拉刀铣刀设计说明书概要.docx
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拉刀铣刀设计说明书概要
一、金属切削刀具课程设计的目的
金属切削刀具课程设计是学生在学完“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，锻炼和培养学生综合运用所学知识和理论的能力，是对学生进行独立分析、解决问题能力的强化训练。
通过金属切削刀具课程设计，具体应使学生做到：
（1）掌握金属切削刀具的设计和计算的基本方法；
（2）学会运用各种设计资料、手册和国家标难；
（3）学会绘制符合标准要求的刀具工作图，能标注出必要的技术条件。
二、设计内容和要求
完成矩形花键铣刀、矩形花键拉刀两种刀具的设计和计算工作，绘制刀具工作图和必要的零件图以及编写一份正确、完整的设计说明书。
刀具工作图应包括制造及检验该刀具所需的全部图形、尺寸、公差、粗糙度要求及技术条件等；说明书应包括设计时所涉及的主要问题以及设计计算的全部过程；设计说明书中的计算必须准确无误，所使用的尺寸、数据和计量单位，均应符合有关标准和法定计量单位；使用A4纸打印，语言简练，文句通顺。
具体设计要求见附页。
三、拉刀的设计
（一）选定刀具类型和材料的依据
1选择刀具类型：
对每种工件进行工艺设计和工艺装备设计时，必须考虑选用合适的刀具类型。
事实上，对同一个工件，常可用多种不同的刀具加工出来。
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。
根据表30，选择W18Cr4V。
（二）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，提高工件表面光洁度及精度，并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
切削流出的表面
后刀面
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
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
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45号钢，硬度为HBS190<229,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
钢
硬度
≦229
15
15
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=16-18o
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=7.4～8.87,取p=8.0
工作齿数可按下式计算：
Ze=L/p+（0.1～1）=4.4
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=8.5,同时工作齿数Ze=4。
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=10mm
过渡齿齿距:
Pg=Pr=P10=10mm
精切齿齿距：
Pj=（0.6～0.8）Pr=7mm
标准齿齿距Pji计算：
Fji=（0.6～0.8）Pr=7mm
（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：
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=2.55～3.4,g=2.55～2.975.R=5.525～5.95,r=0.765～2.04。
参照表5-9，初步选h=3.5,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=3.4mm<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
矩形花键拉刀前导部的尺寸：
l3=L=35,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=6.5mm
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=6.5×4=26mm
（6）柄部
根据表4-25查矩形花键拉刀柄部尺寸为：
图4
D1=36mm，D＇=29h13mm，D2=35mm，l1=90mm，l＇=20mm，l＇＇=32h13mm，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
式中：
B-机床床壁厚度，根据表4-30查得机床型号L6120，B=75mm
A-花盘法兰厚度，根据表4-30查得机床型号L6120，A=35mm
m-卡头与机床床壁间隙，可取m=10-20mm，在这取15mm
l3＇-过渡锥长度，一般l3＇=10-20mm，在这取15mm
因此求得l2≥110mm。
图5
图中：
床壁孔径200mm，B=75mm，花盘孔径150mm，a=75mm，A=35mm
拉刀颈部直径D2可比柄部直径D1小0.3-1mm，也可以取颈部与柄部直径相同，以便于一次磨出。
L1＇公式：
L1＇=l1+l2+l3＇+l3，其中l1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：
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]
（三）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=φ46H10（60+0.120）
内径：
D=φ52H7（φ52+0.030）
键宽：
b=10H9（10+0.036）
倒角：
c×45oc=0.3
键数：
n=8
2、拉削长度：
L=70mm
3、工件材料：
45，硬度HBS175
4、预制孔直径：
Do=52-0.20mm
5、拉床型号：
L6120
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=0.06mm
3
齿距
t
t校
按表4-12
t校=（0.6-0.8）t
t=7.12mm
取t=8mm，t校=6.5
4
同时工作齿数
Ze
Ze=（l/t）+1
Ze=4
5
拉削余量切削顺序
根据表4-39
确定为IIIb型
加工顺序为：
1、倒角2、圆孔3、花键
6
倒角齿侧量值
M
