到 P130
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二、后角 o 和后刀面的选择
2．后刀面型式
后刀面的型式有双重后刀面、消振棱和刃带3种，如图所示。
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二、后角 o 和后刀面的选择
机械制造基础
1．后角 o 的功用及选择
（1）后角 o 的功用
后角 o 可以减小后刀面与工件之间的摩擦，减少刀具磨损。但后角 o 过大会降低切削刃的强度和
散热能力，从而降低刀具寿命。
（2）后角 o 的选择 后角o 的选择应首先考虑切削厚度 hD，其次考虑工件材料和加工条件。
机械制造基础
刀具几何参数对切削变形、切削力、切削温度、刀具 磨损和已加工表面等都有很大的影响。因此，合理地选择 刀具几何参数，能够充分发挥刀具的切削性能，提高生产 率。
刀具几何参数的合理选择主要包括前角 o 和前刀面、 后角o 和后刀面、主偏角 r 、副偏角 r 、过渡刃、刃 倾角 s 的选择。
减小刀具的径向磨损值NB值，如图所示。
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二、后角 o 和后刀面的选择
提示
在规定了后刀面磨钝标准VB的情况下，后角较大的刀具达到磨钝标 准时，磨去金属的体积较大，如图所示，从而加大刀具的径向磨损值 NB， 这会影响工件的尺寸精度。
机械制造基础
硬质合金车刀合理后角的参考值如表所示。
工件材料 粗车 精车
塑性大时，后刀面磨损严重，应选取较大的后角 o；工件材料脆性较大时，载荷集中在切削刃处，为提高 切削刃强度，应选取较小的后角 o 。
刀具合理几何参数的选择
04
加工精度与表面质量保障 措施
加工精度影响因素剖析
机床精度
机床本身的制造精度、刚度、热稳定性等都 会直接影响加工精度。
刀具磨损
刀具在切削过程中会逐渐磨损，导致加工尺 寸和形状精度下降。
切削参数
切削速度、进给量、切削深度等参数的选择 不合理会导致加工精度降低。
工件材料
工件材料的硬度、韧性等物理特性对加工精 度也有一定影响。
主偏角优化
主偏角的大小会影响切削分力和径向力的大小，进而影响 加工精度和表面质量。需要根据具体加工要求选择合适的 主偏角。
刃倾角优化
刃倾角可以影响切屑的流向和切削刃的受力情况，通过调 整刃倾角可以改善切屑的排出效果和切削刃的受力状况， 提高加工精度和表面质量。
05
生产效率与经济效益提升 途径
生产效率现状分析
合理选择刀具材料
根据工件材料和加工要求选择适合的 刀具材料，如高速钢、硬质合金、陶 瓷等。
优化刀具几何参数
通过调整前角、后角、主偏角等参数， 降低切削力、切削热，提高刀具耐用 度。
采用涂层技术
在刀具表面涂覆一层或多层硬质薄膜， 提高刀具的硬度、耐磨性和耐热性。
控制切削用量
合理选择切削速度、进给量和背吃刀 量，避免过大的切削力导致刀具快速 磨损。
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刀具合理几何参数的选择
目录
• 刀具几何参数概述 • 切削力与切削热分析 • 刀具磨损与耐用度评估 • 加工精度与表面质量保障措施 • 生产效率与经济效益提升途径 • 总结与展望
01
刀具几何参数概述
定义与分类
刀具几何参数定义
描述刀具形状和尺寸的各参数， 包括切削刃形状、前角、后角、 主偏角、副偏角等。
数控车刀的几何参数.
