矩形花键拉刀及矩形花键铣刀设计

前言金属切削原理及刀具是研究金属切削加工的一门技术科学。

在学期后开设的课程设计能使同学们将所学的知识融合在一起，加深对常用刀具材料的种类、性能及应用范围的理解和掌握；培养根据加工条件合理选择刀具材料、刀具几何参数的能力；培养根据加工条件，和用资料、手册及公式，计算切削力和切削功率的能力；培养根据加工条件，从最大生产率或最低加工成本出发，合理选择切削用量的能力。

21世纪机械产品的国际竞争愈来愈剧烈，因此，现代机器的工作原理，结构组成，设计思维方式已不同于传统的机器，机器零件的设计离不开刀具，因此刀具的设计思想的新思想，新理念应用而生。

要求刀具不断创新，努力提高产品的质量，完善和改进刀具性能，满足市场需要。

刀具产品的设计可分为产品的概念设计(Conceptual Design)和产品的构型设计(Configuration Design)。

概念设计是决定刀具产品质量水平的高低，性能的优略和经济效益好坏的关键性一步。

刀具设计的重要任务应是进行刀具方案的构思，刀具的类型，尺寸和角度。

机械工业的技术水平和规模是衡量一个国家科技水平和经济实力的重要标志。

改革开放以来，机械工业充分利用国内外两方面的技术资源，有计划地进行企业技术改造，引导企业走依靠科技进步的道路，使制造技术，产品质量和水平以及经济效益有了很大提高，为繁荣国内市场，扩大出口创汇，推动国民经济的发展起了重要作用。

但是及工业发达国家相比，我国机械工业的水平还存在着阶段性的差距，主要表现在机械产品质量和水平不够高，技术开发能力不够强和科技投入少。

特别对其他产业来说，对机械工业的认识不够，甚至有相当一段时间不够重视。

近年来，世界各国都把提高产业竞争力和发展高技术，抢占未来经济制高点作为科技工作的主攻方向，对机械工业的重要性和作用有了进一步认识，对机械工业科技发展提出了更高的要求，特别是制造技术更加得到了重视。

因此，学校的教育工作也响应国家号召，积极推动机械方面的教育。

刀具是机械制造的核心，刀具质量的好坏直接影响着产品的质量。

金属切削刀具课程设计是在学生学完“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，通过对“圆孔拉刀和矩形花键铣刀”的设计，锻炼和培养了我所学的知识和理论的能力。

