数控拉槽刀具设计.docx
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数控拉槽刀具设计
数控拉槽刀具设计
任务书
1．设计的主要任务及目标
本设计的主要任务：
设计加工数控拉槽刀具，绘制数控拉槽刀具的图纸，并编制数控拉槽刀具的加工工艺规程。
目标：
1.通过本次设计了解数控拉槽刀具的结构型式；
2.了解拉刀各部分尺寸的计算方法；
3.数控拉槽刀具各种切削角度的选取原则；
4.通过工艺规程的编制，学习数控拉槽刀具的完整加工过程。
2．设计的基本要求和内容
要求：
绘制的图纸符合机械制图国家标准，并做到内容完整、准确。
设计的工艺既要切合实际又要保证产品的精度要求，还要符合经济性的要求。
内容：
设计并绘制数控拉槽刀具的图纸，编制数控拉槽刀具的加工工艺规程，并编写毕业设计。
3．主要参考文献
[1]楼希翱，薄化川.拉刀设计与使用.北京：
机械工业出版社，1983
[2]杨荣福，董申.金属切削原理.北京：
机械工业出版社，1995
[3]刘杰华.刀具精确设计理论与实践.北京：
国防工业出版社，2005
[4]刘华明.金属切削刀具设计简明手册.北京：
机械工业出版社，1994.7
4．进度安排
设计各阶段名称
起止日期
1
查阅文献，了解研究目的意义，完成开题报告
2014.12.01至2014.12.31
2
拉槽刀具结构和技术要求分析设计
2015.01.01至2015.03.10
3
计算以及校核设计，完成中期检查
2015.03.11至2015.04.30
4
综合整改，全面完善
2014.05.01至2014.05.15
5
全面整理毕业设计，准备答辩
2014.05.16至2014.06.10
审核人：
年月日
数控拉槽刀具设计
摘要：
随着数控拉槽刀具的发展，其设计对产品加工的要求越来越严苛。
刀具的结构决定其使用性能，通过先进的刀具结构，才能发挥刀具本身的优势。
本设计以加工特种管模类零件为例，在数控拉槽刀具的设计要点、材料优化等基础上，着重指出数控拉槽刀具加工的实效性。
本设计以其研究的意义、国内外现状及发展趋势，逐步引出拉槽刀具的工作原理，刀具的设计要点以及完成管模这种产品的数控加工过程，同时对如何提高拉槽的加工质量，找出更合适加工产品的刀具材料。
这样设计出的拉槽刀具能够保证产品的误差更小，精度更高，能有效提高拉槽表面质量，保证加工精度，提高整体工作效率，减轻劳动强度，充分发挥拉槽刀具的性能，从而提高经济效益，推动此类生产的发展。
关键词：
拉槽刀具，数控加工过程，表面质量，加工精度
ThedesignofCNCslotcuttingtool
Abstract:
WiththedevelopmentofCNCpullslotcutter,itsdesignismoreandmorestrictertotherequirementofproductprocessing.Givingafullplaytothesuperiorityofthetoolitselfisbytheuseofadvancedcuttingtoolstructurebecausecuttingtoolstructuredeterminestheperformance.
ThespecialpipediepartsprocessingasthesimpleofthedesigninaCNCslotcutterbasedonthekeypointsofdesign,materialoptimization,emphaticallypointsoutthatCNCslotcuttingtoolmachiningefficiency.Thisdesignnotonlygraduallyleadtopullslotcutterprincipleofwork,mainpointsofthedesignandtheNCmachiningprocessofcompletedpipedieaccordingtothesignificanceoftheresearchandthepresentsituationanddevelopmenttrendathomeandabroad,butalsofindamoreappropriatecuttingtoolmaterialprocessingproductsforimprovingthequalityofpullgrooveprocessing.
Suchdesignedslotcuttercanimprovetheeconomicefficiencyandpromotethedevelopmentofthiskindofproductionduetoitcanguaranteethesmallererrorandhigherprecisionproduct,increasethegroovesurfacequalityeffectively,ensurethemachiningaccuracy,improvetheoverallworkefficiency,reducelaborintensityandgivefullplaytotheperformanceofslotcuttingtool.
