圆拉刀的设计与工艺

圆拉刀的设计与工艺摘要拉削加工常用的刀具为拉刀。目前常见的分类形式有以下两类：一是按加工表面的位置不同，分为外拉刀和内拉刀两种；二是按拉刀切削方式不同分为推刀和拉刀。目前拉削加工使用最多的场合主要是有：内花键孔、圆孔、键槽以及其他特殊表里的加工，其具有生产成本低、生产效率高等特点。其拉削运动的动作方式为，当对零件进行加工时，通过从切入端到切出端具有不同形成和尺寸的多排刀齿实现对零件进行分层加工，并且经过多次动作，最终得到所需零件。本设计主要是设计了圆孔拉刀以及加工工艺规程的编制，通过此次设计了解拉刀各部分尺寸的计算方法；圆拉刀各种切削角度的选取原则；学习圆拉刀的完整加工过程，掌握工艺规程的编写要求，真正理解工艺规程在实际加工中的作用和重要性。关键词：拉刀拉削加工加工工艺规程切削角度IThedesignandtechnologyoftheroundbroachAbstractThecommonlyusedtoolforbroachbroachingprocessing.Thecommonformsofclassificationhasthefollowingtwocategories:oneisaccordingtothelocationofthemachinedsurfaceisdifferent,dividedintothebroachandtwointheedgeofthesword;Second,accordingtothecuttingwaydividedintopushbroachbroachandbroach.Usebroachingprocessingatpresentmostoccasionsmainlyhas:theinternalsplinehole,roundhole,slotting,andotherspeciallistprocessing,ithaslowproductioncost,highproductionefficiency,etc.Itsmodeofactionforbroachingmovement,whenthepartsforprocessing,throughtocutoutfromthecutendwithdifferentformandsizeoftherowofcuttertoothmoreimplementationtohierarchicalprocessingofparts,andafteralotofaction,finallygettherequiredparts.Thisdesignmainlyistodesigntheroundholebroachandprocessingprocedures,throughthedesigntounderstandbroachpartsdimensioncalculationmethod;RoundbroachtheselectingprincipleofvariouscuttingAngle;Learningroundbroachthecompletemachiningprocess,tomasterthewritingoftheprocessplanningrequirements,understandtheroleandimportanceofprocessplanninginactualprocessing.Keyword:BroachPullmachiningProcessspecificationCuttingangleII目录前言.11拉刀的概述.21.1拉刀的种类和用途.21.1.1拉刀的特点.21.1.2拉刀的种类.21.1.3圆拉刀的结构.31.1.4拉刀刀齿几何参数.51.2拉刀拉削方式.51.3拉刀主要切削要素选取.62圆拉刀的设计.82.1圆拉刀设计条件.82.2.