圆体成形车刀设计

圆体成形车刀设计
1.1 前言
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。

目前多在纺织机械厂,汽车厂,拖拉机厂,轴承厂等工厂中使用。

1.2设计要求
设计要求：按照要求完成一把成型车刀，并且能够用该刀具加工出图示的工件。

1.3 选取刀具材料
工件材料为：硬铝；硬度HBS100 ；强度σb = 420MPa 。

参考附录表5《金属切削刀具设计简明手册》选取刀具材料：18W 4r C V 。

1.4选择前角及后角
由表（2-4）《金属切削刀具设计简明手册》得：f γ=27°，f λ=13°。

1.5 刀具廓形及附加刀刃计算 根据设计要求取
r κ=20°，a=3mm ，b=1.5mm ，c=5mm ，d=0.5mm
Lc---成形车刀切削刃总宽度，
Lc=l+a+b+c+d
如图（2）所示：以0—0线（过9—10段切削刃）为基准，计算出1—12各点处的计算半径r 。

（注：为了避免尺寸偏差值对计算准确性的影响，故常采用计算尺寸---计算长度和计算角度来计算）
图（ 2 ）
jx r =基本半径±2
半径公差
mm r 788.710)41
.024.25(22
j 1j =--==2r
mm r r j j 94.745cos 5.1r 1043=︒⨯-== mm r j 29.845cos 1r 67=︒⨯-==j5r
6r j =9mm; mm tg r j 928.9201
12=︒
-
=j8r
mm mm r 975.9)4
1
.0220(r 910j =-==;
；
mm 675.12)4
1
.024.25(r =±==j1211r ；
； ； ；
（以上各个半径就是标注点的相对0—0线的半径长度，jx r 半径是进行刀具切削的各个点的设计绘制的。

）
再以1、2点为基准点，计算长度
jx L ：
2
公差
基本长度±=jx
L
mm mm 775.142
45
.015=±
=j4L ； mm 0.35=j6L ；
mm 0.25=j5L ； mm 00.48=j7L ；
1.6 计算切削刃的总长度
mm d c b a c
L 5848=++++=；
（由于刀具的一部分是辅助用的加工部分，则可以对刀具的外部半径进行圆整，最后考虑到加工刀具的精度问题取 c L 为58mm.）
取m m 576.15r 2d 1min == 则
L ==576.1558
d L min c
1.7 确定结构尺寸
为了达到加工结构的优化和合理的加工工艺，应使：
d m
e A R +++≥=)(22m ax 00d （见表2—3）
由表（2—3）查得《金属切削刀具设计简明手册》 ： C1312车床（刀具结构为C 型） mm 52=0
d
；mm 12=d ;
选用毛坯直径为28mm,则mm r j 41.759.61414
7A max =-=-=；
代入上试，可得mm d
A R 122
max =--≤+0m)(e ； 最终取m=8mm.
1.8用计算法求原体成形车刀廓形上的各个点所在圆半径 x R
1.8.1计算廓形上的各个点所在圆半径 x R
计算过程如表（1—1）《金属切削刀具设计简明手册》所示：
表（1—1）
备注： 以上各个值的计算公式为：)sin arcsin(
0f jx
j r r γλ=fx
，
f j fx
jx r r r cos cos 0-=γ
x C ；x C B -=0x B ；
)a r g(x c B h =x ε ； x
c
h εs i n =x
R ；
标注廓形径向尺寸时，应该选公差要求最严的1—12段廓形为尺寸标准基准，其
它各点用廓形深度R ∆见表（1—1）。

1.8.2 根据表（1—1）可确定各个点廓形深度R ∆的公差 1 ）
2,j r j1r 的R ∆为：0；
2）
4
,j r j3r 的R ∆为：0.01； 3）
7
,j r j5r 的R ∆为：0.02；
4）
12
,j r j11r 的R ∆为：0.04；
5）
10
,j r j9r 的R ∆为：0.1； 6）
j8r ，
j6
r 的R ∆为：0.04；
1.9 最小后角的校验
由于7—11段切削刃与进给方向的夹角最小，所以这段切削刃上后角最小。

则有：
()
[]︒-=20sin 8989f r tg arctg ε0a
)32(9.7︒-︒≥︒=
所以后角校验合格。

1.10 车刀廓形宽度x L 即为相应工件廓形的计算长度jx L
其数值及公差按表（2—5）确定
各个值分别为：
mm L j 10.0775.144±==4L ；
mm L j 02.0255±==5L ； mm L j 02.0356±==6L ； mm L j 5.0487±==7L ；
1.11 绘制刀具的加工工作图和样板工作图
A图一张。

