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        刀具幾何角度對(duì)金屬切削加工的影響分析及選用策略

        2020-12-09 04:02:56李玉平
        中國(guó)金屬通報(bào) 2020年21期
        關(guān)鍵詞:影響

        李玉平

        (新余學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院,江西 新余 338004)

        金屬切削加工的目的是在保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提下,提高效率、降低成本。要解決好質(zhì)量、效率、成本三者之間的關(guān)系,除了要制定合理的工藝規(guī)程,配置合適的工藝裝備,還受到切削條件的影響。切削條件包括切削刀具的幾何角度,切削用量以及切削過(guò)程中的冷卻潤(rùn)滑條件等。所以切削加工必須根據(jù)工件材料,加工性質(zhì)及工藝條件等,合理選擇刀具的幾何角度,使刀具潛在的切削性能得到充分有效的發(fā)揮,在確保加工質(zhì)量的前提下,既能提高加工效率,又能降低加工成本[1]。

        1 刀具幾何角度對(duì)金屬切削加工的影響分析及選用策略

        刀具的幾何角度主要包括前角、后角、主偏角、副偏角、刃傾角等。刀具幾何角度對(duì)加工質(zhì)量、切削變形、切削力、切削溫度及刀具耐用度都有顯著的影響。下面主要分析這些角度對(duì)切削加工的影響及選用策略。

        1.1 刀具前角(γo)對(duì)金屬切削加工的影響分析及選用策略

        1.1.1 刀具前角對(duì)金屬切削加工的影響分析

        前角是刀具的重要參數(shù)之一,它對(duì)切削加工的影響主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:

        (1)影響切削過(guò)程中的切削變形和切削力。在其他條件不變的前提下,前角增大,刀頭鋒利,切削輕松省力,切屑容易流出,不僅可以減小切削變形、切削力和切削功率,而且有利于提高加工表面質(zhì)量。

        (2)影響刀頭的強(qiáng)度、散熱條件及受力性質(zhì)。前角增大,刀頭強(qiáng)度降低,切削區(qū)散熱條件惡化,切削溫度升高,磨損加劇,刀具耐用度降低,甚至崩刃。

        1.1.2 刀具前角的選用策略

        根據(jù)上述分析可知,前角的選擇要在保證加工質(zhì)量的前提下,既希望刀刃鋒利,切削起來(lái)輕松省力,又希望能夠兼顧刀頭強(qiáng)度和散熱條件,提高刀具耐用度。所以在一定的加工條件下,必然存在一個(gè)合理的前角。

        (1)工件材料的強(qiáng)度硬度越高,切削力越大,切削溫度越高,為了保證刀頭強(qiáng)度,改善散熱條件,減緩刀具的磨損,應(yīng)選擇較小的前角,如正火高碳鋼常?。徊牧系乃苄皂g性越好,摩擦越大,為了減小摩擦,避免積屑瘤,一般選用較大的前角,如加工低碳鋼常??;加工脆性材料,切削刃受力集中而且承受沖擊力,甚至出現(xiàn)崩刃現(xiàn)象,為了提高切削刃強(qiáng)度和散熱能力,刀具前角通常比加工塑性材料時(shí)取值要小,如加工灰鑄鐵常取。

        (2)不同的刀具材料,性能特點(diǎn)不同,所選的前角也不相同。高速鋼比硬質(zhì)合金鋼強(qiáng)度高,韌性好,因此,前角要比硬質(zhì)合金刀具大5 ~10 ;陶瓷材料又比硬質(zhì)合金的脆性更大,為了保證切削刃強(qiáng)度,所選前角應(yīng)比硬質(zhì)合金刀具更小;立方氮化硼刀具脆性更大,通常采用負(fù)前角進(jìn)行切削。

        (3)粗加工和斷續(xù)加工時(shí),由于振動(dòng)沖擊比較大,主要考慮刀頭強(qiáng)度,通常選用較小的前角;精加工時(shí),主要考慮加工質(zhì)量,通常選用較大的前角[2]。