刀具材料的选择.82.3几何参数的确定.102.4齿升量的确定.10zs2.5齿距和齿数.112.6拉刀刚度允许最大槽深.11maxh2.7校验容屑系数k.122.8容屑槽尺寸.122.9柄部的计算.132.10拉刀强度校核.152.11机床拉刀校核.152.12拉刀校准齿直径.16zD2.13拉削余量.162.14切削齿齿数.16qZ2.15校准齿齿数.16z2.16确定各刀齿直径.162.17切削部分长度.16qI2.18校准切削剖长度.17z2.19分屑槽尺寸.172.20前导部的直径和长度.172.21后导部直径.184D2.22柄部前端到第一齿长度.18III2.23拉刀总长度.192.24中心孔.192.25缩略图.193拉刀工艺规程.203.1拉刀工艺规程.204拉刀的合理使用.214.1对被拉削工件的要求.214.2拉削时注意事项.214.3拉削速度的选取.214.4拉削加工中常见缺陷产生的原因及消除方法.21结束语.23参考文献.24致谢.250前言拉削加工是一种加工精度高、生产效率高的机械加工，其加工时的主运动即刀具运动为直线运动，其加工原理是利用同一排刀具后一个刀齿高于前一个刀齿从而依次完成对工件的加工，并经过多次直线运动即可得到所需的表面。其与普通机械加工相比，不同之处在于，其进给运动使用刀齿的变化来进行了代替。我的毕业设计选择的题目是“圆拉刀的设计与工艺”，主要工作设计加工圆拉刀，绘制圆拉刀的图纸，并编制圆拉刀的加工工艺规程。在此次论文的编写过程中，由于本人自身能力有限以及时间的仓促，所以在论文的编写过程中难免会有不足之处，在此请各位专家多多包涵并给予相应的批评指正。11拉刀的概述1.1拉刀的种类和用途1.1.1拉刀的特点拉削加工是一种加工精度高、生产效率高的机械加工，其加工时的主运动即刀具运动为直线运动，其加工原理是利用同一排刀具后一个刀齿高于前一个刀齿从而依次完成对工件的加工，并经过多次直线运动即可得到所需的表面。其与普通机械加工相比，不同之处在于，其进给运动使用刀齿的变化来进行了代替。拉刀的种类很多，一般分为内拉刀和外拉刀两大类。拉削有如下特点：（1）拉削时只有主运动拉床结构简单操作方便。（2）拉削加工具有加工平稳、制造精度高、表面粗糙度好等。（3）其多刀具同时工作，能同时完成零件的粗、半精以及精加工，因此加工成本低、生产效率高。（4）因其刀具工作方式使得刀具耐磨性好、使用寿命长。（5）其能完成多种复杂零件的加工，在对特殊零件加工时，只需对刀具进行定制设计即可，所以其特别适用于大批量特殊零件的加工。1.1.2拉刀的种类2图1.1拉刀的常见种类内拉刀主要用于各种内孔加工，比如圆孔、键槽、内齿轮以及花键内孔的加工等，其根据所加工零件的不同可以分为孔拉刀、键拉刀、齿轮拉等。内拉刀常加工孔径为8110mm，但对于特定的内拉刀，其所加工孔的范围可以扩大到5450mm，但对于孔的加工通常要求其长度不大于直径的三倍，否则可能会引起拉刀变形或折断，而所加工的键槽宽度通常为5150mm。外拉刀主要用于对各种平面的加工，其具有加工速度快、加工精度高等特点，所以被普遍用于代替目前常用的铣、磨、刨等加工方式，其在大批量零件的生产加工中，其优点更为明显。其次拉刀按其结构形式还可以分为整体式拉刀和组合式拉刀两类，对于中小型拉刀通常以整体式为主，而对于大型或特大型拉刀，通常为了降低生产成本而以组合式为主。根据拉刀刀齿材料又分为高速钢拉刀和硬质合金拉刀。根据拉刀工作时的受力情况又分为拉刀和推刀。1.1.3圆拉刀的结构夹具的主要作用是对被加工工件进行定位，从而保证加工精度、降低工人劳动强3度、提高产品生产效率、降低生产成本、增加机床使用的灵活性。目前对于机加工夹具而言，其种类繁多、形状大小也各不相同，但其组成大致相同，所以其组成大致可以概括为以下几部分。如图1.2所示：图1.2圆拉刀的结构图头部-与机床连接，传递运动和拉力。颈部-头部和过渡锥连接部分，也是打标记的地方。过渡锥部分-起引导作用，使拉刀容易进入工件的预制孔。前导装置对工作的拉刀进行引导，以便其对零件进行加工时具有较高的平稳性。