圆孔拉刀及矩型花键铣刀说明书.docx
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圆孔拉刀及矩型花键铣刀说明书
圆孔拉刀与矩形花键铣刀设计说明书
目录
０前言-3-
一、绪论-4-
1.1刀具的发展-4-
1.2研究本课题的目的-4-
二、圆孔拉刀的设计-5-
2.1拉刀的基本知识-5-
1.拉倒的种类-5-
2.选定刀具材料的依据-6-
3．刀具结构及各部分功用-7-
2.2设计要求-8-
2.3设计步骤-8-
1.拉床及其他条件-8-
2．选取拉刀材料及硬度-8-
3．确定拉削方式-9-
4．选择刀齿几何参数-9-
5．确定校准齿直径-9-
6．确定拉削余量-9-
7．选取齿升量-9-
9.拉刀齿形及分屑槽参数-10-
10.确定分屑槽种类及参数-11-
11.选择拉刀前柄-11-
12．校验拉刀强度与拉床载荷-11-
13．确定拉刀齿数和每齿直径尺寸-12-
14．设计拉刀其它部分-13-
15．计算和校验拉刀总长-14-
16．制定拉刀技术条件-14-
2.4拉刀技术条件-14-
三、矩形花键铣刀的设计-15-
1．铣刀的设计-15-
2.齿形的设计计算-15-
3.结构参数的选择及计算-16-
4.设计要求-17-
5.设计步骤主要计算-18-
6.刀齿、刀体强度和砂轮干涉的校验-19-
7．成形铣刀的技术条件-20-
8.刀具的计算整理-21-
四、设计成果图-23-
参考文献-24-
０前言
今年是我来到中北大学的第三年，三年的学习生活使我掌握了一定的专业知识，特别是大三的一年学习中，我了解到的都是有关于本专业或与本专业相关联的专业基础课。
《金属切削原理及刀具》是我比较喜欢的一门课，通过平时的学习，老师的教导，我掌握了它的基本原理及知识技能。
但是由于平时的学业较为繁忙，我没有深层次地进行了解和研究。
欣闻《金属切削原理及刀具》还有课程设计要做，我的积极性一下子提高了许多，我相信，通过这次课程设计，我对刀具的了解将会更加全面。
我这次课程设计的任务是圆孔拉刀以及矩形花键铣刀的设计，初次见到这个题目我有些迷茫。
这些刀具都已经发展地相当成熟了，而我只有一周的时间要把这两把刀都设计出来，这似乎有些难度。
仔细研究我发现书本上的知识实在有限，研究两把刀具需要查找各种各样的资料。
然而，资料的查找也是非常的困难，图书馆仅有基本课程设计手册早就被一洗而空了，我想一方面这是学校图书馆资源确实不怎么够用，但最主要的原因我想还是我的态度不够端正，学习的积极性没有被提上来。
思考之后我重新开始审度我课程设计了，所谓课程设计，我想就是让我们在查找资料的学习过程中逐渐找到那种自我学习、自我分析和解决问题的习惯，只要大家能够耐得住性子静下心来学习，我想再难的设计也能做出来。
课程设计总共做了五天，我用了一天的时间通过各种渠道在查找资料，然后拉刀和铣刀的计算各用了一天，这就花去了大半的时间。
我想说的是，到此为止所得工作量都不大，工作量最大的就是画图了。
虽然不是第一次接触CAD，但对它还是比较陌生。
通过画拉刀的确增长了我画图的技巧，第二张铣刀的图我很轻松就画完了。
当然这都是些作为一名本科生最基本也是最基础的需要掌握的内容。
画图虽然是一件苦差，不但加班加点，而且腰酸背疼，但在制图的过程中我发现了许多的乐趣，最重要的是它让我有了成就感，所以我非常感激我们的课程安排能有这样的实践课。
在课程设计的过程中，我也发现了许多的问题，自身的问题当然有许多，但我想说的是整个设计的诸多问题。
首先，对于课程设计的题目，根据往届学姐学长提供的资料，基本上每一届的题目都是一样的，这样不利于学生们的创新发展；其二，题目相同直接导致的后果就是同学们不愿思考，拿着往届学长学姐的作业直接修改成自己的作品，然后答辩就等通过，这种不良行为容易恶性循环，一届一届的传播，影响我们机制专业的学风，所以，我想老师您应该要多多鼓励那些独立思考的学生，为我们的将来以及学校院系的发展提供良好氛围。
