1.6　刀具几何参数与切削用量的合理选择

刀具的几何参数与切削用量的合理选择，对保证质量、提高生产率、降低加工成本有着非常重要的影响。

1.刀具几何参数的选择

刀具几何参数可分为两类：一类是刀具角度参数，另一类是刀具刃型尺寸参数。各参数之间存在着相互依赖、相互制约的作用，因此应综合考虑各种参数以便进行合理的选择。虽然刀具材料的优选对于切削过程的优化具有关键作用，但是，如果刀具几何参数的选择不合理也会使刀具材料的切削性能得不到充分发挥。

在保证加工质量的前提下，能够满足刀具使用寿命长、生产效率高、加工成本低的刀具几何参数，称为刀具的合理几何参数。

1）选择刀具几何参数应考虑的因素

（1）工件材料。要考虑工件材料的化学成分、制造方法、热处理状态、物理和机械性能（包括硬度、抗拉强度、延伸率、冲击韧性、导热系数等），还有毛坯表层情况、工件的形状、尺寸、精度和表面质量要求等。

（2）刀具材料和刀具结构。除了要考虑刀具材料的化学成分、物理和机械性能（硬度、抗拉强度、冲击值、耐磨性、热硬性和导热系数）外，还要考虑刀具的结构形式，例如是整体式，还是焊接式或机夹式。

（3）具体加工条件。考虑机床、夹具的情况，工艺系统刚性及功率大小，切削用量和切削液性能等。一般地说，粗加工时，着重考虑保证最大的生产率；精加工时，主要考虑保证加工精度和已加工表面的质量要求；对于自动线生产用的刀具，主要考虑刀具工作的稳定性，有时要考虑断屑问题；机床刚性和动力不足时，刀具应力求锋利，以减少切削振动。

2）刀具角度的选择

（1）前角及前面的选择。

①前面形式：前面形式有平面形、曲面形和带倒棱形三种形式，如图1-32所示。

②前角的作用：前角影响切削过程中的变形和摩擦，同时又影响刀具的强度。前角γo对切削的难易程度有很大影响。增大前角能使刀刃变得锋利，使切削更为轻快，并减小切削力和切削热。前角的大小对表面粗糙度、排屑和断屑等也有一定影响。增大前角还可以抑制积屑瘤的产生，改善已加工表面的质量。但前角过大，刀刃和刀尖的强度下降，刀具导热体积减少，影响刀具使用寿命。因此刀具前角存在一个最佳值γopt，通常称γopt为刀具的合理前角，如图1-33所示。

③前角的选择原则：在刀具强度许可条件下，尽可能选用大的前角。工件材料的强度、硬度低，前角应选得大些，反之应选得小些（如有色金属加工时，选前角较大）刀具材料韧性好（如高速钢），前角可选得大些，反之应选得小些（如硬质合金）。精加工时，前角应选得大些；粗加工时应选得小些。表1-5所示为硬质合金车刀合理前角、后角的参考值。

续表

（2）后角和后面的选择。

①后面的形式：后面的形式有双重后面、消振棱和刃带。

●双重后面。为保证刃口强度，减少刃磨后面的工作量，常在车刀后面磨出双重后角，如图1-34（a）所示。

●消振棱。为了增加后面与过渡表面之间的接触面积，增加阻尼作用，消除振动，可在后面上刃磨出一条有负后角的倒棱，称为消振棱，如图1-34（b）所示。其参数为bα1=0.1～0.3mm，αo1=-20°～-5°。

●刃带。对一些定尺寸刀具（如钻头、绞刀等），为便于控制刀具尺寸，避免重磨后尺寸精度的变化，常在后面上刃磨出后角为0°的小棱边，称为刃带，如图1-34（c）所示。刃带形成一条与切削刃等距的棱边，可对刀具起稳定、导向和消振作用，延长刀具的使用时间。刃带不宜太宽，否则会增大摩擦作用。刃带宽度bα=0.02～0.03mm。