切削装置主要有三类加工刀齿组成，即粗切齿、半精齿和精切齿，其主要作用是完成零件余量的加工，达到设计要求。校准装置对零件加工进行后处理，比如去处毛刺、校准等，从而提高工件加工表面质量。后导装置对尾部拉刀的位置进行固定，从而防止尾部拉刀对零件的破坏，从而有效保证零件的加工质量。、尾部装置主要作用是防止拉刀的下垂，所以其仅当拉刀较长或较大时才使用，而对于普通拉刀均不设尾部装置。41.1.4拉刀刀齿几何参数图1.3刀齿几何参数在图中f-为齿升量，其代表相邻两刀齿之间的半径差或高度差，对于粗加工的刀齿，其af=0.010.15mm,而对于精加工的刀齿，其af=0.0010.01mm。P相邻两齿的轴向距离差，其通常依据被加工孔的特性而定，对不普通拉刀，其同时作用齿通常设计为29个。o刀齿的前角，其通常有被加工件的材料而定，通常对于高碳钢刀齿，其前角取值为o=315，而对于合金刀齿，其前角的取值通常为o=0.52.0。而校准用刀齿其前角的取值通常与高碳钢刀齿前角的取值相同。ba1为刀齿的刃带，其主要作用在于提高拉刀的磨损次数，从而提高零件加工时的平稳性。1.2拉刀拉削方式（1）分块式拉削（也称为轮切式拉削）其加工原理是，对被加工零件的切削余量进行分层，并对于同一层余量的加工通过多个刀齿来完成，而每个刀齿的切削运动均是间隔进行的。其具有加工速度快、生产效率高、单次吃刀量深等优点，其通常被应用于铸件或锻件的加工；其缺点在于拉刀结构设计复杂，同时难以保证零件表面加工质量。（2）组合式拉削其集分块式和分层式拉削加工的优点为一体，其对于表面粗加工时采用分块式加工从而提高加工速度，而对于表面精加工时采用分层式加工，从而提高表面加工质量。51.3拉刀主要切削要素选取1、前角、后角的选取前角的选择对于拉刀前角的选择决定因素主要在于被加工零件的材料性能，其当被加工零件具有较好的韧性时，拉刀前角应选用较大值，而当被加工零件材料脆性较高时，拉刀前角应选用较小值。后角的选择对于拉刀后角的选择决定因素主要在于拉刀的形状以及被加工件的加工质量要求。后角的增加，可以有效降低刀具后侧与工件的磨损，但在进行重磨时其刀具的损耗很大，从而使得刀具加工精度降低。目前根据前人的设计经验，对于加工精度在78级的拉刀设计后角通常为23，而对于9级或者以上精度的拉刀设计，其后角通常为35，而对于平面拉刀、单侧作用的槽拉刀以及外外拉刀其后角设计通常为58，而对于用于校准用得刀齿后角通常设计为01。2、齿升量Sz的选取齿升量Sz其是指前、后两刀齿对零件的加工量之差，其也被称为拉削加工的进给量和切削速度。其数值的大小对零件表面的加工质量、加工精度以及拉床的加工速度均具有直接影响，所以其是衡量拉削加工技术水平的关键参数之一。通常其值的大小主要取决于工件的材料性能、工件表面加工质量要求、工件表面加工粗糙度要求以及刀具的形状等。对于普通拉削加工其齿升量Sz的取值不应大于0.2mm，而对于某些特殊零件，比如材料具有较好的韧性、零件表面质量要求较高、零件具有较高的表面粗糙度要求等其取值均应尽量小。3、齿距t的选取齿距t及同时工作的齿数Zi齿距是拉刀前后两齿的间距，其大小通常是根据被加工零件的特性而定。目前对于普通材料，其齿据与被加工零件间的关系通常用如下式表示t=（1.21.6）L*1/2，式中L为被加工零件的拉削加工长度。在这里对于材料脆性较高或加工距离较短的零件，齿距的计算应选较小值，而对于材料具有较好的韧性或需加工长度较长时，其计算应选较大值。而对于某些特殊零件，比如高温合金材料，其齿距和工作齿数的选定应按如下式进行计算：t=（1.92.0）*L1/2，Zi=L/t+1。由上式可看出，当零件对表面加工精度和表面粗糙度要求较高时，应选用齿距较小、齿数较多的拉刀，但对于其齿数的选择也不能过于太少，当齿数过少其齿距将变大，从而同时工作齿数相应减少，从而使得拉削加工平稳性降低。所以在设计拉刀时其工作齿数最合理的取值为38。在此由于以上两参数是相互关联的，所以在对拉刀进行设计时必须综合多两参数进行考虑，从而取两者的最优解。