金属切削刀具课程设计

？

1 绪论

刀具的发展

切削加工是现代制造业应用最广泛的加工技术之一。据统计，国外切削加工在整个制造加工中所占比例约为80％～85％，而在国内这一比例则高达90％。

刀具是切削加工中不可缺少的重要工具，无论是普通机床，还是先进的数控机床(NC)、加工中心(MC)和柔性制造系统(FMC)，都必须依靠刀具才能完成切削加工。刀具的发展对提高生产率和加工质量具有直接影响。材料、结构和几何形状是决定刀具切削性能的三要素，其中刀具材料的性能起着关键性作用。国际生产工程学会(CIRP)在一项研究报告中指出：“由于刀具材料的改进，允许的切削速度每隔l0年几乎提高一倍”。刀具材料已从20世纪初的高速钢、硬质合金发展到现在的高性能陶瓷、超硬材料等，耐热温度已由500～600℃提高到1200℃以上，允许切削速度已超过1000m／min，使切削加工生产率在不到100年时间内提高了100多倍。因此可以说，刀具材料的发展历程实际上反映了切削加工技术的发展史。设计目的

金属切削刀具课程设计是学生在学完“金属切削原理及刀具”等有关课程的基础上进行的重要的实践性教学环节，其目的是使学生巩固和深化课堂理论教学内容，锻炼和培养学生综合运用所学知识和理论的能力，是对学生进行独立分析、解决问题能力的强化训练。

通过金属切削刀具课程设计，具体应使学生做到：

(1) 掌握金属切削刀具的设计和计算的基本方法；

·

(2) 学会运用各种设计资料、手册和国家标难；

(3) 学会绘制符合标准要求的刀具工作图，能标注出必要的技术条件。

2 成形车刀设计

被加工零件如图1.所示，工件材料为：青铜；硬度HBS115 ；强度σb = 360Mpa 。

棱体成形车刀的结构尺寸

棱体成形车刀多采用燕尾结构，夹固可靠，能承受较大切削力。主要结构尺寸有：刀体总宽度0L 、刀体高度H 、刀体厚度B 及燕尾尺寸M 等。

图1

（1） 刀体总宽度0L ，如图1所示c L L 0，

式中：c L ——成形车刀切削刃总宽度，d c b a l L c ++++=

l ——工作廓形宽度；

(

d c b a 、、、——成形车刀的附加刀刃；

a ——为避免切削刃转角处过尖而设的附加刀刃宽度，常取为~3mm 。

b ——为考虑工件端面的精加工和倒角而设的附加刀刃宽度，

其数值应大于端面精加工余粮和倒角宽度。为使该段刀刃在主剖面内有一定后角，常作成偏角 45~15=γk ，b 值取为1~3mm ；如工件有倒角，γk 值应等于倒角角度值，b 值比倒角宽度大1~1.5mm

c ——为保证后续切断工序顺利进行而设的预切槽刀刃宽度，c 值常取为

3~8mm

d ——为保证成形车刀刀刃延长到工件毛坯表面之外而设的附加刀刃宽度，常取d =~2mm 。

（2） 刀体高度H 刀体高度H 与机床横刀架距中心高度有关。应在机床刀夹空间

允许的条件下，尽量取大些，以增加刀具的重磨次数。一般推荐H=55~100mm 。

（3） 刀体厚度B 刀体厚度B 应保证刀体有足够强度，要易于装入刀夹，排屑方

便，切削顺利。最小厚度应满足0max )5.0~25.0(L A E B ≥--，m ax A 为工件最大廓形深度。

（4） 燕尾测量尺寸M 燕尾测量尺寸M 值应与切削俄未能总宽度c L 相适应。

：

此外，为调整棱体成形车刀的高度，增加成形车刀工作时的刚度，刀体地不做有螺孔以旋入螺钉，螺孔常取M6。

棱体成形车刀材料及几何尺寸 1）选择刀具材料

参考附录表5，选择普通高速钢W18Cr4V 制造 2）选择前角f γ与后角f α

3）由表2-4，f γ选择 0，f α在 17~12。因此取 0=f γ， 15=f α。 4）画出刀具廓形计算图

取 20=τu ，mm a 3=，mm b 2=，mm c 6=，mm d 1=。标出工件廓形各组成点1-14以0-0线（通过9-10段切削刃）为基准（以便于对刀），计算出1-14各点处的计算半径jx r （为避免尺寸偏差值对计算准确性的影响，故常采用计算尺寸——计算半径、计算长度和计算角度来计算）

，

=jx r 基本半径±

2

半径公差

mm mm r r j j 92

18

21==

= mm mm r r j j 475.12221.02

2543=????

