焊接式外圆车刀设计

1、硬质合金焊接式刀具设计任务书硬质合金焊接式刀具设计精车材料为45#钢的外圆，Ra=1.6使用的机床：CA6140，7.5kW，=85%说明书一份（A4打印）加工工件图一张，刀具工作图一张工件图：目录前言 3零件分析 4刀具材料 5几何参数 7切削用量 12刀具结构参数 14切削液 16主要数据集合 19车刀工作图 20小结 21前言 切削加工的历史可追溯到原始人创造石劈、骨钻等劳动工具的旧石器时期。在中国，早在商代中期（公元前13世纪），就已能用研磨的方法加工铜镜；商代晚期（公元前12世纪），曾用青铜钻头在卜骨上钻孔；西汉时期（公元前 206公元23），就已使用杆钻和管钻，用加砂研磨的方法在&

2、quot;金缕玉衣"的4000多块坚硬的玉片上钻了 18000多个直径12毫米的孔。17世纪中叶，中国开始利用畜力代替人力驱动刀具进行切削加工。如公元1668年，曾在畜力驱动的装置上，用多齿刀具铣削天文仪上直径达2丈（古丈）的大铜环（图1），然后再用磨石进行精加工。18世纪后半期的英国工业革命开始后，由于蒸汽机和近代机床的发明，切削加工开始用蒸汽机作为动力。到19世纪70年代，切削加工中又开始使用电力。对金属切削原理的研究始于19世纪50年代，对磨削原理的研究始于19世纪80年代。此后各种新的刀具材料相继出现。19世纪末出现的高速钢刀具，使刀具许用的切削速度比碳素工具钢和合金工具钢刀

3、具提高两倍以上，达到25米/分左右。1923年出现的硬质合金刀具，使切削速度比高速钢刀具又提高两倍左右。30年代以后出现的金属陶瓷（见陶瓷）和超硬材料（人造金刚石和立方氮化硼），进一步提高了切削速度和加工精度。随着机床和刀具不断发展，切削加工的精度、效率和自动化程度不断提高，应用范围也日益扩大，从而促进了现代机械制造业的发展。 主要数据的集合一、零件分析1、 零件形状分析： 由于轴长度与直径的比大于5，所以工件属于细长类。则车削时易产生振动和变形。2、零件技术要求分析： 该刀具主要用于精加工，其精加工时切削用量小还应对工件零件图样的技术要求进行分析，由于尺寸精度和表面粗糙度要求高，所以加工难度

4、大。应考虑刀具几何形状、积屑瘤、鳞刺、刀具磨损、刀具刃磨质量和震动对零件表面粗糙度的影响。 影响表面粗糙度的因素有： （1）切屑速度：在允许的情况下尽可能的提高速度。 （2）进给量、主偏角、副偏角和刀尖圆弧半径：减小进给量、主偏角、副偏角，增大刀尖圆弧半径都能减小表面粗糙度。 （3）前角：增大前角能减小切削变形、摩擦力，因此，对形成积屑瘤、鳞刺、加工硬化等的影响较小，所以加工表面粗糙度低。 （4）刀具材料：刀具材料对表面粗糙度的影响是由：材料的耐磨性、刃磨易否达到平整、光洁和锋利等要求、刀具与加工材料间的摩擦因素和亲合程度等因素引起的。3、零件切削加工性能 A 零件材料为45号钢，45号钢为优

5、质碳素结构用钢，硬度不高，易切削加工 B 根据零件图精度、表面粗糙度、结构、力学性能分析可知本加工是一种较易加工。4、零件批量生产类型 按生产要求该属于中大批型生产。二、刀具材料选择1、性能要求 刀具材料的选择对刀具寿命、加工效率、加工质量和加工成本等的影响很大。刀具切削时要承受高压、高温、摩擦、冲击和振动等作用。因此，刀具材料应具备如下一些基本性能：(1) 硬度和耐磨性。刀具材料的硬度必须高于工件材料的硬度，一般要求在60HRC以上。刀具材料的硬度越高，耐磨性就越好。(2) 强度和韧性。刀具材料应具备较高的强度和韧性，以便承受切削力、冲击和振动,防止刀具脆性断裂和崩刃。(3) 耐热性。刀具材

