第四章拉刀设计..

1 第一篇 主讲 陶福春 成形刀具设计 2 第四章 拉刀设计 第一节拉削特点及拉刀类型 一 拉削特点拉刀是一种多齿刀具 拉削时由于拉刀的后一个 或一组 刀齿高出前一个 或一组 刀齿 从而能够一层层地从工件上切下金属 图8 20 以获得较高精度和较好的表面质量 3 拉削加工与其他切削加工方法相比较 具有以下特点 1 生产率高由于拉刀是多齿刀具 同时参加工作的刀齿多 如图8 20所示为三个 切削刃总长度大 一次行程能够完成粗 半精 精加工 因此生产率很高 尤其是加工形状特殊的内 外表面工件时 效果尤为显著 2 拉后工件精度与表面质量高由于拉削速度比较低 目前一般不超过0 30m s 拉削平稳 切削厚度薄 一般精切齿的切削厚度为0 005 0 015mm 因此可加工出精度为IT7 表面粗糙度不大于Ra0 8的工件 若拉刀尾部装有浮动挤压环 则可达Ra0 4 0 2 4 3 拉刀耐用度高由于拉削速度小 切削温度低 刀具磨损慢 因此拉刀的耐用度较高 4 拉削加工应用范围广拉刀可以加工出各种形状的通孔及没有障碍的外表面有些其他切削加工方法难于完成的加工表面 可以采用拉削加工完成 5 拉床结构简单拉削一般只有主运动 进给运动靠拉刀切削部分的齿升量来完成 因此拉床结构简单 操作也方便 5 6 二拉刀的类型及其应用 1 按加工表面的不同 可分为 内拉刀和外拉刀图8 22 加工工件的内表面 加工工件的外表面 2 按拉刀构造不同 可分为 整体式和组合式图8 24 中小型尺寸的高速钢拉刀 大尺寸和硬质合金拉刀 7 8 3 按受力方式 可分为 拉刀和推刀 在拉伸状态下工作 在受压状态下工作 用于加工余量较小的内表面或修整热处理后的变形量 9 4 链式连续拉削 普通拉削时 工件不运动 拉刀作主运动 为了提高生产率和实现自动化生产 出现了链式连续拉削方式 如图8 26所示 图中拉刀固定不动 被加工工件装在连续运动的链式传送带的随行夹具上作主运动 从而实现连续拉削方式 这种拉削方式已在汽车制造业中得到应用 10 为了提高拉削的生产率 近年来高速拉削已逐渐采用 高速拉削所用机床应有足够的刚度和运动精度 应有较大的速度范围 v 1 50m min 试验表明 高速拉削不仅提高了拉削生产率 同时也改善了工件的表面质量 提高了刀具耐用度 采用硬质合金机夹拉刀进行高速拉削 已在汽车工业加工缸体中得到应用 拉削速度为25 35m min 第二节拉刀的结构 拉刀的类型不同 其结构上虽各有特点 但他们的组成部分仍有共同之处 下面以圆孔拉刀为例介绍其组成部分 如图8 28所示 11 圆孔拉刀由头部 颈部 过渡锥部 前导部 切削部 校准部 后导部及尾部组成 其各部分功用如下 头部 用于将拉刀装夹在拉床的夹头中以传送运动和拉力 颈部 用于连接头部与刀体 一般在颈部上刻印拉刀的标记 一般颈部和头部的尺寸较小 如果拉刀强度不够 希望在头部或颈部折断 这样拉刀的修复较容易 过渡锥部 使前导部能顺利进入初孔 工件上予先加工的孔 起对准中心的作用 12 前导部 起引导作用 防止拉刀进入工件孔后发生歪斜 并可检查拉削孔径是否符合要求 切削部 它担负主要的切削工作 其刀齿尺寸逐渐增大 又分为粗切齿与精切齿两部分 有的拉刀在粗切齿与精切齿之间还有过渡齿 校准部 用于校准与修光被切削表面 起到提高工件加工精度和表面质量的作用 其刀齿尺寸不变 当切削部分的刀齿经过刃磨尺寸变小后 前几个校准齿依次变成切削齿 所以校准齿还具有精切齿的后备作用 后导部 它能在拉削终了前保持拉刀的后几个刀齿与工件间具有正确的相对位置 防止工件偏斜 尾部 只有当拉刀又长又重时才需要 用于支撑拉刀 防止拉刀下垂 尾部的直径视拉床托架尺寸而定 其长度一般应不小于20mm 13 二 拉刀切削部分几何参数 如图8 29所示 