成型车刀说明书.doc

中北大学课程设计说明书
目录
1. 前言...........................................................2
2. 成形车刀的设计..................................................2
2.1选定刀具类型、材料的根据......................................2
2.2刀具结构参数、几何参数的选择............ .....................2
2.3刀具的全部计算...................... ......... ...............3
3. 矩形花键拉刀的设计.................................. ...........6
3.1选定拉刀材料及热处理..........................................6
3.2刀具结构参数、几何参数的选择与设计............................6
3.3 刀具的全部计算. ..... .......................................14
3.4 对技术条件的说明... .......... ...............................17
4. 参考文献........................................................19

1.前言
本次课程设计完成了对成形车刀、矩形花键拉刀两种刀具的设计和计算工作，说明书包括刀具类型材料的选择，刀具结构参数、几何参数的选择，刀具的全部计算，对刀具的技术使用要求，安装使用要求，巩固深化了课堂理论教学内容，运用各种设计资料、手册和国家标准进行设计，培养了我们独立分析解决问题的能力。
2.成形车刀的设计
成形车刀又称为样板刀,它是加工回转体成形表面的专用刀具,它的切削刃形状是根据工件廓形设计的。成型车刀主要用于大量生产,在半自动或自动车床上加工内、外回转体的成型表面。当生产批量较小时，也可以在普通车床上加工成形表面。
成型车刀的种类很多,按照刀具本身的结构和形状分为:平体成形车刀,棱体成形车刀和圆体成形车刀三种。相较传统的车刀，成形车刀的具有显著的优势:稳定的加工质量,生产率较高,刀具的可重磨次数多，使用期限长。但是它的设计、计算和制造比较麻烦,制造成本也比较高。一般是在成批、大量生产中使用。
2.1选定刀具类型、材料
参考《金属切削刀具课程设计指导书》，工件材料为球墨铸铁QT800－2，硬度HBS250，强度σb =800Mpa,可知,选用棱体成行车刀、普通高速钢W18Cr4V制造。
2.2刀具结构参数、几何参数的选择
2.2.1选择前角及后角
查《金属切削刀具课程设计指导书》的表3-5 得: ，。
2.2.2刀具廓形的选择:
取,,,, (成形车刀的附加刀刃)。
——是为避免切削刃转角处过尖而设得附加刀刃宽度，常取为0.5～3mm；
——是考虑工件端面的精加工和倒角而设的附加刀刃宽度，其数值应大于断面精加工余量和倒角宽度。为使该段刀刃在主剖面内有一定后角，常做成偏角～，b值取为1～3mm；
——是为保证后续切断工序顺利进行预切槽刀刃宽度，常取为3～8mm；
——是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，常取为0.5～2mm；
标出工件廓形各组成点1-12(图1)。以0-0线（通过3-6段切削刃）为基准（以便对刀）。
图1：棱体成形车刀廓形计算图
2.3刀具的全部计算
2.3.1 尺寸标定
计算出1—12各点处的计算半径（为避免尺寸偏差值对计算准确度的影响，故常采用计算尺寸、计算半径、计算长度和计算角度计算）：
；

再以1点为基准点，计算出计算长度

2.3.2 计算切削刃总宽度Lc,并校验

因大于最大许用值，故在已确定径向进给的情况下，在工件非切削部分增设助支承——滚轮托架，以增加工艺系统刚度。
2.3.3 确定结构尺寸（数据选择见《金属切削刀具课程设计指导书》表3.1）
,,，。
2.3.4 用计算法求棱体成形车刀廓形N—N剖面上各点所在圆的半径Rx
具体计算过程见表1：
标注廓形径向尺寸时，应选公差要求最严的12段廓形作为尺寸标注基准，其他各点用廓形深度表示其径向尺寸。

表1：棱体成形车刀廓形计算表

廓形
组成
点

1
6

6
0
0
3，6
12.5

12.5
6.5
6.28
2,9
9

9
3
2.9
4,10
11

11
5
4.8
5,7,11,12
8

8
2
1.9
各点廓形公差取
2.3.5 检验最小后角
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

一般要求最小后角不小于,因此检验合格
2.3.6 车刀廓形宽度lx即为相应工件廓形的计算长度ljx,其数值及公差如下(公差值是成形车刀的廓形公差确定的,表中为列出者可酌情取为):