6、料的耐热性要好，能承受高的切削温度，具备良好的抗氧化能力。(4) 工艺性能和经济性。刀具材料应具备好的锻造性能、热处理性能、焊接性能；磨削加工性能等，而且要追求高的性能价格比。选择理由如下： 车刀切削部分在很高的切削温度下工作，连续经受强烈的摩擦，由于车削材料为45号钢，精车，外形是规则的圆柱，所以刀具会承受的切削抗力和冲击低，所以车刀切削部分材料的硬度、耐磨性、强度和韧性以及耐热性要求不是很高。2、种类特点 目前广泛应用的数控刀具材料主要有金刚石刀具、立方氮化硼刀具、陶瓷刀具、涂层刀具、硬质合金刀具和高速钢刀具等。刀具材料总牌号多，其性能相差很大。如，表2-1各种刀具材料的主要性能指标。车床

7、加工用刀具材料必须根据所加工的工件和加工性质来选择。刀具材料的选用应与加工对象合理匹配，切削刀具材料与加工对象的匹配，主要指二者的力学性能、物理性能和化学性能相匹配，以获得最长的刀具寿命和最大的切削加工生产率。表2-1各种刀具材料的主要性能指标种类密度(gcm)耐热性硬度抗弯强度/MPa热导率W(m.K)热膨胀系数×10-6/0C聚晶金刚石3.473.56700800>9000HV60011002103.1聚晶立方氮化硼3.443.49130015004500HV5008001304.7陶瓷刀具3.15.O>12009l95HRA700150015.O38.07.O9.O

8、硬质合金钨钴类14.O15.58008991.5HRA1000235074.587.937.5钨钴钛类9.O14.O9008992.5HRA800180020.9628通用合金12.014.01000110092.5HRATiC基合金5.O7.O11009293.5HRA115013508.2高速钢8.08.86007006270HRC2000450015.O30.O812刀具材料硬度顺序为：金刚石刀具>立方氮化硼刀具>陶瓷刀具>硬质合金>高速钢。刀具材料的抗弯强度顺序为：高速钢>硬质合金>陶瓷刀具>金刚石和立方氮化硼刀具。刀具材料的韧度大小顺序为：高

9、速钢>硬质合金>立方氮化硼、金刚石和陶瓷刀具。综上述考虑硬质合金结构简单、适用性能强、成本低所以应该首先选择硬质合金作为刀具材料，由于加工的零件为光轴，对刀具要求不高，所以采用的刀具为硬质合金刀具。其中硬质合金刀具按切屑排出形式和加工对象的范围可分为三个主要类别： YG类硬质合金主要用于加工铸铁、有色金属和非金属材料。细晶粒硬质合金(如YG3X、YG6X)在含钴量相同时比中晶粒的硬度和耐磨性要高些，适用于加工一些特殊的硬铸铁、奥氏体不锈钢、耐热合金、钛合金、硬青铜和耐磨的绝缘材料等。 YT类硬质合金的突出优点是硬度高、耐热性好、高温时的硬度和抗压强度比YG类高、抗氧化性能好。因此，

10、当要求刀具有较高的耐热性及耐磨性时，应选用TiC含量较高的牌号。YT类合金适合于加工塑性材料如钢材，但不宜加工钛合金、硅铝合金。YW类合金兼具YG、YT类合金的性能，综合性能好，它既可用于加工钢料，又可用于加工铸铁和有色金属。这类合金如适当增加钴含量，强度可很高，可用于各种难加工材料的粗加工和断续切削，称为通用硬质合金。3、选择方法 根据加工零件为45钢材料，综合上述应选择YT类硬质合金。这类硬质合金国内常用牌号有YT5、YT14、YT15、YT30等，由于是精加工，所以根据加工材料，材料加工工艺性能和零件的加工要求选择的车刀类型为：YT15硬质合金。三、几何参数1、几何角度选择合理几何参数，

11、也要考虑加工条件，这就是机床、夹具的情况，工艺系统刚度及功率大小，切削用量和切削液性能等。一般地说，粗加工时，着重考虑保证最长的刀具使用寿命，精加工时，主要考虑保证加工精度和已加工表面质量的要求；对于自动线生产用的刀具，主要考虑刀具工作的稳定性，有时需要着重解决断屑问题；机床刚性和动力不足时，刀具应力求锋利(如增大前角和主偏角，减小切削刃钝圆半径等)，以减小切削力和振动。前角的选择： 前角作用：车刀的前角是车刀前面与基面的夹角，其主要作用是使车刀刃口锋利，减少切削 变形，使切削省力，切屑易排出。具体选择原则： （1）按加工精度要求：精加工前角较大，粗加工较小；加工铸锻毛坯件、带硬质点表面和断续