4、容屑系数K和容屑槽深度h的选取在拉刀的设计时，必要达到其每次加工所产生的切屑均能完整落入相应的容屑槽6内。容屑系数应满足以下条件Ac/AjKK1式中Ac容屑槽的有效面积Ac=*h/4Aj切削面积Aj=Sz*L所以*h/4*Sz*LK则h1.13（K*Sz*L）1/25、容屑槽的形状与尺寸容屑槽的主要作用是容纳拉削加工所产生的各种切屑。其设计的主要技术参数在于保证刀齿的强度和刀齿的重磨次数。目前常见的容屑槽主要有直线型和曲线型两类，其中直线型具有结构简单、制造成本低，但其功能单一仅适用于脆性材料的加工，而曲线型具有结构复杂、制造成本高、但其功能繁多，其除适用于脆性材料的加工也适用于韧性材料的加工。容屑槽各部分尺寸与齿距t的关系如下：h=（0.380.45）tg=（0.30.35）tR=（0.650.7）tR=0.5h在对容屑槽进行设计加工时，应在满足功能的情况下，设计出结构简单、生产成本低的容屑槽。2圆拉刀的设计2.1圆拉刀设计条件1.已知条件：7图2.1工件图名称内容被拉孔直径mDm03.759预加工孔直径w218孔为钻孔坯表面粗糙度Ra0.8拉削长度L0工件材料45钢工件材料硬度185220HBS拉床型号L5520立式拉床2.2.刀具材料的选择常用刀具材料分为：工具钢（包括碳素工具钢、合金工具钢、高速钢），硬质合金，超硬刀具材料（包括陶瓷，金刚石及立方氮化硼等）具体参考下表：8刀具材料选定为W18Cr4V92.3几何参数的确定a.前角0r前角的大小是根据被加工材料性质选择的，材料的强度或硬度高，前角宜小；反之，前角宜大，前角的偏差值一般取为。2由复杂刀具设计手册表1-1-7表1-1-7可以查得：=150r2b.后角a后角是拉刀的类型及被加工工件所需的精度来决定的，内拉刀的后角应比外拉0刀选的小些，校准齿的后角比切削齿的后角选的小些，切削齿后角的偏差取，校30准齿后角的偏差取。15由复杂刀具设计手册表1-1-8表1-1-8可以查得：切削齿后角302a校准齿后角15zc.刃带的选择1ab刃带应根据拉刀的类型及被加工材料的性质选择，在拉刀的切削齿上，允许有=0，宽度=0.05mm的刃带。1a根据金属切削刀具课程设计参考资料查得：=0.05mm1ab切=0.6mm校102.4齿升量的确定zs齿升量的取值，将对拉床的生产效率以及对零件加工的表面粗糙度以及其它表z面质量均产生直接影响。对于拉床齿升量的选择主要基于被加工零件的材料特性以及拉刀的形状。在此本文对粗切齿切削加工齿升量的选择参考刀具设计手册中的表2-1-10zs表2-1-10得：选择=0.025mm为最佳选择。zs2.5齿距和齿数a.齿距是拉刀前后两齿的间距，其大小通常是根据被加工零件的特性而定。在此由于齿距与齿数是相互关联的，即当齿距较大时，其齿数将减少，从而使得同时工作的齿数减少，降低了零件加工的平稳性，反之则然。所以在此对齿数和齿距的选择必须综合多两参数进行考虑，从而取两者的最优解。齿距可按以下公式计算：对于普通式拉刀：mlt105).21()5.21(0b.同时工件齿数=的确定iZ可根据以下公式计算后结果取整，mtlZi610112.6拉刀刚度允许最大槽深maxh在此基于相关参考资料得知，当拉刀具有不同的直径时，其槽深的选择也不同，在此根据刀具设计手册的：=9mmmaxh2.7校验容屑系数k在此基于相关参考资料得知：表1-1-16当拉刀或所加工的材料不同时，其容屑系数k的选择也将不同。在此本文所设计的拉刀根据其被加工零件以及相应的齿升量可选择其容屑系数的最小取值为。而对于钢类材料的加工，其加工切屑通常为卷状中空型，所以其体积通5.2mink常大于被切削掉的金属。容屑系数k即为其两者的比值。min20105413lsphz所以选取适用。2.8容屑槽尺寸容屑槽的结构设计时，我们主要应考虑拉床的拉削加工最大长度以及齿升量。