最后关于本次课程设计，我想我做的真的不够完美，最主要的原因就是时间问题，五天的时间真的是在太短了，加上我所学的知识有限,所以会有很多的错误和不足，希望老师您能够给予批评和指正！
一、绪论
1.1刀具的发展
随着社会的发展,时代的进步,刀具在生产中的用途越来越广.刀具的发展在一定程度上决定着生产率,进入新世纪,各行各业面临的竞争越来越激烈,一个企业要有竞争力,其生产工具必须具有一定的先进性.中国作为一个农业与工业大国,其在机械方面的发展空间相当大,而要生产不同种类的零件,不管其大小与复杂程度,都离不开刀具。
目前，在金属切削技术领域中，我国和先进的工业国家之间还存在着不小的差距，但这种差距正在缩小。
随着工厂、企业技术改造的深入开展，各行各业对先进刀具的需要量将会有大幅度的增长，这将有力地促进金属切削刀具的发展
1.2研究本课题的目的
课程设计作为工科院校大学生的必修环节，不仅是巩固学生大学所学知识的重要环节，而且也是在检验大学生综合应用知识的能力、自学能力、独立操作能力和培养创新能力，是大学生参加工作前的一次实践性锻炼。
通过本课题设计可以达到以下目的：
1.综合运用学过的专业理论知识，能独立分析和拟订某个刀具合理的工艺路线，具备设计中等复杂刀具零件的能力。
2.能根据被加工零件的技术要求，运用刀具设计的基本原理和方法，掌握一些专用刀具设计方法，完成刀具结构设计，提高刀具设计能力。
3.熟悉和学会使用各种手册，能善于使用网络搜寻一些设计的相关资料，掌握一定的工艺制订的方法和技巧。
4.进一步提高计算机操作的基本技能﹑主要是AutoCAD的应用。
二、圆孔拉刀的设计
2.1拉刀的基本知识
1.拉倒的种类
拉刀是一种高生产率的刀具，可以用来加工各种形状的通孔、直槽、螺旋槽以及直线或曲线外表面，广泛的用于大量和成批生产中。
下面是一些常用的圆孔拉刀和对应加工的工件（如下图）
图1
用于拉削的成形刀具。
刀具表面上有多排刀齿，各排刀齿的尺寸和形状从切入端至切出端依次增加和变化。
当拉刀作拉削运动时，每个刀齿就从工件上切下一定厚度的金属，最终得到所要求的尺寸和形状。
拉刀常用于成批和大量生产中加工圆孔、花键孔、键槽、平面和成形表面等,生产率很高。
拉刀按加工表面部位的不同，分为内拉刀和外拉刀；按工作时受力方式的不同，分为拉刀和推刀。
推刀常用于校准热处理后的型孔。
拉刀的种类虽多，但结构组成都类似。
如普通圆孔拉刀的结构组成为：
柄部,用以夹持拉刀和传递动力;颈部，起连接作用；过渡锥，将拉刀前导部引入工件；前导部，起引导作用，防止拉刀歪斜；切削齿，完成切削工作，由粗切齿和精切齿组成；校准齿，起修光和校准作用，并作为精切齿的后备齿；后导部，用于支承工件，防止刀齿切离前因工件下垂而损坏加工表面和刀齿；后托柄，承托拉刀。
拉刀的结构和刀齿形状与拉削方式有关。
拉削方式通常分为分层式、分块式和综合式三类，其中分层式又分为成形式和渐成式。
成形式拉刀各刀齿的廓形均与被加工表面的最终形状相似;渐成式拉刀的刀齿形状与工件形状不同,工件的形状是由各刀齿依次切削后逐渐形成。
轮切式拉刀由多组刀齿组成，每组有几个直径相同的刀齿分别切去一层金属中的一段，各组刀齿轮换切去各层金属。
综合轮切式拉刀的粗切齿采用轮切式，精切齿采用成形式。
轮切式拉刀切削厚度较分层拉削的拉刀大得多，具有较高的生产率，但制造较难。
拉刀常用高速钢整体制造，也可做成组合式。
硬质合金拉刀一般为组合式，因生产率高、寿命长，在汽车工业中常用于加工缸体和轴承盖等零件，但硬质合金拉刀制造困难。
2.选定刀具材料的依据
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，使它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。
3．刀具结构及各部分功用
1．拉刀的结构及功用（见图2、表1）
图2拉刀结构
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。
２.拉刀刀齿结构及功用
