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数控刀具角度选型:原理与实战应用
本文聚焦数控刀具核心几何角度,详解基面、切削平面等参考平面定义,及前角、后角、主偏角等关键角度参数。前角影响切削力、温度与耐用度,大前角适用于铝等软质材料,小前角适配铸铁等硬料;后角关乎摩擦与加工质量,大小需权衡强度与排屑。主偏角等可改变切削力分布,提升加工稳定性与寿命。结合钻削、车削实际案例,说明合理选型可抑制毛刺、减少磨损,为刀具设计与应用提供实用参考。

  本文计划通过刀具角度参考系,定义刀具角度,并介绍刀具角度对于切削性能的影响。

图片

    基面Pt        

通过切削刃选定点垂直于合成切削速度方向的平面。在刀具静止参考系中,它垂直于假定的主运动方向。

主切削平面Ps

与主切削刃相切并垂直于基面的平面。

它是由切削速度与切削刃切线组成的平面。

 副切削平面    

与副切削刃相切并垂直于基面的平面。

   主平面Po    

垂直于基面及主切削平面。

  法平面Pn     

通过切削刃选定点并垂直于切削刃的平面。

 

常用刀具角度

前角γ:前面与基面间的夹角(主平面内)。

后角α:后面与切削平面间的夹角。

楔角β:前面与后面间的夹角。

主偏角χγ:主切削平面与假定工作平面间的夹角,在基面中测量。

副偏角c’r:副切削平面与假定工作平面间的夹角,在基面中测量。

刀尖角ε:主切削平面与副切削平面间的夹角,在基面中测量。

刃倾角λ:主切削刃与基面间的夹角,在主切削平面中测量。

从金属切削的变形规律可知,前角是切削刀具上重要几何参数之一,它的大小直接影响切削力、切削温度和切削功率,影响刃区和刀头的强度与散热体积,从而影响刀具耐用度和切削加工生产率。选择合理的前角,是刀具设计的重要问题。

大前角的优点

切削力小、切削热小、能抑制积屑瘤。

大前角的缺点

刀头强度低、散热体积小、弯曲应力,易造成崩刃、不易断屑。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

应用案例

 

由于切屑与刀具的接触区是前刀面,因此前角的大小,会影响切屑卷曲变形和切削热量。因此,切削材料不同,推荐使用的前角也不同。切削韧性高硬度低的材料,例如铝或者有色金属,通常会选择大前角,锋利的刃口可以使切削更加轻快,减少翻边毛刺的产生。而切削硬度较高的材料,例如铸铁或者淬硬刚,会更多的考虑刃口强度而选择减小前角。
 
不同于由刀片前角和刀杆前角共同形成工作前角的车削刀具,钻削刀具的前角由刀具的螺旋槽决定。作者在钻削加工A380铝材时,发现通孔出口位置有翻边毛刺问题,其中的一条对策就是将原设计为直槽的钻头,变更为螺旋槽,目的就是通过增大前角,减少切削力,抑制翻边毛刺问题。
 

《清洁度问题专题、通孔钻削时的“短孔群”》

后角也是刀具上主要的几何参数之一,它的数值合理与否直接影响加工表面的质量、刀具耐用度和生产率。

后角的主要功用是减小后刀面与加工表面之间的摩擦。

大后角的优点

减少磨擦,提高加工表面质量,钝圆半径值小,切削刃锋利,VB相同时磨损体积大,提高刀具耐用。

大后角的缺点

相同磨损体积时NB大,精加工不宜采用,刀头强度低和散热体积小。

应用案例

 

 

刀具后刀面与工件表面挤压形成最终表面,所以后角增大后,虽然可以减小刀具与工件接触面积,减轻刀具刃口磨损,但是也减轻了工件表面被挤压程度,降低表面质量。同时,后角降低之后,刀尖强度降低,也会留下刀具崩刃的隐患。

不论是主偏角、副偏角、过渡刃偏角或其他切削刃的偏角,它们的共同功用是使刀具的各条切削刃有合理的分工、联结与配合,保证合理的刃形和切削图形,同时保证刀尖部位具有一定的强度和散热体积、选择合理的主偏角、副偏角和其他切削刃偏角,可以提高加工表面质量,提高刀具耐用度和生产率。

 

如下图所示,在切削深度ap和进给量f不变的情况下,增大主偏角使刀具与工件接触线变长,减少了单位面积上切削载荷。

 

图/主偏角的作用

主偏角大的优点

 

减少吃刀抗力,减小工艺系统的弹性变形和振动,易于断屑,孔加工时有利于切屑沿轴向顺利排出。

主偏角大的缺点

 

表面粗糙度差,切削负荷集中,容易磨损,进给抗力大,刀头强度低,散热体积小。

应用案例

 

主偏角的作用主要是改变切削力的方向和分散刃口载荷。例如在钻削通孔时,原设计的E型钻尖(切削刃是90°主偏角)的刀具,加工到末端时因为切削力过大,有翻边毛刺问题,作者曾试验将其改为120°主偏角的普通钻尖,翻边毛刺现象得以缓解,同时因为切削载荷分布更加长的切削刃上,切削热量不集中。