空心大直径组装拉刀的设计与工艺

11绪论拉削加工以其突出的优点广泛应用于批量生产中。近年来，在单件、小批量生产中，有些形状复杂、精度高的零件也需要用拉刀才能加工。拉削几乎应用于所有的机械制造厂。拉刀是一种多齿工具，拉削是有拉倒的后一个（或一组）刀齿高于前一个（或一组）刀齿，从而能够从工件上切下多余的金属，以获得较高精度和较好的表面质量。拉刀从工件上把拉削余量切下来的顺序和方式，通常都用图形表达，称这种图形为“拉削图形”。拉削图形分为分层式、分块式和综合式三大类。综合式拉削集中了成形式拉削与轮切式拉削的特点，即粗切齿制成轮切式结构，精切齿则采用成形式结构。这样，既缩短了拉刀长度，保证较高的生产率，又能获得较好的工件表面质量。拉刀主要用于大量生产中加工零件的成形表面。在这样条件下，较高的生产效率可补偿刀具制造和刃磨费用较高的不足。因此，可以说拉削技术的发展与大批大量生产紧密相关。拉刀是高效的多齿刀具。拉削时，利用拉刀上刀齿尺寸的变化来切除加工余量，拉削精度可达到IT8IT7，表面粗糙度Ra3.2-0.5m。拉削加工主要特点是:多刃同时参加切削；切削宽度较大；切削厚度较小(0.03-0.1毫米)；加工表面光洁度好、精度高；运动简单，易于自动化。花键孔的种类很多，应用较广的有矩形齿花键孔、渐开线花键孔和三角齿花键孔等。本文以渐开线花键孔拉刀的设计为主，对其余两种花键孔拉刀只介绍了截面尺寸的计算。1.1我国切削技术发展概况装配式拉刀近年来有较快的发展，主要应用于结构尺寸较大的拉到和有特殊要2求的拉刀。这是由于大尺寸结构拉刀要消耗大量高速钢、制造困难、成本高昂、磨损后修模也较为复杂。采用装配式结构可较好地解决上述问题，此外，装配式结构较易解决拉削方式、拉削余量分配、合理几何参数等因素和拉刀结构的矛盾，适合于有特殊要求的拉刀。目前，装配式拉刀的结构主要有装刀套式结构、装刀环式结构结构和装刀条式结构。拉刀是现代化生产中使用较多的高效切削刀具，它广泛用于汽车、拖拉机、机械制造等行业。国内一些大工具厂也因大直径拉刀所用高速钢材料的金相组织差，热处理不易掌握，质量难保证，易出废品等原因，也很少生产。为此，设计研制装配式拉刀，解决了大直径拉刀不能淬火等一系列间题，提高了拉刀的制造能力和技术水平。拉刀主要是解决批量生产零部件加工孔的一种刀具，拉刀是由许多尺寸逐渐增高的刀齿所组成的一种切削刀具，当它在拉力作用下沿其轴线作直线运动时，其刀齿便一个接一个地在被加工工件上切下一层薄薄的金属，从而使工件获得一定的形状、尺寸、精度和光洁度的键槽。一根普通拉刀的价格一般在10002000元之间，但大孔径拉刀的价格则更为昂贵，有的价格高达八万多；拉刀在机械设计中有相关的标准，要求精度较高。特别是同心度、一致性等要求很严格。大直径拉刀是汽车工业、重型机械工业、国防工业广泛应用的精密复杂刀具。拉刀的制造相当于细长轴的加工，长度愈一长，其制造难度愈大，成本愈高；拉刀又是一种多刃的成形刀具，它在拉削零件时，通常一次行程即可完成零件的加工。1.2拉刀简介1.2.1拉刀的类型拉刀的种类可按贝加工表面部位、拉刀结构和使用方法不同来分类。按被加工表面部位不同分类按被加工表面部位不同可分为内拉刀和外拉刀。如下图1-1所示，较常见的内拉刀和外拉刀有：圆拉刀、花键拉刀、四方拉刀、键槽拉刀和平面拉刀。3a)圆拉刀b）花键拉刀图1-1各种内拉刀和外拉刀1.2.2拉刀的组成拉刀的组成，以圆拉刀为例，拉刀的组成如下图所示，由前柄L1、颈部L2、过度锥L3、前导部L4、工作部L5和后导部L6组成。对于长或者重的拉刀还必须作出支撑用的后柄L7，如图1-2所示。4（1）实心小径拉刀（2）空心大直径组装拉刀图1-2拉刀的组成1.2.3拉刀的拉削方式拉削方式是指拉刀逐齿从工件表面切除加工余量的方式。