刀具几何参数

第一.合理的刀具几何参数是提高刀具切削性能的重要因素，传统的刀具合理几何参数的研究方法一般是先设计并选择不同的刀具几何参数及工艺参数，并借助于一定的测试手段，来进行实际的切削实验。

用这种方法来进行研究，往往要经历一个很长的过程，耗时、耗力、实验成本高。

所以刀具合理几何参数的选择是切削理论与实践的重要课题。

所谓刀具的合理的(或者最佳)几何参数是在保证加工质量的前提下，能够满足生产效率高、加工成本高的刀具几何参数。

一般的说，选定刀具几何参数的合理值问题，本质上是多变量函数针对某一目标计算求解最佳值的问题，但是，由于影响切削加工效益的因素太多，而且影响因素之间又是相互作用的，因而建立数学模型的难度很大。

实用的优化或最佳化工作，只能在固定若干因素后，改变少量参数，取得实验数据，并且采用适当方法(例如方差分析法、回归分析法)进行处理，得出优选结论。

可见，选择合理的刀具几何参数的重要性，所以利用相关软件进行直接模拟优化结构、几何参数有其极其重要的现实意义。

刀具角度包括主切削刃的前角、后角、主偏角、刃倾角和副切削刃的副后角、副偏角等。

不同的角度对刀具具体切削过程的影响是不同的。

1、前角变化对切削过程中的切削力、切屑变形等有很大的影响，其中前角对切削力的影响最大。

有人曾研究认为:前角每变化一度，主切削力约改变1.5%。

在切削过程中，切削力随着前角的增大而减小。

这是因为当前角增大时，剪切角也随之增大，金属塑性变形减小，变形系数减小，沿前刀面的摩擦力也减小，因此切削力降低。

这种变化趋势在较低速的切削中尤为明显。

通过前述有限元分析，将刀具上沿接触长度上各节点的应力值相加可以获得主切削力，而在构成主切削力的各节点应力值中，刀刃部分具有最大等效力值的节点贡献最大。

因此可以这么说，为其前角变化对于切削力的影响，可以通过研究刀具前刀面上具有最大等效应力的节点的应力状况而表现出来。

所以，我们选取刀具接触长度上节点的最大等效应力作为刀具前角优化的标准。

2、后角的主要功用是减小切削过程中刀具后刀面与加工表面之间的摩擦。

后角的大小还影响作用在后刀面上的力，后刀面与工件的接触长度以及后刀面的西华大学硕士学位论文磨损强度，因而对刀具使用寿命和加工表面质量有很大的影响。

适当增加后角可减小工件己加工表面弹性恢复层与刀具后刀面的接触长度，因而减小了后刀面的摩擦与磨损。

但后角太大时，刀具楔角显著减小，将削弱切削刃的强度。

而且因刀具楔角减小会使刀具散热体积减少使散热条件恶化，从而使刀具使用寿命降低。

3、刃倾角的主要功用是影响切屑的流出方向，刃倾角的大小和正负确定了流屑角的大小和正负，合理选择刃倾角和前刀面型式，可以控制切屑的排出方向。

同样刃倾角还影响切削刃的锋利性、影响刀尖强度和刀尖导热和容热条件、影响切入切出的平稳性、影响切削刃的工作长度、影响切削分力之间的比值。

刃倾角并不是越大越好，而是在一定的条件下有一定的合理数值，是有一定的选择原则的。

4、不论是主偏角还是副偏角，他们的共同功用是使刀具的各条切削刃有合理的分工、联结与配合，保证合理的刃形和切削层形状，同时保证刀尖部位具有一定的强度、导热面积、和容热体积。

选择合理的主偏角、副偏角和其他切削角度，可以提高加工表面质量，提高刀具使用寿命和生产率。

主偏角、副偏角的功用:影响切削加工残留面积高度，从这个因素看来，减小主偏角和副偏角，可以减少加工表面粗糙度，特别是副偏角对加工表面粗糙度的影响更大。

主偏角还影响断屑效果和排屑方向。

此外他还影响三个切削力的大小和比例关系，所以在选择主偏角和副偏角的时候还是考虑选用规则的。

在此基础上，根据之前几个模块输入的条件，比如，加工工艺(精加工、粗加工)、复杂刀具类型、刀具材料(切削部分)、工件材料、来优化刀具的整体几何角度(前角、后角、刃倾角、主偏角、副偏角)，若是可转位刀具，还要计算出刀片槽的加工几何参数。

