课程设计 矩形花键拉刀及矩形花键铣刀讲解

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

3.2.3 拉削余量：对于花键孔A=d mmax-d wmin 3.2.4 拉刀刀齿结构：表2

拉刀刀齿的几何参数有：切削齿前角γ

0，校准齿前角γ

0g

，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b a1。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：

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

d hx=(54.120-0.005)=54.115mm

d yx =(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=(B min+2ftgθ)/d ymax (9+2×0.4×tg45°)/46.00=0.213

Φ1=arcsin0.2375=12.3°

M=0.5 d ymax sin(θ+Φ1)=19.3mm

ctgΦB=2M/(B min sinθ)-ctgθ=5.065

ΦB=arcctg5.065=11.168°

d B=B min/sinΦB=46.5mm

d2= d B+(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

A y=(46.020-45.1)mm=0.92mm

倒角余量 A d=(47.1-45.1)=2.0mm

花键余量 A h=[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:a fd=0.050mm 圆形齿：a fy=0.045mm 花键齿：a fh=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)L 1/2

查手册表4-7，得p=(1.25～1.5)L 1/2 =7.397～9.247 p g =p p j =(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)L 1/2=8m 过渡齿齿距: P g =P=8mm

精切齿齿距：P j =(0.6～0.8) P=6mm

校验同时工作齿数 Z emin =l/p=40/8=5,Z emax = Z emin +1=6,满足3≤Z e ≤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a c =a f ,取K=3.5，计算

H=1.13(K×a

c

×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>a

f

,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n

k

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d

>50mm时：

n

k =πd

/(0.5～1.0) d

1/2=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B h按下式计算，精确到0.001mm：

B hmax=B max-δb

B hmin=B hmax-Δb

式中，B max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

B hmax=（9.036-0.005）mm＝9.031mm

B hmin=（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）

Σa w=z(B hmax+2f)=8（9.031＋2×0.8）mm＝85.05mm

F max=F z′Σa w Z emax k0k1k2k3k4×0.001=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

Z hc=（A h-A″）/2a fh+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，0.004mm 0.004mm，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

Z yc=（A y-A″）/2a fy=（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：Z yx=4

花键齿段：Z hx=7

4)倒角齿齿数 Z dc=A d/2a fd=2.0/2×0.05=20

3.2.12 拉刀齿部长度

倒角段长度: l d=(8×20+16)mm=176mm

圆形齿部分：l y=(8×11+6×10)mm=148mm

花键齿部分：l h=(8×62+6×6+9)mm=541mm

总长度：l齿=ly+lh+l d =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=110mm d1=45f8mm

颈部 l2=m+B s+A-l3=(15+75+35-15)mm=110mm d2=d1-0.5mm=44.5mm

过渡锥 l3=15mm

前导部 l4=40mm d4=d wmin=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+B s+A+l4=(105+15+75+35+40)mm=270mm

后导部 l7=20mm d7=d mymin=46f7mm

后柄 l8=120mm d8=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

4.2 排齿升量

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

6.2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.铣刀的后角及铲削量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40所列的铲床凸轮的升距选取相近的K值。

初步选定径向后角和计算出铲削量以后，需验算刀齿侧刃上一点x的主剖面后角αox，验算应选ψx最小处的x点，验算公式可按下面公式：

tgαox＝tgα

sinψx

f

应使αox不小于2－3o。实际计算表明，当ψx<15时，常满足这宜要求，可采用增大顶

刃后角，斜置工件，斜铲齿等方法增大侧刃后角。

对于精度要求高的成形铣刀，其齿背除铲齿外尚需进行铲磨。为使铲磨时又砂轮空刀，齿背后部应做出深铲部分。选择II型深铲形式，经计算选K＝4，K2=0.7－0.8

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)]/2AZ

h

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+K

+r

2

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。

6.3矩形花键铣刀的技术条件

1. 光洁度（按GB1031－68）

（1）刀齿前刀面，内孔表面、端面及铲磨铣刀的齿背表面－－不低于7

（2）铲齿铣刀的齿背面－－不低于6

（3）其余部分－－不低于4

2. 尺寸公差：

表4

表5

表6

铣刀材料一般用高速钢，热处理后硬度应为HRC63－66。在铣刀的工作部分，不得有脱碳层和软点。

6.4刀具的全部计算

表7