Keywords:
Pullslotcutter,NCmachiningprocess,Surfacequality,Machiningprecision
1前言
1.1研究背景
随着数控拉槽刀具的飞快发展，需要用数控拉槽刀具设计的产品要求精度不断提升，所需对应的拉槽刀具也越来越严苛。
本设计以加工特种管模类零件为例，逐步引出数控拉槽刀具的设计要点、材料优化及其完整的数控加工过程。
管模是一种模具，模具关键部分采用优质的钨钢模具材料精密研磨而成，具有强度高、耐磨性好、韧性佳等特点，加工某管模类零件时需要与之对应的刀具材料。
我国对模具工业的发展十分重视，国务院在1989年就将模具技术的发展列为机械行业的首要任务。
充分的说明模具工业的基础性及重要性。
这些都充分体现了国务院和国家有关部门对发展模具工业的重视和支持。
另外，管模对很多人来说并不陌生，因为它在我们的日常生产生活有着很广泛的用途。
本文中设计中的管模需要用数控拉槽刀具逐步拉槽，因为如果一次性拉出所需要的槽型，有可能造成刀体损毁，或者因拉削量过大使表面粗糙度过大，表面质量差而使产品严重不合格，所以在加工过程中，我们采用数控系统，将提前编好的程序导入，把已经设计好的刀体安装上去，分刀体逐步加工。
通过对此类管模类零件的加工，我们可以逐步分析如何提高拉槽的表面质量，我们将对数控拉槽刀具进行全面的设计，在此过程中需要考虑刀具刚度和刀具寿命等等问题，同时对刀具材料进行筛选，并分析刀具材料的优缺点，保证加工精度，提高整体工作效率，减轻劳动强度，充分发展拉槽刀具的性能，同时也要降低操作人员的操作水平的要求，以便提高整体工作效率。
1.2课题研究的意义
随着生产发展的需要，对数控拉槽刀具的要求也越严苛，设计资料中对数控拉槽刀具的尺寸精度、表面质量、材料选择已进行严格控制，如不改进必不能满足产品的质量要求。
随着管模类零件的设计趋向愈来愈复杂，其制造周期必定加长，数控拉槽刀具与数控机床的结合以及装配会更加困难，而且在数控加工过程中对操作人员的要求及其技术水平更加严格，另外，在检查过程中如果不能排除人为因素困扰，其自动化水平就会越低，会增加人力及其时间，导致效率低下。
为满足生产发展的需要，完成特种管模类零件内孔槽的加工，需设计与之对应的拉槽刀具，设计出的拉槽刀具能够保证特种管模类零件的误差更小、精度更高，以解决拉槽困难、效率低、成本高等缺陷。
此拉槽刀具能够可靠地实现复杂槽型，提高拉槽质量，保证加工精度，提高整体工作效率，减轻劳动强度，充分发挥拉槽刀具的性能，从而提高经济效益，推动此类生产的发展。
如何解决管模类零件内孔槽对质量控制的要求，满足实际生产发展的需求已迫在眉睫，对数控拉槽刀具设计的质量控制更需要改进，使数控拉槽技术具备实际可行性，对生产此类产品的技术水平更上一层楼。
1.3国内外现状及发展趋势
1.3.1国内现状
在国内，根据拉槽刀具现状分析，其要点有：
拉槽刀具生命周期，经济成本等。
特别是近几年新型拉槽刀具不断增加，原拉槽刀具的设计方法已满足不了实际需求。
为确保装配精度，使产品不受影响，需研究制定设计方案，以满足科研生产需求，延长拉槽刀具使用寿命，提高生产效率。
展望历史，英国的工业化用了100年，美国用了70年，战后的日本用了20年就进入了“后工业化”时代，具有后发优势的我们在改革开放的30年后也应该加速完成工业化的进程，即从原材料工业到加工组装工业进而到技术集约型工业的转化。
我国制造业的整体水平与世界先进水平相比之下，仍处于低端水平，要想真正提高我国制造水平，必须走科技创新道路。
