刀具课件第13章.doc

第13章 成形刀具、拉刀及组合刀具刀具切削刃形状决定于工件轮廓形状的刀具，称为成形刀具。但成形刀具的廓形尺寸与工件并不完全一致，需要进行设计计算。成形刀具的主要优点是生产率高。其产品质量主要取决于刀具精度，而与操作者水平关系不大，因此，成形刀具的使用寿命长，用其加工出的工件一致性好(可保证工件的互换性)。成形刀具的缺点是制造比较麻烦，成本较高，因此，其主要适用于成批和大量生产。成形刀具多用高速钢制造。拉刀是一种多齿刀具，它的刀体上有许多排刀齿，并且刀齿尺寸是逐渐增加的。它除了具有切削部分外，还能保证拉削后的工件获得较高光洁度与准确度的加工表面。组合刀具是机械加工中多快好省地完成和超额完成生产任务的重要方法之一。 13.1 成形车刀13.1.1 成形车刀的分类成形车刀是一种专用刀具，它多用于车床、六角车床、自动和半自动车床加工内、外回转体成形表面。成形车刀制成后，其后面为成形表面，每次重磨时只磨前面。1.按结构和形状分类成形车刀按其结构和形状可分为平体成形车刀、棱体成形车刀和圆体成形车刀。1）平体成形车刀 平体成形车刀的外形与普通车刀相似，只是切削刃有一定形状。如图13-1所示的螺纹车刀和铲齿车刀就属于平体成形车刀。它一般可用来加工宽度不大，且较简单的成形表面，但刀具重磨次数不宜过多。（a）螺纹车刀 （b）铲齿车刀 图13-1 平体成形车刀2）棱体成形车刀如图13-2所示为棱体成形车刀。其外形为多棱柱体，由于结构尺寸限制，只能用来加工外成形表面。棱体成形车刀的刀体可根据结构设计得长些，故其重磨次数较平体成形车刀多，且刚性较高。3）圆体成形车刀如图13-3所示为圆体成形车刀。其外形为回转体，重磨次数比棱体成形车刀多。圆体成形车刀不但可加工外成形表面，还可加工内成形表面。因其刀体本身为回转体，制造容易，故生产中应用较多。图13-2 棱体成形车刀 图13-3 圆体成形车刀2.按进给方向分类成形车刀按其进给方向可分为径向成形车刀和切向成形车刀。1）径向成形车刀图13-1图13-3均为径向成形车刀。此类成形车刀工作时，是沿工件半径方向进给的，整个切削刃同时切入，工作行程短、生产效率高。但其同时参加切削的切削刃的长度长，径向力较大，容易引起振动，影响加工质量。2）切向成形车刀如图13-4所示为切向成形车刀。此类成形车刀是沿工件切线方向进给的，由于切削刃与工件端面(进给方向)偏斜角度，故切削刃逐渐切入工件，只有当切削刃上最后一点通过工件外轮廓的铅垂面后，工件上的成形表面才被加工完成。显然，与径向成形车刀相比，其切削力小且工作过程较平稳。但由于其工作行程长，因而生产效率较低。切向成形车刀仅用于加工廓形深度不大、细长、刚性较差的工件。 成形车刀一般都用高速钢制成整体结构。近年来，为提高刀具耐用度，也采用镶焊硬质合金的成形车刀，但目前国内还用得不多。图13-4 切向成形车刀13.1.2 成形车刀的前角和后角成形车刀切削刃形状较复杂，为了便于设计、制造和重磨，一般规定成形车刀的前角和后角均在假定工作平面内表示，并以加工工件上半径最小处的切削刃上点（称为基准点）的基面与前面的夹角，切削平面与后面的夹角。和分别被定义为成形车刀的前角和后角。对于如图13-5所示的棱体成形车刀，它的外形为棱体，其重磨次数比平体成形车刀多。使用时靠燕尾体与刀杆的燕尾槽连接，并用螺钉夹紧，刀体下端的螺钉可用来调整刀尖的高度，并可承受部分切削力。制造棱体成形车刀以及重磨时只控制前、后角之和，装夹时装在倾斜角度的刀杆上，从而形成前角和后角。图13-5 棱体成形车刀的几何角度及安装对于如图13-6所示的圆体成形车刀，其安装时刀具中心高于工件中心，刀具前面与工件径向线（水平线）之间的夹角即为前角。由于刀具中心高于工件中心，自然形成了后角。 图13-6 圆体成形车刀的几何角度及安装成形车刀的前角可根据工件材料选择，后角可按下列数据选取：平体成形车刀为 2530，棱体成形车刀为1217，圆体成形车刀为1015。13.1.3 成形车刀的廓形设计成形车刀的廓形设计有作图法和计算法两种。作图法简单、直观，但受图形放大倍数限制，精确度较低。计算法虽较复杂，但精确度较高。生产中常采用计算法进行设计，再用作图法进行校验。1.廓形设计前的准备工作 设计前的准备工作如下： （1）确定成形车刀廓形的组成点。对如图13-7所示的成形车刀廓形进行分析表明，一个复杂表面可以看成是由很多个平面、圆柱面和圆锥面组成的。