刀具课程设计指导分析
机械制造及自动化专业刀具课程设计指导
山东大学机械工程学院
一、刀具课程设计的目的要求及内容
1. 设计目的及要求
刀具课程设计是机械制造类(冷加工)专业学生在学习《现代切削加工理论基础》、《机械制造技术基础》及《机械制造装备设计》等课程及其它有关课程之后进行的一个实践性教学环节，其目的是巩固和加深理论教学内容，培养学生综合运用所学理论，解决生产实际中刀具设计问题的能力。
通过刀具课程设计，应使学生达到如下要求：
(1)初步掌握几种典型刀具的设计计算方法，
(2)学会绘制刀具工作图，标注必要的技术条件，
(3)学会使用各种设计资料、手册和国家标准，
2. 设计内容
刀具课程设计的内容是从工艺设计零件（如Z12V190B柴油机活塞）加工过程中使用的几种刀具如成形车刀、成形铣刀等中选择一到两把进行设计，也可另外指定一到两把刀具进行设计，时间为4天。
3. 设计刀具的一般步骤
(1)确定刀具的类型；
(2)选择刀具材料；
(3)确定刀具合理的几何角度；
(4)确定刀具结构参数(包括：刀体尺寸、刀齿齿数、刀齿和容屑槽形状和尺寸、刀具夹持部分
的结构和尺寸等)；
(5)设计计算刀具的廓形；
(6)制订合理的技术条件(包括：重要尺寸的公差、形位公差、各重要表面的粗糙度、对刀具材
料及热处理的要求等)；
(7)考虑刀具的制造工艺及检验方法；
(8)绘制刀具工作图；
(9)编写出刀具设计计算说明书。
4. 尖齿铣刀设计（该刀具设计资料很少）注：这部分内容是从相关资料中汇集的，同学们可直接用！
(1) 铣刀直径d和心轴（内孔）直径d1
选择铣刀直径时，应保证铣刀的轴具有足够的刚度和强度，刀齿具有足够的容屑空间以及能多次重磨。在满足这些条件的前提下，尽可能选择较小的数值，否则，铣削扭矩大，动力消耗多，而且铣刀切入时间长，从而降低了生产率。此外，小直径铣刀成本低，一般根据铣削用量和铣刀的轴来选择铣刀直径。
注：如ap、b D不能同时与表中数值统一，而ap（圆柱铣刀）或b D（端铣刀）又较大时，则主要依据ap（圆柱铣刀）或bD（端铣刀）选择铣刀直径
铣刀直径d和心轴直径d1有如下关系
d=2.25d1
心轴直径由表2选取。
表2 铣刀直径和心轴直径d
整体铣刀直径d 40 50 60 75 90~100 130 150 镶齿条铣刀直径d －60 75 90 110 130 150 铣刀心轴d116 22 27 32 40 50 60
为了保证铣刀体壁厚有足够的强度，所选的d及d1还必须满足以下条件
d≥d1+2m+2h
式中m—铣刀体壁厚，通常取m≥0.3d(mm)，m小时会引起键槽处在热处理或工作时裂开；
h—铣刀刀齿的高度(mm)。
图1 硬质合金端铣刀
(2) 铣刀的齿数z
铣刀按齿数多少可分为粗齿和细齿两种：粗齿铣刀的刀齿强度高，容屑空间大，重磨次数多，但平稳性差，故多用于粗加工、或切削塑性材料（为有足够容屑空间）。细齿铣刀刀齿较多，切削平稳，加工表面质量较好，故多由于半精加工和精加工。在实际生产中，铣刀刀齿常按下式计算
=
z d
式中d—铣刀直径(mm)；
K—根据铣刀种类和切削条件确定的系数，按表3选取。
铣刀种类螺旋角β/(?) K 粗齿圆柱平面铣刀30 1.05
细齿圆柱平面铣刀15~20 2
镶齿粗齿圆柱平面铣刀20 0.9
注：对于角度铣刀和成形铣刀，大直径时K 取小值，其余铣刀则小直径时K 取大值。
(3) 铣刀螺旋角β
1) 直线齿背几何参数计算公式（图2）
β0=45?~50? θ=β0+γ0+ε
式中 γ0—铣刀的前角(?)；
ε—360/z （z 为铣刀齿数）
对于螺旋齿铣刀，zj 应按下式选取
3
cos j z
z β
=
（β为铣刀螺旋角） 11mm 2mm b α=:
0.5mm 2mm r =:
()d
0.40.65mm z
h π=:
式中 d —铣刀直径(mm)。
2) 折线齿背与曲线齿背几何参数计算公式（图2）
θ1=β0+γ0+ε θ2=60?~65? r=1~4mm
()
d
0.30.5mm z
h π=:
α02=α01+8?~12?