毕竟我国制造业的技术创新能力不足，部分企业的核心竞争能力不足，甚至缺乏技术支撑，产品更新换代能力不足、进展缓慢，虽然在机床制造、装备制造、汽车制造等行业取得了不小的进步，但整体实力仍处于劣势。
通过科技创新，加快我国制造业的整体水平是我国制造业发展的唯一出路。
我们可以通过对数控设备的了解、熟悉，了解到了数控设备可以利用提高产品质量，提高产品的一致性，尤其是通过数控拉槽刀具来加工的管模类产品，提高数控拉槽刀具的精度，来提升整体的产品质量，进一步说明数控加工是提高产品质量的解决途径。
通过现有技术对数控拉槽刀具进行设计、改进，通过自主技术创新，使此类生产发展的加工水平更上一个新的台阶。
1.3.2国外现状
在国外，刀具的快速发展是在18世纪后期，伴随蒸汽机等机器的发展而来的。
那时的刀具是用整体高碳工具钢制造的，许用的切削速度约为5米/分。
1868年，英国的穆舍特制成含钨的合金工具钢。
1923年，德国的施勒特尔发明硬质合金。
在采用合金工具钢时，刀具的切削速度提高到约8米/分，采用高速钢时，又提高两倍以上，到采用硬质合金时，又比用高速钢提高两倍以上，切削加工出的工件表面质量和尺寸精度也大大提高。
制造业是国民经济的物质基础和产业主力，制造业是高速增长的发动机。
制造业技术水平的高低，是国家经济实力的典型体现。
先进制造工艺技术进步是生产力发展的主要动力。
据统计，劳动生产力的提高，60%左右是依靠采用先进制造工艺技术来实现的。
美国、俄罗斯、日本、欧盟等，都十分重视先进制造工艺技术的发展，以保持雄厚的制造技术基础好人水平。
随着制造资源的制约以及产品性能大幅度提升，先进制造工艺技术在发达国家得到充分发展，并朝着节能、环保、精密、数字化等方向发展，工业发达国家通过先进制造工艺技术的开发与应用，在提升性能、保证质量、提高生产效率、合理利用各项资源方面已经走在了我们的前面。
（1）数字化方向
先进成形技术与装备是制造技术赖以生存和发展的重要支柱。
西方发达国家正朝着数字化技术方向全面迈进，由机器的控制正在向数字化方向转变，从而我们的生活也会因此而变得更加舒适和标准化。
西方发达国家在数字化制造发展中经历了单项技术和局部系统的车间级应用阶段：
信息集成、功能集成和过程集成构成的企业级集成应用阶段；以敏捷制造、供应链管理、电子商务为主要内容的企业间集成应用阶段；转型方向发生变化，正在从传统的生产型制造向客户资源为核心的服务型制造方向发展，数字化制造将从生产型进入服务型，数字化方向正在全面改善。
（2）刀具材料的发展与应用
高速钢的发明和应用，已有整整一个世纪的历史，随着硬质合金、陶瓷、涂层刀具材料、人造金刚石、立方氮化硼、粉末冶金高速钢刀具等的陆续研究，机械加工日益趋向于高速、超高速、干式切削等新的技术发展方向。
先进数控机床中，不仅要求刀具材料具有很高的红硬性（指材料在一定温度下保持一定时间后所能保持其硬度的能力）和热韧性，而且还必须有良好的耐磨性、耐热冲击和抗粘结性……新兴工艺、新技术的发展对刀具材料提出了更高的要求。
国外的拉削刀具材料在19世纪80年代既已使用高速钢涂层或者硬质合金，以德国为例，拉削刀具高速钢涂层材料的使用率高达67%，不仅节约了成本、重磨以及装夹时间，而且刀具寿命也有了显著提高。
目前，国外对其加工工艺的发展仍处于保密状态，而且报刊杂志对其发展状况也鲜有报道，综合目前国际机械加工制造业的总体发展水平，我们对数控拉槽刀具进行深化创新、设计，推动管模零件向数字化方向生产发展已迫在眉睫。
1.3.3发展趋势