?

? ??-

== mm mm r r j j 490.121023222

75=-???

??==

mm mm r j 975.1441.02306=??? ??-=

=8j r mm mm r j 811=- ==109j j r r mm mm r j 728=-

mm mm r r r j j j 116.1120tan 5.071211=??

? ??

-== ？

图2

5）在以1点为基点，计算出计算长度jx l

2

公差

基本公差±

=jx l mm l j 487=

mm l j 106= mm l j 205=

—

mm l j 402= mm mm l j 075.15)2

3

.0215.015(3=+-

= 6）确定刀具结构尺寸

mm mm d c b a l L j c 601623487=++++=++++=，H=75mm ，F=40mm ，B=45mm ，

mm E 43

.002.12+=，mm d 005.08'±=，mm f 8=，mm M 014.062.52-=

7）用计算法求出N-N 剖面内刀具廓形上各点至9、10点（零点）所在后刀面的垂

直距离x P

之后选择1-2段廓形为基准线，计算出刀具廓形上各点到该基准线的垂直距离

x P ?，即为所求的刀具扩线深度

1、2点至0点所在后刀面的垂直距离1P

mm r j 91=

#

090arcsin arcsin 11=??? ??=???? ??=j f r h r ，

9

0cos 9cos 11=?== f f A γγ，

011A A C -=279=-=

)cos(11f f C p γα+=932.1)015cos(2=+?=

3、4点至0点所在后刀面的垂直距离3P 和刀具廓形到该基准线的垂直距离3P ?

mm r j 475.123=

=???

?=33

arcsin j f r r 0475.12arcsin =?? ?， 475.120cos 475.12cos 33=?== f f A γγ

033A A C -=475.57475.12=-=

)cos(33f f C p γα+=288.5)015cos(475.5=+?=

(

356.3932.1288.53=-=?P

5点和7点至0点所在后刀面的垂直距离5P 和刀具廓形到该基准线的垂直距离

5P ?

mm r j 490.125=

=???

? ??=55

arcsin j f r h r 0490.120arcsin =???

??， 490.120cos 490.12cos 55=?== f f A γγ

055A A C -=490.57490.12=-=

)cos(55f f C p γα+=303.5)015cos(490.5=+?=

371.3932.1303.55=-=?P

>

7点与5点情况相同

6点至0点所在后刀面的垂直距离6P 和刀具廓形到该基准线的垂直距离6P ?

mm r j 975.146=

=???

?=66

arcsin j f r r 0975.14arcsin =?? ?， mm A f f 975.140cos 975.14cos 66=?== γγ

066A A C -=mm 975.77975.14=-=

)cos(66f f C p γα+=mm 704.7)015cos(975.7=+?=

mm P 772.59324.1704.76=-=?

{

8点至0点所在后刀面的垂直距离8P 和刀具廓形到该基准线的垂直距离8P ?

mm r j 88=

=???

? ??=88

arcsin j f r h r 080arcsin =???

??，

80cos 8cos 88=?== f f A γγ

088A A C -=178=-=

)cos(88f f C p γα+=966.0)015cos(1=+?=

932.0932.1966.08-=-=?P

11、12点至0点所在后刀面的垂直距离11P 和刀具廓形到该基准线的垂直距离

11P ?

《

mm r j 116.1111=

=???

? ??=1111

arcsin j f r h r 0116.110arcsin =??? ??，

116.110cos 116.11cos 1111=?== f f A γγ

01111A A C -=116.47116.11=-=

)cos(1111f f C p γα+=976.3)015cos(116.4=+?=

044.2932.1976.38=-=?P

8）根据表2-5可确定各点x P ?公差，下表1为各点至9、10点（零点）所在后刀

面的垂直距离x P 和各点到该基准线的垂直距离x P ?