f 齿升量 即切削部前 后刀齿 或组 高度之差 p 齿距 两相邻刀齿之间的轴向距离 b 1 刃带 用于在制造拉刀时控制刀齿直径 也为了增加拉刀校准齿前刀面的可重磨次数 提高拉刀使用寿命 有了刃带 还可提高拉削过程稳定性 0 前角 0 后角 14 第三节拉削方式 拉削图形 拉刀刀齿从工件上把拉削余量切除的顺序 一般都用图形来表示 这种图形即称为拉削图形 或称拉削方式 拉削图形对拉刀刀齿负荷分配 拉刀长度 拉削力的大小 拉刀耐用度及加工质量等都有很大影响 拉削图形可分为分层式 分块式及综合式三大类 一 分层式拉削 分层式拉削又可分为成形式和渐成式两种 1 成形式 它的特点是 刀齿的刃形与被加工表面形状相同 仅尺寸不同 即刀齿直径 或高度 向后递增 加工余量被一层一层地切去 15 这种拉削方式切削厚度小而切削宽度大 因此可获得较好的工件表面质量 这种方式的拉刀刀齿结构如图8 30 b 所示 为避免出现环状切屑 拉刀刀齿圆周上交错地制造出分屑槽 便于分屑与容屑 但有分屑槽后 切屑形成一条加强筋 如图8 30 c 所示 它使切屑半径增大 卷曲困难 另外 这种方式由于切屑薄而宽 拉削力及功率较大 分屑槽转角处容易磨损而影响拉刀耐用度 这种方式的拉刀除圆孔拉刀外 其他制造比较困难 16 2 渐成式 如图8 31所示 图中工件最后要求是方孔 拉刀刀齿与被加工表面形状不同 被加工工件表面形状和尺寸是由各刀齿的副刃所切成 这时拉刀可制成简单的直线形或弧形 它的优点是 复杂形状的工件 拉刀制造却不太复杂 缺点是在工件已加工表面上可能出现副切削刃的交接痕迹 因此被加工表面较粗糙 17 二 分块式拉削 这种拉削方式 工件上的每一层金属不是由一个刀齿切去 而是将加工余量分段由几个刀齿先后切去 例如 轮切式拉刀就是按分块式拉削方式设计的拉刀 如图8 32所示 图中所示的是三个刀齿为一组的圆孔拉刀及拉削图形 某组中 第一齿与第二齿的直径相同 但突出的切削刃互相错开 各自切除工件上同一圆周上不同位置的几段材料 余下的材料由同一组的第三个刀齿切除 每组的第三个刀齿不必制造分屑槽 即刀齿为圆形 其直径应较同组其他刀齿的直径小0 02 O 05mm 否则可能由于工件金属的弹性复原等原因而切下整圈金属层 按分块式设计的拉刀称为轮切式拉刀 有制成两齿一组 三齿一组及四齿一组的 原理相同 18 分块式拉削的优点是 切屑窄而厚 单位切削力小 拉刀刀齿数目可少一些 拉刀短 生产率高 采用这种拉刀拉削铸锻件不会损坏刀齿 缺点是拉刀设计较难 加工表面质量较差 19 三 综合式拉削 按综合式拉削方式设计的拉刀 称为综合式拉刀 它集中了成形式拉刀与轮切式拉刀的优点 即拉刀的粗切齿 在拉刀前部 是采用轮切式结构 精切齿 在粗切齿后面 是采用成形式结构 它称为综合式拉刀 或综合轮切式拉刀 我国生产的圆孔拉刀较多地采用这种结构 该拉刀的粗切齿不必分组 即第一个刀齿切去一层金属的一半左右 参看图8 33 第二个刀齿比第一个刀齿高出一点 一个齿升量 它除了切去第二层金属的一半左右外 还切去第一个刀齿留下的那部分金属层 后面的刀齿都以同样顺序交错切削 直到把粗切余量切完为止 剩下的精切余量由精切齿按成形式拉削图形完成 20 这种拉削方式集中了成形式拉刀和轮切式拉刀的优点 既缩短了拉刀长度 保持较高的生产率 又能获得较好的工件表面质量 21 第四节圆孔拉刀的设计基础 一 确定拉削图形圆孔拉刀通常多采用综合式拉削图形 即粗切齿采取不分组的轮切式结构 精切齿采取成形式结构 过渡齿可采用成形式 也可采取轮切式结构 二 确定拉削余量拉削图形确定后就应确定拉削的加工余量 加工余量是影响拉刀设计的重要因素 加工余量不能选得太小 否则孔的缺陷层不易被切去 影响加工质量 但也不能太大 太大则拉刀太长 造成制造上的困难 