2.3.7 确定刀具的夹固方式：采用燕尾斜块式。

2.3.8 绘制棱体成行车刀图
根据以上得到的结果，按照数据进行刀具图的绘制，绘制图一张。根据相关的要求制定粗糙度等的标注。（详细说明见图纸）

3. 矩形花键拉刀的设计
3.1 选定拉刀材料及热处理
拉刀用W18Cr4V高速工具钢制造。热处理硬度为：
刀齿和后导部 HRC63—66
前导部 HRC60—66
柄部 HRC40—52
3.2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，提高表面光洁度及精度，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，多用于较大较长的拉刀，也用于安装压力环。

（2）切削方式：采用分层拉削方式中的同廓式拉削方式
（3 ）拉削余量：对于花键孔A=De-Do
拉刀刀齿结构： 表2
名称
功用
前刀面
切下的切屑流出的表面
主后刀面
刀齿上和过渡表面相对的表面、最终形成已加工表面的面
副后刀面
刀齿上和已加工表面相对的表面、分屑槽两侧面
刃带
也称第一后刀面，是主切削刃和后刀面之间的后角为零的窄面，它有稳定的拉削过程，防止拉刀摆尾的作用
主切削刃
是前后刀面的交线，用以形成过渡表面，完成主要的金属切除工作
副切削刃
是前刀面和副后刀面的交线，分屑槽中也有两条副切削刃
过渡刃
可以是直线或圆弧，它有助于减缓刀尖的磨损、主、副切削刃连接处的一段刀刃
刀尖
主副切削刃的相交点
容屑槽
其形状必须有利于切屑卷曲，并能宽敞地容纳切屑
分屑槽
减小切削宽度，降低切削卷曲阻力，便于切削容纳在容屑槽内，从而改善拉削状况
棱
刀齿后刀面与齿背的交线
齿背
容屑槽中靠近后刀面的部分
拉刀刀齿的几何参数有：切削齿前角γ0，校准齿前角γ0g，切削齿后角α0，校准齿后角α0g，齿距p，容屑槽深h，齿厚g，刃带宽ba1。拉刀刀齿的主要稽核参数前角、后角和刃带宽数值的大小主要取决于工件材料和拉刀的结构形式。参照表5-5，各种花键拉刀，工件材料为球墨铸铁800-2，硬度为HBS250,故常用的材料的拉刀几何参数为：
拉刀形式
工件材料
前角γ0
后角α0
刃带宽ba1
粗切齿
精切齿校准齿
切削齿
校准齿
粗切齿
精切齿
校准齿
各种花键拉刀
球墨铸铁
硬度
250
5
5
2.5～4
0.5～1.5
0～0.05
0.1～0.15
0.3～0.6

