课程设计 矩形花键拉刀及矩形花键铣刀分析.docx
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课程设计矩形花键拉刀及矩形花键铣刀分析
目录
1前言3
2设计内容和要求3
3矩形花键拉刀的设计3
3.1选定刀具类型和材料的依据3
3.1.1选择刀具类型3
3.1.2正确选择刀具材料4
3.2刀具结构参数、几何参数的选择和设计4
3．2．1拉刀的结构4
3.2.2切削方式5
3.2.3拉削余量5
3.2.4拉刀刀齿结构5
3.2.5确定校准齿直径5
3.2.6分层式拉刀粗切齿齿升量6
3.2.7拉刀容屑槽及分屑槽的尺寸7
3.2.8花键齿截形设计8
3.2.9选择拉刀前柄8
3.2.10校验拉刀强度和拉床载荷8
3.2.11确定拉刀齿数及每齿直径9
3.2.12拉刀齿部长度9
3.2.13设计拉刀其他部分9
3.2.14拉刀总长及其校验10
4.1刀具的全部计算11
4.2排齿升量11
5.1对技术条件的说明11
5.2键槽拉刀的尺寸偏差14
5.3拉到其他部分长度偏差14
5.4拉刀主要技术条件15
6.铣刀的设计16
6.1齿形的设计计算16
6.2结构参数的选择及计算16
6.3矩形花键铣刀的技术条件18
6.4刀具的全部计算20
7总结……………………………………………………………………………….21
8.参考文献…………………………………………………………………….21
9.致谢……………………………………………………………………………..21
矩形花键拉刀及矩形花键铣刀设计说明书
1.前言
在拉床上使用拉刀加工工件的工艺过程称为拉削加工。
拉削主要用于大批量生产中加工各种形状的通孔、平面及成形面等。
拉刀是一种定型刀具，在一次拉削中完成粗切、精切、校准、修光操作，切除被加工表面的全部加工余量，生产率高，加工质量高。
但一把拉刀只适宜于一种规格尺寸的孔或槽，拉刀制造复杂，且成本高，只用于大批量生产中。
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。
2.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。
3.拉刀的设计
3.1选定刀具类型和材料的依据
3.1.1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。
3.1.2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。
3.2刀具结构参数、几何参数的选择和设计
3.2.1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
过渡锥
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。
3.2.2切削方式：
采用分层拉削方式,拉刀拉削齿的循序为：
花键齿－圆孔齿。
3.2.3拉削余量：
对于花键孔A=dmmax-dwmin
3.2.4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HBS200,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
45
钢
硬度
200
HBS
15°
5°
2.5°
1.5°
0.05～0.15
0.1～0.2
0.2～0.3
由此表确定刀具几何参数，具体参看图示。
3.2.5确定校准齿直径
查表4-16，花键齿、圆形齿的扩张量分别为0.005、0.005mm，则圆形齿校准齿和花键齿校准齿直径为
dhx=（54.120-0.005）=54.115mm
dyx=（46.025-0.005）=46.020mm
计算倒角齿参数查表4－29知倒角的工艺角度为θ=45°。
按表4－29计算如下：
sinΦ1=（Bmin+2ftgθ）/dymax（9+2×0.4×tg45°）/46.00=0.213
Φ1=arcsin0.2375=12.3°
M=0.5dymaxsin（θ+Φ1）=19.3mm
ctgΦB=2M/（Bminsinθ）-ctgθ=5.065
ΦB=arcctg5.065=11.168°
dB=Bmin/sinΦB=46.5mm
d2=dB+（0.3~0.6）mm=47.1mm
计算拉削余量按表4－1计算圆形拉削余量为0.9mm,预制孔径为45.1mm,实际拉削余量
Ay=（46.020-45.1）mm=0.92mm
倒角余量Ad=（47.1-45.1）=2.0mm
花键余量Ah=[54.115-（47.1-0.1）]mm=7.115mm
3.2.6分层式拉刀粗切齿齿升量
根据表4-4选择齿升量，得到
倒角齿:
afd=0.050mm圆形齿：
afy=0.045mm花键齿：
afh=0.060mm
3.2.7拉刀容屑槽及分屑槽的尺寸
1.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
查手册表4-7，得p=（1.25～1.5）L1/2=7.397～9.247pg=ppj=（0.6～0.8）p
2.容屑槽计算
（1）计算齿距
粗切齿齿距P参照手册表4-7取接近的标准值
P=（1.25～1.5）L1/2=8m
过渡齿齿距:
Pg=P=8mm
精切齿齿距：
Pj=（0.6～0.8）P=6mm
校验同时工作齿数Zemin=l/p=40/8=5,Zemax=Zemin+1=6,满足3≤Ze≤8的条件。
（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4-8，选用曲线齿背型容屑槽型。