拉削方式有分层式、分块式和综合式三种。1.分层式分层式是每层加工余量各由一个刀齿切除。但根据工件表面最终廓形的形成过程不同，又分成：同廓式它是指各刀齿的廓形玉加工表面的最终廓形相似，最终廓形是由最后一个切削齿拉削后形成的。渐成式它是指加工表面最终廓形是由各刀齿拉削后衔接形成的。2.分块式（轮切式）分块式拉刀取、组刀齿，齿组间有较大齿升量fz，每组由三个齿组成，前二尺切削刃交错分布，他们分别切除加工面上1、2位置处余量，最后一圆形齿起修光作用。此外，也有制成不分齿组的，每个切削齿均有较大的齿升量，各相邻刀齿切削刃均成交错分布，用于进行交错分块拉削。3.综合式5综合式拉刀的前部刀齿做成单齿分块式，后部刀齿做成同廓分层式。三种拉削方式的主要特点是：同廓分层式拉刀的齿升量较小拉削质量高，拉刀较长；同廓渐成式拉刀拉削成型表面时拉刀容易制造，拉削质量较差；分块式拉刀的齿升量较大，适宜于拉削大尺寸、大余量表面，也可以拉削毛坯面，拉倒的长度短，效率高，但不易提高拉削质量；综合式拉刀具有同廓分层、分块拉削的优点，目前拉削余量较大的圆孔，常使用综合式圆拉刀。由上可知，研究先进的拉削方式，对提高拉削水平，改革拉刀结构和最近拉削技术发展起着重要的促进作用。1.2.4空心大直径组装拉刀的优点在实际生产过程中，有时候需要加工的零件内径比较大，如果用实心拉刀加工的话，所需材料比较多，浪费也就比较大，而且拉刀的重量也比较大，不便于加工，所以在加工时，对于直径比较大的拉刀，就制成空心的，这样就便于拉刀的装夹与使用，同时还减轻了拉刀的质量，节约了材料，降低了企业的支出符合当前的可持续发展的方针，所以说空心大直径拉刀在实际生产中具有重大的意义。62拉刀设计2.1拉刀工作部分设计2.1.1齿升量渐开线花键拉刀的齿升量f是相邻两刀齿（或两组刀齿）的半径差。f应选择适当，若太大会影响拉刀强度和拉床负荷，但太小又难切下很薄的金属层。而刀齿也容易磨损，加工表面也不光洁。精切齿的齿升量f数值见下表2-1，过度齿的齿升量有粗切齿的齿升量逐齿递减至精切齿的齿升量。精切齿的齿升量一般选取0.0050.025mm。表2-1拉刀精切齿的齿升量被加工材料拉刀类型钢铸铁铝铜普通拉削圆孔拉刀0.015-0.030.03-0.080.02-0.050.05-0.12综合拉削圆孔拉刀0.03-0.06矩形齿花键拉刀0.025-0.080.04-0.100.02-0.100.05-0.12键槽及各种槽拉刀0.03-0.100.06-0.150.05-0.080.08-0.18综上所述可得出，最终所选则的拉刀齿升量为：粗切部分的齿升量f取0.25mm，精切部分的齿升量f取0.10mm。2.1.2.几何参数（1）前角o按被加工才聊得性质选取，对于强度或硬度高的材料，前角宜小，具体数值剑下表2-2：表2-2拉刀前角工件材料o工件材料o布氏硬度值16-18可锻铸铁107197HBS198229HBS15钢229HBS10-12铝及其合金、巴氏合金、紫铜20不锈钢、耐热奥氏体钢20一般黄铜10180HBS10青铜、黄铜5灰铸铁180HBS5粉末冶金及铁石墨材料15根据上述表格中的数据，在本设计中，选择的前角o为18。(2)后角0为了是刀齿前后面重磨之后，直径变小较慢，以及延长拉刀的使用寿命，拉倒的后角应选较小值，具体数值见下表2-3。(3)刃带宽度b1后刀面留有刃带，其宽度为，后角为0。刃带的作用是为了制造拉刀时便于测量刀齿直径和拉削时期支撑作用，重磨后又能保持直径不变。但刃带不宜太宽，以免增加摩擦而得到粗糙的加工表面，刃带宽度的具体数值见表2-3.