取各组成表面轮廓线的起始点和终(拐)点作为成形车刀廓形的组成点，图13-7中的1、2、3、4、a、b、c、d、5各点，求出与之对应的成形车刀廓形上的点，这样可以简化设计过程。图13-7 对成形车刀廓形的分析（2）画出工件的主视图和俯视图，确定工件上最小半径圆与水平轴线的交点为基准点(当不考虑附加切削刃时)，并依次标出其余组成点及相应的径向、轴向尺寸。（3）确定成形车刀的合理前角和后角，对圆体成形车刀还须确定外径。2.廓形设计的作图法1）棱体成形车刀的作图法棱体成形车刀的廓形设计如图13-8所示。其作图步骤如下：图13-8 棱体成形车刀的廓形设计（1）以适当的放大比例画出工件的端视图和俯视图。（2）在端视图上，从基准点1分别作与水平线成和与铅垂线成的直线，并作为前面和后面的投影线。前面投影线与工件各组成点所在圆相交于2、3(4)点，这些点就是刀具前面上与工件各组成点相对应的点。（3）从前面投影线上的2、3(4)各点分别作平行于后面投影线的直线。这些直线即为棱体成形车刀廓形上各点所在后面的投影线，它们与基准点1所在后面投影线间的距离P2、P3(P4)即为棱体成形车刀N-N剖面对应点间的廓形深度。（4）延长各后面投影线，在基准点1后面投影线延长线上取1点并作该线的垂线，以该垂线作为起始线，分别在过2、3(4)点的后面投影线的延长线上截取和得交点2、3、4，用直线(或平滑曲线)连接这些点，即得棱体成形车刀N-N剖面内廓形。 2）圆体成形车刀的作图法圆体成形车刀的廓形设计如图13-9所示。其作图步骤如下：（1）以适当的放大比例画出工件的端视图和俯视图；（2）在端视图上，从基准点1作与水平线夹角为的直线作为前面的投影线，分别与工件各组成点所在圆相交于2、3(4)点，这些点即为前面廓形的组成点。（3）再从基准点1作与水平线夹角为的斜向右上方的直线，在其上截取圆体成形车刀外圆半径的长度得点，即为圆体成形车刀的轴心。（4）以为圆心，分别以1、2、3（4）为半径作同心圆，与过的水平线分别相交于1、 2、 3(4)点。、()即为圆体成形车刀廓形各组成点的半径。、（）各半径之差，即为刀具廓形各组成点在轴向剖面的廓形深度。（5）根据已知的工件轴向尺寸及、()，利用投影原理，即可求出圆体成形车刀轴向剖面内的廓形。图13-9 圆体成形车刀的廓形设计 1、2、3、4工件廓形； 1、2、3、4切削刃投影； 1、2、3、4刀具廓形3.廓形设计的计算法1)棱体成形车刀廓形设计的计算图13-8中，作棱体成形车刀前面投影线的延长线，再从工件中心作该延长线的垂线得交点，工作中心到交点的距离为，再标出、及、。设r1、r2、r3、r4为工件轮廓上各点的半径，P2、P3、P4为棱体成形车刀廓形深度。由直角三角形1可得 （13-1） 由直角三角形2可得 （13-2）又因为 所以 同理，前面上任意点n的各参数为 （13-3） （13-4） （13-5）2）圆体成形车刀廓形设计的计算图13-9中，过基准点1作前面投影线的延长线，工件中心至该延长线的距离为，至该延长线的距离为，分别标出工件和圆体成形车刀廓形上的尺寸、（）、（）、（）。设r1、r2、r3、r4为工件轮廓上各点的半径，R1、R2、R3、R4为圆体成形车刀廓形上各点的半径。由图13-9可知 （13-6） 同理，前面上任意点n的各参数为 （13-7）13.2 铲齿成形铣刀成形铣刀是具有成形切削刃的铣刀，它与成形车刀相同之处是刀具切削刃的廓形都要根据工件廓形设计。用成形铣刀可在通用铣床上加工复杂形状的表面，能获得较高的精度和表面质量，并有较高的生产率。成形铣刀在生产中应用比较广泛，如发动机蜗轮叶片成形面、齿轮齿廓表面、花键槽、成形螺旋槽(麻花钻螺旋糟)等的加工。按照齿背的加工方法及重磨方法的不同，成形铣刀可分为尖齿成形铣刀和铲齿成形铣刀，如图13-10所示。（a）尖齿成形铣刀 （b）铲齿成形铣刀图13-10 成形铣刀在大批量生产中，用来在铣床上铣削成形表面或成形沟槽的以铲齿成形铣刀居多，其切削刃廓形是根据工件的廓形设计、计算的。13.2.1 铲齿成形铣刀刀齿的要求铲齿成形铣刀刀齿的前面，多取为轴向平面，即前角为零。这种成形铣刀的设计、制造、检验都比较简单，刃磨比较方便。铲齿成形铣刀刀齿的后面的齿背表面，应能保证铣刀重磨后的切削刃形状不变，并具有一定的后角。