刀具设计说明书

圆孔拉刀, 矩形花键铣刀的设计说明书 目 录

一. 前言 ............................................................ 1 二. 圆孔拉刀的设计 .................................................. 2 2.1. 拉削与拉刀概述………………………………………………………………………2. 2.2原始条件和设计要求 . .......................................... 2 2.3设计计算过程 ................................................. 2

2.3.1选择拉刀材料 . ........................................... 2 2．3.2拉削方式 . .............................................. 3 2.3.3几何参数 . ............................................... 3 2.3.4校准齿直径 . ............................................. 3 2.3.5拉削余量 . ............................................... 3 2.3.6齿升量 ................................................. 3 2.3.7确定齿距和同时工作齿数 . ................................. 4 2.3.8容屑槽形状和尺寸 . ....................................... 4 2.3.9分屑槽的形状及尺寸 ..................................... 5 2.3.10确定拉刀齿数和每齿直径尺寸 . ............................ 6 2.3.11柄部结构形式及尺寸 . .................................... 7 2.3.12颈部直径d2与长度L2 ................................... 8 2.3.13过渡锥长度 . ............................................ 8 2.3.14前导部直径d4长度L4 ................................... 9 2.3.15后导部直径长度d7长度L7 ............................... 9 2.3.16柄部前端到第一齿长度 .................................. 9

2.3,17计算最大切削力....................................... 9 2.3.18拉削力校验............................................9 2.3.19拉刀强度校验..........................................9 2.3.20计算校验拉刀..........................................10 2.3.21确定拉刀技术要求......................................10

三．矩形花键铣刀的设计..............................................13 3.1成形铣刀概述……………………………………………………………….13

3.2原始数据.....................................................13 3.3设计计算过程.................................................13.

3.3.1齿槽半角..............................................13 3.3.2齿顶圆弧中心半角...................................... 14 3.3.3齿顶宽.................................................14. 3.3.4初算齿廓高度...........................................14 3.3.5铣刀宽度...............................................14 3.3.6按铣刀宽度最后确定齿廓高度.............................14. 3.3.7铣刀齿顶圆弧半径.......................................14 3.3.8齿顶圆角半径...........................................14 3.3.9铣刀前角...............................................14 3.3.10容屑槽形式............................................14 3.3.11铣刀孔径..............................................15 3.3.12铣刀外径..............................................15 3.3.13铣刀圆周齿数..........................................15 3.3.14铣刀的后角............................................15 3.3.15铲削量................................................15 3.3.16容屑槽圆角半径........................................15 3.3.17容屑槽间角............................................16 3.3.18容屑槽深度............................................16 3.3.19分屑槽尺寸............................................16 3.3.20键槽尺寸..............................................16

3.3.21空刀导角尺寸...........................................16 3.3.22校验铣刀刀齿强度.......................................16. 3.3.23 校验铣刀刀体强度………………………………………………….16 3.3.24 技术要求……………………………………………………………17 四．总结………………………………………………………………………………18 五．参考文献………………………………………………………………………..19 六．致谢……………………………………………………………………………. 19

一．前 言

金属切削原理及道具课程设计是在学习完《金属切削原理及刀具》课程后，进行的一项实践环节。其目的是巩固加深所学内容，锻炼自身运用所学知识进行分析、解决问题的能力。

在这个设计过程中大概涉及到金属切削原理及刀具，互换性与测量技术基础，机械制图等相关课程。同时需要运用Autocad 等软件工具来完成制图工作。根据设计任务圆孔拉刀及矩形花键铣刀的设计，主要需要的知识点为圆孔拉刀的结构组成及几何结构参数，以及铲齿成形铣刀的结构要素的分析计算。在分析计算时不要想着一步到位，要认真耐心的计算每一个参数，只有把每一个参数都做好了，才会有完整合理的刀具产生。同时在设计时要多查资料，认真阅读所需的图表数据，这样才能取得正确合理的数据。通过这样的课程设计过程，我想回让我们对专业知识有进一步的了解和系统的掌握。.

