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[刀具设计] 刀具几何角度对金属切削加工的影响分析及选用策略

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    发表于 2021-1-29 08:50:01 | 显示全部楼层 |阅读模式
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    刀具几何角度对金属切削加工的影响分析及选用策略
    李玉平
    (新余学院机电工程学院,江西 新余 338004)
    摘 要:刀具几何角度是影响刀具切削加工性能的重要参数。合理选用刀具几何角度,对保证加工质量、提高加工效率、降低加工成本具有重要意义。文章通过分析刀具几何角度对切削加工的影响,总结出刀具几何角度选用的基本策略,力求在生产实践中选择最为合理的刀具几何角度,充分发挥刀具潜在的切削能力,实现优质、高效、低成本的加工目标。
    关键词:刀具几何角度;切削加工;影响分析;选用策略

    [size=1em]金属切削加工的目的是在保证产品质量的前提下,提高效率、降低成本。要解决好质量、效率、成本三者之间的关系,除了要制定合理的工艺规程,配置合适的工艺装备,还受到切削条件的影响。切削条件包括切削刀具的几何角度,切削用量以及切削过程中的冷却润滑条件等。所以切削加工必须根据工件材料,加工性质及工艺条件等,合理选择刀具的几何角度,使刀具潜在的切削性能得到充分有效的发挥,在确保加工质量的前提下,既能提高加工效率,又能降低加工成本[1]。

    1 刀具几何角度对金属切削加工的影响分析及选用策略

    [size=1em]刀具的几何角度主要包括前角、后角、主偏角、副偏角、刃倾角等。刀具几何角度对加工质量、切削变形、切削力、切削温度及刀具耐用度都有显著的影响。下面主要分析这些角度对切削加工的影响及选用策略。

    1.1 刀具前角(γo)对金属切削加工的影响分析及选用策略

    [size=1em]1.1.1 刀具前角对金属切削加工的影响分析

    [size=1em]前角是刀具的重要参数之一,它对切削加工的影响主要表现在以下几个方面:

    [size=1em](1)影响切削过程中的切削变形和切削力。在其他条件不变的前提下,前角增大,刀头锋利,切削轻松省力,切屑容易流出,不仅可以减小切削变形、切削力和切削功率,而且有利于提高加工表面质量。

    [size=1em](2)影响刀头的强度、散热条件及受力性质。前角增大,刀头强度降低,切削区散热条件恶化,切削温度升高,磨损加剧,刀具耐用度降低,甚至崩刃。

    [size=1em]1.1.2 刀具前角的选用策略

    [size=1em]根据上述分析可知,前角的选择要在保证加工质量的前提下,既希望刀刃锋利,切削起来轻松省力,又希望能够兼顾刀头强度和散热条件,提高刀具耐用度。所以在一定的加工条件下,必然存在一个合理的前角。

    [size=1em](1)工件材料的强度硬度越高,切削力越大,切削温度越高,为了保证刀头强度,改善散热条件,减缓刀具的磨损,应选择较小的前角,如正火高碳钢常取 7e016b2cb86d7847783fba08a010a7ab.png ;材料的塑性韧性越好,摩擦越大,为了减小摩擦,避免积屑瘤,一般选用较大的前角,如加工低碳钢常取 b0fa6b2a76de8cc97673b701d5419258.png ;加工脆性材料,切削刃受力集中而且承受冲击力,甚至出现崩刃现象,为了提高切削刃强度和散热能力,刀具前角通常比加工塑性材料时取值要小,如加工灰铸铁常取 28384f6dd7081cdef5a6a8d673b92e67.png

    [size=1em](2)不同的刀具材料,性能特点不同,所选的前角也不相同。高速钢比硬质合金钢强度高,韧性好,因此,前角要比硬质合金刀具大5 ~10 ;陶瓷材料又比硬质合金的脆性更大,为了保证切削刃强度,所选前角应比硬质合金刀具更小;立方氮化硼刀具脆性更大,通常采用负前角进行切削。

    [size=1em](3)粗加工和断续加工时,由于振动冲击比较大,主要考虑刀头强度,通常选用较小的前角;精加工时,主要考虑加工质量,通常选用较大的前角[2]。

    [size=1em](4)工艺系统刚性较差,或机床功率较小时,为了减小切削力,应该选用较大的前角。

    [size=1em](5)数控加工或自动化加工,为了减少刀具的磨损,保障刀具的耐用度及工作的稳定性,前角应选用较小值;展成刀具或成型刀具,为了增加刀头的强度,防止刃形畸变,常取较小的前角,甚至取0 度[3]。