表1 棱体成形车刀廓形计算表

9）。

10）

校验最小后角

7-11段切削刃与进给方向（即工件端面方向）的夹角最小，因而这段切削刃上后角最小，其值为[][]

6.420sin 12tan arctan 20sin )tan(arctan 11110==-=γεα一般要求最小后角不小于 2~ 3，因此校验合格。

10）确定棱体成形车刀廓形宽度x l 即为相应工件廓形的计算长度jx l ，其数值及公差如下，（公差值是按表2-5确定的，表中未列出者可取为mm 2.0±） mm l l j )2.040(22±==

mm l l j )06.0075.15(33±== mm l l j )2.020(55±==

mm l l j )2.010(66±== mm l l j )2.048(77±==

}

确定刀具的夹固方式

采用燕尾斜块式。

}

3 拉刀的设计

被加工零件如图2.所示，工件材料为：硬铝LY12；硬度HBS115 ；强度σb = 490Mpa ；工件长度L=20mm 。

选定刀具类型、材料的依据

（1）选择刀具类型

）

对每种工件进行工艺设计和工艺装备设计时，必须考虑选用合适的刀具类型。事实上，对同一个工件，常可用多种不同的刀具加工出来。

采用的刀具类型不同将对加工生产率和精度有重要影响。总结更多的高生产率刀具可以看出，增加刀具同时参加切削的刀刃长度能有效的提高其生产效率。例如，用花键拉刀加工花键孔时，同时参加切削的刀刃长度l=B×n×Zi，其中B 为键宽，n为键数，Zi为在拉削长度内同时参加切削的齿数。若用插刀同时参加切削的刀刃长度比插刀大得多，因而生产率也高得多。

（2）正确选择刀具材料

刀具材料选择得是否恰当对刀具的生产率有重要的影响。因为硬质合金比高速钢及其他工具钢生产率高得多，因此，在能采用硬质合金的情况下应尽力采用。但由于目前硬质合金的性能还有许多缺陷，如脆性大，极难加工等，使他在许多刀具上应用还很困难，因而，目前许多复杂刀具还主要应用高速钢制造。