二. 圆孔拉刀的设计 2.1拉削与拉刀概述

拉削过程是利用拉刀进行的，拉刀是一种多齿，精加工刀具。拉刀工作时沿轴线作直线运动，以其后一个刀齿高于前一个刀齿，一层一层的依次从工件上切下很薄的金属层，以获得所需要的加工表面，拉削加工在成批大量生产中得到广泛应用。

拉削的特点：生产效率高，加工精度与表面质量高，拉刀耐用度高，拉床结构简单，切削条件差，加工范围广。拉刀种类很多，可按不同的方法分类。按拉刀的结构可分为整体拉刀和组合拉刀。按加工表面可分为内拉刀和外拉刀。按受力方式可分为拉刀和推刀。

2.2. 原始条件和设计要求

2，3. 设计步骤 ,2.3.1选择拉刀材料

拉刀材料常选用W18Cr4V 或W6Mo5Cr4V2或同等或以上性能的高速工具钢制造。这里选用W18Cr4V 。

2. 3.2拉削方式

采用综合式的拉削方式, 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。 2.3.3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与切削齿相同。 查课本表15-5，,15-6有:

前角=17º 精切齿与校准齿倒棱角前角r 01=5º 粗切齿后角α0=2º30ˊ 刃带b α1=0.1mm 精切齿后角α0=2º 刃带b α1=0.2mm

校准齿α0=1º 刃带b α1=0.3mm

2.3.4. 校准齿直径

dox =dm + 取=0.01mm d ox =50.025+0.01=50.035mm

2.3.5拉削余量

设定该圆拉刀用来钻孔, 则其拉削余量可用如下公式查表15-1:拉削余量的计算 计算余量 A=0.005dm+(0.1～0.2)

⨯⨯50.025+0.15

⨯ 采用∅49的钻头，最小孔径为d wmin =49mm

实际拉削余量 A=dox -d wmin =50.035-49=1.035mm 2.3.6齿升量a f

查表15-4分层式拉刀粗切齿齿升量有

a f

=0.03mm a c =2a f

=0.06mm.

2.3.7确定齿距和同时工作齿数 查表15-7拉刀齿距及同时工作齿数有

粗切齿齿距: P=(1.25～

～9.5 取P=9mm 过渡齿齿距P=9mm

精切齿齿距及校准齿齿距:p j =p x =(0.6~0.8) p =(0.6~0.8)P=4.8～7.26 取P=6.3 最少同时工作齿数Z e min =L/P=40/9=4.4 取Z e min =4 最多同时工作齿数Z e max =L/P+1=40/9+1=5.4 取Z e max =5 满足3≤Ze ≤8

2．3.8容屑槽形状和尺寸

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. 这里选用曲线齿背型。曲线齿背容屑槽由两段圆弧R ，r 和前刀面组成，容屑空间较大，便于切屑卷曲。

容屑系数K 根据a c =0.06 查表15-10 轮切式拉刀容屑槽容屑系数 取K=2.7 因为一般加工钢件时K=2.5-5.5，所以满足要求。

容屑槽尺寸 查表15-8拉刀容屑槽形状尺寸得：

粗切齿和过渡齿取深槽，h=5mm,g=4mm,r=2.5mm, R=8mm; 精切齿和校准齿取基本槽，h=2.5mm，g=3mm,r=1.3mm, R=5mm

2.3.9拉刀的分屑槽形状及其尺寸

分屑槽的作用在于将刀屑分割成较小宽度的窄切屑，便于切屑的卷曲，容纳和清除。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；三角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。 故该综合式圆孔拉刀粗切齿与过渡齿采用弧形分屑槽，精切齿（最后一个精切齿除外）采用三角形分屑槽。

弧形槽按表6-27圆孔拉刀分屑槽尺寸（刀具设计手册）设计

d 0min = 49mm ，槽数n k =12

槽宽a =d 0min sin

90︒n k

-(0.3~0.7) =6mm

90︒n k

切削宽度a w =2d 0min sin

-a =6.79mm

三角形槽前后刀齿的分屑槽应在圆周方向错开半个槽距，交错排列

11

d 0=50mm ，槽数n =(~) πd 0=24

76

槽宽b =1~1.2mm ，深h '=0.5mm ，槽形角ω≥90︒

2. 3.10确定拉刀齿数和每齿直径尺寸

取过渡齿与精切齿齿升量递减为：0.025、0.020、0.015、0.015、0.01、0.01mm ，

1

切除余量A g +A j ，其中，前2齿齿升量大于a f ，可属过渡齿；后4齿齿升量较

2

小，属精切齿。

切除余量A g +A j =2×（0.025+0.020+0.015+0.015+0.010+0.010）=0.19mm 粗切齿齿数Z C =

A-(Ag +Aj )