拉削有如下特点：⑴、拉削速度较低，一般为28/minv m，拉削平稳，且切削厚度很薄，因此拉刀精度可达到79R m。

IT，表面粗糙度达 2.5 1.25a⑵、同时工作的刀齿多，切削刃长，一次行程完成粗、精加工，生产效率高。

⑶、每一刀齿在工作过程中只切削一次，刀齿磨损慢，刀具耐用度高，寿命长。

⑷、拉削时只有主运动，拉床结构简单操作方便。

⑸、加工范围广，可拉削各种形状的通孔和外表面，但拉刀设计、制造复杂，价格昂贵，较适于大批量生产中应用。

铣削有如下特点：⑴ 刀具连续转动 铣刀切削时是连续的旋转运动，所以相对刨刀而言，铣削加工容许使用较高的切削速度。

⑵ 多刀多刃切削 铣刀的多齿刀，刀刃的总长度大，这有利于提高加工生产率和刀具耐用度。

但由于刀齿多，容屑问题是一个矛盾。

因为每个刀齿在切削过程中切下的切屑被封闭在刀槽中，直至该到齿完全离开工件时才能将切屑抛出，所以要求刀槽应有足够的容屑空间。

⑶ 断续切削 铣削加工时，铣刀每旋转一周，一个刀齿仅参加一段时间工作，其余大部分时间是在空气中冷却，这种自然冷却作用对刀具耐用度有利。

但是另一方面，各刀齿断续的切削会引起冲击振动；同时铣削总面积是变化的，铣削力的波动也较大，故铣削均匀性差，工件表面粗糙度达6.3 1.6a R m 。

⑷ 可选用不同的切削方式 利用顺铣和逆铣、对称铣和不对称铣等切削方式，来适应不同材料的可加工性和加工要求，可以提高刀具耐用度和加工生产率。

1.1刀具的发展随着社会的发展,时代的进步,刀具在生产中的用途越来越广.刀具的发展在一定程度上决定着生产率,中国加入WTO 后,各行各业面临的竞争越来越激烈,一个企业要有竞争力,其生产工具必须具有一定的先进性.中国作为一个农业大国,其在机械方面的发展空间相当大,而要生产不同种类的零件,不管其大小及复杂程度,都离不开刀具. 目前，在金属切削技术领域中，我国和先进的工业国家之间还存在着不小的差距，但这种差距正在缩小。

随着工厂、企业技术改造的深入开展，各行各业对先进刀具的需要量将会有大幅度的增长，这将有力地促进金属切削刀具的发展1.2本课题研究的目的课程设计作为工科院校大学生的必修环节，不仅是巩固学生大学所学知识的重要环节，而且也是在检验大学生综合应用知识的能力、自学能力、独立操作能力和培养创新能力，是大学生参加工作前的一次实践性锻炼。

通过本课题设计可以达到以下目的：1. 综合运用学过的专业理论知识，能独立分析和拟订某个刀具合理的工艺路线，具备设计中等复杂刀具零件的能力。

2. 能根据被加工零件的技术要求，运用刀具设计的基本原理和方法，掌握一些专用刀具设计方法，完成刀具结构设计，提高刀具设计能力。

3. 熟悉和学会使用各种手册，能善于使用网络搜寻一些设计的相关资料，掌握一定的工艺制订的方法和技巧。

4. 进一步提高计算机操作的基本技能﹑CAD及Pro/engineer软件应用能力(造型设计及自动编程)﹑仿真模拟软件的应用。

二.矩形花键拉刀设计1.被加工零件材料的选择被加工零件如图1.所示图1工件如图2所示。

材料为：45钢；硬度HBS195 ；强度σb= 600Mpa；工件长度L=65mm。

图22.设计步骤2.1选择拉刀材料拉刀材料常用 W6Mo5Cr4V2高速工具钢整体制造,一般不焊接柄部.由于拉刀制造精度高,技术要求严,在刀具成本中加工费用占的比重比较大,为了延长拉刀寿命,所以生产上也用W25MoCr4VCo8和W6Mo5Cr4V2Al 等硬度和耐磨性均较高的高性能高速钢制造.但一般常用W6Mo5Cr4V2,故该拉刀材料选择W6Mo5Cr4V2.2.2拉削方式采用组合式的拉削方式,即在同一只拉刀上采用了两种拉削方式的组合.它的粗精切削齿都不分组,粗切削齿上开圆弧形分削槽,槽宽略小于刃宽,前后刀齿上分削槽交错排列,故粗切削齿上齿升量较大,拉削表面质量高,拉刀制造容易,适用于拉削余量较多的圆孔,是目前常用的一种拉削方式。

2.3拉削余量假设该矩形花键拉刀用来钻孔,则其拉削余量可用如下公式: δ=058.02157 1.021MAX MIN D D -=-=2.4几何参数拉刀的几何参数主要指刀齿上的前角,后角和后刀面上的刃带宽,为制造方便,其校准齿上的前角通常及切削齿相同。

查表有: 切削齿: 前角= 0152r =± 后角=0330a '=+2.5齿升量fz一般粗切齿应切除拉削余量的80%以上,精切齿的齿升量按被拉削表面的质量和精度来确定,通常可取0.0250.08,但不得小于0.025。