为达到这个要求，铣刀的后面应该是由切削刃绕轴线回转，又同时沿轴向平面向铣刀轴心移动所形成的表面。只要能得到这样的齿背表面，就能保证铣刀在重磨后切削刃形状不变，如图13-11所示A-A、B-B各剖面形状相同。实现这种齿背(后面)加工的方法叫做铲齿，就是用铲齿成形车刀（刃形与被铲的成形铣刀切削刃形相同，但凹凸相反的平体成形车刀）在铲齿车床上加工出来的。图13-11 铲齿成形铣刀13.2.2 铲齿成形铣刀的齿背曲线铲齿成形铣刀通过切削刃上最大半径的一点作垂直于铣刀轴线的端剖面，端剖面与齿背表面的交线称为铣刀的齿背曲线。齿背曲线与以铣刀切削刃上最大半径点到铣刀圆心所作圆弧之间的夹角即为后角，很显然齿背曲线的形状影响刀齿的后角大小，而对刀齿的廓形没有影响（廓形由铲齿刀保证）。因此，作为齿背曲线主要应满足铣刀每次重磨后的后角不变。能满足后角不变的曲线只有对数螺旋线，但对数螺旋线制造困难，从制造方便出发，生产上应广泛采用阿基米德螺旋线作为成形铣刀的齿背曲线，阿基米德螺旋线能保证重磨后后角基本不变，因而制造简单。13.2.3 铲齿成形铣刀的铲齿过程根据阿基米德螺旋线形成原理可知，为了获得阿基米德螺旋线的齿背，铲齿时被铲铣刀作等速旋转，铲刀作等速直线切入即可切出阿基米德齿背。如图13-12所示为径向铲齿过程，铲刀的前角一般为零，其前面应准确地安装在铲床的中心平面内，铣刀用心轴夹持在铲床的两个顶尖上作等速转动，当铣刀的前面转到铲床的中心高平面时铲刀就在凸轮控制下沿铣刀半径方向作等速直线推进，当铣刀转过角时，凸轮相应地转过角，铲刀铲出一个刀齿的齿背，铲刀刀尖移至铣刀。而当铣刀继续回转时，铲刀开始后退，当铣刀转过角时，凸轮相应地转过角，铲刀在弹簧作用下沿凸轮曲线迅速退回到原来位置。随后重复上述过程，进行下一个刀齿的铲削。图13-12 成形铣刀的径向铲齿过程由上述铲齿过程可知，铲削时铲刀前面始终通过铣刀的中心，所以铣刀在任意轴向剖面的刃形必然和铲刀的刃形完全一致；当铣刀用钝重磨时，只要保证=0 (前面为轴向平面)，就能使其切削刃形保持不变。13.2.4 成形铣刀的铲削量与后角1.铲削量由图13-9可知，当铲齿铣刀转过一个齿间角时，铲刀前进的距离就称为铲削量，即凸轮的升程。铲削量的表达式为 （13-8）式中，为铣刀顶刃后角；z为铣刀齿数；为铣刀外径（mm）。2.后角上述后角为铣刀顶刃后角，又称名义后角。如图13-13所示，切削刃上各点的径向铲削量相同，而其所在的直径不同，主偏角不同，所以切削刃上各点法剖面内的后角各不相同。现取切削刃上任意点的端剖面后角、法剖面后角进行分析。图13-13 铲齿铣刀后角分析已知，于是可得由图13-13可知，于是可得 （13-9）式中，为切削刃上任意点x的半径（mm）；为切削刃上任意点x的主偏角（）。由式（13-9）可知，越大，或越小，则越小。为了避免铲齿成形铣刀后面与加工表面发生剧烈摩擦，一般不应小于34。如图13-14所示为凸半圆铲齿成形铣刀。若在180范围内作成圆弧时，切削刃上的A、B两点=0，因而该处=0。在这两点附近后面磨损很快，加工表面光洁度很差。为了克服这个缺点，通常将这种铣刀在160的范围内制成，使A、B两点的=10，使该处不至过小。 （a）凸半圆铲齿成形铣刀的基本几何角度 （b）凸半圆铲齿成形铣刀的圆弧图13-14 凸半圆铲齿成形铣刀铲齿成形铣刀的前角常作成0，因此，其切削条件较差，切削效率低。为了改善其切削条件，对一些形状不太复杂的铲齿成形铣刀可以作出适当的正前角。当铲齿成形铣刀有了前角后，其轴向截形（即铲刀形状）与工件形状有所不同。由于制造上的需要，必须求出铲齿成形铣刀的轴向截形。有关内容，可查阅相关参考资料。13.3 拉刀拉刀是一种高生产率的精加工刀具。在拉削时，一般拉刀做直线运动，有些拉刀做旋转运动。由于拉刀后一个（或一组）刀齿的齿高高于（或齿宽宽于）前个（或一组）刀齿，因而其上各齿依次从工件上切下很薄的金属层，经次行程后，切除全部余量。13.3.1 拉刀概述1.拉刀的分类与用途拉刀的种类很多，通常根据以下几个方面进行分类。1）按加工表面分类拉刀按加工表面的不同可分为内拉刀和外拉刀。（1）内拉刀。内拉刀用于加工各种内表面，如圆孔、方孔、花键孔和键槽等，如图13-15所示为内拉刀的典型实例。（a）圆孔拉刀（b）四方拉刀（c）花键拉刀图13-15 内拉刀的典型实例（2）外拉刀。