刀具前角后角与加工结果的关系

摘要：本文根据作者长期从事机械加工实践和机械加工教学的经验，总结出关于金属切削加工中刀具前角和后角对加工质量、加工速度的影响，提出并论证了机械加工中影响加工质量和加工速度的最为重要的因素是刀具的前角，后角只影响刀具的强度，主张：前角越大越好，后角越小越好，机械加工刀具像着家用刀具方向发展。

关键词：机械加工；刀具；前角；切削力中图分类号：G718文献标识码：B文章编号：1672-1578（2014）10-0271-02现代机械零件的加工方法主要有三种：材料累加法，同一种材料或不同材料通过焊接、铆接、粘接、累纹连接、襄接等方法让各种形状的材料组成零件，包括现代最为先进的快速原型制造技术（RPM）。材料成型法：如铸造、锻造、粉末冶金、注朔成型等方法，也称无屑加工法。材料去除法：零件的最终几何形状局限在毛坯的初始几何形状范围内，零件形状的改变是通过去除一部分材料，减少一部分重量来实现的，如现在各工厂企业广泛使用的车、铣、磨、刨、镗、拉等等，也称有屑加工。

很明显，由于三种加工保证零件的加工精度的不同，现阶段乃至今后相当长的一段时间内，加工精度在9级以上的零件都将长期使用有屑加工方法获得，有屑加工的核心和实质是刀具和工件相对运动，刀具切除工件毛坯上多余金属形成零件，当然，零件毛坯通过有屑加工最终变成零件，必然还会与工艺、机床、夹具、量具、刀具、设计、材料等因素有关，加工者必须都加以关注，但本文认为：在上述的诸多因素中，最为重要的、对加工零件的速度、质量影响最大的应该是刀具的几何参数，组成刀头的这些点线面在空间的位置、这些点线面的形状，也就是大家熟知的刀具的几何角度、刀尖形式、刀面形式、刀刃形式。

现代加工，为了达到高效、高质这样两个目的，业内已将人工手摇驱动刀具的移动改为电脑程序控制刀具的移动，也就是现代数控加工机床将逐步代替普通机床加工，变普通机床的二轴为三轴四轴五轴，将车铣磨齿轮加工机床合为一体，设计制造更多的高精度的专用夹具，选择更好的刀具材料，使得加工更加快捷、更加方便，但是最终还是离不开刀具对零件的切削运动，在这对运动中，核心实质内容就是力的作用，所有运动的源头都是力，加工中产生的切削力可以使得机床系统、夹具系统，零件、刀具发生变形，产生相对位移，从而使得加工过程中的刀具的行进路线失真，零件加工精度难以保证，而这些力的大小又与零件材料、切削速度、切削深度，进给速度、刀具几何角度有关，加工中要想提高效率，势必就要提高切削速度、切削深度和进给速度，工件材料对切削力的影响我们无法去改变，在切削用量中影响切削力最大的因素是切削深度，而加大切削深度后，切削力成倍增加，切削加工零件质量难以得到保证，问题的关键在于怎么样在保证一定的加工速度的前提下，切削力得到最小值，金属切削原理与刀具这门学科告诉我们，当锁定上述条件后，刀具的空间几何形状会使切削力发生改变，也就是说：选择一个合理的刀具切削部分的几何形状将会对切削力变化产生很大影响，刀具的切削部份的空间几何形状分为刀具几何角度和刀具几何参数，刀具上所有的角度对切削力都会产生影响，在这些因素中影响最大的是刀具的前角，本文重点讨论刀具的前角、后角、楔角的关系和他们对切削效果的影响，在刀具对工件进行切削的过程中，切削力的来源主要是金属被刀具从本体切下变成切屑的过程中的变形程度，变形越大切削力越大，切屑的变形又直接与刀具的前角相关，前角越大变形越小，现代刀具在加工过程中既要做到锐字当先，又要做到锐中求固，前面说到刀具的锐就是前角越大刀具越锋利，也就是达到了锐字当先这一要求，刀具的固就与刀尖处受到的力的方向大有关系，现代金属切削原理与刀具书定义：刀具的前角为刀具的前刀面与基面间的夹角，刀具的后角为刀具后刀面与切削平面间的夹角，楔角为前后刀面之间的夹角，这三个角加起来等于90度，

如下图：

当前角选定后，楔角的大小就与后角相关，后角越大，楔角就越小，后角越小，楔角就越大，而后角又受到切削平面和后刀面的空间位置的控制，下面五种情况下，我们来分析刀尖处所受力对刀尖强度的影响。

图1所示为刀尖和工件中心等高，切削力为图示方向，切削力铅锤向下，同时决定切削速度方向，此时刀具的工作后角等于标注后角，图2所示为刀尖高于工件中心，切削力方向发生变化，方向正好沿着刀具主后刀面方向，切削平面和刀具后刀面帖合，此时刀具的工作后角等于零度，小于刀具的标注后角，这种情况和图5的情况等价，图5所示为：刀尖和工件中心等高，刀具的标注后角为零度，切削平面和后刀面重合，刀具工作角度等于标注角度，但此种情况下刀具的楔角大于图2情况下的楔角，刀具刀头强度大于图2。图3所示情况为：刀具的工作后角大于刀具的标注后角，刀具的强度降低，图4所示情况为：车刀刀尖处在工件的最低点，此时刀具的工作后角等于90度加上标注后角，大于90度，切削速度方向水平，此种情况基本不能车削，刀具强度最低，以上分析说明：刀具的前角影响刀具的锋利程度，刀具的工作后角影响刀具的强度，不是传统理论认为的刀具楔角越大，刀具刀头强度越高。而是刀具的工作后角越小（不能为零）刀具的强度越高。上图中图5为最理想状态，图4为最不理想状态，本文结论一：刀具前角在不影响刀具的强度的前提下越大越好，刀具的后角在不影响刀具后刀面与加工表面的摩擦的前提下越小越好。而目前很多加工者为了保证刀具的强度， 一味的减小刀具的前角，甚至采用负前角，这样使得切屑变形十分严重，切削力加大，为了维持加工，被迫降低切削深度，这样工效就谈不上了。

关于引入工作楔角的概念，本文认为:在金属切削原理与刀具一书中，应增加引入一个新的角度：工作楔角，工作楔角定义为：刀具前刀面与切削平面之间的夹角，这一角度是真正能够反应出切削变形大小、切削力大小的因素，已成为班级教育中的一个重要课题和主要内容。本文认为应该是，切屑底面也就是前刀面与切削平面之间的夹角，如下图：

这样标注后可以看出工作楔角的大小与前角有关，与切削平面有关，与刀具的实体楔角无关，工作楔角越小切削变形越小，当刀具的实体角度楔角确定后，切削平面与刀具后刀面贴合时，也就是刀具工作后角趋于零度时，工作楔角取得最小值，切削力取得这种情况下的最小值，当工作后角趋近于零度时，前角越大，工作楔角越小，切削变形越小，切削力就越小。参考文献：

[1]《金属切削原理与刀具》机械工业出版社精品教程，主编：韩步愈

[2]《机械制造工艺基础》 劳动和社会保障部教材办公室组织编写

[3]《铣工工艺学》劳动和社会保障部教材办公室组织编写

[4]《机床加工工艺学》 劳动和社会保障部教材办公室组织编写

作者简介：

左勇，贵航高级技工学校教务处，长期从事学校的机械加工相关专业的理论和实操教学，参加学校历年的学生毕业设计和答辩工作。