2a f

+1=14.9 取Z c =14

粗切齿、过渡齿、精切齿共切除余量:（14－1）×2×0.03＋0.19mm=0.97mm 剩下（1.025-0.97）mm =0.055mm 的余量未切除，需增设一个精切齿切到要求的尺寸。 按表15-11圆孔拉刀过渡齿、精切齿和校准齿齿数，取校准齿7个，则拉刀总齿数为：

z c +z g +z j +z x = 14+3+5+7=29

按齿号列出了各齿直径尺寸及其公差见表一：

（表一）

2. 3.11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. 查表4-18圆柱形前柄II 型（金属切屑刀具课程设计指导书） 知:

前柄 L 3=l1=110mm D 1=d1=45mm D ˊ=d2=34mm

l ' =25l '' =32c

=5

2.3.12颈部直径d 2与长度l 2

颈部直径可取与前柄直径相同值, 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 颈部长度： l 2

≥m +B s +A -l 3=110mm

对于L6120型号的拉床, 其尺寸如下: 式中:l 2--颈部长度

m=10～20 取m=15

B s --拉床床壁厚度75 mm

A --法兰盘厚度35mm

l 3--过渡锥长度10，15或20mm ，这里选l 3=15mm

颈部直径；d 2

=d 1-(0.3~0.5)

取d 2=d1-0.5=44.5mm

2.3.13过度锥长度l 3l 3=15mm

2.3.14前导部直径d 4, 长度l 4

d 4=dwmin =49mm

l 4=l 或l 4≥40 取l 4=40mm

2.3.15后导部直径d 7, 长度l 7

l 7=(0.5~0.7)l 或l 7≥20 取l 7=25mm d7=dmin =50.028mm

2. 3.16柄部前端到第一齿长度L '

1 拉刀柄部前端至第1刀齿的距离

L ' 1=l ' 1+m +B s +A +l 4=110+15+75+35+40=275mm

l ' 1前柄伸入夹头的长度 l 1' =l 1-(5~10)或l 1' =l 1' 1 取l =110mm

2. 3.17计算最大切削力F c max

根据综合式拉削特点，切削厚度a c =2a f

Fmax =Fˊzaw Z emax K 0K 1K 2K 3K 4 ×10-3

=233×50∏÷2×5×1.27×1.15×1.13×1×1×10-3=131.1KN

式中:F z '-切削刃单位长度上的切削力 查表有F z '=233N 2.3．18拉削力校验

计算出的拉削力F max 应小于拉床的实际拉力, F max ≤ KM F r

Km 为拉床状态系数，新状态K m=0.9，较好状态的旧拉床K m=0.8，不良状态旧拉床

K m=0.5-0.7，这里取K m=0.8

因为L6120型拉床的公称拉力F m =200 KN 故F max

≤0.8F M =0.8⨯200=160 KN,所以拉床拉力足够.

2.3.19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=F max /A min ≤[σ],

式中:A min --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]=0.35GPa

πd 222

=908mm A min = 2

σ=F max /A min =131.3/908=0.1446GPa

所以拉刀强度满足要求. 2.3．20计算校验拉刀

粗切齿与过渡齿长 l5=9×（14+3）=153mm 精切齿与校准齿长

l 6=6⨯(5+7) =7m 2m

拉刀的总长 L=Lˊ1+l5+l6+l7=275+153+72+25=525mm

查表15-14圆孔拉刀允许总长度 得允许拉刀总长为L=25d0=1250mm，显然，设计拉刀比允许拉刀短的多，所以长度校验合格。

2.3．21确定拉刀技术要求(GB3813-83) ①拉刀热处理

用W18Cr4V 高速工具钢制造的拉刀热处理硬度 刀齿和后导部 63~66HRC 前导部 60~66HRC 柄部 45~50HRC 允许进行表面强化处理

②拉刀表面粗糙度(表二)