按表4-42公式
b1=b+2f
sinψ1=b1/dmax
按表4-41，取θ=45o
ψx=90o-θ-ψ1
M=（dmax·cosψx）/2
0.0001
0.001
0.01
b1=10.036+0.6=10.636
sinψ1=0.205497
ψ1=11.79o
ψx=90o-45o-11.79o
=33.21o
M=21.77mm
7
倒角与键侧交点的直径
dB
dB=bmin/sinψB
而tgψB=bmin/2HO
HO=（2M-bmincosθ）/2sinθ
（表4-42）
0.01
HO=20.849
tgψB=0.2398，
ψB=13.48533
dB=52.918mm
8
最后一个倒角齿余量
d2
d2=dB+（0.3-0.6）
（表4-42）
d2=52.918+（0.3-0.6）
=52.918+0.4=53.318mm
9
倒角齿切削余量
A倒
A倒=d2-Domin
A倒=53.318-52=1.318
10
倒角齿齿数
Z倒
Z倒=A倒/2af
因第一个切削齿无齿升量，故实际Z倒应加一齿
整数
Z倒=1.318/0.12=10.99
取Z倒=11
而实际d2=53.318mm
实际Z倒=12齿
11
倒角齿部分的长度
l倒
l倒=t×Z倒
最后一个齿距取12mm
l倒=8×12+12=108mm
圆孔齿部分的设计计算
12
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=52.030mm
13
圆孔拉削余量
A圆
A圆=D圆校-Domin
A圆=52.030-51.8
=0.23mm
14
圆形切削齿齿数
Z圆
Z圆=（A圆/2af）+（3-5）
Z圆=5.9166
取Z圆=6齿
15
圆形齿部分长度
l圆切
l圆切=t×Z圆
l圆切=8×6=48mm
16
圆形校准齿齿数
Z圆校
查表4-23
Z圆校=3
17
圆形校准部分长度
l圆校
l圆校=t校·Z圆校
l圆校=6.5×2+12
=25mm
18
圆形齿部分总长
l圆
l圆=l圆切+l圆校
l圆=48+25=73mm
花键齿部分的计算
19
第一个花键齿直径
D花1
D花1=d2-0.1
D花1=53.318-0.1
=53.218mm
20
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=60.120-0.01
=60.02mm
21
花键拉削余量
A花
A花=D花校-D花1
A花=60.02-53.218
=6.802mm
22
花键切削齿齿数
Z花切
Z花切=（A花/2af）+（3-5）
Z花切=56.68+3
取Z花切=60
23
花键切削部分长度
l花切
l花切=t×Z花切
l花切=8×60=480mm
24
花键校准齿齿数
Z花校
由表4-23
取Z花校=4
25
花键校准部分长度
l花校
l花校=t校·Z花校
l花校=6.5×4=26mm
26
花键齿部分总长
l花
l花=l花切+l花校
l花=26+480=506mm
27
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=10.031
f=0.8±0.2mm
Kr＇=1o30＇
其他部分计算
28
容屑沟尺寸
h
r
g
由表4-14选取
h=3.5
r=1.7
g=2.5
29
校准齿容屑沟尺寸
h校
r校
g校
由表4-14选取
h校=3
r校=1
g校=2
30
分屑槽
倒角齿和花键齿按表4-19尺寸交错开分屑槽
31
前导部尺寸
d3
l3
d3=Domin，偏差按d9
l3=l
d3=51.8
l3=30mm
32
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=60.02-0.2
l4=20mm
33
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
34
过渡锥长度
l3’
l3’=10-20
取l3’=15mm
35
柄部尺寸
D1
D＇
l＇
l＇＇
l１
c
查表4-25
D1=36mm
D＇=29-0.34mm
l＇=20mm
l＇＇=32mm
l１=90mm
c=8mm
36
颈部长度
l2=m+B+A-l3＇，m=15mm
B、A见表4-30
B=75mm，A=35mm
l2=110mm
37
由柄部前端到第一个切削齿的距离
L1＇
L1＇＝l1+l2+l3＇+l3
L1＇＝
90+110+15+30=245
38
拉刀总长
L
L=L1＇+l倒+l圆+l花+l4
L=952mm
（四）对技术条件的说明
1拉刀各部分的表面光洁度
表3
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
（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）
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。
四、铣刀的设计
（一）齿形的设计计算
1.前角为零时，工件法剖面截形就是铣刀的齿形。
2.前脚大于零时
铣刀有了前角以后，其刀齿在径向截面的齿形和前刀面上的齿形，就与工件法剖面的截形不同了。
设γf为铣刀外圆处的纵向前角，当γf较大时，铣刀径向截面和前刀面上的齿形需进行修正计算。
下图所示的是工件齿形和铣刀齿形得关系，其中（b）为给定的工件齿形；（c）为铣刀径向截面应具有的齿形，即铲刀应具有的齿形；（d）为铣刀前刀面的齿形，即样板应具有的齿形。
图8
（二）结构参数的选择及计算
1.铣刀齿形高度h
设被切工件成形部分高度为hw，则成形铣刀齿形高度应为：
h＝hw＋（1－2）mm
2.铣刀宽度B
设被切工件阔形宽度为Bw，则铣刀宽度B可取为稍大于B。
3.容屑槽底形式
铲齿成形铣刀容屑槽底形式通常有两种，即平地形式和中间有凸起或槽底倾斜的加强形式。
在铲削深度较小和刀齿强度足够的情况下，应采用平底形式。
在铣削深度较大时，宜采用加强形式。
4.铣刀的孔径d
铣刀的孔径d应根据铣削宽度和工作条件选取，可以按刚度，强度条件计算，也可根据生产经验选取。
5.铣刀的外径do
对于平底形式的容屑槽，铣刀外径可按下面公式计算：
do＝d+2m＋2H
式中：
d－铣刀孔径
m－壁厚，一般取（0.3－0.5）d
H－全齿高
由于全齿高的计算又需依据外径do，因此，用上式直接计算铣刀外径是困难的，我国一些工厂采用下式估算铣刀外径：
do＝（2－2.2）d＋
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