并将使成本提高 一般拉削余量是根据拉削长度 孔径大小以及拉前孔的精度等条件确定 22 当预加工孔径 初孔 已知时 拉削余量A可按下式计算 A Dmax一Dmin式中 Dmax为拉削后工件的最大直径 Dmin为预加工孔的最小直径 当拉前孔是钻或扩出式 拉削余量可按下式计算 拉前孔用铰削或镗削加工 式中 D为拉削后工件的公称直径 mm L为拉削长度 mm 23 三 拉刀的前角 后角和刃带 见图8 29 前角和其他刀具一样 主要是根据工件材料选取 当拉削韧性金属时应选较大前角 拉削脆性金属 如铸铁 青铜等 应选取较小的前角 低碳钢 例如25钢 35钢 30Cr等 HB小于190时 前角可选为18 中碳钢 45钢 40Cr等 HBl90 240时 前角可选为15 铸铁 铜及合金工具钢前角可选为10 青铜等前角为5 高速拉削 为防止由于拉削冲击而造成崩刃 拉削前角应比一般拉削小2 5 圆孔拉刀的后角应选较小值 这是为了防止刀齿沿前刀面重磨后直径尺寸过分变小之故 一般 粗切齿取后角为2 4 精切齿的后角与粗切齿相同 校准齿的后角取为0 30 24 刃带的用途不仅在制造拉刀时控制刀齿的尺寸 对于校准齿还可保证拉刀在沿前刀面重磨时刀具直径不变 刃带宽度不宜太大 否则刀齿磨损严重 降低加工表面质量 见表8 1 25 四 切削厚度 齿升量 f对于成形式拉削的圆孔拉刀 其齿升量是指相邻两个刀齿高度之差 见图8 29 对于轮切式圆孔拉刀 其齿升量是指相邻两组刀齿高度之差 拉削余量一定时 齿升量增加 刀齿的齿数可减少 拉刀长度可短些 不仅使拉刀制造容易 而且可提高拉削生产率 但齿升量增加 拉削力增加 拉刀耐用度和加工质量将受到不良影响 因此 齿升量的确定必须考虑到拉刀强度 机床拉力以及工件表面质量等要求 拉削方式 图形 决定后 齿升量主要根据被加工工件材料选取 成形式圆孔拉刀加工钢时的齿升量为0 015 0 04mm 加工铸铁时为0 03 0 08mm 26 通常拉刀的粗切齿切去拉削余量的80 左右 每齿的齿升量相等 精切齿的齿升量一般取为0 005 0 015mm 齿数一般可取为3 7个 有时为了提高表面质量和保证拉削过程平稳 在粗切齿与精切齿之间设置3 5个过渡齿 过渡齿的齿升量从粗切齿的齿升量逐齿递减至精切齿的齿升量 校准齿没有齿升量 齿数一般取4 8个 五 齿距P 齿距就是两相邻齿间的轴向距离 齿距过大 则拉刀过长 不仅制造成本高 拉削生产率也低 另外 齿距过大同时参加切削工作的拉刀齿数太少 切削不平稳 齿距越小 拉刀就越短 拉削生产率越高 但是 齿距太小 容屑空间小 切屑容易堵塞 而且使同时工作齿数增多 如果齿升量不变则拉削力将增大 可能导致拉刀折断及机床过载 27 齿距可按下列经验公式计算 其中 1 25 1 5用于分层拉削 1 5 1 9用于轮式拉削式中 L为拉削长度 精切齿和校准齿的齿距应适当减小 约为粗切齿的0 6 0 9倍 注意 ze不宜少于2 3个 否则拉削工作就不平稳 可能发生振动 并将降低加工质量 一般应使ze为4 5个 最多不要超过8个 同时参加切削工作的拉刀齿数ze可用下式计算 ze L p 1 28 六 拉刀的容屑槽容屑槽的形状应使切屑易于卷曲 并且其体积应宽敞地容纳切屑 另外 还应保证刀齿有足够的强度和适当的重磨量 常用的容屑槽形状如图8 34所示 图8 34 a 为双圆弧容屑槽 它能保证切屑很好地卷曲 容屑空间也较宽敞 适用于加工钢料及其他塑性金属 当齿距小于12mm时 采用双圆弧容屑槽效果更好 双圆弧容屑槽的主要尺寸可按下式确定 h 0 35 0 42 p g 0 25 0 35 pr 0 5 0 55 h R 0 65 0 8 p 29 图8 34 b 为加长齿距型容屑槽 其底部由两段圆弧和一段直线组成 齿距较大 