外拉刀用于加工各种形状的外表面，如图13-16所示为外拉刀的典型实例。（a）平面拉刀（b）槽拉刀图13-16 外拉刀的典型实例 如图13-17所示为拉削加工中典型工件的截面形状。 （a）圆孔 （b）方孔 （c）三角孔 （d）六角孔 （e）键槽 （f）花键孔 （g）相互垂直平面 （h）内齿轮孔 （i）外齿轮 （j）成形表面图13-17 拉削加工中典型工件的截面形状2）按结构分类拉刀按结构可分为整体拉刀、焊齿拉刀、装配拉刀和镶齿拉刀。(1)整体拉刀。整体拉刀是指各部分为一种材料并制成体的拉刀，包括焊接柄拉刀（一般切削部分用高速钢，柄部用40Cr）。(2)焊齿拉刀。焊齿拉刀是指焊接或黏结刀齿的拉刀，如图13-18(a)所示。(3)装配拉刀。装配拉刀是指用两个或两个以上零部件组装而成的拉刀，如图13-18(b)所示。(4)镶齿拉刀。镶齿拉刀是指刀齿用机械连接方法直接装在刀体上的拉刀，如图13-18(c)所示。（a）焊齿拉刀（b）装配拉刀（c）镶齿拉刀图13-18 焊齿拉刀、装配拉刀和镶齿拉刀2.拉刀的结构拉刀种类很多，结构各有特点，但它们的基本结构是相同的。下面以如图13-19所示的圆孔拉刀的结构为例来说明拉刀的各组成部分及其作用。图13-19 圆孔拉刀的结构前柄；颈部；过渡锥；前导部；切削齿；校准齿；后导部；后柄1）前柄前柄是拉刀前端用于夹持和传递动力的柄部。2）颈部颈部是前柄与过渡锥之间的连接部分，也是打烙拉刀标记（拉刀材料、尺寸、规格等）的部位。3）过渡锥过渡锥是引导拉刀前导部进入工件预加工孔的过渡部分。4）前导部前导部是引导拉刀切削齿正确地进入工件待加工表面的部分，并检查工件预加工的孔径是否过小，以免拉刀第一个刀齿因负荷太大而损坏。5）切削齿切削齿担负全部切削工作，可切除工件上全部的加工余量。它由粗切齿、过渡齿和精切齿组成。6）校准齿校准齿是几个尺寸、形状相同，起校准及储备作用的刀齿。它可以提高工件的加工精度和降低表面粗糙度，还可作为精切齿的后备齿。7）后导部后导部是保证拉刀的最后刀齿正确切离工件的导向部分，可防止拉刀因工件下垂而损坏已加工表面或刀齿。8）后柄后柄是拉刀后端用于夹持或支承的柄部。若在自动拉床上拉削，则起着退回拉刀时的夹持作用；若在非自动拉床上拉削，则起着支持拉刀尾部不致下垂的作用。3.拉削特点拉削加工与其他金属切削加工方法相比较，具有以下主要特点：（1）生产率高。虽然拉削速度较低，一般为0.040.13 m/s（约28 m/min），但拉刀同时工作的齿数多，切削刃长，且一次行程就能够完成粗、半精及精加工，所以生产率高。（2）可获得高的加工精度及较低的表面粗糙度。由于拉削速度较低，拉削平稳，且切削厚度很薄，因此，拉削精度可达IT9IT7，表面粗糙度般可达2.51.25 ，甚至可达0.32 。（3）拉刀耐用度高、寿命长。每一刀齿在工作行程中只切削一次，由于拉削速度较低，刀齿磨损小，因而拉刀的耐用度很高。（4）拉床结构简单，操作方便。拉削过程只有主运动即拉刀的直线运动，进给运动是靠刀齿的齿升量来实现的。（5）拉削的加工范围广。拉削可加工内表面，也可加工外表面，但不能加工工件非光洁的盲孔或表面。（6）切削条件差。拉削属于封闭式切削，排屑困难，因此，其容屑、冷却和润滑都受到很大限制。（7）拉刀结构复杂，制造成本较高。根据拉削上述特点，故在成批和大量生产中广泛使用，在加工零件要求有一定精度的小批生产，如花键孔、键槽等也都采用拉削加工。此外，在现代化的自动生产线上，拉削工艺也得到了应用。13.3.2 拉削方式拉削方式是指用拉刀逐齿把加工余量从工件表面切下来的方式，它决定拉削时每个刀齿切削层的截面形状，因此，又称为拉削图形。拉削方式影响刀齿的负荷分配、拉削力、工件表面质量、拉刀耐用度及拉削生产率。拉削方式不同，拉刀的设计方法也不同，所以确定拉削方式是拉刀设计中的一个重要问题。拉削方式可分为分层式拉削方式、分块式拉削方式和组合式拉削方式三类。1.分层式拉削方式分层式拉削方式是指将每层加工余量各用一个刀齿切除的拉削方式。这种拉削方式每个刀齿的切削宽度大，而切削厚度又较小，因而单位切削力大，且需要较多的刀齿才能把全部工件加工余量切除。按此设计的拉刀较长，刀具成本高，生产率低，同时也不适合于拉削有硬皮的锻件和铸件（前部的一些刀齿易磨损）。分层式拉削方式又可分为同廓式拉削方式和渐成式拉削方式两种。1）同廓式拉削方式同廓式拉削方式的拉削图形如图13-20所示。