        (4)工藝系統(tǒng)剛性較差,或機(jī)床功率較小時(shí),為了減小切削力,應(yīng)該選用較大的前角。

        (5)數(shù)控加工或自動(dòng)化加工,為了減少刀具的磨損,保障刀具的耐用度及工作的穩(wěn)定性,前角應(yīng)選用較小值;展成刀具或成型刀具,為了增加刀頭的強(qiáng)度,防止刃形畸變,常取較小的前角,甚至取0 度[3]。

        1.2 刀具后角(αo)對(duì)金屬切削加工的影響分析及選用策略

        1.2.1 刀具后角對(duì)加工過(guò)程的影響分析

        (1)影響刀頭的強(qiáng)度。后角越大, 刀頭強(qiáng)度越弱,散熱體積減小,且徑向磨純標(biāo)準(zhǔn)NP 一定時(shí)的磨耗體積小, 刀具耐用度降低。

        (2)影響刀具后刀面與加工表面之間的摩擦。在刀具磨鈍標(biāo)準(zhǔn)一定的前提下,后角越大,摩擦越小,刀具耐用度越高,加工表面質(zhì)量越好。

        1.2.2 后角的選用策略

        在實(shí)際生產(chǎn)中,為了減小摩擦, 提高表面質(zhì)量,自然希望選取較大后角,但從增強(qiáng)刀刃強(qiáng)度, 改善刀刃的散熱條件來(lái)考慮, 又希望選取較小后角, 因而存在一個(gè)合理的后角。

        (1)加工高硬度、高強(qiáng)度的材料, 通常采用較小的后角來(lái)增加刀頭的強(qiáng)度; 加工塑性材料, 通常選取較大的后角,目的是為了減小后刀面與已加工表面的摩擦,減小加工硬化,防止刀具后刀面磨損;加工脆性材料時(shí), 為了保證切削刃的強(qiáng)度,應(yīng)選較小的后角;加工特硬材料時(shí), 由于采用了較大的負(fù)前角,為了便于切入,通常選取較大的后角。

        (2)粗加工、斷續(xù)切削或強(qiáng)力切削,為增加刀具強(qiáng)度,后角應(yīng)取較小值;精加工時(shí),通常選取較大的后角,目的是減小后刀面和加工表面之間的摩擦,提高加工表面質(zhì)量。

        (3)對(duì)于剛性差的工藝系統(tǒng), 為了增大摩擦,減小加工過(guò)程中的振動(dòng),通常選用較小的后角,甚至采用負(fù)后角,并帶有消振棱。

        (4)高精度刀具和定尺寸刀具,通常選取較小的后角,以保證重磨后刀具尺寸精度;采用多刃刀具切削, 且切削厚度較薄時(shí),應(yīng)選取較大后角。

        1.3 主偏角(Kr)對(duì)金屬切削加工的影響分析及選用原則

        1.3.1 主偏角對(duì)切削加工的影響

        (1)影響刀具耐用度。隨著主偏角的減小,切削層的形狀變寬變薄,作用在主切削刃單位長(zhǎng)度上的負(fù)荷減輕,磨損減慢, 同時(shí),隨著主偏角的減小,刀尖強(qiáng)度提高,散熱體積增大,磨損減慢,刀具耐用度提高。

        (2)影響已加工表面質(zhì)量。減小主偏角,可降低表面殘留層高度,減小已加工表面粗糙度值,提高加工表面質(zhì)量。

        (3)影響切削分力比值及切削層單位面積切削力。隨著主偏角的減小,在總切削力一定的前提下,背向分力增大,容易引起工件的彎曲變形及工藝系統(tǒng)振動(dòng)。當(dāng)工藝系統(tǒng)剛度不足時(shí),會(huì)使刀具壽命降低,工件的加工精度降低。

        1.3.2 主偏角的選用策略

        由上述分析可知,主偏角的選擇不能過(guò)大,也不能過(guò)小,在一定的切削條件下,存在一個(gè)合理取值[4]。

        (1)加工高硬度的材料,如淬硬鋼和冷硬鑄鐵時(shí),刀具容易磨損,在確保系統(tǒng)剛性足夠的前提下,可取較小的主偏角(Kr =10 ~30),達(dá)到增加刀頭的強(qiáng)度,提高刀具耐用度的目的。

        (2)粗加工時(shí),為了減少振動(dòng)、便于采用較大的切削深度和控制切屑,通常選用較大的主偏角;精加工時(shí),為了提高表面質(zhì)量,通常選取較小的主偏角。