0.060.03f f a a mm ==精2.6确定切削齿齿距查表有(1.25~10.1p === 故:取p =10mm2.7确定同时工作齿数6511810e l z p =+=+= 2．8容屑槽形状为减少加工容屑槽的成形车刀和样板的种类，应尽量将容屑槽的形状和尺寸标准化，系列化。

目前常用的容屑槽形状有直线齿背型，曲线齿背型和直线齿背双圆弧型三种. 直线齿背双圆弧槽型槽型容削空间大，制造较简便，目前生产的拉刀大多采用这种槽型，适用于组合式及分块式的拉削和齿升量大的拉刀上。

，故应选用直线齿背双圆弧槽型2．9确定容削系数K容屑系数K 是拉刀容屑槽的有效面积A 及切削层面积Ad 的比值，即K=A/D A由于A=π*h*h/2 查表有 K=3.22．10计算容屑槽深为保证拉刀有足够的容削空间，设计时必须满足如下条件3.14*h*h/(4L*d h )>=K,故拉刀容屑槽深h≥1.13⨯ 3.53≥≥2．11确定容屑槽尺寸查拉刀容屑曹形状尺寸表 有：p=10时,取Ⅱ型.故,有:h=4mm, g=3.2mm, r=2mm2.12拉刀的分屑槽形状及其尺寸常用分屑槽的形状有圆弧形和角度形两种。

圆弧形分屑槽主要用于轮切式拉刀的切削齿和组合式拉刀的粗切齿和过度齿上；角度形分屑槽用于同廓式拉刀的切削齿和组合式拉刀的精切齿上。

故 本设计若粗切齿时采用圆弧形分屑槽；若精切齿时采用角度形分屑槽.查表可知:拉刀分屑槽数:粗切齿(圆弧型分屑槽):槽数k n =10精切齿(角度型分屑槽):槽数k n =142.13粗算切削齿齿数过度齿齿数Z 过=35,精切齿齿数Z 精=37,校准齿齿数Z 校=37 根据选定的粗削齿齿升量zf 和已知的加工余量δ,切削齿齿数可按下式估算 Z 切= 1.021*9(3~5)(3~5)12~1422*0.06f a δ+=+= 2.14确定校准齿齿数Z 校和校准齿直径d 校有孔直径公差0.025,查如下表一得拉削孔径扩张量δ=0 取Z 校=5考虑到拉后孔径可能产生扩张或收缩,校准齿直径的基本尺寸为 D 校=max D -δ=30.021-0=30.021(δ=0)其中 max D --拉后孔径的最大极限尺寸δ-----拉后孔径的扩张量或收缩量2．15确定拉刀各刀齿直径由δ=max m D -min o D 可知：min o D =max m D -δ=58.025-1.6=56.425故d=min o D +(12)zf 其具体结果见拉刀工作图。

式中：max m D ---拉削后孔的最大直径，单位：mmmin o D ---拉削前预制孔的最小直径，单位：mm2.16确定齿形状及尺寸具体的齿形及尺寸如图3所示图3刀齿宽度 B=10mm 。

刃带 f=0.8±0.2mm 。

刀刃长度 l=3mm 。

2.17倒角刀齿的计算已知B=10,112B =111sin 27.4B d φφ=→= ()1sin 26.6sin cos B B B tg d B θφφθφθ=→=+- 26.7sin B BB d φ== 20.327B d d =+=2.18柄部结构形式及尺寸拉刀圆柱形前柄的结构形式可分为Ⅰ型和Ⅱ型，Ⅰ型用于柄部直径小于18mm 的拉刀，Ⅱ型用于柄部直径大于18mm 的拉刀。

Ⅰ型和Ⅱ型又可分为无周向定位面和有周向定位面。

当拉刀用于实现工作行程和返回行程的自动循环时，需要有后柄结构，后柄放置在拉刀后导部的后边，后柄的结构形式有Ⅰ型和Ⅱ型两种，Ⅰ型为整体式，Ⅱ型为装配式，一般在后柄直径较大时采用。