数控拉槽刀具的飞速进步，需要增加技术研发资金的投入，更大的提高自主创新的能力；数控拉槽刀具的飞速进步，需要有一批勇于奉献、眼光长远的技术掌舵者，这样数控拉槽刀具才能丢掉自身的枷锁，从长远指之处看到数控拉槽刀具发展的未来趋势；数控拉槽刀具的飞速进步，还需要有一个良好的市场竞争机制，整个市场的制造厂商可以给以使用机会和足够的信任，才能使数控拉槽刀具有不断进步的趋向。
不断追求劳动生产率的提高，是制造业永恒的主题。
作为一个完整的制造技术体系，现代数字化制造技术主要由数控机床、数控量仪与数控刀具（国际上习惯称“现代高效刀具”）三部分组成。
这三个子系统既独立发展，又相辅相成、互相促进，不断进步，不断推动制造业劳动生产率的提高。
在数控系统中，数控机床在传统拉削一次的工作行程就能加工成形，拉削只有一个主运动，就是拉槽刀具的直线运动。
由于数控拉槽刀具的拉削精度受到拉槽刀体本身的精度、使用条件、使用机床、工件形式、工件材料、加工前尺寸精度以及工件加持方式等诸多条件的影响。
本设计着重强调数控拉槽刀具的工作原理、刀体设计、材料优化、提高精度等方面进行研究，来提高管模类零件产品的整体产品质量。
现代工业的发展需要现代数字化制造技术，数控拉槽刀具在此更应该加大创新力度，为以后能实现传统产品的全面自动化而打下坚实的基础。
1.4完成本设计的主要工作
由于数控拉槽刀具的拉削精度受到拉槽刀体本身的精度、使用条件、使用机床、工件形式、工件材料、加工前尺寸精度以及工件加持方式等诸多条件的影响。
本设计着重强调数控拉槽刀具的工作原理、刀体设计、材料优化、提高精度等方面进行研究，来提高管模类零件产品的整体产品质量。
本设计以加工特种管模类零件为例，在知晓数控拉槽刀具的设计要点、材料优化、发展趋势的基础上，着重指出数控拉槽刀具加工的实效性，是完成整个数控加工过程中很重要的一步。
本设计以其研究的现实意义、国内外现状及发展趋势，逐步引出数控拉槽刀具的工作原理，刀具的设计要点以及完成管模这种产品的完整的数控加工过程，同时对如何提高拉槽的表面质量，找出更合适加工产品的刀具材料。
本设计在此需完成以下工作：
（1）对数控拉槽刀具的设计依据应进行全面的分析，从设计数控拉槽刀具的所需的管模入手；
（2）对数控拉槽刀具的工作原理应进行充分的阐述，熟悉刀具的设计要点以及完成管模这种产品的完整的数控加工过程，对数控拉槽刀具的刀体的设计进行逐步分析；
（3）通过对传统高速钢刀具材料与粉末冶金、高速钢涂层材料的比较、实验，选择适合数控拉槽刀具的材料；
（4）在进一步分析数控拉槽刀具的各种因素的基础上，通过对数控拉槽刀具的实际加工进行分析比较，确定通过加工方式的改变、刀具材料的改变等方面因素可以有效的控制数控拉槽刀具的加工精度，使其生产的产品具有质量稳定、可靠、一致性强等特点；
（5）写出所需的工艺流程以及完成本设计中产品完整的数控加工过程。
1.5本章小结
本章通过对国内外数控拉槽刀具行业整体工艺水平的分析，以及数控拉槽刀具的加工质量与加工精度对产品的重要意义，着重指出了本设计研究内容的重要性，并提出了本设计研究的主要工作。
2设计部分
2.1设计依据
以长度为2070mm的管模为例，需要做出的整体产品如下图（图2.1）所示，需要用本文设计出的数控拉槽刀具拉削出的槽如下图（图2.1）所示。
图2.1管模
2.2工作原理
本体与机床主轴结合，机床主轴带动拉杆，拉杆使滑动锥体做轴向运动，滑动锥体的轴向运动可以带动刀夹，以改变刀体的切削深度。
使用传统的加工方法在机械式拉槽机上实现，主要通过两个运动实现管模内孔槽的切削:
（1）刀具随刀杆沿轴线方向运动，实现长槽加工；
（2）拉槽刀具的径向运动由机床进刀装置与刀体共同实现，拉槽刀体内的切削刀具通过机床、刀杆、刀体共同作用来实现刀具径向运动高度的变化。
2.3设计难点分析
刀体是组成数控拉槽刀具很重要的一部分，而且是很关键的一部分，形状多样，加工流程长，尤其是对管模类零件内壁槽的加工，加工时其质量很不容易控制，需要刀体在装配的时候非常严密。
管模的工艺流程如下：
实心锻造—热处理—毛坯检验—粗车—钻深孔—热处理—半精车—深镗孔—内孔珩磨—拉槽—精车—磨外圆—探伤—镀铬
2.3.1深孔槽加工
该管模的外圆长径比是8.6,内孔长径比是17.0，内外圆的壁厚是59，影响如下：
（1）在加工该工件时，受热时则会产生弯曲变形，工件在切削里的作用下势必会产生微小弯曲和振动，肯定会影响其尺寸、形状精度和表面质量；
（2）刀具的刀体过长，刚度差，刀体容易引偏，加工的时候容易产生弯曲和振动，很难保证内孔槽的直线度、加工精度以及表面质量等要求；
（3）内外圆的壁厚是59，加工过程中会产生微小形变问题；
（4）管模内孔槽加工的起点位置是在孔内的指定长度上，要求刀具的刀体直接插入孔内通过刀体上的键与内孔定位进行加工；
（5）虽然槽深不随长度的变化而变化，但是要在指定节点上，要满足拉槽所需深度以及准确加工并测量该节点的位置；
拉槽刀具切入工件不是控制系统直接控制和检测的位置，二者相去甚远，机械传动部件形变大大增加了控制难度；所有机床都要求尽可能高的机械刚性，它直接关系到进刀量控制的快速性和准确性；由于管模内孔尺寸原因，相应的刀杆、拉杆和锥形滑动体等部件尺寸也要相应的变化，它们的刚性难以提高，因此对于进刀量的精确控制更难以保证，需要从机械结构设计、制造、装配和电气控制上予以充分考虑和保证；深孔槽加工使得操作者无法直接观察到内部的实际加工情况，故障难于及时发现和控制，在孔内发生故障后操作比较难控制；影响加工过程和加工精度的不确定性因素较多，例如工件的内孔尺寸精度、工件夹持松紧度、工件与刀杆的同心度、刀具磨损速率、机床当前传动系统状态等都将会影响到槽线的正常加工和容易发生进刀不均匀或者啃刀过载等等事故；进刀量小，加工持续时间长，往复循环过程多。
现在我国对于深孔槽加工已经有了很大的进步，不论是加工设备、加工刀具以及必须的辅助用具，还是加工所必须的工艺参数、工人的操作水平与技巧都可以满足深孔槽加工的质量要求。
2.3.2刀具设计难点
（1）在设计数控拉槽刀具时，刀体的结构在一定程度上比较复杂,而且在加工管模类零件时需要更换不同的刀体，分次序逐步进行加工。
数控拉槽刀具设计首先必须保证刀体的强度、寿命以及它的可靠性，由于在加工管模类零件时存在阻力，而且还受到管内压力的慢性冲击作用，因此设计出的数控拉槽刀具的刀体必须能承受加工时受到的最大的阻力；
（2）分次序设计刀体，在加工管模类零件时能有效地减小阻力，而且所有刀体在装配时结构必须紧凑而严密，这样加工出的管模类零件的内孔槽的相应精度才会有所提高；
（3）对于管模内孔槽的加工质量，它的表面粗糙度除了由工件与刀具的材料决定外，还由所采用的切削速度、冷却润滑液、刀具磨损程度决定。
2.4与普通拉削的异同
普通工件的长度正常情况下均为短孔，它们的长度一般在10~120mm之间，最长情况下也不会超过300mm,如果是加工圆孔的话，它们的直径一般不会大于180mm，加工的长径比一般在10以下。
对于数控拉槽刀具加工的内孔槽来说，它的内孔长径比是17.0，加工的内孔槽全长是2070mm，和传统的拉削工件从数据上来说就完全不同，它的刀具的设计、拉削的方式、加工的机床、检测要求等等根本不一样。
