数控加工工艺-刀具角度

第一章数控加工工艺基础一、切削运动1、切削运动切削加工时,为了获得各种形状的零件,刀具与工件必须具有一定的相对运动,我们将这种相对运动称为切削运动。切削运动按其所起的作用可分为：•主运动•进给运动（1）主运动主运动是使刀具和工件之间产生相对运动，从而切除多余材料。主运动的特点速度最高，消耗的功率最大。（2）进给运动进给运动使刀具与工件间产生附加的相对运动，保证切削连续进行，加工出具有所需几何特性的已加工表面。进给运动的特点：速度较低，消耗的功率较小。•主运动的运动形式可以是旋转运动，也可以是直线运动；•主运动可以由工件完成，也可以由刀具完成；•主运动和进给运动可以同时进行，也可以间歇进行；•主运动通常只有一个，而进给运动的数目可以有一个或几个。常见的切削运动（3）主运动和进给运动的合成当主运动和进给运动同时进行时，切削刃上某一点相对于工件的运动为合成运动，常用合成速度向量ve来表示，如图所示。2、切削时的表面切削加工过程中，在切削运动的作用下，工件表面一层金属不断地被切下来变为切屑，从而加工出所需要的新的表面，在新表面形成的过程中，工件上有三个依次变化着的表面，它们分别是：•待加工表面即将被切去金属层的表面；•切削表面切削刃正在切削而形成的表面,切削表面又称加工表面或过渡表面；•已加工表面已经切去多余金属层而形成的新表面。3、切削用量切削用量是用来表示切削加工中主运动和进给运动参数的量。切削用量包括：•切削速度•进给量•背吃刀量（1）切削速度vc在切削加工时，切削刃选定点相对于工件主运动的瞬时速度称为切削速度，它表示在单位时间内工件和刀具沿主运动方向相对移动的距离,单位为m/min或m/s。主运动为旋转运动时,切削速度vc计算公式为:)/min/(1000smmndvc或式中d－切削刃上选定点所对应的工件直径或刀具的回转直径（mm）n－工件或刀具每分(秒)钟转数(r/min或r/s)主运动为往复运动时,平均切削速度为：)/min/(10002smmnLvrc或式中L一往复运动行程长度(mm)nr一主运动每分钟的往复次数(往复次数/min)。（2）进给量f进给量是主运动转一周或往复一个行程，刀具相对工件在进给方向上的位移量（mm/r）。•车削时进给量的单位是mm/r，即工件每转一圈,刀具沿进给运动方向移动的距离。•刨削等主运动为往复直线运动,其间歇进给的进给量为mm/双行程，即每个往复行程刀具与工件之间的相对横向移动距离。单位时间的进给量，称为进给速度，车削时的进给速度vf计算公式为:铣削时，由于铣刀是多齿刀具，进给量单位除mm/r外，还规定了每齿进给量，用fz表示，单位是(mm/z)，vf、f、fz三者之间的关系为：)/min/(smmmmfnvf或z为多齿刀具的齿数（3）背吃刀量（切削深度）ap背吃刀量ap是指已加工表面与待加工表面之间的垂直距离（mm）。2mwpdda式中dw－待加工表面直径dm－已加工表面直径刀具的几何形状及主要角度一、刀具切削部分的几何形状各种刀具都是由切削部分和夹持部分两部分组成.二者既可以是一体的，也可以是由不同材料连接起来.1.刀具切削部分的组成刀杆：起装夹和支撑作用刀头:(三面)前刀面：刀具上切屑流过的表面主后刀面：刀具上与过渡表面相对的表面副后刀面：刀具上与已加工表面相对的表面(两刃)主切削刃：刀具上前刀面与主后刀面的交线副切削刃：刀具上前刀面与副后刀面的交线(一尖)主切削刃与副切削刃的交点,通常磨成圆角(修圆刀尖)或短平刃(倒角刀尖)(a)直线过渡刃这种过渡刃多用于粗加工或强力切削的车刀上。(b)圆弧过渡刃过渡刃也可磨成圆弧形。它的参数就是刀尖圆弧半径rε。刀尖圆弧半径增大时，使刀尖处的平均主偏角减小，可以减小表面粗糙度数值，且能提高刀具耐用度。但会增大背向力和容易产生振动，所以刀尖圆弧半径不能过大。通常高速钢车刀rε=0.5～5mm，硬质合金车刀rε=0.5～2mm。