第二.BTA 深孔钻是内排屑深孔钻的一种典型结构，它是在单刃内排屑深孔钻的基础上改进而成，其切削刃呈双面错齿状，切屑从双面切下，并经双面排屑孔进入钻杆排出孔外。

BTA 深孔钻切削力分布均匀，分屑、断屑性能好，钻削平稳可靠，钻削出的深孔直线性好。

BTA 深孔钻具有以下结构特点：1.刀体上分布有外刃刀片、中刃刀片、内刃刀片、导向块和双面排屑孔，并通过刀体上的浅牙多头矩形螺纹与空心钻杆联接。

2.钻芯部分由内刀刃代替了麻花钻的横刃，从而克服了麻花钻横刃较长、轴向阻力较大的缺点；由于钻芯相对于钻孔轴心线偏移了一段距离，加工时钻芯处刀刃低于中心处刀刃，因此会形成一个导向芯柱(见图1)，使钻头具有较好的导向性，钻孔时不易偏斜，该导向芯柱增长到一定长度后会自行折断并随切屑一起排出。

3.主刀刃采用非对称的分段、交错排列形式，可保证分屑可靠，并避免用整体硬质合金刀片磨削卷屑槽、分屑槽时易产生裂纹的情况。

4.刀片材料可采用几种不同牌号的硬质合金，以适应各部分结构对耐磨性和强度的不同要求，如钻芯部分切削速度低、切削力大，在切屑挤压作用下易发生崩刃，可选用韧性较好的硬质合金刀片；钻头外缘部分则可选用耐磨性较好的硬质合金刀片。

切屑的卷曲形式与断屑方法艾小凯常兴王琪摘要：以塑性理论为基础，分析了切屑卷曲形式，提出了设计卷屑台的具体方案。

关键词：切削切屑塑性变形断屑Chip Curling Forms and Chip Breaking MethodAi Xiaokai et alAbstract：On the basis of plastic theore chip curling forms are analysed，and a concrete scheme of designing chip groove is put forward．Keywords：cutting chip plastic deformation chip breaking在金属切削加工中，不利的屑形将严重影响操作安全、加工质量、刀具寿命、机床精度和生产率。

因此有必要对切屑的卷曲形式和断屑方法进行深入研究，以便对切屑形态进行有效控制。

1．切屑卷曲形式在塑性金属切削加工过程中，由于切屑向上卷曲和横向卷曲的程度不同，所产生的切屑形态也各不相同。

为了便于分析切屑卷曲的形式，可将切屑分为向上图1 BTA深孔钻钻孔时形成的导向芯柱卷曲型、复合卷曲型和横向卷曲型三大类。

在脆性金属切削加工中，容易产生粒状切屑和针状切屑，只有在高速切削、刀具前角较大、切削厚度较小时，此类切屑的卷曲方向才与一般情况下略有差异。

在切削塑性金属时，如刀具刃倾角为0°，有卷屑槽且切削宽度较大，切屑大多向上卷曲。

在其它情况下，切屑大都为横向卷曲。

例如，在外圆车削加工中，当进给量与背吃刀量之比较大，且刀具的前角为0°时，切屑容易横向卷曲成垫圈状（见图1）。

这是因为切屑两端部分在横向上变宽，而切屑的体积不变，横向变宽部分的厚度必然变薄，若长度不缩短，就必然产生横向卷曲；另外，若在车刀上磨有过渡刃，加上刀尖和副切削刃的作用，使得在切屑宽度方向上剪切角发生变化，也可使切屑产生横向弯曲而呈垫圈状。

