第二节 刀具切削部分的几何参数
用于不同的切削加工方法的刀具，种类繁多，形状各异。但是它们从参加切削的部分在几何特征上却具有共性。外圆车刀的切削部分可以看作是各类刀具切削部分的基本形态，其它各类刀具，都是按照各自的加工特点演变而来的。所以本节将以外圆车刀切削部分为例，介绍刀具几何参数的相关定义。
一、刀具的分类
刀具的种类很多，常见的刀具如图4－7所示。
1．按功能加工方式分 有车刀、铣刀、钻头、铰刀、螺纹刀具、齿轮刀具等
2．按结构分 有整体式、焊接式、机夹式等
3．按刀具的刃形分 有单刃刀具、多刃刀具和成形刀具等
4．按国家标准分 有标准刀具和非标准刀具等。
二、刀具切削部分的组成
外圆车刀是最基本、最典型的刀具。车刀由切削部分和刀柄组成。刀具中起切削作用的部分称切削部分（刀头），夹持部分称刀柄（刀体）。
图4－8所示的外圆车刀的切削部分具有以下的结构，即常被人们称为“三面两刃一尖”。
1．前刀面Aγ：切屑流出时经过的刀面。
2．后刀面Aα：与过渡表面相对的刀面，也称主后刀面。
3．副后刀面Aα′：与已加工表面相对的刀面。
（a）车刀 （b）麻花钻 （c）扩孔钻 （d）铰刀 （e）拉刀 （f）圆柱铣刀 （g）端面铣刀 （h）成形铣刀
（i）插齿刀 （j）丝锥 （k）键槽铣刀 （l）齿轮滚刀 （m）剃齿刀 （n）砂轮
图4－7 常见刀具类型
图4－8 外圆车刀
4．主切削刃S：前刀面与后刀面的交线。在切削加工过程中，它担负着主要的切削工作。
5．副切削刃S′：前刀面与副后刀面的交线。它担负少量切削工作，配合主切削刃完成切削工作并最终形成工件上的已加工表面。
6．刀尖：刀尖是主、副切削刃连接部位，或者是主、副切削刃的交点。在实际应用中，为了增加刀刃的强度和耐磨性，一般在刀尖处磨出直线或圆弧形的过渡刃如图4－9所示。其参数有：
图4－9 刀尖在基面上的视图
刀尖圆弧半径γε在基面上测量的倒圆刀尖的公称半径；
刀尖倒角长度bε；刀尖倒偏角kbε。
三、刀具静止角度标注
刀具要从工件上切下金属，它的切削部分就必须具备一定的几何形状。刀具的几何参数是确定刀具几何形状和切削性能的重要参数。它是由一组角度值确定的，也正是由这些角度决定了刀具切削部分各表面的空间位置。
为了确定刀具切削部分各表面和切削刃的空间位置，需要建立平面参考系，以组成坐标系的基准。参考系可分为刀具静止参考系和工作参考系。
1．刀具静止角度参考系
在设计、制造、刃磨和测量时，用于定义刀具几何角度的参考系称为刀具静止角度参考系。它是刀具工作图上标注几何参数的基准，所以也称标注参考系。在该参考系中定义的角度称为刀具标注角度。静止角度参考系的建立有两个前提条件：一是不考虑进给运动的大小，只考虑其方向，这时合成切削运动方向就是主运动方向；二是刀具安装定位基准与主运动方向平行或垂直。静止角度参考系可分为：正交（也叫主剖）平面参考系、法平面参考系（Pn）、背平面（Pp）及假定工作参考平面（Pf）参考系。最常用的是正交平面参考系，如图4－10所示。正交平面参考系有以下三个在空间互相垂直的平面组成：
1）基面Pr：通过切削刃上选定点，垂直于该点合成切削运动方向的平面。
2）切削平面Ps：通过切削刃上选定点，包含该点合成切削速度方向，同时相切于主切削刃的平面。
3）正交平面（主剖面）Po：切削刃上选定点的正交平面是过该点并同时垂直于基面和切削平面的平面。
2．刀具的标注角度
刀具的标注角度是指刀具图样上标注的角度，是在刀具角度参考系中确定的。它用于刀具的制造、刃磨和测量，这些角度将保证刀具在使用时得到必需的切削速度。刀具标注角度的参考系有上述三种，它的选用与生产中实际采用的刀具角度刃磨方式、检测夹具及调整方式有关。我国多采用正交平面参考系，所以下面将介绍刀具在正交平面参考系下的标注角度。如图4－11所示。
图4－10 正交平面参考系和法平面参考系
1）在基面Pr内的角度
图4－11 标注角度参考系内的刀具角度标注
①主偏角kr 它是在基面内测量的，主切削平面与假定工作平面间的夹角，也就是主切削刃与进给方向之间的夹角。
②副偏角kr′ 在基面内测量的，副切削平面与假定工作平面的夹角，也就是副切削刃与进给反方向之间的夹角。
2）切削平面Ps内的角度
①刃倾角λs 它是在切削平面内测量的，主切削刃与基面间的夹角称刃倾角。有正负之分，刀尖位于切削刃的最高点时定为“＋”、反之为负“－”，如图4－12（b）图所示，它影响切屑流向和刀尖强度。
3）正交平面Po内的角度
①前角γo 在正交平面内测量的，前刀面与基面间的夹角。