其各参数之间的关系时如下：h=(0.450.38)t=3.84.5g=(0.350.30)t=3.03.5R=(0.650.70)t=6.57.0r=0.5h所以各值如下：（由表1-1-14）查得：切削齿：t=10h=4R=7g=3r=2校正齿：=7h=2.5R=4ztg=2.5r=1.312表1-1-142.9柄部的计算柄部的选择时，应尽可能选择结构简单、强度较高的快速卡头形式。柄直径至少比预加工孔直径小0.5mm，然后才能按标准选取，所以现取1D032.1513由表1-1-25查的:ml901mD034.8922l2c最小横截面：1134刀柄强度允许拉力p：对于W18Cr4V:p=7945kg=35kg/2m对于45Cr：p=4540kg=20.1kg/14表1-1-252.10拉刀强度校核第一齿槽底直径：dmhDd7.5082w切削刃总长度：=3.1459.7=187.5mmB最大拉削力：maxPmaxiZ式中P单位长度拉刀刀刃对工件的切削力，可由相关设计手册查到。在此根据刀具设计手册查到，其取值为：P=12.1kg/mmKg5.13625.1872max最小断面拉应力：由公式可计算得：axminPF21kg/345.62在此选用材料为40Cr，由机械设计手册查到其性能参数如下：=25kg/2=13612.5kgmaxP15也就是说机床校核允许。2.12拉刀校准齿直径.zD在此为了充分提高拉床拉刀的使用寿命，应对拉床拉刀的标准齿和尾部精切齿的尺寸进行控制，使其等于被加工孔直径的最大值。同时还应充分考虑金属变形问题所引起的被加工特征的尺寸变化。校准齿的直径为：z变形量maxzD由复杂刀具设计手册表1-1-24查得：变形量=0所以02.759mz表1-1-242.13拉削余量基于公式可以得到=0A02.17582.9wzD单边余量0/1/.m2.14切削齿齿数qZ切削齿齿数可以根据公式计算得出0.2(5)(5)2.45.20qzZS取=222.15校准齿齿数zZ校准齿的齿数视加工孔的精度而定。孔的精度要求较高时，校准齿齿数取的也变越多。根据表1.1-23S可以查得:对于圆孔拉刀,加工工级及2级精度的孔时,选取=7zZ2.16确定各刀齿直径2.17切削部分长度qI可以根据以下公式计算得到:16mZtIqq2012.18校准切削剖长度zI拉刀校准切削剖长度:mZtIzz4862.19分屑槽尺寸通常由于在拉刀上开设分屑槽而使得其对零件表面加工质量有所降低，所以在此为了尽可能的保证对工件的加工质量，所以不允许其在拉刀的最后一个精切齿上开设分屑槽。切齿上不开分屑槽.拉刀的分屑槽尺寸由表1.1-19可以查得:槽数槽宽281nmb2.1槽深槽底圆角半径mh.0r402.20前导部的直径和长度a.前导部直径:3D根据表2.1-28对拉刀前、后导部的形状尺寸分析，并对其前导部的形状尺寸进行了选择得：mDw7.583偏差取dd或dcb.前导部长度:由表1-1-29可知:mll5.3705.75.00317表1-1-292.21后导部直径4Da.由表1.1-29后导部中选取可得:mD73.59max4b.后导部长度.由表1-1-29和表1-1-30可知:l4表1-1-302.22柄部前端到第一齿长度a.颈部直径:由前述计算并结合表1.1-25可以查得:颈部直径mD492颈部长径baLl通过参考金属切削刀具设计手册拉刀部分中的表28对于型拉床61018床壁厚度60blm花盘法兰厚度3a所以颈部直径290Lb.过渡锥3所以柄部前端到第一齿长度1Imll2500321取=270Im2.23拉刀总长度通过如下公式：mLLgg573482074212.24中心孔查金属切削刀具课程设计参考资料表33可知：d=2.5mmD=6mmL=6mml=3mma=0.8mm2.25缩略图如图：图2.1圆拉刀零件图193拉刀工艺规程3.1拉刀工艺规程由拉刀零件图可以知道，拉刀的加工工艺一般按照下图工艺顺序。