根据《刀具课程设计指导书》表29，选择高速工具钢，其应用范围用于各种刀具，特别是形状较复杂的刀具。根据表30，选择W18Cr4V，HRC62-65

刀具结构参数、几何参数的选择和设计

（1）拉刀的结构

图1

）

表1代号名称功用

1柄部夹持拉刀，传递动力

2【

颈部

连接柄部和后面各部，其直径与柄部相同或略小，拉刀材料及规

格等标记一般打在颈部。

3过度锥颈部到前导部的过渡部分，使拉刀容易进入工件孔中。4前导部起引导拉刀切削部进入工件的作用，

>

5

切削部担负切削工作，包括粗切齿、过渡齿及精切齿。

6校准部起刮光、校准作用，提高工件表面光洁度及精度，并作为切削部的后备部。

7后导部@

保持拉刀与工件的最后相对位置，防止在拉刀即将离开工件时因工件下垂而损坏工件已加工表面及刀齿。

8尾部支持拉刀使之不下垂，多用较大较长的拉刀，也用于安装压力环。（2）切削方式：采用分层拉削方式。

（3）拉削余量：对于花键孔A=De-Do （4）分层式拉刀粗切齿齿升量

根据表4-4查出，齿升量a

f =-0.10mm，在这取a

f

=0.05mm。

：

（5）拉刀几何参数

查得拉刀的前角γ

o

=20o

圆拉刀：粗切齿的后角α

o =2o+30'刃带b

a

=；

精切齿的后角α

o =2o+30'‘，刃带b

a

=；

校准齿的后角α

o =1 o+30'刃带b

a

=。

花键拉刀部分：粗切齿的后角α

o =2o+30'刃带b

a

=；

精切齿的后角α

o =2o+30'‘，刃带b

a

=；

校准齿的后角α

o =1 o+30'刃带b

a

=。

￥

（6）齿距及同时工作齿数

根据表4-7，拉刀齿距计算公式：l=20mm时，t=（）l1/2（mm）

同时工作齿数：Ze=（l/t）+1（取整）经计算得t=，按表4-13取标准值为：t=6，Ze=4

（7）容屑槽

根据表4-9，曲线齿背容屑槽尺寸：基本型

图2

(

t=6时，g=2， h=2，r=1，R=4；

根据表4-16，容屑系数K 值当t=6，a f =0.05mm 时，K=3； （8）分屑槽 花键部分：I 型

分屑的作用：使切屑易于变形，易于卷屑。 分屑槽位置：应前后齿错开。

根据表4-12,每个刀齿的分屑槽数n k =b/5-10（取小值） 当b=6时， 0.2,90,5.0,0.1''====??s h b ω

;

图3

圆拉刀部分：

分屑的作用：使切屑易于变形，易于卷屑。 分屑槽类型：三角形

图4参数：4.0

,0.1

,

12'=

=

=h

b

n

（

（9）校准部

前角γ

o校=5o，后角α

o校

=1o，齿距t

校

=（）t=-4.8mm，取t

校

=4mm

根据表4-14查得齿数Z

校=4-5个，取Z

校

=5个

最后一个精切齿及校准齿直径应按下式确定：D

校=D

max

±δ，其中δ为孔的变

形量。

拉刀校准部长度l

校=t

校

×Z

校

=4×5+7=27mm

（10）柄部

根据表4-17查得圆柱形前柄部尺寸为：

;

图5

参数： 4,90,25,20,7.19,1215,820321'121=======C L L L d h d f d

根据表4-18圆柱形后柄：

图6

参数：4,80,20,20,1215,82032121======C L L L h d f d

（11）颈部、过度锥、前导部和后导部

拉刀颈部长度按下式计算：l 2≥m+B+A-l 3＇mm

-

式中：B-机床床壁厚度，根据表4-23查得机床型号L6110，B=60mm A-花盘法兰厚度，根据表4-23查得机床型号L6110，A=30mm m-卡头与机床床壁间隙，可取m=10-20mm ，在这取15mm l 3＇-过渡锥长度，一般l 3＇=10-20mm ，在这取15mm 因此求得l 2≥110mm 。

图7

L

1＇公式：L

1

＇=l

1

+l

2

+l

3

＇+l

3

，其中l

1

为拉刀进入卡头部分的长度，l

3

为前

导部长度。

—

前导部主要起导向和定心作用，故应和予制孔形状相同。

前导部：

图8

说明：1、D

3

等于前把拉刀最后刀齿的直径，偏差为表4-32。

2、d

3

等于加工的花键孔最小内径减0.5mm，只准许负偏差。

3、b

3

等于前一把拉刀花键齿宽减0.02mm。

4、l

=（）l

3

}

5、a=5-10mm

后导部：

图9

等于拉刀花键齿最大外径减0.05mm，偏差取-0.2mm。

说明：1、d

4

等于或小于0.02mm切削辞键宽。

2、b

4

=l+c+（5-10）mm，式中：当拉削孔内有空刀槽时，后导部长度按下式计算：l

后

l为空刀槽宽度，c为前端拉削长度。

尾部在拉刀工作时支撑在拉床托架上，防止拉刀尾部下垂，对于小而轻的拉刀可不做尾部。

|

图10

参数：

颈部长度：mm l A B m l s 852*********=-++=-++= 颈部直径：mm d d 5.195.0205.012=-=-= 过渡锥长度：mm l 203= 前导部长度：mm l 404= 前导部直径：84.224f d =（mm ）

—

前柄伸入夹头长度：mm l l 801090101'1=-=-=

前柄端部至第一刀齿距离：mm l A B m l L s 225403060158041'

1

=++++=++++= 刀具的尺寸计算（包括计算公式和计算结果）

已知条件：1、花键孔尺寸： 外径：De=φ28，内径：D=φ23，键宽：b=6，键数：

n=6

2、拉削长度：L=20mm

3、工件材料：硬铝LY12，硬度HBS115；