表2-3拉刀后角和刃带粗切齿精切齿校准齿拉到类型后角0刃带b1后角0刃带b1后角0刃带b1圆孔拉刀0.120+300.02-0.20.3-0.5花键拉刀0.05-0.151300+10.05-0.20.5键槽拉到30+10.220+10.2-0.410+3020+300.5由上表数值可得，在粗切部分，取切削齿的后角0为330，由于是花键拉刀，故刃带b1选取范围为0.05-0.15；在精切部分，取切削齿的后角0为1300+1，刃带b1为0.05-0.2；校准齿的后角0为0300+30；刃带b1为0.2-0.7。具体数值如下图2-3所示8表2-3切削齿后角与刃带2.1.3.齿距齿距p是相邻两刀齿间的轴向距离，确定齿距的大小时，应考虑拉削的平稳性及足够的容屑空间，一般应有3-8个刀齿同时工作为好。粗切齿的齿距p按经验公式（2.1）计算P=（1.25-1.5）l（2.1）式中l拉削长度（mm）P齿距，根据计算值，p值去接近的标准值（mm）。L=904，由式（2.1）计算得：P=12最大同时工作齿数zc可按下式（2.2）计算zc=l/p+1（2.2）zc仅取整数部分。zc=71过渡齿的齿距p过p过=p精切齿的齿距p精则为：当p10mm时，p精=（0.6-0.8）p当平10mm时，p精=p（便与制造）由P=12mm得；9p精=0.8p=0.812=9.6取p精=10mm2.1.4.容屑槽容屑槽要有足够的容屑空间，能使切屑卷曲自由，又能使刀齿有足够强度，并可多次重磨，常用的容屑有下列三种形式，如图2-4所示。图2-4容屑槽形式(1)齿背为直线的槽行槽底有一圆弧r，这种槽形简单，容易制造，用于拉削脆性材料及一般钢材。(2)齿背为曲线的槽形由于前刀面于两个圆弧（R和r）组成，这种槽形有利于卷屑，适用于拉削韧性材料。(3)加长齿距的槽形槽底为一直线，容屑空间加大，适用于拉削深孔。10容屑槽按其深度不同又可分为浅槽、基本槽及深槽三种，可根据具体情况来选用。决定容屑槽时要注意容屑条件，由于切屑卷曲不紧密，故应使容屑槽的有效容积V槽大于切屑体积V屑，即容屑系数K应为K=V槽/V屑1（2.3）由于切屑的宽度变形较小，可忽略不计，所以容屑系数K可用容屑槽及切削层在拉刀轴向剖面内（纵剖面）的面积比来表示。即K=F槽/F切削层（2.4）容屑槽纵剖面有效面积F槽可按下式（2.5）近似计算F槽=h2/4（2.5）式中，h容屑槽深度（mm）。切屑层的纵剖面积F切削层为F切削层=acl（2.6）式中ac切屑厚度（mm），杜宇普通拉削式拉刀，ac=af；对于综合拉削式拉刀，ac=2af；L拉削长度。故K=/acl=（2.7）h24h24aclh=1.13Kacl（2.8）计算后，h选用基金的标准值（mm）。容屑系数K的具体数值随加工材料性质和齿升量不同而异。根据上述数值，按有关资料查出容屑槽的深度h分别为：粗切齿h粗=6，精切齿h精=4。2.1.5分屑槽分屑槽的作用是减小切削宽度，便于切屑容纳在容屑槽中。当切削韧性金属时，若没有分屑槽，则花键拉刀每个刀齿切下的金属层呈带状，使清除切屑十分困难，对拉削过程十分不利。故队切削宽度较大的拉刀，在切削刃的切削齿上都要做出交错分布的分屑槽，将切屑分成许多小段。2.2校准部分11校准部的校准齿无齿升量，只做校准和修光作用，不作出分屑槽。为了便与制造，校准齿的前角0校、齿距p校与齿形均可做成和精切齿相同。为了时拉刀重磨后其直径变化较小以及拉削平稳，后角0校应做得更小些，刃带宽度b1校应做得更大些，具体数值剑表2-3。如果拉削孔的精度要求较高，则校准齿的齿数z校就应该多一些，具体数值剑表2-4。重磨时只需重磨第一个切削齿到最后一个精切齿的这部分刀齿。最后一个精切齿重磨后因其直径变小了，于是第一个校准齿就变成了心得最后一个精切齿。