③拉刀粗切齿外圆直径的极限偏差(见表三)

拉刀粗切齿外圆直径的极限偏差

④圆拉刀精切齿与外圆校准齿外圆直径的极限偏差(见表四)

圆拉刀精切齿与外圆校准齿外圆直径的极限偏差

⑤拉刀外圆表面对拉刀基准轴线的径向圆跳动公差(见表五)

表五 拉刀外圆表面对拉刀基准轴线的径向圆跳动公差

⑥拉刀前导部与后导部外圆直径公差(按f7) ⑦拉刀全长尺寸的极限偏差(见表六)

表六 拉刀全长尺寸的极限偏差

⑧拉刀表面

拉刀表面不得有裂纹, 碰伤, 锈迹等影响使用性能的缺陷. ⑨拉刀切削刃

拉刀切削刃应锋利, 不得有毛刺, 崩刃和磨削烧伤. ⑩拉刀容屑槽

拉刀容屑槽的连接应圆滑, 不许有台阶

三. 矩形花键铣刀的设计 3.1成形铣刀概述

成形铣刀的切削刃廓形是根据工件廓形设计的。成形铣刀可在通用铣床上加工形状复杂的表面，可保证加工工件的尺寸和形状的一致性，生产效率高，使用方便，故应用广泛。

成形铣刀可用来加工直沟和螺旋沟成形表面。常见的成形铣刀已有通用标准。但大部分成形铣刀属专属刀具，需自行设计。

成形铣刀按齿背形成可分为尖齿成形铣刀和铲齿成形铣刀两大类。尖齿成形铣刀用钝后需要重磨后刀面，其耐用度和加工表面质量都较高。但因后刀面为成形表面，制造和重磨时必须用专门的靠模夹具，使用不方便。

铲齿成形铣刀的齿背是按一定的曲线铲制的，用钝后只需要重磨前刀面即可保证刃行不变，由于前刀面是平面，刃磨很方便，因此得到广泛应用。 3.2. 原始条件

被加工零件如图2. 所示，工件材料为：35钢；硬度HBS180 ；强度σb =540Mpa；工件长度L=30mm。

ϕ=180︒/Z=180︒/6=30︒

3.3．2齿顶圆弧中心半角

ψ=arcsin(b /D f min ) =30︒-arcsin （5/17.966）=13.840

3.3．3齿顶宽

==17.966sin （13.84）=4.30mm sin ψ⨯⨯B a D f min

3.3.4初算齿廓高度

h=(D a -D f min ⨯cos ψ)/2+(1~2)=(22-17.966⨯cos （13.840）)/2+(1~2)=3.28~4.28 取h=4mm 3.3.5铣刀宽度 B=B a +2h⨯

sin ϕsin 30︒

=4.3+2⨯4⨯=8.92mm 取B=9 mm

cos30︒cos ϕ

3.3.6按铣刀宽度最后确定齿廓高度

B -a

h==4.07mm 2⨯sin cos ϕ 3.3.7铣刀齿顶圆弧半径

R f =

D

f min

2

=17.966/2=8.983mm

3.3.8齿顶圆角半径

r =r

=1

3.3.9铣刀前角 精加工时:γ=0

f

f

粗加工时:γ=5︒~20︒ 故取γ=0

f

3.3.10容屑槽形式

矩形花键铣刀容屑槽底形式通常有两种, 即平底式和中间有凸起或槽底倾斜的加强形式, 在铣削深度较小和刀齿强度足够的情况下, 应采用平底式; 在铣削深度较大时, 宜采用加强

形式, 其槽底形状都是根据工件廓形确定的. 故该容屑槽选择采用平底式. 3.3.11铣刀孔径

铣刀的孔径d 应根据铣削宽度和工作条件选取, 也可以按刚度, 强度条件计算, 还可根据生产经验选取.

因此, 该铣刀根据其切削宽度B=9查表5-141成形铣刀孔径（刀具设计手册）选取, 可得d=22 mm. 3.3.12铣刀外径

对于平底形式的容屑槽, 铣刀外径可按如下公式估算:

d 0=(2～2.2) ⨯d+2.2⨯h+(2～6)=54.954-63.354mm 查表5-142取d 0=65mm 3.3.13铣刀圆周齿数

在设计时, 一般可根据生产经验按铣刀外圆直径的大小来预选定圆周齿数, 且一般尽量采用偶数.

