第一章《刀具的几何角度及切削要素》

1、机电工程系 机械工程教研室 陈海让陈海让金属切削加工： 是指采用金属切削刀具将另一金属材料（或非金属材料）上预留的金属层材料（余量）切除，以获得新的几何轮廓尺寸和形状，并符合零件图样上的各项技术要求的整个加工过程。切削后的几何形状切削余量毛坯件切屑切削刀具 在整切削过程中，以金切刀具担当切削工作并通过刀具接触被加工工件毛坯，经刀具与工件之间的相对运动后所获得切削加工过程。 在切削过程中，关联着加工过程及产品质量的因素是多方面的，其中包括：2 2、1 1、3 3、一、切削运动 要想掌握金属切削原理与刀具的合理应用，则必须首先应从了解、掌握切削运动、熟知刀具角度及各自的用途，同时了解把握好切削方式

2、，以便合理应用切削原理，帮助我们提高加工质量和生产效率。 在金属切削加工过程中，车削运动是在切削运动中最具有代表性。因此在讲解和学习过程中，应先从车削原理入手，逐步深入整个了解和掌握金切加工的原理过程。车削运动： 以工件作旋转运动，而切削刀具（车刀）沿轴线作直线运动，由此工件与刀具产生相对运动。n nS S切削主运动： 能迫使工件表面部分金属分离的运动。也是整个运动中速度最高、消耗能量最大的运动。车削时的主动运动：工件的旋转运动铣削时的主动运动：刀具的旋转运动刨削时的主动运动：刀具的直线运动进给运动：（刀具与工件的相对运动） 为实现切削运动的连续性或使分离金属的面积增大，实现整个余量被切除的目

3、的的运动。车削时的刀具直线移动铣削时的工件直线移动刨削时的工件直线移动进给运动合成运动： 当主运动与进给运动同时进行时的运动时的运动。 当主运动与进给运动同时运动，并且是相对运动时，就必然发生刀具切除工件表面金属层。 而在这个过程中，对被切物的表面所产生的变化自然形成了新的几何轮廓表面。随着不断切削，新的表面也就不断产生。二、工件上的加工表面已加工表面待加工表面过渡表面n nS Sn nS S已加工表面过渡表面待加工表面三、切削用量 用于表示整个切削过程中的三大切削参数量指标。切削用量切削用量三要素 切削用量的合理选用是对分析加工质量、刀具选用的合理性、切削机床性能等因素的一项重要依据。 是指

4、切削刃上选定点相对于工件主运动方向的瞬时速度。单位m/sm/s或m/minm/min计算方法为：式中 dd选定点对应工件或刀具直径 nn工件或刀具的实际转速 指刀具在进给运动方向相对于工件的位移量。也可用工件每旋转一周刀具的实际位移量来表示。单位：mm/rmm/rf fr r车削时的计算方法：单位：mm/smm/ss s 是指垂直于进给速度方向的切削层最大尺寸。也就是指刀具切入工件的垂直直线距离尺寸。单位：mmmm计算方法：或中：dwdw待加工表面直径 dmdm已加工表面直径一、刀具的分类1 1、根据加工表面形式：车刀刨刀拉刀各种铣刀车刀刨刀内孔切削刀具：钻头、扩孔钻、铰刀、镗刀等螺纹切削刀具

5、：丝锥、板牙、螺纹车刀、螺纹铣刀等齿轮切削刀具：滚齿刀、插齿刀、剃齿刀、刨齿刀等切断切槽刀具：镶齿圆锯片、带锯、弓锯、切断切槽车刀、锯片铣刀等2 2、根据切削运动方式和相应的刀刃形状：通用刀具车刀、刨刀、铣刀镗刀、钻头、铰刀锯条等成形刀具成形车刀、成形刨刀成形铣刀、成形镗刀拉刀、圆锥铰刀、螺纹刀具等展成刀具滚刀、插齿刀、刨齿刀剃齿刀、复合刀具、成组刀具、涂层刀具等 以上各种金属切削刀具的基本组成均分为两大部分； 即：刀片支承安装部分（刀柄）刀具工作切削部分（刀头）3 3、根据使用情况分类：标准通用刀具： 是指按金属切削刀具国家标准所设计制造的车、铣、刨、钻、扩、锪、铰、螺纹等刀具。标准专用刀具

