車刀幾何角度對(duì)切削過(guò)程的影響與角度選擇原則

摘要：合理選擇車刀幾何角度，有利于改善加工條件，提高工件加工質(zhì)量，延長(zhǎng)刀具與設(shè)備的使用壽命。現(xiàn)從車刀幾何角度在切削過(guò)程中對(duì)切削力、切削熱和刀具耐用度的影響角度，分析車刀幾何角度選擇的一般原則。

關(guān)鍵詞：幾何角度 切削力 切削熱 耐用度

車刀的幾何角度表示了車刀切削部分各幾何要素之間，或它們與參考平面之間構(gòu)成的兩面角或線、面之間的夾角。它們分別決定著車刀的切削刃和各刀面的空間位置。科學(xué)合理地選擇車刀的幾何角度，有利于改善加工條件，提高工件加工質(zhì)量，延長(zhǎng)刀具與設(shè)備的使用壽命。本文從車刀幾何角度對(duì)切削力、切削熱和刀具耐用度影響等角度，分析車刀幾何角度選擇的一般原則。

一、車刀的六個(gè)幾何角度及含義

刀具的切削性能、鋒利程度、強(qiáng)度、排屑等主要是由刀具的幾何角度決定的。車刀的幾何角度中前角、后角、主偏角和刃傾角是主切削刃上四個(gè)最基本的角度。

二、車刀幾何角度對(duì)切削力的影響

在金屬切削時(shí)，刀具切入工件，將多余材料從工件上切除會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的力的作用，這些力統(tǒng)稱為切削力。切削力主要來(lái)源于被加工材料在發(fā)生彈性和塑性變形時(shí)的抗力、刀具與切屑及工件表面之間的摩擦力。根據(jù)切削力產(chǎn)生的作用效果的不同，可將切削力分解成三個(gè)相互垂直方向的分力。它們分別是：主切削力F ，進(jìn)給抗力F 和切深抗力F ；其中，F(xiàn) 是切削總力F 沿主運(yùn)動(dòng)切向分解而得；F 也叫軸向力，它是F 沿工件軸向的分力；F 也叫徑向力，它是F 沿著工件徑向的分力，當(dāng)機(jī)床或工藝系統(tǒng)剛度不足時(shí)，易引起振動(dòng)。

（一）前角對(duì)切削力的影響

前角增大，刀尖鋒利，金屬塑性變形減小，沿前刀面的摩擦力減小，因此切削力減小。

前角的增大，對(duì)切削分力F 、F 的影響程度也不一樣，當(dāng)主偏角K 較大時(shí)，對(duì)F 的影響較明顯，而當(dāng)主偏角K 較小時(shí)，則對(duì)F 的降低幅度更大些。

（二）主偏角對(duì)切削力的影響

主偏角的改變，會(huì)改變各切削分力間的比例，從而改變了各分力的大小。實(shí)踐證明，主偏角對(duì)主切削力的影響較小，對(duì)進(jìn)刀抗力F 和走刀抗力F 的影響較大；根據(jù)切削力分解公式：F ＝F cosK ；Fx＝F sinK 分析，主偏角減小，則軸向力增大，徑向力減小；主偏角增大，使F 減小，F(xiàn) 增大，這有利于減輕工件的變形和系統(tǒng)的振動(dòng)。（往往采用較大主偏角的車刀切削細(xì)長(zhǎng)軸類零件，來(lái)減小徑向分力F ，就是這個(gè)道理）

但當(dāng)工藝系統(tǒng)剛性較差時(shí)，主偏角減小，軸向力增大，易引起振動(dòng)，因此，在選擇主偏角時(shí)也要考慮此問(wèn)題。

（三）刃傾角λ 對(duì)切削力的影響

刃傾角λ 對(duì)主切削力F 影響較小，但對(duì)進(jìn)給抗力F 和切深抗力F 的影響較大。當(dāng)λ 減小時(shí)，使刀具受到的正壓力的方向發(fā)生了變化，從而改變了切削合力F 及其分力F 的作用方向，使F 增大，F(xiàn) 減小。由此可見，從切削力角度分析，切削時(shí)不宜選用過(guò)大的負(fù)刃傾角，否則會(huì)增大F 的作用而產(chǎn)生振動(dòng)，從而影響加工質(zhì)量。

三、車刀幾何角度對(duì)切削熱的影響

車削過(guò)程所消耗的能量，除了極少部分用以形成新表面外，絕大部分都轉(zhuǎn)換為熱能，以切削熱的形式表現(xiàn)出來(lái)，使工藝系統(tǒng)的溫度升高。分析可知，車削時(shí)熱量主要來(lái)源于切屑的變形功和前、后刀面的摩擦功。這些熱量產(chǎn)生后又將通過(guò)切屑、工件、刀具和周圍介質(zhì)傳出，使產(chǎn)熱與散熱達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。影響切削熱與切削溫度的因素很多，這里分析車刀幾何角度對(duì)其產(chǎn)生的影響。