有足够的容屑空间 适用于加工深孔或孔内有空刀槽的工件 其主要参数可按下式求出h 0 30 0 35 p g 0 30 0 35 p r 0 6h 30 图8 34 c 为槽底凸起的专用双圆弧型容屑槽 在大的齿升量及高速拉削加工塑性材料时仍可很好地容屑 在齿距及容屑槽的尺寸基本确定之后 应根据容屑情况进行校验 即校验容屑槽的空间能否宽敞地容纳切屑 具体要求是 容屑槽的有效容积必须大于切屑体积 即Vp Vc式中Vp 容屑槽的有效容积Vc 切屑体积 若忽略切屑宽度方向的变形 Vp和Vc可分别近似用他们在拉刀轴向剖面中的面积Fp和Fc表示 两者的比值称为容屑系数 以K表示 即K Fp Fc 31 式中Fp h2 4 Fc fL 图8 35 设计拉刀时容屑系数K必须很好地选择 其大小取决于加工材料的性质 齿升量及拉刀磨损快慢等 容屑系数一般是通过实验确定 一般加工钢材时 容屑系数取为2 5 5 5 较小值用于以小的齿升量加工低合金钢的拉刀 加工铸铁则取为2 2 5 当容屑系数K与齿升量 f为已知时 可用下式验算槽深 如能满足上式 说明所选容屑槽可保证足够的容屑空间 32 同理 尚可校验容屑槽容许的最大齿升量 即 因此 当不能满足容屑要求时 亦可考虑适当减小齿升量 七 拉刀的分屑槽加工韧性金属的拉刀 在切削齿上应作有分屑槽 如图8 36所示 分屑槽能减小切屑的宽度 使切屑容易变形 便于卷曲 并易于从拉刀上取下 设计分屑槽应注意 1 前后刀齿的分屑槽应相互错开 其槽深应大于齿升量 33 2 为了减少分屑槽与加工表面的摩擦 槽底后角应大于拉刀后角 如图8 36 b 所示 应竭力避免槽底成弧形或平行于拉刀轴线 图8 36 c d 3 分屑槽的数目nk应保证切屑宽度不太大 便于卷曲成较为紧密的切屑 有利于容屑 切屑宽度aw一旦确定 即可得到分屑槽的数目 nk d0 aw为便于测量拉刀刀齿直径 分屑槽的数目一般取偶数 4 拉刀最后1 2个精切齿上 齿升量小 切屑变形小 可不做分屑槽 校准齿也可不做分屑槽 34 八 拉刀的齿数及其直径齿升量 f选好后 可根据下式估算切削齿的齿数 z A 2 f 3 5 A 加工余量 上述算出的齿数包括粗切 精切及过渡 35 确切的齿数应在拉刀每个刀齿直径排列后才能决定 对于成形式圆孔拉刀 第一个粗切齿主要修正上道工序的毛边 因此齿升量可取小些或为零 最后一个精切齿的直径为校准齿的直径 切削齿直径应规定一定的制造公差 一般取 0 008 0 02之间 最后一个精切齿的直径偏差应与校准齿相同 九 拉刀的颈部在确定拉刀颈部长度时 应考虑到拉床挡壁厚度l2 法兰盘突出部分l3 头夹与挡壁的间隙l等 要保证拉刀第一个刀齿尚未进入工件之前 拉刀头部能被机床夹头夹住 以便传递拉力 如图8 37所示 因此 颈部长度应满足下列条件 l1 l l2 l3 lw l4 36 式中l1 颈部与过渡锥长度之和 mm l 夹头与挡壁间隙 一般取5 20mm l2 挡壁厚度 对于L6110 L6120和L6140型拉床分别为60mm 80mm和l00mm l3 法兰盘突出厚度 通常取30 40mm lw 工件长度 mm l5 过渡锥长度 通常取10mm 15mm或20mm l4 前导部长度 一般可取 L4 lw颈部直径一般等于头部直径或稍小0 3 1mm 37 十 拉削力的计算及拉刀强度的检验圆孔拉刀的拉削力F可按下式计算F F DzeK1K2K3 N 式中F 单位长度的拉削力 见表8 2 D 拉刀直径 mm ze 同时工作齿数 K1 K2 K3 分别表示前角 冷却液及刀齿磨损程度对拉削力影响的修正系数 通常均取为l 表8 2只列出了部分数据 当齿升量大于0 04mm时可查阅其他有关资料 38 拉削力计算出来以后 可按下式验算拉刀的强度 式中F 拉刀工作时的拉削力