（4）分层式拉刀粗切齿齿升量
根据表4-6查出当硬度为HRC62-65时，齿升量af=0.05-0.08mm，在这取af=0.06mm。
（5 ）拉刀几何参数
根据表4-9，查得拉刀的前角γo=5o
根据表4-10，查得粗切齿的后角αo=3o+30‘，刃带ba=0.05-0.15；
精切齿的后角αo=2o±15‘，刃带ba=0.05-0.15；校准齿的后角αo=1o±15‘，刃带ba=0.7。
（6）拉刀容屑槽及分屑槽的尺寸
拉刀的齿距和同时工作拉刀切削部的齿距是拉刀的重要设要素。其影响如下：
1）齿距过大，则拉刀过长，不仅制造成本高，拉削生产率也低；齿距过
大，同时工作齿数太少，拉削过程不平稳，影响拉削加工表面质量。
2）齿距过小，容屑空间也小，切削容易堵塞；齿距过小，同时工作齿数
会过多，切削力就增大，可能导致拉刀折断及机床超载；齿距过小，还会给刃磨带来困难，砂轮切入时有与相邻刀齿碰撞的危险。
计算齿距的经验公式：
P=(1.25～1.5)L1/2,取p=6.0
工作齿数可按下式计算：
Ze=L/p+(0.1～1)=5.5
以上计算所得齿距p值，经过对容屑系数、拉刀强度及拉床拉力验算后，还需进行修正，最后参照表5-7得，齿距p=6,同时工作齿数Ze=5。
（7）容屑槽
1）计算齿距
粗切齿齿距Pr据式（22-3）计算，并参照附表22-3取接近的标准值
Pr=(1.25～1.75)L1/2=8mm
过渡齿齿距: Pg= Pr=P10=8mm
精切齿齿距：Pj=(0.6～0.8) Pr=6mm
标准齿齿距 Pji计算：Fji=(0.6～0.8)Pr=6mm
2）选取容屑槽形状及尺寸
容屑槽是形成刀齿的前刀面和容纳切屑的环状或螺旋状沟槽。环形齿拉刀的拉削属于封闭容屑槽形式；螺旋齿拉刀的拉削属于半封闭容屑形式。切削容纳在拉刀的容屑槽中，如果容屑空间不够大，切屑会在槽内挤塞，影响加工表面质量，严重的还会使刀齿崩刃或拉断拉刀。参照表5-8，选用直线齿背型容屑槽型。
根据表4-14，直线齿背容屑槽尺寸：
图2
容屑槽尺寸按下列公式计算：
h=(0.3～0.4) p
g=(0.3～0.35)p
R=(0.65～0.7)p
r=(0.5～0.6)h
经过计算得：h=2.4～3.2,g=2.4～2.88.R=5.2～5.6,r=1.2～1.92。参照表5-9，初步选h=3,r=1.7
容屑槽尺寸的最后确定，须校验其是否有足够的容屑空间，即容屑槽的有效
容积必须大于切屑体积，即Vp〉Vc，若忽略切削宽度方向的变形，即是要求上述体积可近似用拉刀轴剖面中的面积Ap和Ac来表示，二者的比值为容屑系数K，有： Ap/Ac≧K
式中：Ap为容屑槽的有效面积，Ap=∏h2/4;算得Ap=9.6；Ac=afL=1.75。
最终算得Ap/Ac=5.48〉K
3）校验容屑条件
取ac=2af,取K=4，计算
H=1.13(k.ac.l)1/2=2.5mm已选定的容屑槽深度，合格
4）分屑槽
为了便于卷屑和容屑、减少切削力、改善已加工表面质量，应在拉刀前后刀
齿上交错地磨出分屑槽。
设计分屑槽时应该注意以下几点：
① 分屑槽的深度必须大于齿升量，即h>af,否则不起分屑作用。
② 为了使分屑槽上两侧的切削刃也有足够的后角，槽底后角应大于拉刀
刀齿后角，取为α0+2°。
③ 分屑槽的数目nk应保证切削宽度不太大，便于卷曲成为较紧的切屑，
有利于容纳在容屑槽内。当拉刀直径d0>50mm时：
nk=∏d0/(0.5～1.0) d01/2=28
便于测量拉刀直径，分屑槽数目一般取偶数。
④ 在拉刀最后1个～2个精切齿上，由于齿升量很小，切屑较少，可以
不作分屑槽，以保证加工表面质量。
⑤ 加工铸铁等脆性材料时，由于切屑呈崩碎状态，不需磨出分屑槽。
分屑槽位置：应前后齿错开。
根据表4-17,每个刀齿的分屑槽数nk=b/5-10（取小值）
当b=8时，s=2.5，bc=1.0，nc=0.5。拉刀前导部、后导部、柄部的结构尺寸

图3
矩形花键拉刀前导部的尺寸：l3=L=20,l1一般取10mm、15mm、20mm,D3=前一根拉刀校准直径减0.02mm,公差为-0.02mm,a=5mm～10mm,d3=已加工内花键的名义底径减0.5，其公差按最大选取，b1=刃部键宽减0.02mm,偏差取f7。
拉刀后导部的尺寸：l4=(0.5～0.7)L；D4等于校准齿直径减0.05mm,偏差为-0.02；b4=刃部键宽或减去0.02mm。
5）校准部
前角γo校=5o，后角αo校=1o，齿距t校=（0.6-0.8）t=4.8-6.4mm，取t校=6mm
根据表4-23查得齿数Z校=4-5个，取Z校=4个
最后一个精切齿及校准齿直径应按下式确定：D校=Dmax±δ，其中δ为孔的变形量。
拉刀校准部长度l校=t校×Z校=6×4=24mm
6）柄部
根据表4-25查矩形花键拉刀柄部尺寸为：

图4
D1=24.75mm，D＇=29h13mm，D2=35mm，l1=23.5mm，l＇=12.5mm，l＇＇=18h13mm，c=8mm
σb=35kg/mm2时刀茗强度允许拉力为23100kg。
7）颈部及过度锥
拉刀颈部长度按下式计算：l2≥m+B+A-l3＇mm L3=10mm, l3＇=5mm
L1＇公式：L1＇=l1+l2+l3＇+l3，其中l3＇为拉刀进入卡头部分的长度，l3为前导部长度。
8）前导部、后导部和尾部
前导部主要起导向和定心作用，故应和予制孔形状相同。根据表4-31及4-32：
前导部：