②后角的作用：后角αo的主要作用是减小后面与工件间的摩擦和后面的磨损，其大小对刀具耐用度和加工表面质量都有很大影响。后角同时又影响刀具的强度。

③后角的选择原则：增大后角，可减小刀具后面与已加工表面的摩擦，减小刀具磨损，还可使切削刃钝圆半径减小，刀尖锋利，提高工件表面质量。但后角太大，使刀楔角显著减小，削弱切削刃的强度，使容热体积减小、散热条件变差，降低刀具耐用度。因此，后角也存在一个合理值。粗加工以确保刀具强度为主，可在4°～6°范围内选取；精加工以加工表面质量为主，常取8°～12°。

一般来说，切削厚度越大，刀具后角越小；工件材料越软，塑性越大，后角越大；工艺系统刚性较差时，应适当减小后角（切削时起支承作用，增加系统刚性并起消振作用）；工件尺寸精度要求较高时，后角宜取小值。

（3）主偏角和副偏角的选择。

①主偏角和副偏角的作用：

●影响已加工表面的残留面积高度。减小主偏角和副偏角可以减小已加工表面粗糙度值，特别是副偏角对已加工表面粗糙度影响更大。

●影响切削层形状。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。在切削深度和进给量一定的情况下，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随之增大。因此，主偏角直接影响刀具的磨损和使用寿命。

●影响切削分力的大小和比例关系。增大主偏角可减小背向力Fp，但增大了进给力Ff。同理，增大副偏角，也可使Fp减小。而Fp的减小，有利于减小工艺系统的弹性变形和振动。

●影响刀尖角的大小。主偏角和副偏角共同决定了刀尖角εr，故直接影响刀尖强度、导热面积和容热体积。

●影响断屑效果和排屑方向。增大主偏角，切屑变厚变窄，容易折断。

②主偏角的选择原则。主偏角的大小影响刀具耐用度、背向力与进给力的大小。减小主偏角能提高刀刃强度、改善散热条件，并使切削层厚度减小、切削层宽度增加，减轻单位长度刀刃上的负荷，从而有利于提高刀具的耐用度；而加大主偏角，则有利于减小背向力，防止工件变形，减小加工过程中的振动和工件变形。主偏角的选择原则是在保证表面加工质量和刀具耐用度的前提下，尽量选用较大值。工艺系统指切削加工时由机床、刀具、夹具和工件所组成的统一体。加工细长轴时，工艺系统刚度差，应选用较大的主偏角，以减小背向力。加工强度、硬度高的材料时，切削力大，工艺系统刚度好时，应选用较小的主偏角，以增大散热面积，提高刀具耐用度。主偏角的参考值如表1-6所示。

③副偏角的选择原则。副偏角影响刀具的耐用度和已加工表面的粗糙度。增大副偏角，可减小副切削刃与已加工表面的摩擦，防止切削时产生振动。减小副偏角有利于降低已加工表面的残留高度，降低已加工表面的粗糙度，但加剧了副后面与已加工表面的摩擦，如图1-35所示。副偏角的选择原则是在保证表面质量和刀具耐用度的前提下，尽量选用较小值。

一般情况下，当工艺系统允许时，尽量取小的副偏角。外圆车刀常取κr=6°～10°。粗加工时，可大一些，κr=10°～15°；精加工时可小些，κr=6°～10°。为了降低已加工表面的粗糙度，有时还可以磨出κr=0°的修光刃。

（4）过渡刃的形式。在主切削刃与副切削刃之间有一条过渡刃，如图1-36所示。过渡刃有直线过渡刃和圆弧过渡刃两种。过渡刃的作用是提高刀具强度，延长刀具耐用度，降低表面粗糙度。

①直线刃：如图1-36（a）所示。在粗车或强力车削时，一般取过渡刃偏角κre=κr/2，长度bε=0.5～2mm。

②圆弧刃：如图1-36（b）所示。圆弧刃即刀尖圆弧半径rε。rε增大时，可减小表面粗糙度值，且能提高刀具耐用度，但会增大背向力Fp，容易引起振动，所以rε不能过大。通常高速钢车刀rε=0.5～3mm，硬质合金车刀rε=0.5～2mm。