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
2.2设计要求
按照要求完成一把圆孔拉刀，并且能够用该刀具加工出下图所示的工件。
图3
被加工零件如上图所示，工件材料为：
35钢；硬度HBS180；强度σb=540Mpa。
2.3设计步骤
1.拉床及其他条件
．选取拉床型号：
L6120型，工作状况：
良好的旧拉床。
．采用10%的极压乳化液。
．设计时应考虑：
预制孔加工方式，标准麻花钻钻削，拉削变形量，拉削后孔收缩，收缩量（在直径上）为0.01。
2．选取拉刀材料及硬度
工件材料为：
35钢；硬度HBS180；强度σb=540Mpa，选
高速钢整体制造拉刀。
3．确定拉削方式
综合式拉刀较短，适用拉削碳钢和低合金钢，拉削精度和表面质量并不低于其它拉削方式，且拉削耐用度较高。
因此，本例选择综合式拉削。
4．选择刀齿几何参数
按《金属切削原理及刀具》教材表１５－５、１５－６查选刀齿几何参数，因为工件材料为３５钢，硬度为HBS１８０，所以选择：
前角：
=17
，精切齿与校准齿倒棱前角为
0
后角：
粗切齿：
αo=2.5o+1o
;
精切齿：
;
校准齿：
5．确定校准齿直径
以脚标o、w、m、c、f、j和x依次表示拉刀、预制孔、拉削孔、粗切齿、过渡齿、精切齿和校准齿。
do=dmmax+δ=50.025+0.01=50.035mm
式中：
—拉削变形（收缩量），取
=0.01mm
6．确定拉削余量
按《金属切削原理及刀具》表15-1选公式计算：
计算余量为：
Ａ=0.005dm＋（0.1～0.2
=（0.00550+0.15
）mm=1.035mm
预制孔直径dmin=do-Ａ=50.035-1.035=49mm
7．选取齿升量
由材料为35钢；硬度HBS180；强度σb=540Mpa。
且为综合式圆拉刀。
按《金属切削原理及刀具》教材表15-4选，取粗齿升量为：
ａf
=0.08mm,为获得较好的加工表面质量和良好的加工性能，取较小齿升量为ａf=0.04mm.
9.拉刀齿形及分屑槽参数
9.1计算齿距：
按《金属切削原理及刀具》教材表表15-7选公式计算粗切齿的齿距为：
P＝（1.2～1.5）
=（1.2～1.5）
=1.4×6.32=8.90mm
取P=9mm.
当P≤10mm时
精切齿和校准齿齿距为：
Pj=Px=（0.6～0.8）P=0.7×10=7mm
9.2校验工作齿数：
按照《金属切削原理及刀具》教材表15-7所示，粗切齿的最少同时工作齿数Zmin=l/p+1=40/9+1=5.4,取zemin=5。
满足３≤ze≤8的校验条件，校验合格。
9.3选取拉刀容屑槽：
查《金属切削原理及刀具》教材表15-8，综合式拉刀或拉削塑性材料时，宜采用曲线齿背型容屑槽。
故：
粗切齿、过渡齿时，P=,9mm,取深槽，h=4.0mm，g=3mm,r=2mm,R=7mm；
精切齿、校准齿时，P=7mm，取基本槽,h=2.5mm,g=2.5mm,r=1.3mm,R=4mm；
9.4校验容屑条件：
综合式园拉刀，其切削厚度hD=2ａf
=2×0.03=0.06mm,查《金属切削原理及刀具》教材表15-10，
由P=9mm,容屑系数K=3
h′=1.13
=1.13
mm=3.50mm
显然，h′=3.50mm＜h=4mm，容屑条件校验合格。
10.确定分屑槽种类及参数
拉刀粗切齿与过渡齿采用弧形分屑槽，精切齿采用三角形分屑槽；
查刘华明主编的《金属切削刀具课程设计资料》表6-11、6-12，
当拉刀最小直径domin=49mm时：
弧形分屑槽数为：
nk=12，
槽宽：
a=dominsin90o/nk-（0.3～0.7）mm=49sin90o/12-（0.3～0.7）≈6mm
切削宽度：
aw=2dominsin90o/nk-a=（2×49×sin90o/12-6）mm=6.77mm
当拉刀最小直径domin=50mm时
三角形分屑槽数为：
N=（1/7～1/6）πd。
=24槽宽：
b=1～1.2mm，槽深：