因此, 查表5-143铲齿成形铣刀齿数 可得 z k =12.

3.3.14铣刀的后角

设矩形花键铣刀的顶刃径向后角为αf , 一般可取. αf 又因为验算侧刃后角公式为: tg α0=tg αf sin ϕ 故 α0=60 可以满足要求 3.3.15铲削量

=10-15 这里取

αf

=12

K=0/ZK × ×f =3.6

采用I 型铲齿形式K 1=(1.3—1.5)K=1.4×3.6=5.0

3.2.16容屑槽圆角半径

r =

π⎡⎣d 0-2(h +K )⎤⎦

2Az k

= 取r=2

式中:A为铲床凸轮回程角有关的系数, 当铲齿凸轮回程角δ=60时A=6; 当

δ=90时 A=4， 而对于需铲磨齿背的成形铣刀, 通常取δ=90. 故取A=4 3.3.17容屑槽间角

一般取θ＝20o ~35o ,这里取θ=30o

3.3.18容屑槽深度

对于有平底容屑槽, 齿背需铲磨的成形车刀 H=h+（K+K1）/2+r=4.07+(3.6+5.04)/2+2=10.39mm 3.3.19分屑槽尺寸

因为该铣刀宽度小于20, 故切削刃上不需做分屑槽.

3.3.20键槽尺寸

查金属切削刀具课程设计指导书附录II 可得 b=6mm，r=1mm

3.3.21空刀导角尺寸 查表知 C=1.5

3.3.22校验铣刀刀齿强度

对于平底容屑槽铣刀，按下式计算出齿根宽度 C=[d0/2-K(A-1)/2-h]sin(3600(A-1)/2KA)=9.8mm

又C/H=9.8/10.39=0.94>0.8 所以刀齿强度满足要求。 3.3.23校验铣刀刀体强度

为保证刀体强度要求有 m≥（0.3-0.5）d m=(d0-2H-d)/2=(65-2×10.39-22)/2=11.11

又（0.3-0.5）d=6.6-11 所以m ≥(0.3-0.5)d 所以刀体强度满足要求。 3.3.24技术要求 见铣刀工作图

四．总 结

这次的课程设计主要分为两部分，设计计算和制图。在设计计算过程中我主要通过查看金属切削刀具课程设计指导书和刀具设计手册来设计计算。在这个过程中我遇到的问题是，有时候查某些表格，不能够直接查找到自己数据所对应的数据，比如铣刀键槽的选择。这时就需要认真选着最适合自己数据的哪一组数据。至于公式的选着方面，都还比较顺利，因为很多公式都是一定的，只需要根据自己的需要选取就行了。

对于制图这一方面就要困难一点了。特别是在画局部放大图时，既要选择好放大比例，又要注意线段之间的连接问题。比如画拉刀的容屑槽，分屑槽时有需要两端圆弧R ，r 组合在一起，这时就不太好画了，需要注意两端圆弧间的光滑连接。还有就是在标注时，由于局部放大的剖面图不是很大，但又需要在上面标注很多形位公差之类的数据，这时就要认真仔细，不能漏标和标注在错误的位置，这样才能完整的表现所画图形的内容。

通过这样一个设计过程，会让自己在设计，制图这些本专业很重要的部分有一个综合性的提高，对以后的学习很有帮助。

五．参 考 文 献

[1]刘华明. 金属切削刀具设计简明手册[M].北京: 机械工业出版社, 1994.7

[2]崔卫东, 王柏岩. 双面偏心圆弧及双平面拉刀的设计[J].工具技术,2013,V ol47,No.1:73-74

[3]. 袁哲俊，刘华明主编 刀具设计手册 北京 机械工业出版社，1999.6

[4]. 刘华明主编 金属切削刀具课程设计指导书 机械工业出版社 1986.

[5]. 武文革，辛志杰主编 金属切削原理及刀具 北京 国防工业出版社，2009.9

六． 致 谢

本次设计是在老师的指导下完成的，在此感谢武文革老师和庞学慧老师的指导，让我在设计过程中，更加的明确了设计重点与注意事项，更加顺利的完成设计任务。