    1.2 刀具后角(αo)对金属切削加工的影响分析及选用策略

    [size=1em]1.2.1 刀具后角对加工过程的影响分析

    [size=1em](1)影响刀头的强度。后角越大, 刀头强度越弱,散热体积减小,且径向磨纯标准NP 一定时的磨耗体积小, 刀具耐用度降低。

    [size=1em](2)影响刀具后刀面与加工表面之间的摩擦。在刀具磨钝标准一定的前提下,后角越大,摩擦越小,刀具耐用度越高,加工表面质量越好。

    [size=1em]1.2.2 后角的选用策略

    [size=1em]在实际生产中,为了减小摩擦, 提高表面质量,自然希望选取较大后角,但从增强刀刃强度, 改善刀刃的散热条件来考虑, 又希望选取较小后角, 因而存在一个合理的后角。

    [size=1em](1)加工高硬度、高强度的材料, 通常采用较小的后角来增加刀头的强度; 加工塑性材料, 通常选取较大的后角,目的是为了减小后刀面与已加工表面的摩擦,减小加工硬化,防止刀具后刀面磨损;加工脆性材料时, 为了保证切削刃的强度,应选较小的后角;加工特硬材料时, 由于采用了较大的负前角,为了便于切入,通常选取较大的后角。

    [size=1em](2)粗加工、断续切削或强力切削,为增加刀具强度,后角应取较小值;精加工时,通常选取较大的后角,目的是减小后刀面和加工表面之间的摩擦,提高加工表面质量。

    [size=1em](3)对于刚性差的工艺系统, 为了增大摩擦,减小加工过程中的振动,通常选用较小的后角,甚至采用负后角,并带有消振棱。

    [size=1em](4)高精度刀具和定尺寸刀具,通常选取较小的后角,以保证重磨后刀具尺寸精度;采用多刃刀具切削, 且切削厚度较薄时,应选取较大后角。

    1.3 主偏角(Kr)对金属切削加工的影响分析及选用原则

    [size=1em]1.3.1 主偏角对切削加工的影响

    [size=1em](1)影响刀具耐用度。随着主偏角的减小,切削层的形状变宽变薄,作用在主切削刃单位长度上的负荷减轻,磨损减慢, 同时,随着主偏角的减小,刀尖强度提高,散热体积增大,磨损减慢,刀具耐用度提高。

    [size=1em](2)影响已加工表面质量。减小主偏角,可降低表面残留层高度,减小已加工表面粗糙度值,提高加工表面质量。

    [size=1em](3)影响切削分力比值及切削层单位面积切削力。随着主偏角的减小,在总切削力一定的前提下,背向分力增大,容易引起工件的弯曲变形及工艺系统振动。当工艺系统刚度不足时,会使刀具寿命降低,工件的加工精度降低。

    [size=1em]1.3.2 主偏角的选用策略

    [size=1em]由上述分析可知,主偏角的选择不能过大,也不能过小,在一定的切削条件下,存在一个合理取值[4]。

    [size=1em](1)加工高硬度的材料,如淬硬钢和冷硬铸铁时,刀具容易磨损,在确保系统刚性足够的前提下,可取较小的主偏角(Kr =10 ~30),达到增加刀头的强度,提高刀具耐用度的目的。

    [size=1em](2)粗加工时,为了减少振动、便于采用较大的切削深度和控制切屑,通常选用较大的主偏角;精加工时,为了提高表面质量,通常选取较小的主偏角。

    [size=1em](3)当工艺系统的刚度较差或强力切削时,为了减小振动,一般选取较大的主编角,取κr=60°~75° ;车削细长轴时,为减小背向力,常取κr=90°~93°。

    [size=1em](4)需要从中间切入的刀具及仿形车刀,通常选取较大的主偏角;车削阶梯轴时,选用90 的偏刀;要用一把刀加工外圆、端面和倒角时可取Kr =45。