h′=0.5mm，槽角：
w≥60，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.选择拉刀前柄
按刘华明主编的《金属切削刀具课程设计资料》表6-17，选用
型—A无周向定位面的圆柱形前柄，取d1=45mm,最小断面处的直径d2=34mm。
12．校验拉刀强度与拉床载荷
查《金属切削原理及刀具》教材，取高速钢的许用应力为：
=0.35GPa。
按刘华明主编的《金属切削刀具课程设计资料》表6-22，6-23，6-24计算最大拉削力。
根据综合式拉削的特点，切削厚度
；
（
为拉刀直径）；
Fmax==123×49π/2×5×1.06×0.93×1×1×1.13×10-3KN=52.73KN
拉刀最小断面为前柄卡爪底部，其面积为：
Ａrmin=πd22/4=π342/4mm2=907.9mm
危险断面部位的拉应力为：
б=Fmax/Armin=52.73/907.9GPa=0.058GPa
高速钢圆拉刀许用应力
=0.35GPa，显然
，拉刀强度校验合格。
按刘华明主编的《金属切削刀具课程设计资料》表6-25,6-26，选用工作状态良好的L6120型旧拉床，可算出拉床允许拉应力：
Frk=2000.8KN=160KN，显然
，拉床载荷校验合格。
13．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:
0.8a,
所以取为：
0.03，0.025，0.020，0.015，0.01，0.01；
共切除余量：
Ag+Aj=2（0.03+0.025+0.020+0.015+0.01+0.01）mm=0.22mm
其中前3齿大于等于齿升量的1／2，属于过渡齿，后3齿齿升量较小，属精切齿。
粗切齿齿数按下式计算后取整为：
Ze=[A-（Ag+Af）]/2af+1=（1.035-0.22）/0.08+1=11
粗切齿、过渡齿、精切齿共切除余量：
[（11-1）×2×0.04+0.22]mm=1.02mm
剩下（1.035-1.02）mm=0.015mm，需增设一个精切齿到要求的尺寸；
按刘华明主编的《金属切削刀具课程设计指导书》表6-14，取校准齿6个，其直径尺寸
前面已经确定了。
这样，拉刀总齿数为：
zo+zg+zj+zx=11+3+3+6=23
齿号
1
2
3
4
5
6
7
8
9
基本尺寸D（mm）
49．000
49.080
49.160
49.240
49.320
49.400
49.480
49.560
49.640
直径尺寸公差（mm）
齿号
10
11
12
13
14
15
16
17
基本尺寸D（mm）
49.720
49.80
49.860
49.91
49.95
49.98
50.00
50.02
直径尺寸公差（mm）
齿号
18
19
20
21
22
23
基本尺寸D（mm）
50.035
直径尺寸公差（mm）
表3各齿直径尺寸及其公差
14．设计拉刀其它部分
按刘华明主编的《金属切削刀具课程设计指导书》表6-21，取：
前柄：
l１=110mmd１=45f8mm
颈部：
l２=m+Bo+A-l3=≈110mmd2=d1-0.5mm=44.5mm
过渡锥：
l3=15mm
前导部：
l4=40mmd4=dwmin=49f7mm
后导部：
ls=（0.5～0.7）l=25mm,ds=50.020mm
支托部：
lz=15mm
拉刀前柄端面至第1刀齿的距离：
L1′=l1+l2+l3+l4=（110+110+15+40）mm=275m
15．计算和校验拉刀总长
粗切与过渡齿长：
l5=9×（11+3）=126mm
精切齿与校准齿长：
lo=7×（3+6）=63mm
拉刀总长：
L=L′+l5+l6+l7+ls=489mm
按刘华明主编的《金属切削刀具课程设计指导书》表6-28知，允许拉刀总长为24d=24×50mm=1200mm，显然拉刀短得多，所以长度核验合格。
16．制定拉刀技术条件
制定拉刀技术条件;
、热处理：