故该拉刀选择 Ⅱ型A-无周向定位面的圆柱形前柄型式，Ⅰ型圆柱形后柄型式.查表知: 柄部尺寸为: 0.02010.07215049.980.052(460.33);20;320.398;75D D mm l mm l l mm l mm--==-''''=-==-==2.19颈部长度2l颈部直径可取及前柄直径相同值,也可略小于前柄直径.颈部长度要保证拉刀第一个刀齿尚未进入工件之前,拉刀前柄能被拉床的夹头夹住.因此可得拉刀颈部长度计算公式2l m B A B '=++- 取m=20mm, B=70mm, A=30mm2.20过度锥长度l '3过度锥长度l '3根据拉刀直径不同可取为10,15,20mm ,故取l '3=20mm 故:2l =35+70+30-20=100mm 2.21前导部直径3d ,长度l 30min 3520.7550d mm l l mm===2.22后导部直径4d ,长度l 4后导部直径的基本尺寸等于拉后孔的最小直径mmin D ,长度l 后可取为工件长度的1/22/3,但不得小于20 mm. 故取4min 4581212(~)(~)*6532.5~432323d D mml l mm===== 故:取l 4=40mm2.23柄部前端到第一齿长度'1L'1L =1233751002048245L LL L mm '+++=+++=2.24计算最大切削力max Fmax F ='5***13.4*3.14*58*1016.8212e z m Z F d kg π==小于拉床额定拉力, 则:max F =' 3.14***13.4**58*56101.0222ze F D Z kg π== 2.25拉床拉力校验计算出的拉削力max c F 应小于拉床的实际拉力F 实,即max c F ≤F 实 对于良好状态的旧拉床,F 实=0.8m F ,其中L6110型拉床的公称拉力m F =200 KN故max c F ≤0.8m F =0.8⨯200=160 KN,所以拉床拉力足够. 2.26拉刀强度校验为防止拉刀拉断,拉削时产生的拉应力应小于拉刀材料的许用应力,即σ=max c F /min A ≤[]σ,式中:min A --拉刀上的危险截面积,一般在柄部或颈部.[]σ--拉刀材料的许用应力,高速钢的[]σ=343392 MPa故min A =346.22mmσ=max c F /min A =3155.7/346.3=9.1MPa<[]σ所以拉刀强度允许. 2.27计算校验拉刀L='1L +l 粗+l 校+l 精+l 后 其中l 粗=Z 粗⨯P=90mml 精=Z精⨯P 精=50mml 校=Z校⨯P 校=50mml 允=455mm 查表二故L=455≤l 允 所以合格表二:花键拉刀允许的最大总长度2030>302.28确定拉刀技术要求(GB3813-83)①拉刀热处理用W6Mo5Cr4V2高速工具钢制造的拉刀热处理硬度刀齿和后导部 6366HRC前导部 6066HRC柄部 4052HRC允许进行表面强化处理②拉刀表面粗糙度(见表三)表三拉刀主要表面粗糙度③拉刀粗切齿外圆直径的极限偏差(见表四)表四拉刀粗切齿外圆直径的极限偏差>0.06④矩形花键拉刀精切齿及外圆校准齿外圆直径的极限偏差(见表五)表五矩形花键拉刀精切齿及外圆校准齿外圆直径的极限偏差0.0090.0460.012>0.0460.015⑤拉刀外圆表面对拉刀基准轴线的径向圆跳动公差(见表六)表六矩形花键外圆表面对拉刀基准轴线的径向圆跳动公差>25⑥拉刀前导部及后导部外圆直径公差(按f7)⑦拉刀全长尺寸的极限偏差(见表七)表七拉刀全长尺寸的极限偏差三.矩形花键铣刀的设计1.被加工零件材料的选择被加工零件如图4.所示，工件材料为：45钢；硬度HBS195 ；强度σb= 600Mpa；工件长度L=65mm。