铣刀的螺旋角β大时，因增大了实际工作前角和切屑卷曲半径，从而排屑方便，故可降低表面粗糙度，减少振动，但螺旋角β过大则会引起轴向力增大。各种铣刀螺旋角见表4。
图2 刀齿的几何形状（注：刀齿的法剖面）
铣刀螺旋角的方向可根据具体工作情况确定。在铣槽和侧面时，应按图3所示来选择铣刀的螺旋角β和铣刀的旋转方向。
βn
βn
图3 铣刀螺旋槽方向
(4) 刀齿的几何形状（图2）
刀齿的几何形状应满足：应有足够的强度；有足够的容屑空间；保证排屑顺利；有足够多的重磨次数。
二、刀具工作图及设计计算说明书
1. 绘制刀具工作图时应注意的主要问题
刀具设计计算最终要用刀具工作图表示出来，为刀具制造提供全部参数及要求。刀具工作图在图纸中的布置，应当各部分之间协调，松、密恰当，整体美观。绘制刀具工作图时应注意的主要问题如下：
(1)刀具工作图的画法
刀具工作图应表示出该刀具的结构特征及其具体尺寸。同时除主要视图外，常有剖面图，局部放大图。如切削刃口型式，分屑槽结构型式、小圆角及空刀槽等。
在绘制刀具工作图时，除按机械制图投影理论绘制外，通常还采用简化画法。例如齿轮滚刀、蜗轮滚刀、花键滚刀等正视图其外圆及两端面用粗实线画，而刀齿、螺旋槽则可用双点划线简化表示，但螺旋方向必须一致。拉刀切削部粗切齿、精切齿、校准齿，按类只画前后几个齿而中间齿可以用简化画出，即外圆用粗实线，容屑槽底用细实线，其拉刀长度可以断开等。
(2)刀具工作图的标注
刀具工作图像其它图纸一样按国家标准规范进行标注尺寸、公差及表面粗糙度。形位公差尽量标注在图形上，有时为了简便也可用文字说明，写在技术要求中。
整体式刀具工作图与装配式刀具工作图其标注有不同之处，像标注零件图与装配图之区别一样。
(3)刀具工作图的比例
刀具工作图的比例通常是1:1的比例，而对不同实际尺寸和结构复繁程度不同也可用放大或缩小比例。当刀具工作图中有局部放大比例的图形时，一定在放大图形上方标明放大比例。
2. 设计说明书的内容及要求
刀具设计说明书是绘制刀具工作图的依据，是刀具设计方案正确与否、几何参数选择合理与否的检验文件，因此刀具设计说明书应包括：
(1)原始条件及设计要求；
(2)刀具结构型式的确定；
(3)刀具材料的确定；
(4)刀具几何参数的合理选择及其计算；
(5)刀具结构设计及结构尺寸计算和验算；
(6)刀具强度、刚度的校核；
(7)确定刀具工作图的技术条件；
(8)设计体会。
刀具设计说明书大体上包含以上几方面，对于具体设计某种刀具可参考这种刀具设计示例。
对于刀具设计说明书，要求字迹工整、文图结合，简图明了、直观，计算步骤完整、正确。
说明书要用统一标准的课程设计说明书纸，最后装订成册。
三、刀具设计题目（根据实际工艺设计零件确定，以下为例子！！！）
1. 从自己的零件工艺中选择1把刀进行设计，比如
(1) 成形车刀设计
设计活塞加工过程中的下列内容之成形车刀：
1)粗锪燃烧室，使用双面组合机床。
2)精车燃烧室，使用专用精车燃烧室车床。
(2) 成形铣刀设计题
设计活塞）加工过程中的下列内容之成形铣刀（尖齿成形铣刀）：
1)铣内腔，使用立式专用内腔铣床。
2)铣上开裆，使用立式销座开裆铣床。
3)铣下开裆，使用立式销座开裆铣床。
4)铣避碰弧，使用卧式铣床。
2. 其它成形车刀、综合式圆孔拉刀设计（见下一页）
3. 要求：不能设计普通的外圆车刀、端面车刀、麻花钻等标准刀具。
4. 每个同学设计自己的刀具，互相不能重复。即使结构相同，刀具的结构参数应有区别！！！
四、主要参考文献
(1)袁哲俊、刘华明主编. 《金属切削刀具设计手册》, 机械工业出版社，2008.
(2)刘华明主编. 《金属切削刀具课程设计指导资料》, 机械工业出版社.
(3)乐兑谦主编. 《金属切削刀具》, 机械工业出版社.
(4)四川省机械工业局编. 《复杂刀具设计手册》, 机械工业出版社.
(5)《机械工程手册》第47篇《金属切削刀具》, 机械工业出版社.
(6)其它“机械制造装备方面”的手册。
综合式圆孔拉刀
课程设计题目之一：
工件直径为：Φ30H7，长度为：25～40mm，材料为45#钢，调质处理后硬度为HB220～250，抗拉强度为：0.75GPa，工件如下图所示。使用机床为L6140拉床。试设计圆孔拉刀。
综合式圆孔拉刀
课程设计题目之二：
工件直径为：Φ45H7，长度为：45～60mm，材料为45#钢，调质处理后硬度为HB220～250，抗拉强度为：0.75GPa，工件如下图所示。使用机床为L6140拉床。试设计圆孔拉刀。