按这种拉削方式设计的拉刀，采用与被加工表面最终廓形相似的刀齿，按分层式拉削方式切除拉削余量，仅最后一个切削齿和校准齿参与工件最终表面的形成。图13-20 同廓式拉削方式的拉削图形用同廓式拉削方式切下的切屑成环状，卷曲困难，套在卷屑槽内不易清除。为了便于清理切屑及减小切削力，在切削齿上开有前后交错的窄分屑槽，如图13-21（a)所示。但分屑槽使拉削出来的切屑上形成凸筋，如图13-21（b）所示，要使切屑的卷曲半径增大，需要较大的容屑空间。增大容屑空间使齿距变大，从而使拉刀的长度也增大了。此外，分屑槽处切削刃的副后角很小，容易磨损，因而耐用度较低。但用同廓式拉刀加工平面、圆孔等形状简单的成形表面时，刀齿廓形简单，容易制造，并能获得较光洁的加工表面，因而一般常被采用。（a） （b）图13-21 同廓式拉刀的分屑槽和切屑凸筋2）渐成式拉削方式渐成式拉削方式的拉削图形如图13-22所示。按这种拉削方式设计的拉刀，每个刀齿按分层式拉削方式切除加工余量，而且各个刀齿的部分切削刃均参与工件最终表面的形成。因此，工件的最终表面是由许多刀齿的切削刃先后切出并连接起来的。这种拉刀的制造较为容易，但它不仅有与同廓式拉削方式存在着同样的缺点，而且其已加工表面的粗糙度较高。键槽、花键槽及多边形内孔等常用渐成式拉削方式加工。图13-22 渐成式拉削方式的拉削图形2.分块式拉削方式分块式拉削方式是指将每层加工余量各用一组刀齿分块切除的拉削方式，又称为轮切式拉削方式。按这种拉削方式设计的拉刀上有若干组刀齿，每组中有25个刀齿，但常将两个或三个刀齿分为一组。同一组刀齿的直径相同或基本相同，它们共同切除加工余量中的一层金属，而每个刀齿的切削位置是相互错开的，各切除同一层金属中的一部分。几组刀齿顺序切除全部加工余量。拉刀的齿升量是按齿组递增的。如图13-23所示的刀齿1、2的截形相同，其上圆弧形凹槽相互错开，各切除同一层中的几段金属。余下未切去的部分，则由不作圆弧形凹槽的刀齿3切除。为避免刀齿3切下整圈金属，其直径比同组中的刀齿1、2的直径小0.020.05 mm。图13-23 分块式拉刀截形及其拉削图形1、2、3刀齿； 4被刀齿1切除的金属层； 5被刀齿2切除的金属层； 6被刀齿3切除的金属层分块式拉削方式与分层式拉削方式相比，其优点是：每个刀齿上参加工作的切削刃宽度较小，而需要切削的厚度一般为切削刃宽度的210倍。因此，虽然每层金属要有一组（两个或三个）刀齿来切除，但在加工余量相同情况下，所需总的刀齿数比用分层式拉削方式少很多。拉刀长度因此大大缩短，不仅节省了刀具材料，生产率也大为提高。由于采用了宽弧形分屑槽，能够比较容易地磨出较大的槽底后角和侧后角，分屑槽处主切削刃与副切削刃之间的夹角也较大，因而可减少刀具磨损，刀具耐用度得以提高。由于切屑上没有切屑凸筋，切屑容易卷曲，因而容屑空间及齿距可相应地减小，也有利于缩短拉刀长度。3.组合式拉削方式组合式的拉削方式是指同一支拉刀采用了两种或两种以上的拉削方式，又称为综合式。如图13-24所示为把同廓式和分块式拉削方式的拉削图形综合在一起的拉削图形。按组合式拉削方式设计的拉刀，集中了同廓式和分块式拉削方式的优点，其精切齿则制成同廓式结构，按同廓式切削图形工作；其粗切齿和过渡齿制成分块式结构，按分块式拉削方式切削图形工作。图13-24 圆孔拉刀的拉削图形图13-24中16分别表示刀齿16切除的金属层。刀齿1分段地切除第一圈金属层宽度的一半；刀齿2除了切去刀齿1所剩金属层的一半外，还分段地切去第2圈金属层宽度的一半，所以刀齿2的切削厚度增大了一倍；刀齿3、4与刀齿2一样进行交错切削。这四个刀齿都是按分块式拉削方式的拉削图形工作的。此后刀齿5、6按同廓式拉削方式的拉削图形工作。显然，用这种拉刀加工，既缩短了拉刀长度，提高了生产率，又能获得表面粗糙度较低的已加工表面。我国专业工具厂生产的圆孔拉刀，一般都采用组合式拉削方式。13.3.3 圆孔拉刀设计下面以圆孔拉刀为例来说明拉刀的设计方法。1.切削齿切削齿是拉刀中最重要的部分，它将直接影响拉削质量和生产率。1）拉削余量要适当地确定拉削余量。拉削余量过小，将不能全部切除前道工序所产生的加工误差、表面不平度和破坏层，影响拉削质量；拉削余量过大，必然使拉刀增长，浪费刀具材料和降低生产率。一般拉削余量的选取是根据拉削长度和孔径的大小以及拉削前孔的精度等情况而确定，常以A表示被加工表面的拉削余量，单位为mm。