12、切削前角应取小值。 （2）按加工材料要求：加工材料的塑性、韧性高，前角较大；强度、硬度高前角较小；加工脆性、淬硬材料前角小或负值。 （3）按刀具材料要求：高速钢刀具的抗弯强度、韧性较高，前角大；硬质合金刀具前角较小。 加工的零件材料45#钢，经查阅金属切削原理与刀具P56表4-4可知前角为15°18°。又由于所加工材料为精加工，且为细长轴，故所需前角为17° 。后角的选择： 后角的作用：减小后刀面与工件之间的摩擦，提高已加工表面质量和延长刀具寿命；配合前角调整切削刃和刀头部分的锋利程度、强度和散热条件；小后角车刀在特定的条件下可抑制切削时的振动。后角大小影响后面与

13、切削表面间摩擦程度和刀具强度。具体选择原则： （1）按加工精度的要求：精加工后角较大取8°12°；粗加工后角较小取6°8°。 （2）按加工材料的要求：切削塑性金属后角较大，如低碳钢后角为6°8°；脆性金属后角较小，切削强度、硬度高材料后角较小，切削韧性高材料易产生粘屑后角较大，如纯铜前角为12°15°。切削材料为45#钢的精加工，为了保证精度要求后角取10°。主偏角的选择 主偏角的作用：影响刀具寿命；影响切削力的大小比值；影响断屑；主偏角大小还影响刀头强度，径向分力大小，传散热量面积、残留面积高度。因而主

14、偏角是影响刀具寿命和加工质量的重要角度。具体选择原则： （1）按加工表面粗糙度要求：在加工系统刚性允许时，减小主偏角能减小表面粗糙度高度，提高加工表面质量。 （2）按加工材料要求：切削硬度、强度高材料取较小主偏角，如切削淬火钢、冷硬铸铁主偏角取10°30°高锰钢主偏角取25°45°热喷涂材料10°15° （3）按加工条件要求：根据加工零件的形状，加工系统刚性等条件需要选择主偏角的选用参考值。 因加工零件45#钢，且为细长轴，参照金属切削原理与刀具P58表4-5取主偏角为45°。刃倾角的选择刃倾角的作用：控制切屑排出方向；影响

15、刀尖强度和切削平稳性。刃倾角影响实际的工作角，当刃倾角绝对值增大时，实际工作角增大，因此切削变形小。具体选择原则是：（1）按加工精度要求：精加工时防止切屑划伤己加工表面，取0°+5°，粗加工时提高刀刃强度取0°-5°。 （2）按加工条件要求：加工断续表面、加工余量不均面表面，在有冲击震动的情况下通常取负刃倾角，此外，按加工性能选，加工强度、硬度高材料，取较小或负刃倾角。但考虑零件的精加工和零件的加工质量考虑s=5°。副后角的选择 一般刀具上副后角的选择原则与主偏角的相同，在面铣刀上为便于制造，取副后角等于主后角。对于切槽刀、三面刃铣刀等为加强刀

16、齿强度常选用很小的副后角1°2°。这里取副后角等于1°。副偏角的选择 副偏角的作用：减少副切削刃和工件已加工表面之间的摩擦；影响工件表面粗糙度；影响刀尖强度和散热条件。 副偏角是影响加工粗糙度的主要角度，通常是减小副偏角来减小理论粗糙度的高度。副偏角影响刀头强度，过小副偏角会引起与己加工表面摩擦和产生振动、降低已加工表面质量。具体选择原则：粗车副偏角取10°15°，精车、加工系统刚性较差台阶轴、细长轴、仿形车和加工强度、硬强度材料副偏角应取6°10°，切断、切槽刀取1°2°。根据零件加工性质为精车，又是细

17、短轴。所以副偏角取9°。2、前刀面形式 为了车削金属材料时，能根据加工要求可靠的控制切屑流向、卷曲、折断。所以在前刀面上开断屑槽。这里因为零件材料是45#钢属于易加工材料，塑性一般，精车，外圆车刀。故：选用直线圆弧型断屑槽。3、刀尖形式 刀尖的形式与作用：为了提高刀尖处强度，有利于热量传散，减少残留面积，提高进给量，则在主副切削刃之间的刀尖处进行修磨。其形状为三种： 修圆刀尖：提高刀尖强度有利于散热，径向力、吃刀抗力较大能降低表面粗糙度。常用于精加工。（刀尖修圆量0.22mm） 倒角刀尖：径向力较小，用于粗加工、半精加工。 倒角带修刃：径向力大，系统刚度足够，可加大进给量常用于精加工