图5
说明：1、D3等于前把拉刀最后刀齿的直径，偏差为表4-32。
2、d3等于加工的花键孔最小内径减0.5mm，只准许负偏差。
3、b3等于前一把拉刀花键齿宽减0.02mm。
4、l3=（0.75-0.1）l
5、a=5-10mm
后导部：

图7
说明：1、d4等于拉刀花键齿最大外径减0.05mm，偏差取-0.2mm。
2、b4等于或小于0.02mm切削辞键宽。
当拉削孔内有空刀槽时，后导部长度按下式计算：l后=l+c+（5-10）mm，式中：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。
9）拉刀总长度
L=L1＇+l切+l校+l后+l尾，拉刀直径为52mm，据表5-20，花键拉刀允许的最大总长度Lmax=1600mm。
10）拉刀强度校检
① 拉削力计算
拉削力的计算公式为： Fc=Fc∑bDZeKγKαKδKw（kg），
式中：Fc’为切削刃单位长度上的切削力（N/mm2），见表5-13；∑bD为总切削宽度；查表得：Fc=177 （N/mm2）
根据表4-34，Fmax=P＇·n·b·Ze（kg），
式中：P＇—单位长度切削刃上的拉削力（kg/mm），根据表4-35查得P＇=28.5（kg/mm）
Ze—最大同时工作齿数，Ze=4
n—花键键数，n=8
b—键宽，b=8mm
因此Fmax=28.5×8×8×4=7296（kg/mm）
② 拉刀强度校验
校验公式：σ=Fmax/Amin≤[σ]
式中：Fmax—由表4-34中相应公式计算得。
Amin—拉刀危险截面面积。拉刀的危险断面可能在柄部，也可能在第一个切削齿容屑槽中（mm2）
[σ]—拉刀材料允许的拉应力，表4-36查得[σ]=35-40（kg/mm2）
柄部D=29mm，A=660.185mm2，所以σ=Fmax/Amin=7296/660.185=11.05≤[σ]
3.3 刀具的全部计算（包括计算公式和计算结果）
表3
已知条件：1、花键孔尺寸：
外径：De=φ14H10
内径：D=φ11H7
键宽：b=3H9
键数：n=6
2、拉削长度：L=15mm
3、工件材料：球墨铸铁800-2，硬度为HBS250
4、预制孔直径：Do=10mm
序号
项
目
符
号
计算公式或选取方法
计算精度
计算举例
1
拉刀材料

W18Cr4V

2
齿升量
af
查表4-6

af=0.05mm
3
齿距
t
t校
按表4-12
t校=（0.6-0.8）t

t=6mm
t校=5
4
同时工作齿数
Ze
Ze=（l/t）+1

Ze=3.5
5
拉削余量切削顺序

根据表4-39

加工顺序为：1、圆孔 2、花键
圆孔齿部分的设计计算
6
圆孔校准齿直径
D圆校
D圆校=D圆校-δ
由表4-24查得δ=0
0.001
D圆校=11.025mm
7
圆孔拉削余量
A圆
A圆=D圆校-Domin

A圆=11.205-10
=0.205mm
8
圆形切削齿齿数
Z圆
Z圆=（A圆/2af）+（3-5）

Z圆=8.15
取Z圆=8齿
9
圆形齿部分长度
l圆切
l圆切=t×Z圆

l圆切=10×6=60mm
10
圆形校准齿齿数
Z圆校
查表4-23

Z圆校=7
11
圆形校准部分长度
l圆校
l圆校=t校·Z圆校

l圆校=5×11
=55mm
12
圆形齿部分总长
l圆
l圆=l圆切+l圆校

l圆=115mm
花键齿部分的计算
13
第一个花键齿直径
D花1
D花1=d2-0.1

D花1=14.026-0.1
=13.926mm
14
花键校准齿直径
D花校
D花校=Demax-δ
查表4-24，δ=0.01
0.001
D花校=14.026-0.01
=14.016mm
15
花键拉削余量
A花
A花=D花校-D花1