如图13-25所示，在已知拉削前和拉削后孔的直径的情况下，拉削余量为 （13-10）式中，为拉削后孔的直径（mm）；为拉削前孔的直径（mm）。图13-25 内孔拉削余量若只知拉削后孔的直径，则拉削余量可用经验公式计算，也可根据被加工孔的长度、直径和上一道工序的加工精度查出拉削余量。圆孔拉刀的拉削余量见表13-1。 表13-1 圆孔拉刀的拉削余量 单位：mm拉削 余量拉削前孔的直径拉削前孔为钻出时拉削前孔为镗出时拉削后孔的直径1018183030505080801201018183030505080801206100.60.70.20.310180.70.70.80.30.30.418300.70.80.81.00.40.40.50.630500.81.01.01.11.20.50.50.50.60.750801.11.11.31.30.50.60.70.7801201.11.21.51.50.60.60.70.81201801.41.61.60.70.80.82）齿升量拉刀的齿升量是前后相邻两刀齿（或齿组）的高度差或半径差，它等于切削厚度，常用符号表示，单位为mm。在拉削余量一定的情况下，齿升量取得越大，切下全部余量所需的切削齿越少，拉刀越短，此时的刀具成本低，易制造，拉削生产率高；但齿升量过大，则拉削力太大，可能因拉刀强度不够而使拉刀折断，或使机床超负荷而停止工作，使拉削表面质量下降，刀齿磨损增大，刀具耐用度降低。然而齿升量也不能取得太小，否则刀齿难以切下很薄的金属层，使挤压现象加剧，加速刀具磨损，使加工表面质量恶化。为保证加工质量并提高生产效率，应在拉刀强度和机床负荷允许及表面质量得到保证的情况下，尽可能选用大的齿升量。粗切齿的齿升量是根据工件材料、拉刀类型来选取的，具体见表13-2。在进行拉刀强度、容屑槽系数和拉刀牵引力等验算后，必要时须进行修正。 表13-2 拉刀粗切齿的齿升量 单位：mm拉刀类型被加工材料的齿升量钢的齿升量铸铁的齿升量铝的齿升量铜的齿升量普通拉刀0.020.040.030.080.020.050.050.10综合轮切式圆拉刀0.030.10-矩形齿花键拉刀0.040.070.060.100.040.100.060.08键槽及各种槽拉刀0.050.120.060.200.050.080.060.15三角齿和渐开线拉刀0.040.06-四方和六方拉刀0.020.150.050.150.030.150.050.20粗切齿、过渡齿和精切齿的齿升量是不同的。粗切齿的齿升量较大。为了使切削负荷逐渐下降，过渡齿的齿升量由粗切齿齿升量逐齿递减至精切齿的齿升量，精切齿的齿升量一般取0.010.02 mm。3）前角与后角(1)前角。前角对切屑的变形和卷曲、拉刀耐用度、拉削力等都有很大影响。其数值一般是根据工件材料的性质来选取，见表13-3。表13-3 拉刀前角的数值工件材料拉刀前角工件材料拉刀前角钢197HBS1516可锻铸铁10198229HBS15铝及其合金，巴氏合金，紫铜20229HBS1012不锈钢、耐热奥氏体钢20一般黄铜10灰铸铁180HBS10青铜、黄铜5180HBS5粉末冶金及铁石墨材料15 (2)后角和刃带宽度。圆孔拉刀属于精加工，控制工件尺寸的刀具，为了使其重磨后直径不至于有较大的减小，即为了增加其重磨次数，延长其使用寿命，所以其后角应选得较小。各刀齿的主后刀面上均留有刃带，其宽度为，刃带上的后角为零。刃带的作用是在制造拉刀时便于测量刀齿直径和在拉削时起支承作用，重磨后又能保持直径不变。但刃带不宜太宽，否则会加剧摩擦。拉刀后角和刃带宽度的数值见表13-4。表13-4 拉刀后角和刃带宽度的数值拉刀类型粗切齿精切齿拉刀后角刃带宽度/mm拉刀后角刃带宽度/mm圆孔拉刀0.050.2花键拉刀0.050.150.050.2键槽拉刀0.20.20.44）齿距齿距是前后相邻两刀齿切削刃间的距离。齿距大，则拉刀长，拉削生产率低；齿距小，则同时工作的齿数多，拉刀工作平稳，加工表面质量高。但齿距过小，则容屑空间太小，使切屑易挤塞在槽内而导致拉刀折断或刀齿崩裂。为了保证拉削平稳，以获得良好的表面质量，一般有38个刀齿同时工作为好。拉刀的齿距可用下列经验公式计算 （13-11）式中，p为拉刀的齿距（mm）；为拉削长度（mm）。