根据相关的要根据以上得到的结果，按照数据进行刀具图的绘制，绘制
2
求制定粗糙度等等的标注。

（详细说明见图纸）
矩形花键拉刀的设计
2.1前言
拉刀上有很多刀齿，后一个刀齿（或后一组刀齿）的齿高要高于（或齿宽宽于）前一个刀齿（或前一组刀齿），所以当拉刀作直线运动时（对某些拉刀来说则是旋转运动），便能依次地从工件上切下很薄的金属层。

所以拉刀具有以下优点：加工质量好，生产效率高，使用寿命长，而且拉床结构简单。

但拉刀结构复杂，制造麻烦，价格也比较高，一般是专用刀具，因而多用于大量和批量生产的精加工。

拉刀按加工表面的不同，可分为加工圆形、方形、多边形、花键槽、键槽等通孔的内拉刀和加工平面、燕尾槽、燕尾头等外表面的外拉刀。

按结构的不同，可分为整体式拉刀和装配式拉刀。

2.2 选定刀具类型和材料的依据
1选择刀具类型：
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。

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。

拉刀结构复杂，造价昂贵，因此要求采用耐磨的刀具材料，以提高其耐用度；考虑到还应有良好的工艺性能，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。

2.3 刀具结构参数及各部分功用
1拉刀的结构
图1
表1
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
4拉刀刀齿结构：
表2
2.4 拉刀几何参数的选择和设计
1：选择拉刀材料：18W 4r C V
2:拟订拉削余量切除顺序和拉削方式
拉削余量切除顺序为：键测与大径——小径，拉刀切削齿的顺序是：花键齿——圆形齿。

实际采用分层拉削渐成式。

后面用d 、h 和y 表示角齿、花键齿和圆形齿；用c 、g 、j 和x 表示粗切、过度、精切和校
准齿；用w 和m 表示工件预制孔和拉削孔。

3：选择切削齿几何参数
前脚：0γ=20°，精切齿与校准齿倒棱前脚0t γ=20° 后脚：粗切齿：0α=2°30′+1° 1a b =0.10
精确齿：0α=2°+30′1a b =0.15 校准齿：0α=1°+30′1a b =0.2 4：确定校准齿直径 倒角齿不设校准齿
查表4—16（《刀具课程设计指导书》）得，花键齿、圆形齿的扩张量均为4um ，则花键齿校准齿和圆形齿校准齿直径为 hx d =34.10-0.004=34.096mm ； yx d =28.021-0.002=28.0019mm ； 5：计算切削余量；
按表4-1（《刀具课程设计指导书》）计算圆形拉削余量为1mm ，预制孔径为27mm ，
实际拉削余量 y A =28.0019-27=1.0019mm 花键余量 h A =34.096-(29.898 -0.1)=4.298 mm 6:选择齿升量；
查表4-4（《刀具课程设计指导书》） 选择为 花键齿：fh a =0.050mm （矩形花键拉刀栏） 7：设计容屑槽 ⑴ 齿距计算
查表4-7
P=(1.2~1.5) =(1.2~1.5)
g p
j p =x p =(0.6~0.8)p=6mm ⑵选择容屑槽 查表4-8
采用曲线槽，粗切齿用深槽，h=3mm, 精切齿用基本槽 h=2.5mm
（3）校验容屑系数：查表4-9得，容屑系数K=3 （4）校验同时工作齿数 查表4-7得l/p=30/8=3.8
所以：min e z =4 max e z =4+1=5，满足3≤e z ≤8的校验条件 8：花键齿截形设计
花键齿键宽h B 按下列式子计算 m a x h B =max B -b δ m i n h B =max h B -b ∆
式中，max B 为花键键槽宽最大极限尺寸；b δ为拉削扩张量（查表得b δ=0.004mm ）；
b ∆为拉刀键齿制造公差带宽，为保证键赤耐用度高，b ∆应在制造范围内取最小值，这里取 b ∆=0.010mm 。

则
m a x h B =7.036-0.004=7.032mm m i n h B =7.032-0.010=7.022mm
拉刀键齿侧面应制出r K =0°的修光刃f ，其下应磨出侧隙角1°30′。