18、。由于加工条件为精加工，所以选择的刀尖形式为修圆弧刀尖。取刀尖修圆量R=0.8mm。4、刃口形式 主切削刃的刃口有五种修磨形式： 锋刃刀具 在精加工、精密加工、薄切削刀具上和加工非铁金属、韧性高易粘削材料常使用磨制不同要求的光整、锋利的刃口。 修圆刃口 在可转位刀片上叫为普遍，一般r n<0.1mm，切削时提高了刃口强度。 平棱刃口和负倒棱刃口 可配合选用较大前角以及在可转位刀片上达到减小切削力、提高加工表面质量和提高生产效率作用，刃口倒棱宽为0.10.2mm、倒棱角度-10°-20°。 后面倒棱 在切削时期阻尼作用，能抑制振动。修磨的负倒棱宽度0.10.3mm、负后

19、角-3°-5°。生产中的切断刀、高速螺纹车刀和细长轴车刀均有采用。 由于此次加工为精加工，材料为45#钢，细长轴，所以选择后面倒棱刃口。四、切削用量选择切削用量是切削加工过程中切削速度、进给量和背吃刀量(切削深度)的总称。1、背吃刀量的选择 根据精加工要求、已知的加工余量及加工系统刚性和机床功率来确定。这里加工零件材料为45#钢，精车，精车余量为0.04mm，车床CA6140，所以选择背吃刀量为0.02mm。2、进给量的选择 进给量是工件（刀具）转一转，刀具（工件）相对与工件（工具）在进给方向的相对位移量。这里对于精加工，根据表面粗糙度要求选择进给量的大小。查金属切削原理与

20、刀具第61页 表4-8选的进给量为0.22mm/r。CA6140车床纵向进给量（单位：mmr）0.080.090.100.110.120.130.140.150.160.180.200.220.240.260.280.30.330.360.410.460.480.510.560.610.660.710.810.910.961.021.121.223、切削速度的选择切削速度是指切削刃上选定点相对工件主运动的瞬时速度。 金属切削原理与刀具表3-3列出了公式中切削速度vT=的系数。由于所设计的是加工材料为45#钢，而刀具材料为YT15，所以Cv=291，xv=0.12，m=0.2，yv=0.2，kM

21、v=1，kKrv=1，kSv=1，ktv=1。故kv=kMv×kKrv×kSv×ktv=1。由于是大批量生产，所以要求刀具的寿命较长故取T为50min。vT=288.0903mmin转速：n=916.6432rmin由于所使用的是CA6140的车床，查该机床的转速应与916.6432rmin相近且要小于该转速，则实际转速为900rmin。其实际切削速度：v实=nd1000=900×3.14×100.041000=282.71304 mmin查<金属切削原理与刀具表3-1（第33页）、3-2（第35页）可查得系数：CFc=2795，xFc=

22、1，yFc=0.75，nFc=-0.15，KMf=1，=0.93，=1。所以=KMf××=0.93Fc=7.1616NPc=Fc×Vc×10-3=7.1616×282.7130/60×10-3=0.03374462kW而CA6140车床的P=7.5kW，=85%，P实=P×=6.73 kW因为Pc< P实，所以选择的切削速度是正确的。五、刀具结构参数1车刀外形结构尺寸确定 刀柄横剖面形状有矩形、正方形和圆形三种，其中以矩形刀柄应用最多。选择正方形刀柄。刀柄的长度一般取其高度的6倍。刀柄的高度按机床的中心高来选择。由于选

23、用的机床是CA6140，其中心高度为200，即中心高在180200mm之间查金属切削原理与刀具第69页 表5-2可知正方形刀柄断面H2为202mm2。那么刀柄的长度为20×6=120mm。2刀头 刀头形状分直头和偏头两种。直头结构简单，制造方便；偏头通用性好，能车外圆和端面。这里选择90°偏头外圆车刀。3刀片 根据车刀用途和主偏角来选择刀片形状，并根据背吃刀量和主偏角来决定长度，外圆车刀一般应使参加工作的切削刃长度不超过刀片长度的6 0%70%，刀片厚度要根据切削力大小来确定。查金属切削原理与刀具第67页 表5-1，选择A108，其参数长L=8mm、宽B=5mm、厚C=3m