    1.4 副偏角(Kr)对切削加工的影响分析及选用原则

    [size=1em]1.4.1 副偏角对切削加工的影响

    [size=1em](1)影响已加工表面质量。副偏角的大小直接影响表面层的残余高度,从而影响已加工表面的质量。副偏角越小,已加工表面质量越好。

    [size=1em](2)影响刀具耐用度。随着副偏角的减小,刀尖强度提高,散热体积增大,磨损减慢,刀具耐用度提高。

    [size=1em]1.4.2 副偏角的选用策略

    [size=1em]主要根据工件已加工表面的粗糙度要求和刀具耐用度来选择。

    [size=1em](1)一般刀具的副偏角,在工艺系统刚性足够的前提下,尽量选取较小值,即可提高刀具的耐用度,又有利于工件表面质量的提高。

    [size=1em](2)精加工刀具,为了提高加工表面质量,通常选取较小的副偏角,必要时,可在副切削刃上磨出一段κr'=0°的修光刃。

    [size=1em](3)切槽刀和切断刀等由于受到刀具结构的限制,只能取很小的副偏角,通常取Kr=1 ~3。

    [size=1em](4)当系统刚度较差或从工件中间切人时,可取κr'=30°~45°。切断刀,锯片铣刀和槽铣刀等,为了保持刀具强度和重磨后宽度变化较小,副偏角宜取130。

    1.5 刃倾角(s) 对切削加工的影响分析及选用原则

    [size=1em]1.5.1 刃倾角对切削加工的影响

    [size=1em](1)影响切屑的流出方向。刃倾角为正值时,切屑流向待加工表面;刃倾角为零时,切屑垂直于主切削刃流出; 刃倾角为负值时,面。

    [size=1em](2)影响刀头强度。刃倾角越大,刀头强度越弱,切削刃越锋利,断续切削时冲击越大,切削过程越不平稳,容易崩刃。

    [size=1em](3)影响切削分力的大小。刃倾角越小时,背向力越大,工件变形及振动明显。

    [size=1em]1.5.2 刃倾角的选用策略

    [size=1em](1)加工高强度钢、高锰钢、淬硬钢时,可取 51e21593e55637df1e0b418847be6c0d.png 或负数的绝对值更大一些,可以增加刀头的强度,切削时刀尖可避免受到冲击,散热条件好,提高刀具的耐用度;加工一般钢料 3a194a74ce44f899b5bcc4add503f9eb.jpg 增加刀头的强度,提高刀具的耐 0ff0bc2785bf1e919249a490182b7f42.jpg 屑流向待加工表面,防止划伤已加工表面;有冲击负荷时, eed3dd0f639ffa707aebe2ac59c2b2ca.jpg fba71c076aa892bea1e10280995cdd4d.jpg

    [size=1em](2)工艺系统刚性不足时,尽量不采用负刃倾角,避免背向力过大,引起工件变形和振动。

    2 结语

    [size=1em]需要强调的是,上述的选用策略并不是一成不变的。由于刀具各角度之间是互相关联的,孤立地选择某一角度是不科学的,也不可能达到理想的切削效果。例如:刀具前角和后角是相互影响的,刀具前角和刃倾角的选择也常常是互相影响的。强力切削时,为强化刀刃,通常选较小的前角,过小的前角会导致切屑变形太大,切削力过大,此时我们可以考虑增大前角,同时采用负的刃倾角及负倒棱来强化切削刃,采用过渡刃来强化刀尖,从而达到理想的切削效果。由此可见,刀具几何角度的选择,应该在综合考虑各关联因素的基础上灵活确定,许多先进刀具就是采用这样的策略而设计出来的。

    [size=1em]参考文献

    [size=1em][1] 王旭东,浅谈如何选择刀具的几何角度,《职业》[J],2010.

    [size=1em][2] 吴菁,基于虚拟加工车削参数优化方法的研究,《中国博士学位论文全文数据库》,2009.

    [size=1em][3] 张永强,高速切削雷达结构件的工艺研究,《中国优秀博硕士学位论文全文数据库( 硕士)》,2002.

    [size=1em][4] 宁伟嫦. 姜峰,浅析刀具几何角度的合理选择,《商品与质量:消费研究》,2015.



    [size=1em]中图分类号:G642

    [size=1em]文献标识码:A

    [size=1em]文章编号:11-5004(2020)21-0191-2

    [size=1em]收稿日期:2020-11

    [size=1em]作者简介:李玉平,女,生于1965 年,汉族,江西丰城人,教授,研究方向:机械设计与制造。



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