以后再重磨后，如此类推。表2-4校准齿齿数孔的加工精度H7-H9H11H12-H13校准齿齿数5-73-42-3为了是拉刀能多次重磨，校准齿直径应等于被拉削孔的最大直径dmmax，但拉削后孔径经常发生扩张或收缩，故实际校准齿直径取为d0校=dmmax（2.9）式中，空的扩张量或收缩量，孔径扩张取“-”号，收缩取“+”号。在一般情况下，孔径总会扩张，扩张量的大小可有试验来确定，或查有关资料。校准部长度为L校准部=z校p校（2.10）2.3前堵头和后堵头由于在拉刀的加工过程中，拉刀中间部分的材料已被去除，不便于装夹，因此在加工过程中，就需要用到前堵头与后堵头，前后堵头在拉刀的加工过程中起着辅助的作用，防止拉刀工作部分在加工过程中受到损害，为了便于设计、加工，前、后堵头的尺寸与拉刀前、后刀柄的尺寸取相同值。拉刀前后堵头的示意图如下图2-5所示。12（1）前堵头（刀柄）（2）后堵头（刀柄）图2-5前、后堵头(刀柄)132.4前、后刀柄前刀柄与后刀柄直径的基本尺寸分别为拉削前、后被拉工件孔径的最小极限尺寸，其长度应大于2/3的拉削孔长度。前刀柄作用是起预制孔的定心和导向作用；后刀柄的作用是防止拉削终了时工件的倾斜下垂而损害孔壁。前后刀柄的示意图如图2-5所示2.5拉刀检验为使拉刀能顺利工作，在设计拉刀时，甚至在使用外购拉刀前，应对拉刀的同时工作齿数、容屑空间、拉刀强度等项目进行检验。2.5.1同时工作齿数校验齿距P会影响刀齿在拉削长度L内的同时工作齿数ze。为了确保拉削过程的稳定性，一般应使ze=3-8。故在设计或使用拉刀时，应按下式检验同时工作齿数Ze=L/P+13（2.11）如若Ze3，则将若干零件叠夹拉削，或适当简小平齿距P。2.5.2容屑空间检验容屑空间的设计或检验是指，在拉刀的假定进给平面内，一个刀齿容屑槽的有效面积A应大于该刀齿切下的金属层面积AD,即AAD或者A=KAD（2.12）此外，也可以在已确定容屑槽深度h后来检验容屑空间所允许的齿升量fz（hD）fz=hD=0.781h2/KL（2.13）通常设计容屑槽时，是根据式（*）求出h及根据式（*）求出p，在容屑槽系列标准中再确定槽的齿背圆弧R及槽底圆弧r的尺寸。2.2.3拉刀的强度检验14拉刀强度检验是个重要的检验项目，在生产中，常因工件材料强度高，拉刀齿升量过大，拉刀上受力面积小及切屑严重赌赛而引起的拉刀折断。为师拉刀强度足够，应使拉削时产生的拉应力小于拉刀材料的许用应力，即=FCmax/Smin（2.14）式中FCmax作用于拉刀刀齿上主运动方向的最低拉削力，单位N;Smin拉刀上强度最薄弱位置的截面积，通常为第一刀齿槽底的截面积，单位为mm2；拉刀材料的许用应力，单位为MPa，高速钢=2500-4000MPa；作用在拉刀刀齿上最大切削力FCmax，可有下列实验公式求得FCmax=FcbDmaxzeK（2.15）式中Fc作用在刀齿单位切削宽度上的切削力，单位为N/mm，可在拉刀设计资料中查出。2.6材料选择及加工拉刀材料选择高速钢，其余部分选择9CrSi。在加工过程中，零件螺纹部分的入炉温度为650-750，加热温度为840-860，然后油冷，回火温度为450，最后在空气中冷却，是硬度达到40-45HRC。零件的其余部分在回火温度为400，空冷，最终硬度为48-55。