数控车刀的几何参数一、刀具几何参数刀具的切削性能主要是由刀具材料的性能和刀具几何参数两方面决定的。
刀具几何参数的选择是否合理对切削力、切削温度及刀具磨损有显著影响。
选择刀具的几何参数要综合考虑工件材料、刀具材料、刀具类型及其他加工条件（如切削用量、工艺系统刚性及机床功率等）的影响。
刀具组成部分如图1-1所示。
图1-1主偏角κr——主切削刃在基面上的投影与进给方向的夹角。
刃倾角λs——在切削平面ps内，主切削刃与基面pr的夹角。
还有：副前角γoˊ、副后角αoˊ、副偏角κrˊ、副倾角λsˊ图1-2二、刀具几何参数对加工精度的影响在数控加工中，为降低加工工件表面粗糙度，减缓刀具磨损、提高刀具使用寿命、选择适宜的切削力等因素，通常车刀会存在刀尖圆弧半径r，主偏角kr，车刀刀尖距零件中心高的偏差等刀具几何参数的影响，必定引起被加工零件的轴向尺寸误差和径向尺寸误差由此使得加工的运行轨迹与被加工零件的形状产生差异。
因被加工零件表面形状各异，所以引起的差异也各不相同。
下面依次分析车削加工各类零件表面形状引起的差异以及采取的措施。
1．车刀刀尖圆弧半径对加工圆柱类零件表面的影响众所周知，被加工零件表面的成形是由车刀与零件表面接触见切点的运行轨迹保证的，对于主偏角kr=90°的车削加工，参见图1.1示，被加工零件表面的轴向尺寸由刀尖圆弧半径点A保证。
图1.1当（D-d）/2=ap>r时，由图可知，由刀尖圆弧半径引起的轴向尺寸变化量△a为△a=b-a=r式中：b——零件轴向尺寸；a——实际轴向位移量；r——刀尖圆弧半径.此时，刀具实际轴向位移是长度a为：a=b-△a=b-r（D-d）/2=ap△a=BC=2pp22a-ra2）(r=--par此时，刀具实际轴向位移长度a=b-Δa=22yyarab--对于主偏角KF＜90°的车削加工，当完成轴向加工即处于图1.1c位置时，被加工零件的已加工表面部由车刀刀尖A保证，零件的加工表面由刀具型面AC 和CE形成。
刀具几何参数的影响
刀具几何参数的影响
（1）前角的影响
前角γ0增大，使切屑变形程度减小，产生的切削热削减，因而切削温度下降。
但前角大于18°～20°时，对切削温度的影响减小。
（2）主偏角的影响
主偏角kr减小，使切削宽度bD增大，散热面积增加，切削温度下降。
（3）负倒棱及刀尖圆弧半径的影响
负倒棱及刀尖圆弧半径的增大，使切屑变形程度增大产生的切削热增加，但同时也使散热条件改善，两者趋于平衡。
因而负倒棱和刀尖圆弧半径对切削温度影响很小。
工件材料的影响
1）工件材料的强度、硬度等各项力学性能提高时，产生的切削热增多，切削温度上升；
2）工件材料的热导率愈大，通过切屑和工件传出的热量愈多，切削温度下降愈快。
如图3-25所示曲线为例。
刀具磨损的影响
刀具后刀面磨损量增大，切削温度上升；磨损量达到肯定值后，对切削温度的影响加剧；切削速度愈高，刀具磨损对切削温度的影响就愈显著。
切削液的影响
浇注切削液对降低切削温度、削减刀具磨损和提高已加工表面质量有明显的效果。
切削液的热导率、比热容和流量愈大，切削温度愈低。
切削液本身温度愈低，其冷却效果愈显著。
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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
• P90 • 思考题：4.1 4.2 4.3 4.12 4.13 4.14 • 作业：4.15
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倒角刀尖： 参数：粗加工：κε=1/2 κr ,bε=0.5-2 精加工： κε,bε比粗加工小 应用：刃磨方便，适用各类刀具
• 倒角带修光刃：倒角刀尖加修光刃 • 修光刃参数： κε’=0,bε’=1.2-1.5f • 应用：车、刨、面铣刀，半精加工、精加工
刃口
• 锐刃（锋刃）、倒圆刃、倒棱刃、平棱刃、消 振棱刃、白刃（刃带） • 锐刃（锋刃）：高速钢精加工，硬质合金加工 高韧性材料 • 倒圆刃：硬质合金、可转位刀片rn<1/3f,0.05; 作用：提高强度、寿命，减小粗糙度、挤光， 消振。 • 倒棱刃、平棱刃：粗加工、半精加工--硬质合 金 ---车、刨、端面铣刀 • 平棱刃：工艺系统刚度不足，单刃刀具 • 白刃（刃带）：多刃刀具—刃磨次数、方便， 光整