（工厂常在齿高为1.25mm 及以下的刀齿上磨侧隙。

） 9：确定分屑槽参数
除校准齿和与其相邻的一个精切齿外，拉刀切削齿均磨制三角形分屑槽（表4-13）。

由
于在每个圆形齿上都存在着不工作刃段，圆形齿段不必磨分屑槽。

10：选择拉刀前柄
按表4-17选择Ⅱ型——A 无周向定位面的圆柱形前柄，
公称尺寸1d =25mm 卡爪底径2d =19mm
11：校验拉刀强度
通过计算分析，确认倒角齿拉削力最大，因而应计算拉刀倒角齿拉削力（表4-20、4-21和4-22）
w
a
∑=z(max h B +2f)=6*(7.032+2*0.5)mm=48.192mm
max F =z F ′w a ∑01234k k k k k *310-=98.55KN
拉刀最小截面积在卡槽底颈处，则拉应力
m a x m i n m a
x //(/F A F σπ==4×229）=0.2GP []σσ<(表4-25)，拉刀强度校验合格
12：确定拉刀齿数及每齿直径
1）花键齿齿数 初拟花键过渡齿与精切齿的齿升量为0.04，0.03，0.02，0.01，0.005mm,逐步递减，共切除余量 A``=0.21mm 。

花键粗切齿齿数
`` 4.890.21
1145.75220.05
h hc fh A A z a --=
+=+=⨯ 取46齿，多切去了
0.250.0520.025mm ⨯⨯=的余量，应减去0.0125mm
的齿升量。

因此，减去一个精切齿并将齿升量调整为0.04，0.03，0.015，0.0075mm 。

后2齿齿升量〈1
2
fh l ，为精切齿，前2齿则为过渡齿。

2）圆形齿齿数 初拟方案与花键齿相同，即拟切去A``余量，计算圆形粗切齿齿数为
``9.232Y yc fy
A A z a -==
取10齿，少切了
0.150.00520.015mm ⨯⨯=mm 的余量，需增加一
个精切齿，其齿升量为0.0075mm 。

这样，圆形齿段具有粗切齿6个，过渡齿2个，精切齿2个。

3）校准部齿数
圆形齿和花键齿校准齿齿数查表4-14，得 花键校准齿齿数 4hx z =
圆形校准齿齿数
4yx z =
4）各齿直径基本尺寸 见表4-41。

13：拉刀齿部长度 参照图4-2。

花键齿段长度 846+65+8=406h
l m m =⨯⨯
圆形齿窜长度 810+66=116y l mm =⨯⨯
拉刀齿部长度
522y h l l l mm =+=
14：设计拉刀其他部分 按表4-17，4-19，4-23计算：
前柄 190l mm = 0.020
10.053
258(
)d f mm
--= 颈部
23(10804015)115S l m B A l mm mm
=++-=++-=
210.524.5d d mm mm =-=
过渡锥
15l mm =
前导部 3
30l mm = 0.020
3m i n 0.0410277()w d d f mm --==
前柄伸入夹头长度
11`585l l mm mm =-=
前柄 端 部 至第1刀齿的距离 ：
113`(9015803530)250L l m B A l mm mm =++++=++++=
后导部4
20l mm = 0.02m i n 0.041
4287()my d d f mm --== 后柄 5
80l mm = 0.0250.059258()
d f mm --= 15 拉刀总长及其校验
896L L 54·
=+++=l l l
拉刀几何参数汇总如下
表3
2.5 对技术条件的说明
1 拉刀各部分的表面光洁度
表3
（1）4.2 拉刀各部分尺寸偏差
（2）拉刀外圆直径在全长上的最大径向跳动量之差
（3）切削齿外圆直径偏差：0.020
（4）精切齿外圆直径偏差按-0.01mm
（5）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 （6）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
2键槽拉刀的尺寸偏差
①切齿齿高偏差（mm）
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拉到其他部分长度偏差
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
小结
通过这次矩形花键拉刀、成形车刀课程设计收获了很多，也深刻的体会到作设计绝不能急躁，只有在明确了基本的设计方法和思路，对一些基本的刀具有了一个更深的了解，后才可以着手画图，否则必然会事倍功半。

经过一段时间的查阅资料，和与同学们的讨论后，两个设计都基本上满足了题目的要求。

这两个刀具在某些数据的选择上和所查资料上的数据稍微有点偏差，但都在允许范围内。

当然由于知识有限此次的设计也有许多不足之处，在今后的学习中我会更加注意这方面知识的积累，使自己避免出现同样的问题。

参考文献
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