值算出后，在以后进行容屑系数、拉刀强度和拉床牵引力的验算时，可能还要适当修正，最后取最接近标准的值。拉刀上的齿距一般不规定公差。校验最大同时工作齿数，可用下式计算 （13-12）计算后，值略去小数，仅取整数部分。齿距及同时工作齿数的标准值见表13-5。表13-5 齿距及同时工作齿数的标准值拉削长度/mm齿距/mm同时工作齿数拉削长度/mm齿距/mm同时工作齿数101253454910512145.534954116141663546011616196.53607012619206.5470771362025747783137253184839014731338.549010015733368.5410011116736409511112516840459.551251451885）容屑槽拉削时，切屑被封闭在容屑槽中，因此，要求容屑槽要有足够的容屑空间，以免堵塞和损坏刀齿。理想的容屑槽的形状应保证切屑能顺利卷曲，并保证刀齿有合理的前角和后角，足够的强度和重磨次数。常用的容屑槽有三种形式，即直线齿背形容屑槽、曲线齿背形容屑槽和加长齿距形容屑槽。 (1)直线齿背形容屑槽。直线齿背形容屑槽如图13-26（a）所示。这种槽形简单，制造容易，常用于拉削脆性金属（铸铁、黄铜和青铜等）以及加工一般钢材时使用同廓式拉削方式的拉刀。 (2)曲线齿背形容屑槽。曲线齿背形容屑槽如图13-26（b）所示。这种槽形容屑空间较大，有利于切屑卷曲，适用于拉削韧性金属。分块式拉刀常采用这种形式的容屑槽。 (3)加长齿距形容屑槽。加长齿距形容屑槽如图13-26（c）所示。这种槽形齿距大，有足够的容屑空间，组合式拉刀常采用这种形式的容屑槽。（a）直线齿背形容屑槽 （b）曲线齿背形容屑槽 （c）加长齿距形容屑槽图13-26 容屑槽的三种形式容屑槽按其深度不同，又可分为浅槽、基本槽与深槽三种。浅槽用于小直径圆孔拉刀，以及在拉削力较大、拉力强度不够时使用；基本槽最常用；深槽在要切下大而厚的切屑时使用。容屑槽的尺寸必须在对其容屑空间进行校验后才能最后确定。为了保证刀齿容屑槽有足够大的容屑空间，又因切屑在容屑槽中卷曲不紧密，故容屑槽的有效容积必须大于切屑的有效容积。它们在法平面内的比值称为容屑槽的容屑系数，即 （13-13）式中，为容屑槽的有效容积（mm3）；为切屑的有效容积（mm3）。如果忽略切屑宽度方向的变形，那么容屑系数就可以近似地用它们在拉刀法平面（即轴向截面）中的有效面积比来表示，即 （13-14）式中，为容屑槽的有效面积（mm2）；为切屑的有效面积（mm2）。在设计拉刀时，容屑系数必须选择适当，以保证容屑槽有充分的容屑空间。容屑系数的大小受工件材料和齿升量等许多因素的影响，因此，对于不同的加工情况，容屑系数的大小也不同。它通常由实验研究加以确定。拉削钢料时容屑系数的数值见表13-6，拉削铸铁时，一般为22.5。表13-6 容屑系数齿升量/mm0.030.030.070.070.100.104.583.53.22.98143.23.22.92.614252.92.92.62.3如图13-27所示，拉刀容屑槽的有效面积可看做是半径的圆面积，其中r为容屑槽底的圆弧半径，h为容屑槽深度，即近似表示为图13-27 容屑槽的有效面积而切屑的有效面积，可近似地取切削层的断面积，即 （13-15）式中，对于分层式拉刀，=；对于组合式拉刀，=2。 因此，设计拉刀时，必须满足以下容屑条件 （13-16）在确定齿升量和查得容屑系数后，也可用上式验算拉刀齿槽深度，即 （13-17）若能满足式（13-17），则可以保证容屑槽有足够的容屑空间；若不能满足式（13-17），则可通过减小齿升量或增大齿槽深度来满足。另外，也可利用下式来校验容屑槽允许的最大齿升量 （13-18）6）分屑槽分屑槽的作用是减小切屑宽度，便于切屑容纳在容屑槽中。切削塑性金属时，如没有分屑槽，则圆孔拉刀每个刀齿切下的金属层是一个圆筒，切屑经受很大的变形才能卷成圆环。切屑卷成的圆环套在容屑槽中，使切屑清除非常困难，对拉削过程十分不利。所以，对切削宽度较大的拉刀，在切削齿的切削刃上都要做出前后刀齿交错分布的分屑槽，将切屑分成许多小段。 分层式拉削方式圆孔拉刀的切削齿和组合式切削方式圆孔拉刀的精切齿多采用V形分屑槽，如图13-28所示。 （a） （b） 图13-28 V形分屑槽V形分屑槽的槽侧角应大于90，以利于散热并使副切削刃有后角。