③水平修光刃：如图1-36（c）所示。水平修光刃是在刀尖处磨出一小段的平行刀刃。长度一般应大于进给量。具有修光刃的刀具若刀刃平直，装刀精确，工艺系统刚度足够，则即使在大进给切削条件下，仍能获得很小的表面粗糙度值。

④大圆弧刃：如图1-36（d）所示。大圆弧刃即半径为300～500mm的过渡刃。常用在宽刃精车刀、宽刃精刨刀、浮动镗刀等刀具上。

（5）刃倾角的选择。

①刃倾角的作用：刃倾角λs主要影响刀头的强度和切屑流动的方向（见图1-37）。

②刃倾角的选用原则：主要根据刀具强度、流屑方向和加工条件而定。粗加工时，为提高刀具强度，λs取负值；精加工时，为不使切屑划伤已加工表面，λs常取正值或0。

2.切削用量的选择

切削用量不仅是在机床调整前必须确定的重要参数，而且其数值合理与否对加工质量、加工效率、生产成本等有着非常重要的影响。所谓“合理”的切削用量，是指充分利用刀具切削性能和机床动力性能（功率、扭矩），在保证质量的前提下，获得高的生产率和低的加工成本的切削用量。

1）确定切削用量时考虑的因素

（1）生产率。在切削加工中，金属切除率与切削用量三要素vc、aP、f均保持线性关系，即其中任一参数增大一倍，都可使生产率提高一倍。然而由于刀具寿命的制约，当任一参数增大时，其他两参数必须减小。因此，选择切削用量，应是三者的最佳组合。一般情况下，尽量优先增大aP，以求一次进刀全部切除加工余量。

（2）机床功率。背吃刀量aP和切削速度vc增大时，均使切削功率成正比增加。进给量f对切削功率影响较小。所以，粗加工时，应尽量增大进给量。

（3）刀具寿命（刀具的耐用度T）。切削用量三要素对刀具寿命影响的大小，按顺序为vc、f、aP。因此，从保证合理的刀具寿命出发，在确定切削用量时，首先应采用尽可能大的背吃刀量aP，然后再选用大的进给量f，最后求出切削速度vc。

（4）加工表面粗糙度。精加工时，增大进给量将增大加工表面粗糙度值。因此，它是精加工时抑制生产率提高的主要因素。在较理想的情况下，提高切削速度vc，能降低表面粗糙度值；背吃刀量aP对表面粗糙度的影响较小。

综上所述，合理选择切削用量，应该首先选择一个尽量大的背吃刀量aP，其次选择一个大的进给量f。最后根据已确定的aP和f，并在刀具耐用度和机床功率允许条件下选择一个合理的切削速度vc。

2）制订切削用量的原则

粗加工的切削用量，一般以提高生产效率为主，但也应考虑经济性和加工成本；半精加工和精加工的切削用量，应以保证加工质量为前提，并兼顾切削效率、经济性和加工成本。

（1）背吃刀量的选择。粗加工时，在机床功率足够时，应尽可能选取较大的背吃刀量，最好一次进给将该工序的加工余量全部切完。当加工余量太大，机床功率不足，刀具强度不够时，可分两次或多次走刀将余量切完。切削表层有硬皮的铸、锻件或切削不锈钢等加工硬化较严重的材料时，应尽量使背吃刀量越过硬皮或硬化层深度，以保护刀尖。

（2）进给量的选择。进给量主要根据工艺系统的刚性和强度而定。生产实际中多采用查表法确定合理的进给量f值。根据工件材料、车刀刀杆的尺寸、工件直径及已确定的背吃刀量来选择时，若工艺系统刚性好，可选用较大的进给量，反之应适当减小进给量。

（3）切削速度的确定。按刀具的耐用度T所允许的切削速度vT来计算。除了用计算方法外，生产中经常按实践经验和有关手册资料选取切削速度。

（4）校验机床功率。机床功率所允许的切削速度（m/min）为

式中：PE——机床电动机功率（kW）；

Fc——切削力（N）；

η——机床传动效率，一般η=0.75～0.85。

3）提高切削用量的途径

（1）采用切削性能更好的新型刀具材料。

（2）在保证工件机械性能的前提下，改善工件材料加工性。

（3）使用切削液。

（4）改进刀具结构，提高刀具制造质量。