6、： 是指按加工类形并按国家标准轮廓所设计制造的齿轮铣刀、齿轮滚刀、插齿刀、剃齿刀、伞齿轮铣刀等。专用刀具： 是指企业根据某一零件所需的轮廓而自行设计并制造的刀具。 如： 成形车刀、成形铣刀、拉刀、蜗轮滚刀、花键滚刀等。 在众多切削刀具中又分为单刃和多刃，复杂与多齿刀具。将各类刀具的主要工作部分进行对比，其刀头几何形状均类似于外圆车刀刀头结构。二、刀具的构成 对于任何一把金切刀具而言，其结构均是由刀柄（刀体、支承部分）和刀头（切削部分）两大结构所组成。 根据各类刀具的制造方式，可分为整体结构、硬钎焊接和机械夹固叁种形式。整体式结构焊接式结构机夹式结构三、刀具切削部分的组成 金切刀具是由刀柄与刀头

7、所组成。而担负主要切削工作的部分则由刀头来完成。 因此研究刀具的切削性能，应主要从刀头的结构入手。常规的外圆车刀刀头应是由：所组成一几何实体结构刀 柄刀头外圆车刀刀头结构图刀尖进给方向前刀面“ArAr”（简称前面） 是指通过刀具切割工件表面金属层后，切屑流过的表面。同时也是产生最大切削力的表面。主后刀面“AA”（后面） 是指在切削过程中，刀具与工件上被切削层过渡表面相对应的表面。 是指在切削过程中，刀具与工件上已加工表面相对应的表面。 前刀面与主后刀面、副后刀面之间所包含的刀具实体部分为： （楔角影响着切削刀具刀尖上的强度及切屑的变形）主切削刃“S S” 是指金切刀具上前刀面与主后刀面相交所形

8、成棱边。在切削过程中由该棱边产生切削过渡面，并担负着主要的切割工作。 为了增强切削刀具主切削刃的强度（选用硬质合金刀具材料）通常在主切削刃上修磨出棱角，简称倒棱。 在主切削刃上倒棱，其棱边的大小及角度，应根据选用的刀具材料、切削用量、被加工材料和实际切削性质来确定。棱角可分为： 正值倒棱 零值倒棱 负值倒棱正值倒棱零值倒棱负值倒棱副切削刃“S S” 是指金切刀具上的前刀面与副后刀面相交所形成的棱边。 在切削过程中，配合主切削刃共同完成切削工作。同时参与修正已加工表面粗糙度作用，在此与主切削刃相交后形成刀尖。进给方向 为改善刀尖的强度及增大刀尖的散热面积，同时增大切屑的变形，往往需要对刀尖进行必

9、要的处理（修磨），即在刀尖处形成过渡刃和修光刃，以提高已加工表面质量。刀尖 是指金切刀具上主切削刃与副切削刃的相交点构成刀尖。直线型过渡刀尖 便于修磨，但修光刃长度不易控制掌握，切屑排出时变形相对较小。圆弧型过渡刀尖 修磨弧线不易得到控制，切屑排出时变形较大，修光刃的长度是随圆弧半径所得。四、刀具切削部分的几何形状和角度 为确定切削刀具几何形状和角度、必须设立在三维空间中刀具参考坐标系。即：正交平面坐标参考系法平面参考系假定工作平面参考系 要想获取刀具刀头的几何角度，则必须要满足一定的特定条件。1 1、假设条件 安装刀具时，刀尖应保持在工件的轴线位置。 而刀具的轴线必须垂直于被加工工件轴线。

