圆孔拉刀容屑槽设计的概况

上海大学2014～2015 学年秋季学期研究生课程考试课程名称：制造工艺及刀具课程编号： 09Z078013论文题目: 圆孔拉刀容屑槽设计的概况研究生姓名: 学号:论文评语:成绩: 任课教师:评阅日期:注：后接研究生小论文，格式参照公开发表论文的样式。

圆孔拉刀容屑槽设计的概况（上海大学机电工程与自动化学院，上海200072）摘要：圆孔拉削作为一种高效率的孔加手段，被广泛应用于各类圆孔的精加工中，是一种封闭或半封闭的切削加工形式。

拉刀的容屑槽是用来形成刀齿的前面以及容纳所切下的切屑，是圆孔拉刀重要的几何特征。

本文结合圆孔拉刀的拉削过程的特点，分析了圆孔拉刀的切屑，详细分析了现有文献资料中圆孔拉刀容屑槽型式分类及参数搭配存在的缺陷。

并以带状切屑为例，分析了各个参数对容屑槽的容积的影响。

经过必要的整理、分析，总结了拉刀容屑槽型式及参数的改进意见。

关键词：圆孔拉刀；容屑槽；切屑；槽型Broach Chip Circular Slot Design Studies(School of Electrical Engineering and Automation, Shanghai University, Shanghai 200072, China)Abstract: Broaching the hole means of a well of a high efficiency, is widely used in various types of finishing the hole, a closed or semi-closed form of cutting, the chip flutes broach cutter is used to form the front accommodating cut chips. This paper hole broaches broaching process characteristics, analyzes the hole broach chips. It detailed analyze the existing literature in the chip pocket hole broach type classification and parameters with defects. And ribbon cuttings for example, the influence of various parameters on the volume of the chip groove, after the necessary collation, analysis, proposed broach chip flute type and parameters of the improvements.Key words: Broach hole; Chip Circular Slot; hole broach chips1引言圆孔拉刀是一种高精度、高效率、高寿命的专用复杂刀具，被广泛应用于各类圆孔的精加工中[1]。

拉削是一种常用的高效率加工型孔的方法，是一种封闭或半封闭的切削加工形式。

拉刀的容屑槽及参数均有特殊的要求，它不仅要满足拉削时卷屑、容屑和排屑的要求，而且还应力求造型简单，制造容易，所需的二类工具少。

在拉削工件的过程中，拉刀容屑槽与被拉工件之间共同构成了封闭的容屑空间，其作用是在拉削过程中从工件基体上切下的正在卷曲成形而形成拉屑的滑移卷曲产道，是容纳拉屑的空间。

这个产道的构形及是否顺畅与平滑，将会直接影响和决定拉屑的变形卷曲速度、屑卷形状和屑卷松紧程度[2]。

容屑槽形状的设计原则与制造要求是能使拉屑自由卷曲和造型屑卷，也能使刀齿有足够强度和重磨次数。

因此，如果容屑槽空间不足或其表面加工质量不好时，拉屑将会与容屑槽表面产生剧烈摩擦，出现卷屑困难或卷屑偏斜，甚至拉屑在形成过程中折断，挤塞容屑空间，这些都会影响被拉削表面质量( 如刮伤、拉毛等) 。

严重时还会导致拉削力增大，如超出拉刀所能承受之负荷，直接导致拉刀刀齿崩刃，甚至拉断拉刀。

故拉削时，容屑槽的构形、拉屑卷曲是否顺利和拉屑容纳空间是否足够将直接决定拉刀整体品质的优劣[3]。

2圆孔拉刀的容屑槽型2.1圆孔拉刀的切削圆孔拉削加工产生的切屑大致有三种：碎粒状屑、节片状切屑、带状切屑。

切屑的形状特征，决定了它们在拉刀容屑槽中具有各自的容屑状态，并具有不同的切屑包容体积以及相应的容屑槽有效容积。

切屑包容体积是指沿切屑周边将某个容屑槽中所有切屑包容在内的封闭曲面所形成的体积[4]。

容屑槽有效容积是指在不发生挤屑的条件下，容屑槽容纳最多切屑时的容屑容积。

在容屑槽中，碎粒状切屑的体积形状变化大，质量与包容体积之比较稳定，随着质量的增加，切屑堆积逐渐充满整个容屑槽。

节片状切屑的体积形状变化更大，质量与包容体积之比不稳定，随着质量的增加，切屑堆积逐渐填至容屑槽的大部分。

带状切屑的体积形状变化较小，质量与包容体积之比稳定，切屑被卷成中空的屑卷紧靠在拉刀前刀面及容屑槽底部。

拉削是封闭切削。

拉削过程能够顺利进行的条件之一是容屑状态良好，不发生挤屑。

即，拉刀容屑槽有效容积大于切屑包容体积[5]。

2.2几种常见的容屑槽型现有的拉刀设计文献资科中有以下三种常用的容屑槽型：(1) 曲臂双弧型(曲背型)如图1所示。

这种型式的容屑槽底部宽敞、圆滑，排屑流畅，适用于圆孔拉刀、键槽拉刀及各种花键拉刀。

当拉刀槽形深而狭时，其优点更为明显[6]。

但是，当用成形刀具加工这种容屑槽时，只能径向进给而不能轴向走刀，因而切削面积大，切削力大，拉刀容易弯曲，被加工表面粗糙度高，生产效率也受到影响，增加了拉刀的制造成本，所以，曲背型容屑槽虽有其独特的优点，但仍需慎重采用。