V形分屑槽深度应大于齿升量，否则其不起分屑作用。V形分屑槽槽底后角应大于或等于刀齿后角，如图13-29（a）、（b）所示。此外，应避免如图13-29（c）所示的分屑槽槽底产生负后角的情况。（a） （b） （c）图13-29 V形分屑槽的槽底形式V形分屑槽的参数为：槽侧角=4590，槽宽=1.01.5 mm，槽深=0.71.0 mm，槽底半径=0.20.5 mm。为了避免在工件上留有刀痕，在最后一个精切齿上不开分屑槽。分屑槽的槽数应保证分屑后的切屑宽度不太大，使切屑易于卷曲。切屑宽度一般为67 mm时易于卷曲，故分屑槽槽数n的表达式为 （13-19）式中，为拉刀直径（mm），一般取拉削后孔的直径。圆孔拉刀的粗切齿和过渡齿采用弧形分屑槽，弧形半径R决定于砂轮半径。组合式圆孔拉刀弧形分屑槽尺寸见表13-7。表13-7 圆孔拉刀弧形分屑槽尺寸组合式圆孔拉刀弧形分屑槽的图形拉刀直径/mm槽数槽宽/mm拉刀直径/mm槽数槽宽/mm101143.53537105.511124.037385.512134.538406.0131463.24042125.014153.542455.51516.54.045485.816.5184.548536.51819.54.553567.019.52183.556597.521234.059627.523254.56265166.025274.865686.527295.268726.52931104.572767.031335.07681187.533355.081878.07）切削齿的齿数与直径切削齿的齿数是粗切齿、过渡齿和精切齿齿数之和，它可以按下式进行估算 （13-20）确切的切削齿的齿数，应在拉刀每个刀齿的直径排列后才能最后确定。圆孔拉刀的第一个切削齿主要是起修正上一道工序毛边的作用，使以后的切削齿能顺利工作。为避免第一个切削齿负载过大而过早磨损或损坏，这个刀齿通常没有齿升量或其齿升量取得小些。若第一个切削齿不设齿升量，其直径应取工件拉削前孔的最小直径，即 （13-21）当拉削前孔的精度等级在IT10以上时，因其精度较高，偏差较小，则第一个切削齿也可参加一部分外切削工作，故其直径可取为 （13-23）切削齿中的过渡齿数一般取35个，精切齿的齿数一般取37个。对拉刀每个刀齿直径进行排列时，在确定了第一个粗切齿的直径的基础上，按每个齿的齿升量顺次确定第二，第三，各齿的直径，它们的直径按2递增。最后一个精切齿的直径等于校准齿的直径，按精切齿的齿升量向前确定各精切齿的直径，然后从最后一个粗切齿直径和第一个精切齿直径向其中间排列各过渡齿直径。2.校准齿校准齿没有齿升量，只起校准及修光孔的作用，所以校准齿不开分屑槽。1）前角与后角（1）前角。由于校准齿不起切削作用，因而其前角可取05，但为了制造方便，也可取与切削齿相同的前角。（2）后角和刃带宽度。为了使拉刀重磨后直径变化小，延长拉刀使用寿命，校准齿的后角应比切削齿取得小些，一般取30230。在校准齿上后面的刃带宽度应比切削齿的刃带宽度宽得多。但根据生产经验，刃带过宽易使金属黏附在刀齿顶部（尤其是对塑性大的钢料），故一般刃带宽度取较小值。拉刀校准齿的具体数值见表13-8。表13-8 拉刀校准齿的具体数值校准齿后角刃带宽度/mm0.20.30.20.30.42）校准齿齿数拉刀经过多次重磨，使最后一个精切齿的直径减小超出允许值时，校准齿就递补为精切齿。被加工孔精度要求高时，则校准齿的齿数就应取得多一些，反之则少些。拉刀校准齿的齿数见表13-9。表13-9 拉刀校准齿齿数被加工孔精度H9H7H11H13H12拉刀校准齿齿数5734233）校准齿齿距与齿槽由于校准齿不起切削作用，其齿距可以取得小些，以缩短拉刀长度。当切削齿齿距10 mm时，校准齿齿距取 = (0.60.8) （13-24）当切削齿齿距10 mm时，为了制造方便，校准齿齿距取 = （13-25）校准齿的齿槽应做成与切削齿相同的形状。4）校准齿直径为了增加拉刀的重磨次数，使其有较长的使用寿命，校准齿直径应等于拉削后孔的最大直径，但还必须考虑拉削后孔的直径的扩张或收缩。由于刀齿上产生的切屑黏结和磨刀时产生的毛刺，拉刀制造时产生的切削刃位置偏差和轴线的直线度，以及拉刀和拉削前的孔不同轴等原因，拉削后孔的直径往往比校准齿的实际直径要大，即产生扩张现象；而在孔壁较薄时，由于弹性变形也有可能产生孔径收缩现象。因此，校