刀齿和前导部63～66HRC
柄部40～52HRC
允许进行表面热处理。
、拉刀几何角度的极限偏差：
前角：
切削齿后角：
校准齿后角：
2.4拉刀技术条件
1、拉刀材料：
W18Gr4V
2、拉刀热处理硬度：
刀齿及后导部：
63～66HRC；前导部：
6066HRC；前柄：
45～58HRC。
3、拉刀表面不能有裂纹、碰伤、锈迹等影响使用性能的缺陷。
4、拉刀切削刃应锋利，不得有毛刺、崩刃和磨削烧伤。
5、拉刀容屑槽的连接应圆滑，不允许有台阶，一般应磨光槽底。
6、拉刀各部分的径向圆跳动应在同一个方向。
7.拉刀各部分的表面粗糙度：
刀齿前面Ra0.8µm后导部表面Ra0.8µm
刀齿后面Ra0.8µm柄部表面Ra1.6µm
刃带表面Ra0.4µm颈部表面Ra6.4µm
前导部表面Ra0.8µm过渡锥表面Ra1.6µm
8.拉刀外径在全长上的径向跳动不超过0.06mm。
9、花键齿等分累计误差0.015mm
三、矩形花键铣刀的设计
1．铣刀的设计
铣刀是一种应用广泛的多齿多刃回转刀具。
铣削加工时，铣刀绕其轴线转动，而工件则作进给运动。
铣削是同时参加工作的切削刃总长较长，且无空行程，而使用的切削速度也较高，固加工生产率一般较高，表面粗糙度值较小。
铣刀切削刃的几何角度参数的选择及排屑性能等也非常重要，切屑粘刀形成积屑瘤在数控铣削中是十分忌讳的。
总之，根据被加工工件材料的热处理状态、切削性能及加工余量，选择刚性好，耐用度高的铣刀，是充分发挥铣床的生产效率和获得满意的加工质量的前提。
2.齿形的设计计算
前角为零时，工件法剖面截形就是铣刀的齿形。
前角大于零时，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。
3.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＋2.2h＋（2－6）
根据上面公式的计算结果再取外径的推荐值。
6.铣刀的圆周齿数Zk
铲齿成形铣刀的圆周齿数Zk可按下式计算
Zk＝Πdo/S
式中S为铣刀的圆周齿距，粗加工时，可取S＝（1.8－2.4）H
精加工时，可取S=（1.3-1.8）H，式中H为容屑槽的高度。
但是在设计成形铣刀时，直接按公式计算圆周齿数是困难的，因为式中H尚未确定，而确定它时，又要反过来依据铣刀的圆周齿数。
因而在设计时，可根据生产经验按铣刀外圆直径的大小预先选定圆周齿数，在设计计算出铣刀的其他结构参数后再反过来校验圆周齿数设计得是否合适。
7.铣刀的铲削量K
设铲齿成形铣刀的顶刃径向后角为αf，一般取αf＝10o－15o。
相应的铲削量可按下式计算：
K＝tgαfΠdo/Zk，式中do为铣刀外径，Zk为圆周齿数。
求出铲削量后，应按附录表所列的铲床凸轮的升距选取相近的K值。
8.容屑槽尺寸
（1）容屑槽底半径r
可按下式计算：
r＝Π[do-2（h+K）]/2AZh
式中A为系数，当铲齿凸轮空程角δ＝60时，A＝6，当δ＝90时，A＝4。
对于需要铲磨齿背的成形铣刀，通常取δ＝90o计算出的r应圆整刀0.5mm。
（2）容屑槽间角θ：
一般取20o－35o
（3）容屑槽深度H：
H＝h＋K+r
9.分屑槽尺寸
当铣刀宽度B<20时，切削刃上不需要作分屑槽。
10.刀齿、刀体强度和砂轮干涉的校验
由以上所述可以看出，在确定铲齿成形铣刀的外径do，齿数Zk，铲削量K，容屑槽深度H......等参数时，常常互相牵涉，难以直接确定某一参数。
因此，需采取试算的方法，首先假设几个参数的数据，再根据他们确定其他一些参数。
这样选定成形铣刀的各参数后，还需进行校验，检验铣刀结构是否紧凑，合理，刀体，刀齿强度是否足够。
4.设计要求
被加工零件如下图.所示，工件材料为：
35钢；硬度HBS180；强度σb=540Mpa；工件长度L=30mm。
图4
外径
内径
键数
键宽
5.设计步骤主要计算
⑴齿槽
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