粗切用深槽，h＝3，g=3，r=1.5，R＝5。
精切用基本槽，h=2，g=2，r=1，R=4。
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
（3）校验容屑条件
取ac=af,取K=3.5，计算
H=1.13（K×ac×l）1/2=2.98mm<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：
a.分屑槽的深度必须大于齿升量，即h>af,否则不起分屑作用。
b.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°。
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=πd0/（0.5～1.0）d01/2=28
为便于测量拉刀直径，分屑槽数目一般取偶数。
在拉刀最后的精切齿上，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。
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4-13,选取合适的分屑槽参数。
数值见图。
3.2.8花键齿截形设计
花键齿键宽Bh按下式计算，精确到0.001mm：
Bhmax=Bmax-δb
Bhmin=Bhmax-Δb
式中，Bmax为内花键槽宽最大极限尺寸；δb为拉削扩张量（查表4-16得δb＝0.005mm）；Δb为拉刀键齿宽制造公差带，为保证键齿尺寸耐用度高，Δb应在制造条件允许范围内取小值，此处取Δb＝0.005mm。
则
Bhmax=（9.036-0.005）mm＝9.031mm
Bhmin=（9.031-0.005）mm＝9.026mm
拉刀键齿侧面应制出Kr=0°的修光刃f，其下应磨出侧隙角1.5°。
工厂常在齿高为1.25mm及以下的刀齿上磨侧隙。
3.2.9选择拉刀前柄
矩形花键拉刀前导部的尺寸：
按表4-17选II型-A前柄，选定取值
d1=45f8,d2=34h12，其余见图。
3.2.10校验拉刀强度和拉床载荷
矩形花键拉刀前导部的尺寸：
按表4-17选II型-A前柄，选定取值
d1=45f8,d2=34h12，其余见图。
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,表4－21,表4－22）
Σaw=z（Bhmax+2f）=8（9.031＋2×0.8）mm＝85.05mm
Fmax=Fz′ΣawZemaxk0k1k2k3k4×0.001=178×85.05×6×1.15×1.15×1.13×1×1×0.001=135.7KN
拉力最小截面面积在卡槽底颈处，则拉应力
σ=Fmax/（π÷4×34×34）=135.7/（π÷4×34×34）=0.149GPa
σ<[σ]（表4-25），拉力强度校验合格。
根据表4-23，表4-24，拉床拉力为200×0.8KN=160KN,比Fmax大，拉床载荷校验合格。
3.2.11确定拉刀齿数及每齿直径
1）花键齿齿数
拟过渡齿与精切齿齿升量为0.04mm，0.03mm，0.02mm，0.01mm，0.005mm,逐步递减，共切除余量A″=0.21mm。
花键粗切齿齿数
Zhc=（Ah-A″）/2afh+1=（7.115-0.21）/（2×0.06）+1=58.54
取59齿，多切了0.14×0.05×2＝0.014的余量，应减去0.007的齿升量。
调整过渡齿与精切齿的齿升量为0.04mm，0.03mm，0.02mm，0.004mm0.004mm，这样花键齿段有粗切齿59个，过渡齿3个，精切齿2个。
2）圆齿齿数
初拟过渡齿与精切齿齿升量同花键齿
初圆齿粗切齿齿数
Zyc=（Ay-A″）/2afy=（0.92-0.21）/（2×0.045）=7.89
取8齿，少切了0.09×0.05×2＝0.009mm的余量，需要增加一个精切齿，其齿升量为0.0045mm，这样圆形齿段有粗切齿8个，过渡齿3个，精切齿3个。
3）校准部齿数
查表4-14得：
圆形齿段：
Zyx=4
花键齿段：
Zhx=7
4）倒角齿齿数Zdc=Ad/2afd=2.0/2×0.05=20
3.2.12拉刀齿部长度
倒角段长度:
ld=（8×20+16）mm=176mm
圆形齿部分：
ly=（8×11+6×10）mm=148mm
花键齿部分：
lh=（8×62+6×6+9）mm=541mm
总长度：
l齿=ly+lh+ld=865mm
3.2.13设计拉刀其他部分
按表4-17、4-19、4-23计算：
前柄l1=110mmd1=45f8mm
颈部l2=m+Bs+A-l3=（15+75+35-15）mm=110mmd2=d1-0.5mm=44.5mm
过渡锥l3=15mm
前导部l4=40mmd4=dwmin=45.975f7
前柄伸入夹头长度l1′=110-5mm=105mm
前柄端部值第一刀齿的距离L1′=l1′+m+Bs+A+l4=（105+15+75+35+40）mm=270mm
后导部l7=20mmd7=dmymin=46f7mm
后柄l8=120mmd8=45f8mm
其余见图
3.2.14拉刀总长及其校验
L=L1′+L齿+L7+L8=270+865+20+120mm=1275mm
4.1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：
圆径：
De=φ46H7（46+0.025）
槽径：
D=φ54H10（φ54+0.120）
键宽：
b=9H9（9+0.036）
键数：
n=8
2、工件长度：
L=40mm
3、工件材料：
45钢，硬度HBS200，强度σb=610Mpa
4、预制孔直径（未给出，自设）：