表3.1204拉刀的合理使用4.1对被拉削工件的要求拉削前的工件应满足下列要求1)拉前的预制孔，应进行半精加工；2)拉削时会使用平整光滑的基面，并且会采用球面支撑夹具以防止出现预制孔与定位基面精度较差的情况；3)使用夹具把长度小于拉刀两个齿距的工件紧固在一起拉削；4)只有经过正火或退火及调制处理的钢件才能保证拉削性能，因此，应尽可能将被加工工件预先热处理在这一范围；5)拉削前预制孔必须保证一定的几何精度（如同轴度、垂直度、尺寸精度为H8、H9H11，粗糙度Ra6.33.2）；6)为避免毛刺影响拉刀的定位或通过，我们一般会在拉削前对预制孔进行倒角；4.2拉削时注意事项1）拉削过程中，冷却润滑液最好也要保证在工件外表面也要有足够的冷却。建议采用高浓度乳化液；2）如果拉刀长度过大并且过重，必须保证用托架扶托进行拉削。但是拉刀细又长时可手扶尾部保证平衡；3）在拉削即将结束时，要防止工件因自重下垂；4）要时刻观注表面质量及刀具磨损情况。如果工件粗糙度较高，拉刀振动和拉削异声加剧，那就应该休整刀具；5）拉完工件后，应用铜丝刷顺着切削刃方向将附在容屑槽内的切屑刷去，严禁用钢丝刷，也不能用棉纱揩擦，以避免棉纱纤维缠绕在刀齿上。；6）要时刻注意压力表指针的变化，以避免造成拉刀的损伤；7）有时拉床会由于拉力不够或者其他情况发出噪声，应该马上停止并检查；8）使用拉刀后，竖直放置。4.3拉削速度的选取拉削速度一般在118m/min。当拉刀齿升量大时拉削速度应取小一些，拉削较硬材料(280320HB)或较软材料硬度170HB时，拉削速度应相应降低。4.4拉削加工中常见缺陷产生的原因及消除方法拉孔粗糙度较高a）拉孔表面粗糙21精切齿和校准齿刃带过宽，造成摩擦过大或产生粘附；前角过小，切削变形较差；b)拉孔表面有挤亮或多处划伤拉刀后角太小，特别使粗切齿段。应适当增加后角。工件硬度太高（240HB以上）会产生挤亮现象。用热处理方法适当降低硬度；或将拉刀前角减小到12a以下，以增加刃口强度，以避免由于崩刃而造成的工件表面的挤亮和划伤。实践证明，工件硬度在180240HB时拉削性能最好，粗糙度最容易达到。c)孔表面有鱼鳞状工件金相组织不理想，当硬度过低170HB时，最容易产生鱼鳞状。应进行热处理，提高工件硬度。拉削速度过高。应降低拉削速度，一般表面粗糙度低于Ra1.6时，起拉削速度不宜超过2m/min。22结束语毕业设计是大学四年所学知识的综合应用，同时也让我们将理论知识与实践知识进行有效的结合。本次我所需要完成的设计内容是拉床拉刀的整体设计。其主要工作内容包括：加工零件的结构以及材料分析、拉刀的结构选择、拉刀结构尺寸的设计以计算以及拉刀关键部件的校核。通过此次设计设计让我学会了对问题的分析与处理方式，同时也教会了我怎样能快速查询到自己所需的参考资料。本次毕业设计，让我对产品的设计流程有了详细的了解，以及产品设计中所应该注意的问题。同时在毕业设计过程中，毕业设计指导老师还多次为我们提供去现场参观学习的机会，这使得我对产品的认识更加深刻。通过本次毕业设计，让我对拉刀设计的相关知识有了详细的了解，并能完成基本拉刀的设计工作。其是对我们平时所学理论知识的掌握程度的检验，同时也是对我们实践能力的提升。其教会了我独立思考问题的能力，这为我以后走向工作岗位做了很好的铺垫。参考文献1陈宏钧，方向明，马素敏等编.典型零件机械加工生产实例.北京：机械工业23出版社，2004.82王季琨，沈中伟，刘锡珍主编.机械制造工艺学.天津：天津大学出版社，2004.13四川省机械工业局主编.复杂刀具设计手册.北京：机械工业出版社，19794李洪主编.机械加工工艺手册.北京：北京出版社，1996.15刘华明主编.金属切削刀具课程设计指导资料.北京：机械工业出版社，19866龚定安，蔡建国编著.陕西：陕西科学技术出版社，1981.77孟少农主编.机械加工工艺手册.北京：机械工业出版社，1991.98金属机械加工工艺人员手册修订组.金属机械加工工艺人员手册.上海：上海科学技术出版社，1979.19孙丽嫒主编.机械制造工艺及专用夹具.北京：冶金工业出版社，2003.910杨叔子主编.机械加工工艺师手册.北京