图1 曲臂双弧型容屑槽Fig.1 Crank double curved chip pockets(2)直背单弧型(直背型)如图2所示。

这种槽型便于制造，应用较广，故为基本槽型，但它有一致命弱点，就是当槽深较大而齿距较小时，槽型就狭窄，切屑容易在狭窄的b处卡住，使切屑流动受阻，甚至造成切屑堵塞而不易自槽内清除，严重时还会使工作中断，损坏零件和刀具。

若将其改作曲背双弧型(增加齿背圆弧R，其余参数不变)，切屑经过a点后即被放松，则可避免上述现象发生[7]。

直背型与曲背型相比，工艺性较差，当齿距一定，槽深较小时，采用直背双弧型要比采用直背单弧型好得多。

直背单弧型只需经过修磨就可形成直背双弧型槽。

图2 直背单弧型容屑槽Fig.2 Single-chip straight back curved groove(3)直背双弧型(加长型)，如图3所示。

这种槽型底部空敞，切屑卷曲与流动无阻碍，在工艺上克服了前两种槽型的缺点，能在加工时方便地进行纵、横两个方向的走刀，而刀刃同时工作长度大大减小，这样不仅加工质量好，而且生产效率高，制造费用低，所以加长型容屑槽具有较高的实用价值[8]。

图3 直背双弧型容屑槽Fig.3 Straight back double curved chip pockets拉削过程中，切屑被封闭于容屑槽中。

如果容屑槽没有足够的空间，切屑将挤塞其中，影响加工表面质量，甚至使拉刀损坏，所以应根据加工要求选择合适的槽形。

3圆孔拉刀的容屑槽参数3.1容屑槽的参数拉刀容屑槽用来形成刀齿的前面及容纳切下的切屑。

加工韧性金属时，通常采用图4所示齿背及曲线的槽形（由两段圆弧组成），切屑容易卷曲成紧密屑卷，可在不减少齿背宽度和拉刀重磨次数的情况下增大槽的容屑空间[9]。

图4 容屑槽示意图Fig.4 Schematic chip pockets但是，我们在实践中发现，也可采用齿背为曲线的槽形，容屑槽的参数不同其效果也会不一样，尤其是拉刀前刀面的直线段长度和前刀面圆弧半径r对拉刀的影响最大[10]。

当容屑槽参数取得较合理时，切屑会卷缩成图5所示的在齿背方向稍有伸长的螺旋屑卷，拉力较小，切屑容易从拉刀刃口脱落，工件表面质量提高，刀具耐用度也较高[11]。

如果容屑槽参数不合理，则工件表面质量不好，刀具不耐用；尤其当前刀面圆弧半径r过小、拉刀前刀面的直线段长度过长时，很难形成圆形卷屑，形成的切屑较厚、且短而硬，切屑顶在齿背上不正常地塞满在容屑槽中，见图6，紧贴前刀面，此时拉削表面质量较差，拉刀上的切屑极难清理，甚至使拉刀刀齿折断[12]。

图5 正常卷屑图图6 不正常卷屑图Fig.5 Normal volume crumbs map Fig.6 Abnormal volume crumbs map3.2常用容屑槽型式的尺寸参数针对三种容屑槽型式讨论其尺寸参数的搭配问题。

1）直背单弧型槽：其深浅要适中，既不宜过深而显狭窄，又不宜过浅而出现太小的齿背角w，通常W=45~50°为宜。

直背单弧型槽的齿背角w或其他型式的假想齿背角(假想为直背单弧型时的齿背角)w’的粗略计算如下，如图7所示（因刀齿后角引起的计算误差极小忽略不计）[13]。

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(1) 而错误！未找到引用源。

(2) 式中t、g、h及r为已知又错误！未找到引用源。

(3)错误！未找到引用源。

(4) 可得错误！未找到引用源。

(5) 式中，t为齿距，g为齿宽，h为槽深，错误！未找到引用源。

为前角，r为槽底圆弧半径。

而错误！未找到引用源。

(6) 根据生产实践及理论分析可知，无论哪种容屑槽，槽底圆弧半径r为槽深h之半均较好，故经整理可得，错误！未找到引用源。

(7)按上式计算的W或者W’值是反映各类槽型功能特征的重要参数是各种槽型分类的主要依据[15]。

图7Fig.72）曲背双弧型槽：它是在直背单弧形槽由于槽深增加或齿距减小，致使槽形狭窄不能适应切削要求的情况下产生的，因此，其假想齿背角W’自然应比直背单弧形槽的齿背角(W=45~50°)还要大一些，否则，就无存在的实际意义[16]。

3）直背双弧型槽：其齿背角W=50°为宜。

就是说，此槽的假想齿背角W’应比50°小，如图8所示。

W’越小，槽底圆弧中心距l越大，槽形就越显得浅而长，越适用于加工深孔[17]。

图8Fig.83.3容屑槽容积为了便于分析计算，以带状切屑为例，对拉刀的容屑槽进行分析。

设计手册中规定，为了保证容屑槽有足够的容积，必须满足式错误！未找到引用源。

(8) 式中，错误！未找到引用源。

为截面比值，错误！未找到引用源。

为拉刀容屑槽有效容积的轴向面积，错误！未找到引用源。

为切屑的拉刀轴向截面积，r为容屑槽底部圆弧半径，L为拉削长度，错误！未找到引用源。

为齿升量，K为拉刀容屑槽容屑系数[18]。