②后角αo 在正交平面内测量的后刀面与切削平面间的夹角。
前后角有正负之分，如图4－12所示，当前刀面与基面重合的时前角为零；当基面在前刀面之上为正前角，反之就为负前角。同样当后刀面与切削平面重合时后角为零；当后刀面与基面之间的夹角小于90°为正后角，反之就负值，任何情况下都要求后角为正值。
图4－12 刀具角度正、负的标注
4）在副正交平面
，内的角度
①副后角
在副正交平面内测量的，副后刀面与副切削平面之间形成的夹角。
5）派生角度
①刀尖角εr 在基面内测量的，主切削平面与副切削平面间的夹角。
εr＝180°－（Kr＋Kr′）
②楔角βo 在正交平面内测量的前刀面与后刀面间的夹角。
βo＝90°－（γo＋αo）
kr，kr′，λs，γo，αo确定了主切削刃及前、后刀面的方位。其中γo，λs确定前刀面方位，kr，αo确定后刀面方位，kr，λs确定主切削刃的方位。这六个角度就能确定车刀主切削刃及前后面的方位，即确定了其切削部分的几何形状，我们把这六个角度称为普通外圆车刀的基本角度，在标注的时候必须标注的。有时根据实际需要，可标注其派生角度。
以上是以外圆车刀为例介绍其标注角度，对于其它多刃刀具或非直线刃刀具，也可以由各个刀刃的选定点上，参照前述的分析方法确定在参考系中的标注角度。
四、刀具的工作角度
刀具在工作状态下的切削角度称为刀具的工作角度。上面讲到的刀具标注角度，是忽略进给运动的影响和刀具按特定条件安装的情况下给出的。刀具的工作角度是在考虑包括进给运动在内的合成切削运动和刀具的实际安装的刀具角度，因而刀具的工作角度的参考系也不同于标注角度参考系，整个参考平面的空间位置也相应发生了改变，下面将介绍在正交平面下的工作角度参考系。
工作基面pre——过切削刃选定点与合成切削速度ve垂直的平面。
工作切削平面pse——过切削刃选定点与切削刃相切并垂直于工作基面的平面。
工作正交平面poe——过切削刃选定点并与工作基面和工作正交面都垂直的平面。
下面就刀具安装和进给运动对工作角度的影响分别加以分析。
（一）刀具安装位置对刀具工作角度影响
1．刀刃安装高低对工作前、后角的影响：
如图4－13中：当切削点高于工件中心时，此时工作基面与工作切削面与正常位置相应的平面成θ角
则：sinθ＝2h／d，roe＝θ＋r0，αoe＝α0－θ θ＝arctan2h／d
图4－13 刀刃安装高低的影响
如果刀尖安装低于工件中心，则工作角度的变化情况恰好相反。
内孔镗削时与加工外表面情况相反。
2．刀杆中心与进给方向不垂直对工作主、副偏角的影响。
如图4－14中：刀杆中心与正常位置偏θ角时，刀具标注工作角度的假定工作平面与现工作平面pfe成θ角，
图4－14 刀杆中心偏斜的影响
则：kre＝kr±θ kre′＝kr′±θ
在实际生产中，根据切削工作需要，在安装刀具时调整主副偏角的数值。
（二）进给运动对刀具工作角度的影响
1．横向（径向）进给运动的影响
对工件的切断和切槽时，进给运动是沿横向进行的。如图4－15所示以切断刀为例说明。在不考虑进给运动时，刀具基面Pr，切削平面为Ps，标注角度为γo和αo；切断时由于进给量较大，切削刃选定点相对于工件的主运动轨迹为一平面的阿基米德螺线，工作基面pre
图4－15 横向进给运动对工作角度的影响
工作切削平面pse，相应角度变化为η，此时工作角度
γoe＝γo＋η
αoe＝αo－η
tanη＝f／πd
从上面的表达式中我们可以看出，由于进给运动的影响，刀具工作前角增大，刀具后角减小。而且随着进给量的增大和刀具向工件靠近，η也在增大。所以横向车削时，不宜采用大的进给量，否则容易使刀刃崩碎或被工件挤断。同时应适当增加后角，以补偿进给运动的影响。
2．纵向（轴向）进给运动的影响
一般外圆车削，由于纵向的进给量较小，它对车刀工作角度的影响通常忽略不计；但在车螺纹时，尤其是多头螺纹时，纵向进给的影响是不容忽视的。如图4－16所示。此时的工作角度为
图4－16 纵向进给运动对工作角度的影响
γoe＝γo＋μo
αoe＝αo－μo
tgμf＝f／πdw
tanμo＝tgμfsinκr＝fsinκr／πdw
由以上各式可知μf和μo值与进给量及工件直径有关。f愈大或dw愈小，μf与μo的值均增大。值得注意的是，以上是分析右螺纹（图示运动状况）时车刀左侧刀刃，此时右侧刀的μf与μo值的（正负号）符号恰好是相反的，所以在车削右螺纹时，车刀左侧刀刃应注意适当加大后角，而右侧刀刃应适当增大前角。
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