Do=45.1mm
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4-4
af=0.05mm
3
齿距
p
p校
按表4-7
p校=（0.6-0.8）p
取p=8mm，
p校=6mm
4
同时工作齿数
Ze
Ze=（l/p）
Ze=5
5
拉削余量切削顺序
加工顺序为:
1、倒角2、花键3、圆孔
圆孔齿部分的设计计算
6
圆孔校准齿直径
D圆校
D圆校=D圆校-δ
由表4-16查得δ=0.005
0.001
D圆校=46.02mm
7
圆孔拉削余量
A圆
A圆=D圆校-Domin
A圆=46.02-45.1
=0.92mm
8
圆形切削齿齿数
Z圆
Zy=（Ay-A″）/2afy+6
取Z圆=8+6＝14齿
9
圆形齿部分长度
l圆切
l圆切=p×Z圆
l圆切=8×11+6×3=106mm
10
圆形校准齿齿数
Z圆校
查表4-14
Z圆校=7
11
圆形校准部分长度
l圆校
l圆校=p校·Z圆校
l圆校=7×6=42mm
12
圆形齿部分总长
l圆
l圆=l圆切+l圆校
l圆=106+42=148mm
花键齿部分的计算
13
花键校准齿直径
D花校
D花校=Demax-δ
查表4-16，δ=0.005
0.001
D花校=54.120-0.005
=54.115mm
14
花键拉削余量
A花
A花=D花校-D花1
A花=54.115-（47.1-0.1）
=7.115mm
15
花键切削齿齿数
Z花切
Z花切=（A花/2af）+1
Z花切=48.54+1=58.54
取Z花切=59
16
花键切削部分长度
l花切
l花切=p×Z花切
l花切=8×62+6×2=508mm
17
花键校准齿齿数
Z花校
由表4-14
取Z花校=4
18
花键校准部分长度
l花校
l花校=p校·Z花校
l花校=6×4=24mm
19
花键齿部分总长
l花
l花=l花切+l花校
l花=508+24=532mm
20
花键齿廓形尺寸
b
b=Bmax-δ公差取-0.015
f=0.8-1表4-40
b=9.031f=0.8±0.2mm
Kr＇=1o30＇
其他部分计算
21
容屑沟尺寸
h
r
g
由表4-8选取
h=3
r=1.5R=5
g=3
22
校准齿容屑沟尺寸
h校
r校
g校
由表4-8选取
h校=2
r校=1R=4
g校=2
23
分屑槽
花键齿按表4-13尺寸交错开分屑槽
24
前导部尺寸
D4
L4
D4=Dwmin，偏差按f7
L4=l
D4=45.975mm
L4=40mm
25
后导部尺寸
D7
L7
d7=dmymin偏差f7
L7=（0.5-0.7）l
D7=46f7mm
L7=20mm
26
切削角度和刃带宽
γo
α0
ba
查表4-2
查表4-3
查表4-3
各个刀具γo=15o
切削齿αo=2o±30‘
校准齿αo=1o±15‘
切削齿ba=0.05-0.15mm
校准齿ba=0.2mm
27
过渡锥长度
l3
l3=15mm
取l3=15mm
28
柄部尺寸
D1
D＇
L1＇
l１
c
查表4-17
d1=45mm
d1＇=44.5mm
l＇=105mm
l１=110mm
c=5mm
29
由柄部前端到第一个切削齿的距离
L1＇
L1＇＝l1+l2+l3＇+l3
L1＇=105+15+75+35+40=270
30
拉刀总长
L
L=L1＇+l倒+l圆+l花+l4
L=1275mm
4.2排齿升量
齿形
齿号
直径基本尺寸
D
（mm）
直径基本尺寸公差
（mm）
齿形
齿号
直径基本尺寸
D
（mm）
直径基本尺寸公差
（mm）
倒角齿
1
45.100
花
键
齿
78
52.160
2
45.200
79
52.280
3
45.300
80
53.320
4
45.400
81
53.350
5
45.500
82
53.370
6
45.600
83
53.374
0
-0.015
7
45.700
84
53.378
8
45.800
85
86
87
88
53.378
0
-0.018
…
…
13
46.300
14
46.400
15
46.500
圆
形
齿
89
45.110
16
45.600
90
45.200
17
45.700
91
45.290
18
45.800
…
…
19
45.900
96
45.740
20
45.980
97
45.830
花键齿
21
45.100
98
45.920
22
45.220
99
46.010
23
45.340
100
46.100
…
…
101
46.100
-0.010
34
46.660
102
35
46.780
103
..
…
104
50
48.580
105
51
48.700
106
52
48.820
107
53
48.940
108
…
…
109
5.对技术条件的说明
5.1
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
5.2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
5.3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。
5.4拉刀主要技术条件
1．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
2．拉刀外径在全长上的径向跳动不超过0.06mm
6.铣刀的设计
6.1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
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