(c)水平修光刃修光刃是在副切削刃靠近刀尖处磨出一小段κr‘=0o的平行刀刃。其长度bε‘≈（1.2～1.5）f，即bε‘应略大于进给量f。但bε‘过大易引起振动。普通车刀切削部分的组成外圆车刀内孔车刀•刀具角度是刀具设计、制造、刃磨和测量时所使用的几何参数，它们是确定刀具切削部分几何形状（各表面空间位置）的重要参数。•参考系：用于定义和规定刀具角度的各基准坐标面。•参考系：刀具静止参考系和刀具工作参考系。二定义刀具角度的参考系建立刀具静态坐标参考系，应以切削运动为依据，预先给出假定条件：假设运动条件:用主运动向量vc近似地代替相对运动合成速度向量ve(即vf=0)。假设安装条件:规定刀杆中心线与进给运动方向垂直；刀尖与工件中心等高。刀具静止参考系或标注角度参考系：在设计、制造、刃磨和测量时，用于定义刀具几何参数的参考系。1．刀具静止参考系在该参考系中定义的角度称为刀具的标注角度。静止参考系中最常用的是正交平面参考系。2.正交平面参考系由以下三个在空间相互垂直的参考平面构成。(1)基面pr通过切削刃上选定点，垂直于假定主运动方向的平面。通常平行于车刀的安装面（底面）。(2)切削平面ps通过切削刃上选定点，与主切削刃相切并垂直于基面的平面。(3)正交平面po通过切削刃上选定点，同时与基面和切削平面垂直的平面。２．参考系基面Pr切削平面Ps正交平面Po通过主切削刃上的某一点，与主运动方向相垂直的平面通过主切削刃上的某一点，与主切削刃相切并垂直于基面的平面通过主切削刃上的某一点，并同时垂直于基面和切削平面的平面作用：用于定义和规定刀具角度的各基准坐标平面，只是假定参考，事实看不见，摸不着3、刀具标注角度定义（1）在基面内测量的角度•主偏角r主切削刃与进给运动方向之间的夹角。•副偏角r’副切削刃与进给运动反方向之间的夹角。•刀尖角r主切削平面与副切削平面间的夹角。)(180'rrr刀尖角与主偏角和副偏角的关系：PoPrPsγoα0κr已加工面加工面待加工面κ'rαοfnPsPrPoγ0κ'r已加工面κr注意：车外圆与车端面主、副偏角的变化（2）在主切削刃正交平面内(O-O)测量的角度•前角o前刀面与基面间的夹角。当前刀面与基面平行时，前角为零。基面在前刀面以内，前角为负。基面在前刀面以外，前角为正。•后角o后刀面与切削平面间的夹角。•楔角o前刀面与后刀面间的夹角。楔角与前角o和后角o的关系如下：)(90ooo（3）在切削平面内(S向)测量的角度•刃倾角s主切削刃与基面间的夹角。刃倾角正负的规定如图所示。刀尖处于最高点时，刃倾角为正；刀尖处于最低点时，刃倾角为负；切削刃平行于底面时，刃倾角为零。（4）刀具角度的正负前角γo：前刀面与切削平面之间的夹角为锐角，前角为正，夹角为钝角，前角为负值。后角αo：后刀面与基面之间的夹角为锐角，后角为正，夹角为钝角，后角为负值。刃倾角λs：刀尖是主切削刃上最高点时刃倾角为正，刀尖位于主切削刃上最低点时刃倾角为负，主切削刃与基面平行时时刃倾角为零。三、刀具角度的选择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．前角和后角的选择3．刃倾角的选择2．主偏角、副偏角的选择1.前角γO（1）功用γO刀刃锋利，切屑变形切削力和切削功率刀刃和刀尖强度，散热体积刀具寿命前角的大小主要解决刀头的坚固性与锋利性的矛盾（2）选择•工件材料强度、硬度较低时，应取较大前角，反之应取较小的前角。•加工塑性材料时，应取较大前角，加工脆性材料时，应取较小的前角。•刀具材料韧性好（高速钢），取较大前角，反之（硬质合金）取较小前角。•粗加工时，取较小前角，精加工时，取较大前角。首先要考虑加工材料的硬度，其次考虑加工性质2.后角αo（1）功用αo后刀面与工件的摩擦后刀面的磨损率（2）选择首先考虑加工性质，其次考虑加工材料的硬度•粗加工或工件材料较硬，后角取较小值；•工件材料越软、塑性越大，后角越大；•工艺系统刚度较差时，适当减小后角；3.