10、无进给运动，而只考虑主运动，并且限定主运动是在垂直水平面方向上。工件已加工表面是圆柱形表面。2 2、刀具静止参考系 为了便于测量刀具切削部分的几何角度，需假设一些必要的辅助空间平面，帮助确定刀具切削刃上的几何角度。 假定运动条件和假定安装条件下建立的固定理想参考系 在静止参考系中，对切削刀具设计及标注方面，常采用：正交平面参考系法平面参考系假定工作平面参考系3 3、正交平面参考系 正交平面是由三个相互垂直的假想坐标平面组成。即： 是指垂直于主运动方向，并通过主切削刃上选定点的平面。指通过主切削刃上选定点，并与主切削刃相切，同时垂直于基面的平面。指通过主切削刃上选定点，并同时垂直于切削平面和基面

11、的平面。刀具静止角度的标注在刀具主截面上所反映的角度 是指基面与前刀面之间的夹角。 前角又分为正值、负值和零。 在切削中主要体现刀刃的锋利程度、刀刃强度的大小及切屑变形状态。 是指主后刀面与切削平面之间的夹角。 后角也分为正值、负值和零。（负后角不能参加切削工作） 在切削中配合前刀面构成刀具主切削刃并形成刀刃上的楔角。 在切削中楔角主构成切削刃的强度及抗冲击能力，同时对切削分力在刀具上的承受方向。由基面向底平面投影所显示的角度进给方向 指主切削刃与进给运动方向在基面上的投影所产生的夹角。 主偏角角度通常是根据被加工对象的表面轮廓形状、刀尖散热面积的大小及刀尖强度要求进行选取角度值的大小。 指负

12、切削刃与进给运动相反的方向，在基面上的投影所产生的夹角。进给方向 副偏角与主偏角组成了刀具的刀尖，因主偏角的大小受工件轮廓及切削性能的影响，而副偏角则因主偏角，其影响到刀尖的大小及强度。 是指当刀具已形成主副切削刃之后，其刀具在基面上的投影所自然形成的夹角。 刀尖角在刀具切削中主要影响到刀尖的强度及刀尖的散热面积大小，因此，在选用主副偏角的同时应考虑刀尖角对切削性能及刀尖的影响。在切削平面中测量的刀具角度 是指主切削刃与基面之间所产生的角度。 刃倾角可根据切削所需，可选取正值、负值和零。 刃倾角在切削过程中主要起到控制刀刃受力方向及排除切屑方向。F FF FF F 是指副后面与副切削平面之间的

13、夹角。 副后角与刃倾角决定了刀具另一派生角度“切削角”，同时对主切削刃的强度有一定的影响。 因此副后一般选择不与工件已加工表面发生摩擦为宜。（约4 46 6）对刀具角度的标注以7575外圆车刀为例：工件车刀车刀工作图样7575外圆车刀的角度标注 总之；对于一把外圆车刀具而言，其刀头切削部分，应由三个基本平面、二条切削刃及六个基本角度加上三个派生角度组成切削部分的几何形状。主切削刃、副切削刃前刀面、主后刀面、副后刀面前角、主后角、副后角、主偏角、副偏角、刃倾角 刀具静止参考系适用于设计刀具时对刀具的几何角度进行假设条件下的定义角度。 当刀具相对于工件或机床的安装位置时，因各种因素会给刀具在静止角

14、度带来变化。经过安装、切削运动刀具变化后的角度称为刀具的工作角度。一、刀具的工作参考系工作参考系：用于描述刀具工作角度的参考系以切断刀作横向切削为例：n nf f合成切削速度方向工作基面工作基面工作切削平面工作主截面 过切削刃上选定点与切削刃相切，并垂直于工作基面的平面。 过切削刃上选定点并同时与工作基面及工作切削表面相垂直的平面。 过切削刃上选定点且同时包含主运动速度和进给运动速度方向的平面。合成切削速度方向工作平面 由于工作平面是随主运动及进给运动联系在一起，要真正得到切断时的工作平面，需在一个假定的条件下方能获取。二、刀具的工作角度 是指刀具在切削过程中，因受主运动方向和进给运动速度的影