153工艺过程3.1拉刀的工艺过程表3-1空心渐开线花键拉刀工艺过程卡序号工种工艺简略说明1下料2109822车车两端面，打中心孔，总长按成品图，偏差13车粗车外圆，留量2.84车钻通孔至90（声深孔钻），可分别从两端进行加工5车镗孔至906车精车两端内孔至104，并倒角545，加工空位8深27车车两端螺纹M10038车铰螺纹孔2-M16（圆周对称）9装备粗磨两端内孔尺寸至104.510装备荒磨两端面11钳连接前后柄12车精车外圆，留量2.013车车切削齿锥度，外圆留量2.014钳校直15车车刃沟16钳校直17外荒磨外圆，留量1.718铣铣花键19钳将前后柄拆卸下来20热分别对前后柄，刀体部分进行热处理1621装备精磨两端面22装备精磨两端面内孔尺寸至105（内圆磨）23钳连接前、后柄24钳研中心孔25钳校直26拉磨支承27拉粗磨前刃面、磨容屑沟底28钳校直29拉磨支承30外粗磨外圆，留量0.60.0531钳校直32拉磨支承33花粗精磨键底；粗磨齿厚，测值留量0.800.0534热280去应力回火35钳校直36拉磨支承37外精磨外圆，倒后角38钳精密校直，前导部外圆径跳0.008，其余各部径跳按成品图39拉磨支承40花精磨齿厚41花磨侧隙角42拉精磨前刃面43打标记44包清洗、防锈、包装3.2前刀柄的工艺过程表3-2前刀柄工艺过程卡17序号工种工艺简略说明1下料1853272车车两端面，打中心孔总长按成品图，偏差13车车各部外圆及卡环槽，柄部留量1.6+0.1，卡环槽留量0.5，大台阶177.5留量1.2，定位台阶106.5留量0.5，注意倒圆角4车车螺纹M10035钳钻孔156磨粗磨定位台阶至1060-0.17磨荒磨177.5台阶左、右端面8热热处理：螺纹40-45HRC，其余部分48-55HRC9磨精磨177.5台阶右端面10磨精磨定位台阶至105-0.05-0.14，与刀体连接为一体加工至成品尺寸3.3前堵头的工艺过程表3-3组装拉刀前堵头工艺过程卡序号工种工艺简略说明1下料1853272车车两端面，打中心孔总长按成品图，偏差13车车各部外圆及卡环槽，柄部留量1.6+0.10.5，卡环槽留量0.5，大台阶177.5留量1.2，定位台阶106.5留量0.5，注意倒圆角4车车螺纹M10035钳钻孔156磨荒磨177.5台阶右端面7磨磨定位台阶至104.5-0.03-0.06183.4后刀柄的工艺过程表3-4后刀柄工艺过程卡序号工种工艺简略说明1下料1702622车车两端面、打中心孔总长按成品图偏差13车车各部外圆及卡环槽，柄部留量1.6+0.1，卡环槽留量0.5，大台,阶165留量1.2，定位台阶105留量0.5，注意倒圆角4车车螺纹M10035钳打字、钻孔156磨粗磨定位台阶至1067磨荒磨165台阶左、右端面8热热处理：螺纹40-45HRC，其余部分48-55HRC9磨精磨165台阶左端面10磨精磨定位台阶至104.5-0.03-0.06，与刀体连接为一体加工至成品尺寸3.5后堵头的工艺过程表3-5后堵头工艺过程卡序号工种工艺简略说明1下料1702622车车两端面、打中心孔总长按成品图偏差1193车车各部外圆及卡环槽，柄部留量1.6+0.1，卡环槽留量0.5，大台阶165留量1.2，定位台阶105留量0.5，注意倒圆角4车车螺纹M10035钳打字、钻孔156外荒磨165台阶左端面7外精磨定位台阶至104.5-0.03-0.0620结论通过这次的毕业设计，我对大学四年所学的专业知识有了一个全新的系统的认识，基本掌握了空心大直径组装拉刀的结构，及其主要的工作原理，并且通过查阅相关资料和图纸，锻炼了自己识图及绘图的能力。在本次毕业设计中，在查阅资料后，首先确定组装拉刀的各部零件分别是什么，然后通过所查找道德资料，选取制造拉刀各部分的材料。再设计过程中，原宏老师多次带领我们参观拉刀的加工过程，并且为我们详细地讲解，对这些过程更加的熟悉，设计起来也更加的得心应手。21参考文献1GB/T5102-2004渐开线花键拉刀技术条件2GB3832.3-2008拉刀圆柱形后柄型式和基本尺