        (3)當(dāng)工藝系統(tǒng)的剛度較差或強(qiáng)力切削時(shí),為了減小振動(dòng),一般選取較大的主編角,取κr=60°~75° ;車(chē)削細(xì)長(zhǎng)軸時(shí),為減小背向力,常取κr=90°~93°。

        (4)需要從中間切入的刀具及仿形車(chē)刀,通常選取較大的主偏角;車(chē)削階梯軸時(shí),選用90 的偏刀;要用一把刀加工外圓、端面和倒角時(shí)可取Kr =45。

        1.4 副偏角(Kr)對(duì)切削加工的影響分析及選用原則

        1.4.1 副偏角對(duì)切削加工的影響

        (1)影響已加工表面質(zhì)量。副偏角的大小直接影響表面層的殘余高度,從而影響已加工表面的質(zhì)量。副偏角越小,已加工表面質(zhì)量越好。

        (2)影響刀具耐用度。隨著副偏角的減小,刀尖強(qiáng)度提高,散熱體積增大,磨損減慢,刀具耐用度提高。

        1.4.2 副偏角的選用策略

        主要根據(jù)工件已加工表面的粗糙度要求和刀具耐用度來(lái)選擇。

        (1)一般刀具的副偏角,在工藝系統(tǒng)剛性足夠的前提下,盡量選取較小值,即可提高刀具的耐用度,又有利于工件表面質(zhì)量的提高。

        (2)精加工刀具,為了提高加工表面質(zhì)量,通常選取較小的副偏角,必要時(shí),可在副切削刃上磨出一段κr'=0°的修光刃。

        (3)切槽刀和切斷刀等由于受到刀具結(jié)構(gòu)的限制,只能取很小的副偏角,通常取Kr=1 ~3。

        (4)當(dāng)系統(tǒng)剛度較差或從工件中間切人時(shí),可取κr'=30°~45°。切斷刀,鋸片銑刀和槽銑刀等,為了保持刀具強(qiáng)度和重磨后寬度變化較小,副偏角宜取130。

        1.5 刃傾角(s) 對(duì)切削加工的影響分析及選用原則

        1.5.1 刃傾角對(duì)切削加工的影響

        (1)影響切屑的流出方向。刃傾角為正值時(shí),切屑流向待加工表面;刃傾角為零時(shí),切屑垂直于主切削刃流出; 刃傾角為負(fù)值時(shí),面。

        (2)影響刀頭強(qiáng)度。刃傾角越大,刀頭強(qiáng)度越弱,切削刃越鋒利,斷續(xù)切削時(shí)沖擊越大,切削過(guò)程越不平穩(wěn),容易崩刃。

        (3)影響切削分力的大小。刃傾角越小時(shí),背向力越大,工件變形及振動(dòng)明顯。

        1.5.2 刃傾角的選用策略

        (2)工藝系統(tǒng)剛性不足時(shí),盡量不采用負(fù)刃傾角,避免背向力過(guò)大,引起工件變形和振動(dòng)。

        2 結(jié)語(yǔ)

        需要強(qiáng)調(diào)的是,上述的選用策略并不是一成不變的。由于刀具各角度之間是互相關(guān)聯(lián)的,孤立地選擇某一角度是不科學(xué)的,也不可能達(dá)到理想的切削效果。例如:刀具前角和后角是相互影響的,刀具前角和刃傾角的選擇也常常是互相影響的。強(qiáng)力切削時(shí),為強(qiáng)化刀刃,通常選較小的前角,過(guò)小的前角會(huì)導(dǎo)致切屑變形太大,切削力過(guò)大,此時(shí)我們可以考慮增大前角,同時(shí)采用負(fù)的刃傾角及負(fù)倒棱來(lái)強(qiáng)化切削刃,采用過(guò)渡刃來(lái)強(qiáng)化刀尖,從而達(dá)到理想的切削效果。由此可見(jiàn),刀具幾何角度的選擇,應(yīng)該在綜合考慮各關(guān)聯(lián)因素的基礎(chǔ)上靈活確定,許多先進(jìn)刀具就是采用這樣的策略而設(shè)計(jì)出來(lái)的。

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