图1垫圈状切屑在通常情况下，切屑不可能仅仅向上卷曲或横向卷曲，而是在向上卷曲的同时也产生横向卷曲。

长紧卷屑和螺状卷屑的形成就是切屑同时向上和横向卷曲的结果（如图2）。

图2精车时的长螺状卷屑2 断屑方法在塑性金属切削中，直带状切屑和缠绕形切屑是不受欢迎的；而在脆性金属切削中，又希望得到连续型切屑。

通常，改变切削用量或刀具几何参数都能控制屑形。

在切削用量已定的条件下加工塑性金属时，大都采用设置断屑台和卷屑槽来控制屑形。

本文主要讨论卷屑槽基本参数的计算。

图3是直线型、直线圆弧型和圆弧型三种卷屑槽的基本形式。

其主要参数如下：（1）接触长度L图3中，切屑在前刀面上的接触长度可由下式［4］获得L＝K m a ch sin（φ＋β－γo）／sinφcosβ（1）式中K m——切屑与前刀面接触长度修正系数，一般取1．6左右a ch——切屑厚度（2）卷屑槽半径R2由断裂理论可知，塑性金属的断屑条件是εf≥εfc（2）式中εf——切屑卷曲应变εfc——临界断裂应变图3卷屑槽的基本形式及参数对于向上卷曲型切屑，其折断条件如图4所示。

假设在切屑外表面拉长ΔL 后达到断裂极限，由几何关系得ΔL＝（R1＋y）dθ－R1dθ（3）式中ΔL——切屑断裂时断裂表面的伸长量R1——切屑断裂时的卷曲半径y——切屑中性层至断裂表面的法向距离因为弯曲应变为ε＝Δl／l式中l——中性层上的切屑长度所以断裂应变为εfc＝［（R1＋y）dθ－R1dθ］／R1dθ＝y／R1（4）由塑性力学知σb＝Eεfc（5）由式（4）和式（5）可得向上卷曲型切屑折断时的卷曲半径为R1＝Ey／σb（6）图4向上卷曲型切屑的折断条件由于短耳状切屑与弧形切屑类似，故其理论模型可参照弧形切屑（略）。

对于长耳状切屑，因其与刀具后刀面碰撞而折断，故其理论模型如图5所示。

其应变可由下式求出εfc＝0．5a ch（1／R2＋1／R L）（7）式中a ch——切屑厚度R2——卷屑槽半径R L——长耳状切屑断裂时的卷曲半径图5长耳状切屑的卷曲折断条件由式（5）和式（7）可得卷屑槽半径为R2＝1／（2σb／Ea ch＋1／R L）（8）以切削45钢（调质）为例，其弹性模量E＝206GPa，强度极限σb＝650GPa，测得切屑厚度为0．2mm。

由式（6）得R1＝31．7mm，由式（8）得R2＜31．7mm。

为了保证断屑，根据不同材料，可选取断屑系数为8～12，此时卷屑槽最大卷曲半径为2.64～3.96mm，而由试验统计得到的卷屑槽卷曲半径为3mm左右。

通过分析发现，金属经过塑性变形以后，硬度和强度大大提高，而塑性和韧性却显著下降，这是造成理论值远远高于试验值的主要原因。

因此，在设计卷屑槽时，断屑系数可选取理论值与试验值之比。

卷屑槽半径最后计算公式为R＝R1／n（9）式中R——卷屑槽卷曲半径n——断屑系数，一般取8～12（3）在中等切深情况下，一般可选取θ＝110°～120°（参见图3）。

θ角太小会使切屑堵塞在槽中，造成打刀；θ角太大，则会使切屑卷曲半径太大，切屑因变形小而不折断。

（4）卷屑槽与主切削刃的倾斜方式分为外斜式、平行式和内斜式。

外斜式卷屑槽容易造成切屑翻转到车刀后刀面而得到C形屑（短耳状或长耳状切屑）；平行式卷屑槽的切屑大多是碰到工件加工表面折断；内斜式卷屑槽的切屑容易形成连续的长紧卷屑。

切削中碳钢时，内斜式和外斜式卷屑槽的斜角常取8°～10°［6］。

作者单位：艾小凯常兴华北工学院（太原030051）王琪河北秦皇岛电视大学（066001）参考文献[1]陈日曜．金属切削原理．机械工业出版社，1993[2]常兴．金属切削过程中物理现象问题的探讨．太原机械学院学报，1984（2）[3]曹鸿德．塑性变形力学基础与轧制原理．机械工业出版社，1981[4]［日］中山一雄著，李云芳译．金属切削加工理论．机械工业出版社，1985[5]［美］G布思罗伊德著，山东工学院机制教研室译．金属切削加工的理论基础．山东科学技术出版社，1980[6]华南工学院，甘肃工业大学主编．金属切削原理及刀具设计（上册）．上海科学技术出版社，1979[7]常兴．关于脆性金属切屑形状和变形的试验研究．中国兵工学会论文选编，1984编辑：石明收稿日期：1998年10月因而建立数学模型的难度甚大。