2.5拉槽刀具设计
由于管模内孔槽为直槽，所以刀具的运动轨迹为直线运动，在拉削的过程中，数控拉槽刀具的工作角度就不会发生变化，但是在刀具设计时也必须充分考虑刀具工作角度的合理性，并且需要考虑数控拉槽刀具要有足够的强度。
拉槽刀具的部分尺寸：
刀具的设计前角、后角都是定值。
在拉槽刀具加工管模内孔槽时，拉削的过程中，由于工作基面不会发生变化，刀具的工作前角、工作后角也都是定值，不会随拉削部位不同而发生变化，所以刀具在设计过程中也需要把工作的前后脚的极值计算出来，以便于确定合适的初始前后角，保证拉槽刀具在进行第二阶段的加工中后角和加工表面不会发生干涉，在第四阶段的加工过程中前角也不会和待加工表面发生表面干涉。
本体与机床主轴结合，本体的Φ118外圆根据管模内孔直径设计，并通过键定位（具体设计图如图2.2所示）,为了保证本体与机床相结合，所以本体尾部设计为缩短的公制锥体80♯。
图2.2本体
拉杆使滑动锥体（如下图2.3所示）做轴向运动。
求解滑动锥体的锥度（上、下两底圆直径之差与锥台高度之比）：
设大径为D，小径为d，锥台高度为L，锥度为C
由实际图纸数据可知，D=52mm，d=20mm，L=80mm，则：
C=（D-d）/L=1:
2.5即C=0.4
图2.3滑动锥体
刀夹（如下图2.4所示）根据刀体和本体进行设计，滑动锥体使刀夹做径向进刀、退刀运动，以控制管模内孔槽的切削深度。
图2.4刀夹
刀体的主要设计参数为：
锥度、刀具伸缩所需的轴向行程、两个刀夹的对称度等。
刀体具体的尺寸以刀夹口的大小设计，因为切削量不能过大，所以需要分刀体逐步拉削，先拉直槽，第一阶段先直线拉削8mm，第一阶段使用一号刀体，如下图2.5所示。
图2.5一号刀体
第二阶段：
使用二号刀体，如图2.6所示
图2.6二号刀体
第三阶段：
使用三号刀体，如图2.7所示
图2.7三号刀体
第四阶段：
使用四号刀体，如图2.8所示
图2.8四号刀体
第五阶段：
使用五号刀体，如图2.9所示
图2.9五号刀体
刀体外圆与管模内孔配合，刀体尾部由止口与刀杆配合，保证刀体的直线性，锥体分上下两部分（如图2.10所示），其锥度一致；尾部由螺纹与本体内的拉杆配合，通过拉杆的轴向运动实现锥体运动，刀夹通过销子装配而成，其上的触点分别与滑动锥体配合，保证刀夹在作业过程中始终与滑动锥体接触，两刀夹的锥度的对称直接影响槽深的一致性，刀夹使刀体完成径向运动；刀夹上装夹刀体的位置与销轴孔中心保持一定的位置关系，以确保两刀体径向运动的一致性；安装刀具后，自然形成容屑槽，一次进刀后形成的切屑在此槽内容纳，待完成一次往复运动后，人工去除。
图2.10装配结构
1.本体2.刀夹3.滑动锥体6.螺钉7.螺钉8.销9.螺钉
2.6本章小结
本章从设计依据入手，引出数控拉槽刀具的设计以及设计难点，介绍与普通拉削的异同，按次序介绍拉削管模内孔槽拉槽刀具的刀体，拉槽刀具的工作原理，对数控拉槽刀具做出了整体分析。
3优化部分
3.1刀具材料选择
数控拉槽刀具可以用来加工各式各样的通孔、槽还有一些形状比较复杂的内表面，在拉削的过程中按照何种顺序把加工余量从工件上拉削下来，对于作业效率、加工表面质量以及拉槽刀具的制造成本都会有很大的影响。
管模内槽的拉削方式和传统的拉削方式不同，在拉削的过程中，加工余量被按照分层拉削法依次切削下来，而且拉削刀具与传统拉削刀具不
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