切屑流向
• 刃倾角： • 流屑角：
3.影响断屑因素
• 1）.断屑槽：折线、直线圆弧、全圆弧 • 折线、直线圆弧：碳钢、合金钢、不锈钢 • 全圆弧：塑性高材料、重型刀具
• 断屑槽参数：槽宽LBn、槽深hBn (γBn )
• δBn :反屑角， ρ：切屑卷曲半径 • 参数确定： • A：槽宽LBn小，切屑卷曲半径ρ小—断屑；太小，切屑阻屑、崩刀、切屑飞溅 • B：进给量、背吃刀量、主偏角 大；工材塑性、韧性 小----槽宽LBn选大 • C：反屑角δBn 大—易断屑；太大，阻屑
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刃倾角：作用、选择 冲击大切削—大负刃倾角（配合大前角） 孔刀具：盲孔-负，通孔-正 精加工：正。粗加工：负 工材：硬--负
• • • •
主偏角：作用、选择 工艺系统刚度好—较小 工材：硬度、强度高—较小 加工表面：阶梯轴、端面
• 副偏角：作用、选择 • 工艺系统刚度差—较大 • 精加工—小或0
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刀具几何参数
刀具几何参数
• 刀具几何参数:角度、刃形、刀尖形状、前 刀面、后刀面
角度
• 前角：作用、选择 • 选择原则：尽量大前角，工材、刀材、工艺决定 • 工材:强度、硬度低、塑性好—大；脆材—小； 硬度很高—负前角 • 刀材：强度、韧性高—大 • 工艺决定：断续切削、铸件、锻件（有硬皮）-小，如果用大负刃倾角—大前角；成型刀具（车、 铣、齿轮刀具）小前角---截形误差
• 断屑槽在前刀面有3种形式：外倾式、平行式、 内斜式 • 外倾式：前深后浅（-λs）切屑易断成小段，流向 加工表面 • 平行式： λs =0，切屑呈较短盘螺旋状，碰到切 削表面折断。 • 内斜式： +λs 半精加工、精加工（ap小），切屑 碰到刀具后刀面折断。
断屑斜角：ρBn
2）改变刀具角度 增大刀具主偏角 r ，切削厚度 变大，有利于断屑。减小刀具前角 o可使切屑变 形加大，切屑易于折断。刃倾角 s可以控制切屑 的流向， s 为正值时，切屑常卷曲后碰到后刀面 折断形成C形屑或自然流出形成螺卷屑。 为负值 s 时，切屑常卷曲后碰到已加工表面折断成 C形屑 或6字形屑。
前刀面
• • • • 平面（正、负前角、双） 曲面（曲面、波形） 带倒棱（平面、曲面） 4）.工件材料：塑性、韧性、强度 大，不 易断屑
后刀面
• 双后刀面 • 消振棱 • 韧带
切屑控制
• 切屑影响:人员安全、机床工作，刀具损坏， 影响表面质量，尤其数控机床的排屑 • 1.切屑卷曲与流向 • 1）.切屑卷曲 • 切屑变形，或碰到前刀面上断屑槽、凸台、 挡块 • 2）.切屑流向 • 刃倾角
• • • • •
后角、副后角：作用、选择 选择原则：粗加工—强度、精加工--表面质量 粗加工：（切削厚度增加）后角减小， 精加工：（磨损）大----多刃刀具—大（屑薄） 工材：软、粘（硬化大）—大，硬度、强度高— 小（当前角为负—可加大），脆材—小 • 定尺寸刀具（孔刀具）、铲齿刀具（铣刀、滚刀） --小（刃磨次数） • 副后角：铲齿刀具—侧刃—小
屑形
• 切屑形状：8类 • 理想屑：C形屑、6字形屑、短螺旋屑
断屑原理
• 卷屑、断屑 • 断屑台、断屑槽、工件表面，自重
• 切屑厚度hch增加、切屑卷曲半径ρ减小、切屑 极限应变值εb小---易断屑 • 减小切屑卷曲半径ρ:减小LBn，增长l，增加 hBn • 减小切屑极限应变值εb:增加硬度、降低塑性 • 增加切屑厚度hch:主偏角、进给量
刀尖
• 圆弧形刀尖（圆弧过渡切削刃）： • 参数：刀尖圆弧半径：rε • 作用：减小粗糙度、提高耐用度（强度、 散热）； rε过大，Fp增大，影响断屑 • 选择：半精加工、精加工—2、3f • 断续切削、难加工材料（工艺系统刚度允 许）--可加大 • 粗加工—小，精加工—大 • 高速钢—小，硬质合金—大 • 应用：单刃刀具、钻、铰刀具