15、响而改变原有刀具设计的角度。 指在工作基面与前刀面之间的夹角。 指在工作切削平面与后刀面之间的夹角。n nf f三、进给运动对刀具角度的影响切断（切槽）刀的基本结构整体高速钢切断刀 切断刀刀头是由“” 所组成。其进给切削运动方向是以横向运动方向为主。 当切断刀作横向进给运动时，通过主切削刃上选定点相对于工件的运动轨迹，是主运动和横向进给运动的合成运动轨迹，按运动轨迹在工件截面所形成线路应为。 当刀具工作基面与合成运动方向呈垂直状态，也由此产生了工作基面和工作切削平面与基面和切削平面形成一个f f角度。 此结果现象导致刀具的工作前角增大，而工作后角减小。工件截面刀具截面四、刀尖安装高度对工作角度

16、的影响刀尖与工件轴线等高基面切削平面 当刀尖安装高度与工件轴线等高，其刀具的工作角度应与静止角度相等。h h刀尖高于工件轴线 当刀尖高于工件轴线，则增大刀具工作前角，而减小工作后角。工作基面工作切削平面刀尖低于轴线h h工作基面工作切削平面 当刀尖低于工件轴线，则减小刀具工作前角，而增大工作后角。 根据上述分析，得出实际装刀时刀具中心高度应等于工件中心轴线高度，才能保证刀具的工作角度与静止角度相等。 但要做到这一点，很难。但从刀具切削时受力方向（主切削力）分析，其刀具切削时的受力与切削平面平行并垂直向下。 所以通常在安装刀具时，允许刀尖高于工件轴线0.5mm0.5mm，原则上不允许低于轴线中心

17、。五、切削层参数与切削方式切削层； 即： 切削刃沿进给运动方向移动一个进给量后所切除的金属体积在基面上所截得金属层。切削层参数 切削层的横截面形状、尺寸规定必须在基面中测量。 切削层的大小和形状直接由切削刃及切削部分所能承受的负荷大小来决定。1 1、车削切削层参数 指在给定的瞬间，切削层参数平面度量的实际横截面积。A AD DC CM MB BAMCDAMCD横截面积ABMABM残留两种计算方法： 指在给定瞬间，作用于主切削刃截形上两个极限点间的距离。计算方法： 指在同一瞬间切削层横截面积与切削层宽度之比。计算方法： 由以上分析得知，切削层的厚度与切削层宽度均与刀具主偏角有关密切的关系。 而切

18、削层横截面积则与进给量和切削深度有关。同时又因刀尖圆弧半径值的大小及刀具主偏角的大小，也会引起切削层厚度和切削层宽度的变化。2 2、铣削切削层参数 指在基面内度量的相邻刀齿主切削刃运动轨迹间的距离。n n1 1cb前刀齿切削痕迹 当刀齿转动角时，刀齿在加工轨迹上至点位置，而前刀齿在同样角度位置时其加工轨迹c c点，由此到c c形成一个进给量f fz z。 由此推理得知，在铣削切削过程中，当铣刀每转动一齿，工件相对于铣刀在进给方向上移动一个齿距，而一个进给量则是指整个铣旋转一周后的移动量。因此；在铣削时的切削厚度应与选用的进给量与铣刀刀刃齿数有关。即： 铣削时的切削层宽度是指主切削刃与工件切削面的接触长度。如： 直齿圆柱铣刀螺旋齿圆柱铣刀 同样是指切削厚度与背吃刀量的乘积关系量。 由于铣削层厚度是随进给量和刀齿数及切削方式是在变化过程中完成，因此其切削层横截面也随之发生变化。正切削与倒切削正切削： 在实践工作中，是以正切削为主要切削方式。倒切削： 此情况在实践中常出现于精加工或宽刃刀具作轴向切削方式。切削方式