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）

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

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

1.1.1 刀具前角对金属切削加工的影响分析

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：

（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。

（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。

1.1.2 刀具前角的选用策略

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。

（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；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；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。

（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。

（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]。

（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。

（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

1.2.1 刀具后角对加工过程的影响分析

（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。

（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。

1.2.2 后角的选用策略

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。

（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。

（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。

（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。

（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

1.3.1 主偏角对切削加工的影响

（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。

（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。

（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。

1.3.2 主偏角的选用策略

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]。

（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。

（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。

（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°。

（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

1.4.1 副偏角对切削加工的影响

（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。

（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。

1.4.2 副偏角的选用策略

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。

（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。

（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。

（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。

（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

1.5.1 刃倾角对切削加工的影响

（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。

（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。

（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。

1.5.2 刃倾角的选用策略

（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

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。