主偏角κr和副偏角κr′（1）功用κr和κr′刀刃强度表面粗糙度，散热条件刀具寿命切屑厚度和单位长度上的切削力注：主、副偏角过小使径向切削力增大,容易引起切削振动（2）选择•工艺系统刚性较好时，主、副偏角取较小值；这样有利于提高车刀使用寿命和改善散热条件及表面粗造度；反之取较大值。•当加工台阶时，主偏角应取90°，加工中间切入的工件，主偏角一般取60°。加工很硬的材料时，为减小单位切削刃上的负荷，宜取较小的主偏角。切削层面积相同时，主偏角大的切削厚度大，易断屑。•副偏角大小取决于表面粗糙度，粗加工时取大值，精加工取小值。首先考虑机床、夹具和刀具组成的工艺系统的刚性，其次考虑加工工件的几何形状和加工性质4.刃倾角λs（1）功用（2）选择主要影响刀头的强度、切削分力和切屑的流动方向。•加工一般钢料和铸铁，无冲击时：粗车λs＝0°〜－5°精车λs＝0°〜+5°有冲击时：λs＝－5°〜－15°特别大时：λs＝－30°〜－45°•切削加工高强度钢、冷硬钢时：λs＝－30°〜－45°。主要看加工性质如当λS=0o时，切屑垂直于切削刃流出；λS为负值时，切屑流向已加工表面；λS为正值时，切屑流向待加工表面。刃倾角增大，可减小切屑变形,使切削轻快。①控制切屑的流向断续切削时，当刃倾角为零，切削刃与工件同时接触，同时切离，会引起振动；若刃倾角不等于零则切削刃上各点逐渐切入工件和逐渐切离工件，故切削过程平稳。②控制切削刃在切入与切出时的平稳性切削层是刀具或工件沿进给方向每移动f后，刀具正在切除的金属层。切削层参数就是指这个切削层的截面尺寸。为了简化计算，切削层形状、尺寸规定在刀具的基面中度量，切削层的形状和尺寸将直接影响刀具切削部分所承受的负荷和切屑的尺寸大小。通常在基面Pr内度量。四、切削层参数如图所示，车外圆时，当主、副切削刃为直线，且s=0，切削层就是车刀由位置Ⅰ移动到位置Ⅱ即一个f距离，刀具正在切削的那层金属层，可见，切削层的形状是平行四边形。hDfapbDr•切削层厚度hD是垂直于切削表面度量的切削层尺寸。hD＝f×sinκr•切削层宽度bD是沿切削表面度量的切削层尺寸。bD＝ap/sinκr•切削层横截面积ADDDpDbhafA五、刀具工作角度刀具在工作参考系中确定的角度称为刀具工作角度。研究刀具工作角度的变化趋势，对刀具的设计、改进、革新有重要的指导意义。1．刀具工作参考系的建立与静止参考系中正交平面参考系建立的定义和程序相似，不同点就在于用合成切削速度向量代替切削速度向量；用实际安装条件代替假定安装条件。2．刀具工作角度的分析在车削、镗孔、铣削等加工中，通常因刀具工作角度的变化，对工件已加工表面质量或切削性能造成不利影响。用刃倾角λs=0°车刀车削外圆时，由于车刀的刀尖高于工件中心，工作前角γoe增大，而工作后角αoe减小。若切削刃低于工件中心，则工作前角γoe减小，而工作后角αoe增大。1)刀尖安装高低对工作前、后角的影响当刀杆中心线与进给运动方向不垂直且逆时针转动G角时，工作主偏角将增大，工作副偏角将减小。2）刀杆安装偏斜对工作主、副偏角的影响六、刀具材料金属切削过程除了要求刀具具有适当的几何参数外，还要求刀具材料对工件要有良好的切削性能。刀具材料(cuttingtoolmaterials)在切削时要承受高温、高压、摩擦、冲击、振动，金属切削过程中的加工质量、加工效率、加工成本，在很大程度上取决于刀具材料的合理选择。1.刀具材料应具备的性能（1）高的硬度和耐磨性（2）足够的强度和韧性（3）高的耐热性与化学稳定性（4）导热性好，有利于切削热传导，降低切削区温度，延长刀具寿命，便于刀具的制造，资源丰富，价格低廉。2.常用刀具材料工具钢包括碳素工具钢、合金工具钢和高速钢。硬质合金有钨钴类硬质合金、钨钛钴类硬质合金和钨钛钽（铌）类硬质合金。涂层硬质合金涂覆一层极薄的硬质和耐磨性极高的难熔金属化合物应当指出，加工一般材料大量使用的仍是普通