（一）前角對(duì)切削溫度的影響

前角增大，使切削力下降，切屑的變形和工藝系統(tǒng)的摩擦減輕，使產(chǎn)生的切削熱減少，從而降低了切削溫度。事實(shí)上，切削溫度的高低不僅取決于工藝系統(tǒng)產(chǎn)生熱量的多少，還受工藝系統(tǒng)散熱條件的影響。

（二）主偏角對(duì)切削溫度的影響

減小主偏角時(shí)，使切削寬度增大，切削厚度減小，切削變形和摩擦減輕，同時(shí)，切削寬度增大后，散熱條件改善，又有利于降低切削溫度。因此，當(dāng)工藝系統(tǒng)剛性足夠時(shí)，采用小的主偏角切削，是降低切削溫度、提高刀具的耐用度的一個(gè)重要措施，尤其是切削難加工材料時(shí)效果更顯著。

四、車刀幾何角度對(duì)刀具耐用度的影響

刀具的耐用度就是用來(lái)衡量刀具連續(xù)切削時(shí)間長(zhǎng)短的參量，是指刀具從開始使用至達(dá)到磨損限度為止所用的連續(xù)的切削時(shí)間，它是衡量刀具切削性能的重要指標(biāo)。由于刀具幾何角度對(duì)耐用度的影響較大，合理選擇刀具幾何角度，可以大幅度提高刀具的耐用度。

（一）前角對(duì)刀具耐用度的影響

適當(dāng)增大前角，有利于減少切削力，降低切削溫度，使刀具的耐用度提高。但是，如果前角增大到一定值以后，會(huì)使刀刃強(qiáng)度下降，散熱條件逐漸變差，而且刀刃易于產(chǎn)生破損，耐用度反而會(huì)下降。

（二）主偏角對(duì)刀具耐用度的影響

適當(dāng)減小主偏角，能降低摩擦，提高刀具強(qiáng)度，改善散熱條件，使刀具耐用度升高。當(dāng)然，隨著主偏角和副偏角的減小，會(huì)使系統(tǒng)的切深抗力F 增大，當(dāng)系統(tǒng)剛性不足時(shí)，會(huì)引起振動(dòng)而影響加工質(zhì)量。

五、車刀幾何角度的選擇原則

車刀的幾何角度對(duì)車刀的切削性能有很重要的影響，科學(xué)合理的選擇車刀的幾何角度，應(yīng)以保證加工質(zhì)量，滿足刀具的耐用度，提高生產(chǎn)率為目的。（粗加工、半精加工時(shí)，應(yīng)提高生產(chǎn)率和滿足刀具的耐用度；精加工時(shí)應(yīng)保證加工的質(zhì)量）同時(shí)，還應(yīng)考慮車刀幾何角度對(duì)切削過(guò)程中的切削力、切削熱和刀具耐用度的影響，合理選擇車刀的幾何角度。

（一）車刀前角選擇原則

前角主要影響切削過(guò)程中的變形和摩擦、刀具強(qiáng)度，改變散熱條件，影響刀具的耐用度。選擇前角時(shí)，應(yīng)該綜合考慮材料和加工工藝的要求。1. 在刀具強(qiáng)度允許的條件下，盡量選用大前角。2. 被加工的材料導(dǎo)熱系數(shù)低，應(yīng)該選擇小前角車刀，以改善散熱效果，提高車刀的耐用度。3. 在加工高強(qiáng)度材料時(shí)，為了防止車刀的破損，常采用負(fù)前角，以提高車刀的使用壽命。

（二）車刀后角的選擇原則

后角主要影響切削時(shí)的摩擦和刀具強(qiáng)度。1. 當(dāng)工件材料的強(qiáng)度、硬度較高時(shí)，宜取較小后角，以提高刀具強(qiáng)度；2. 當(dāng)工藝系統(tǒng)剛性較差時(shí)，應(yīng)適當(dāng)減小后角，防止系統(tǒng)產(chǎn)生振動(dòng)；3. 當(dāng)加工精度要求較高時(shí)，應(yīng)采用小后角。

（三）主偏角的選擇原則

主偏角主要影響刀具強(qiáng)度、耐用度和工藝系統(tǒng)加工穩(wěn)定性。1. 在工藝系統(tǒng)剛性不足時(shí)，常取較大主偏角，以減小切削力。2. 在加工高強(qiáng)度、高硬度材料時(shí)，取較小主偏角以提高刀具的耐用度。3. 副偏角影響工件的表面質(zhì)量和刀具強(qiáng)度，在系統(tǒng)不易產(chǎn)生振動(dòng)和摩擦的條件下，應(yīng)選擇較小的副偏角。

注：“本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請(qǐng)以PDF格式閱讀原文。”