24、m、半径r=3。4刀槽 常用的刀槽形状有开口槽、半封闭槽、封闭槽和切口槽四种。 开口槽：制造简单，焊接面小，刀片内应力小，适用于A1、C3、C4、B1、B2型刀片。 半封闭槽：刀片焊接面积大，刀片焊接牢靠。制造时只能用立铣刀单件加工，生产效率低。适用于A2、A3、A4、A5、A6、B3和Dl型刀片。 封闭槽、切口槽：刀片面积最大，刀片焊接牢靠。焊接后，刀片内应力大，易产生裂纹。适用于C1刀片。 刀槽尺寸可通过计算求得，通常可按刀片配制。为了便于刃磨，要使刀片露出刀槽0. 51mm。一般取刀槽前角og=o+（5°10°），刀杆后角og要比后角o大2°4°，

25、以便于刃磨刀片，提高刃磨质量。即：刀槽选择开口槽所以：og=17°+8°=25°og=10°+3°=13°由以上的数据就可以算出刀槽的长、宽、高：刀槽底面的高：hc=H+（12） =20+1×=23.61mm刀槽底面的宽：bc =B-Ctan(o+og)=5-3tan(10°+25°)=2.90mm刀槽底面的长：lc=L- c=8-=7.97mm六、切削液选择1切削液的作用 冷却作用：切削液浇注在切削区域内，利用液体吸收大量热，并以热传导、对流和汽化等方式来降低切削温度。 润滑作用：切削液既有渗透作用，渗

26、透到切屑、工件与刀具接触面间形成吸附膜从而达到增加润滑和减小摩擦的效果。吸附膜又分为物理性吸附膜和化学性吸附膜。物理吸附膜是在切削液中加动檀物油、油酸等油性添加济。化学吸附膜是添加硫、氯和磷等极压添加济来使与金属表面起化学反应形成牢固的化学性吸附膜，从而在高温时达到减小摩擦提高润滑效果。 排屑和洗涤作用：在磨削、钻削、深孔加工和自动化生产中可利用浇注或高压喷射切削液来排除切屑、引导切屑流向和冲洗机床几工具上的细屑，磨粒。 防锈作用：它可与金属表面起化学反应而生成保护膜起防锈、防腐蚀等作用。 此外，切削液应具有抗泡沫性、抗霉变，做到排放不污染，不伤人和使用经济性要求。2切削液的种类几应用 生产中

27、常用的液体切削液有：以冷却为主的有水基切削液和以润滑为主的油基切削液。水基切削液包括有：水溶液、乳化液和合成切削液。 水溶液是以软水为主要成分，并加入防锈添加济。在水溶液中一类是电介水溶液，以冷却为主要作用。在磨削、钻孔和粗车时选用；另一类是表面活性水溶液，提高了润滑作用，故应用于精车、精铣和铰孔等加工中。 乳化液是水和乳化油混合搅拌成乳白色液体。乳化液中含有乳化油的浓度越低时条鳎主要起冷却作用；浓度高时起润滑作用。 合成切削液是目前推广使用的高性能环保型切削液，它不含油，由于表面活性济的渗透性强，所形成的薄膜起到润滑作用，合成切削液具有良好的冷却、润滑、清洗和防锈作用，热稳定性好且不含对人体

28、有伤害的物质。 油基切削液主要有：切削油和极压切削油 切削油中有矿物油、植物油和复合油（矿物油和动植物油的混合油）。矿物油包括LA-N10、LA-N20等全损耗系统用油、轻柴油和煤油。机械润滑性较好在普通精车和螺纹精加工使用甚广；轻柴油流动性好，有冲洗作用在机加工中使用多；煤油的渗透性突出，也具有冲洗作用，故用于精加工，铅合金，精刨铸铁，高速钢绞刀精绞孔。浇注煤油能明显减小表面粗糙度和提高刀具寿命。 极压切削液分为极压乳化液和极切削油两类。它们分别是在乳化液和矿物油中添加氯、硫、磷等极压添加济配制而成。极压添加济能形成牢固的化学膜，在高温时能显著提高冷却和润滑效果。极压切削液在高速加工、精加工及难加工材料使用较多。氯化切削油形成的化学膜为600，在加工钢时耐高温350。它的摩擦因素小、润滑性好，用于切削合金钢、高锰钢及难加工材料。硫切削油形成硫化铁化学膜，熔点为1100，在切削时耐高温750，硫化油可用于车、铣粗加工不锈钢、耐热钢、不锈钢镗孔、铰孔和车螺纹等，并用于合金钢的拉削和齿轮加工等。 含磷极压切削油所形成的化学膜较含氯、硫的极压切削油润滑性能更好。含硫、氯型极压切削油，可用于结构钢、合金钢和工具钢的车、拉、铣和齿