A花=14.026-11
=3.026mm
16
花键切削齿齿数
Z花切
Z花切=（A花/2af）+（3-5）

Z花切=29.2
取Z花切=29
17
花键切削部分长度
l花切
l花切=t×Z花切

l花切=6×31=186mm
18
花键校准齿齿数
Z花校
由表4-23

取Z花校=4
19
花键校准部分长度
l花校
l花校=t校·Z花校

l花校=6×4=24mm
20
花键齿部分总长
l花
l花=l花切+l花校

l花=24+186=210mm
21
花键齿廓形尺寸
花键齿宽度
棱面宽度
副偏角

b
f
Kr＇

b=Bmax-δ，公差取-0.015
f=0.8-1
表4-40

b=3.031
f=0.8±0.2mm
Kr＇=1o30＇
其他部分计算
22
容屑沟尺寸
h
r
g
由表4-8选取

h=2.5
r=1.3
g=2
23
校准齿容屑沟尺寸
h校
r校
g校

由表4-8选取

h校=2
r校=1
g校=2
24
分屑槽

倒角齿和花键齿按表4-19尺寸交错开分屑槽

25
前导部尺寸
d3
l3
d3=Domin，偏差按d9
l3=l

d3=12.75
l3=20mm
26
后导部尺寸
d4
l4
d4=D花校-0.05，偏差啊-0.2
l4=（0.5-0.7）l

d4=12.7-0.2
l4=10mm
27
切削角度和刃带宽
γo

ba
查表4-9
查表4-10
查表4-10

各个刀具γo=15o
切削齿αo=3o±30‘
标准齿αo=1o±15‘
切削齿ba=0.05-0.15mm
标准齿ba=0.7mm
28
过渡锥长度
l3’
l3’=10-20

取l3’=10mm
29
柄部尺寸
D1
D＇
l＇
l＇＇
l１
c
查表4-25

D1=12.3mm
D＇=80.34mm
l＇=20mm
l＇＇=32mm
l１=90mm
c=8mm
30
颈部长度

l2=m+B+A-l3＇，m=15mm
B、A见表4-30

l2=24.75mm
31
由柄部前端到第一个切削齿的距离
L1＇
L1＇＝l1+l2+l3＇+l3

L1＇＝
137.5

32
拉刀总长
L
L=L1＇+l倒+l圆+l花+l4

L=540mm
3.4 对技术条件的说明
3.4.1 拉刀各部分的表面粗糙度
表4
部 位
Ra
刃带
0.4
前后刀面；前后导部；各种花键拉刀齿形表面
0.8
柄部；过渡锥；矩形花键拉刀表面侧隙面
1.6
容屑沟底及齿背，颈部
3.2
花键刀齿底径
12.5
3.4.2 拉刀各部分尺寸偏差
（1）拉刀外圆直径在全长上的最大径向跳动量之差
（2）切削齿外圆直径偏差：0.020
（3）精切齿外圆直径偏差按-0.01mm
（4）校准齿外圆直径偏差（包括与校准齿直径相同的精切齿），查得-0.009mm
（5）矩形花键拉刀其他尺寸偏差
① 键宽偏差：根据工件键宽的精度确定，可再-0.01-0.02之间
② 花键齿圆周相邻齿距误差，应小于拉刀键宽偏差，但不得大于0.02mm
③ 花键齿圆周不等分累积误差
④ 花键齿的底径偏差按d11或只准负偏差
⑤ 花键齿两侧面的不平行度，螺旋度及键齿对拉刀轴线不对称度在键宽公差范围内；倒角齿对拉刀轴线不对称度不大于0.05mm
⑥拉刀倒角齿计算值M的偏差：－0.02mm
3.4.3键槽拉刀的尺寸偏差
①切齿齿高偏差（mm）
齿升量
齿高偏差
相邻齿高偏差
0.05－0.08
±0.025
0.025
②精切齿及校准齿齿高偏差取－0.015mm
③刀体侧面和底面不直度偏差：键宽为3－12mm时为0.06/100
④键宽偏差取为工件槽宽公差的1/3，但不大于0.02mm，符号取（－）
⑤键齿对刀体中心线的不对称度在拉刀键宽公差范围内
⑥键齿对刀体中心不对称的在键宽公差以内
3.4.4拉刀其他部分长度偏差
①拉刀总长偏差：当L<1000mm时取±2mm。
②切削部分长度偏差取±2mm。
③校准部分长度偏差取±1mm。
④柄部长度取偏差取±1mm。
⑤前导部，后导部长度偏差取±1mm。
⑥容屑槽深偏差：当h<4mm时，取±0.3mm。

4.参考文献
[1] 许先绪.《非标准刀具设计手册》.北京：机械工业出版社.1992
[2] 刘华明.《刀具课程设计指导书》.哈尔滨：哈尔滨工业大学.1981
[3] 陈锡渠、彭晓南.《金属切削原理与刀具》.北京：北京大学出版社.2006
[4] 陆剑中、孙家宁.《金属切削原理与刀具》.北京：机械工业出版社.2006
[5] 乐兑谦.《金属切削刀具》.北京：机械工业出版社.2001
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