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中北大學(xué)課程設(shè)計說明書 前 言 金屬切削原理及刀具是研究金屬切削加工的一門技術(shù)科學(xué)。在學(xué)期后開設(shè)的課程設(shè)計能使同學(xué)們將所學(xué)的知識融合在一起，加深對常用刀具材料的種類、性能及應(yīng)用范圍的理解和掌握；培養(yǎng)根據(jù)加工條件合理選擇刀具材料、刀具幾何參數(shù)的能力；培養(yǎng)根據(jù)加工條件，和用資料、手冊及公式，計算切削力和切削功率的能力；培養(yǎng)根據(jù)加工條件，從最大生產(chǎn)率或最低加工成本出發(fā)，合理選擇切削用量的能力。 21世紀機械產(chǎn)品的國際競爭愈來愈劇烈，因此，現(xiàn)代機器的工作原理，結(jié)構(gòu)組成，設(shè)計思維方式已不同于傳統(tǒng)的機器，機器零件的設(shè)計離不開刀具，因此刀具的設(shè)計思想的新思想，新理念應(yīng)用而生。要求刀具不斷創(chuàng)新，努力提高產(chǎn)品的質(zhì)量，完善和改進刀具性能，滿足市場需要。刀具產(chǎn)品的設(shè)計可分為產(chǎn)品的概念設(shè)計(Conceptual Design)和產(chǎn)品的構(gòu)型設(shè)計(Configuration Design)。概念設(shè)計是決定刀具產(chǎn)品質(zhì)量水平的高低，性能的優(yōu)略和經(jīng)濟效益好壞的關(guān)鍵性一步。刀具設(shè)計的重要任務(wù)應(yīng)是進行刀具方案的構(gòu)思，刀具的類型，尺寸和角度。 機械工業(yè)的技術(shù)水平和規(guī)模是衡量一個國家科技水平和經(jīng)濟實力的重要標志。改革開放以來，機械工業(yè)充分利用國內(nèi)外兩方面的技術(shù)資源，有計劃地進行企業(yè)技術(shù)改造，引導(dǎo)企業(yè)走依靠科技進步的道路，使制造技術(shù)，產(chǎn)品質(zhì)量和水平以及經(jīng)濟效益有了很大提高，為繁榮國內(nèi)市場，擴大出口創(chuàng)匯，推動國民經(jīng)濟的發(fā)展起了重要作用。但是與工業(yè)發(fā)達國家相比，我國機械工業(yè)的水平還存在著階段性的差距，主要表現(xiàn)在機械產(chǎn)品質(zhì)量和水平不夠高，技術(shù)開發(fā)能力不夠強和科技投入少。特別對其他產(chǎn)業(yè)來說，對機械工業(yè)的認識不夠，甚至有相當(dāng)一段時間不夠重視。近年來，世界各國都把提高產(chǎn)業(yè)競爭力和發(fā)展高技術(shù)，搶占未來經(jīng)濟制高點作為科技工作的主攻方向，對機械工業(yè)的重要性和作用有了進一步認識，對機械工業(yè)科技發(fā)展提出了更高的要求，特別是制造技術(shù)更加得到了重視。 因此，學(xué)校的教育工作也響應(yīng)國家號召，積極推動機械方面的教育。刀具是機械制造的核心，刀具質(zhì)量的好壞直接影響著產(chǎn)品的質(zhì)量。金屬切削刀具課程設(shè)計是在學(xué)生學(xué)完“金屬切削原理及刀具”等有關(guān)課程的基礎(chǔ)上進行的重要的實踐性教學(xué)環(huán)節(jié)，其目的是使學(xué)生鞏固和深化課堂理論教學(xué)內(nèi)容，通過對“圓孔拉刀和矩形花鍵銑刀”的設(shè)計，鍛煉和培養(yǎng)了我所學(xué)的知識和理論的能力。 拉削有如下特點： ⑴、拉削速度較低，一般為，拉削平穩(wěn)，且切削厚度很薄，因此拉刀精度可達到，表面粗糙度達。 ⑵、同時工作的刀齒多，切削刃長，一次行程完成粗、精加工，生產(chǎn)效率高。 ⑶、每一刀齒在工作過程中只切削一次，刀齒磨損慢，刀具耐用度高，壽命長。 ⑷、拉削時只有主運動，拉床結(jié)構(gòu)簡單操作方便。 ⑸、加工范圍廣，可拉削各種形狀的通孔和外表面，但拉刀設(shè)計、制造復(fù)雜，價格昂貴，較適于大批量生產(chǎn)中應(yīng)用。 銑削有如下特點： ⑴ 刀具連續(xù)轉(zhuǎn)動 銑刀切削時是連續(xù)的旋轉(zhuǎn)運動，所以相對刨刀而言，銑削加工容許使用較高的切削速度。 ⑵ 多刀多刃切削 銑刀的多齒刀，刀刃的總長度大，這有利于提高加工生產(chǎn)率和刀具耐用度。但由于刀齒多，容屑問題是一個矛盾。因為每個刀齒在切削過程中切下的切屑被封閉在刀槽中，直至該到齒完全離開工件時才能將切屑拋出，所以要求刀槽應(yīng)有足夠的容屑空間。 ⑶ 斷續(xù)切削 銑削加工時，銑刀每旋轉(zhuǎn)一周，一個刀齒僅參加一段時間工作，其余大部分時間是在空氣中冷卻，這種自然冷卻作用對刀具耐用度有利。但是另一方面，各刀齒斷續(xù)的切削會引起沖擊振動；同時銑削總面積是變化的，銑削力的波動也較大，故銑削均勻性差，工件表面粗糙度達。 ⑷ 可選用不同的切削方式 利用順銑和逆銑、對稱銑和不對稱銑等切削方式，來適應(yīng)不同材料的可加工性和加工要求，可以提高刀具耐用度和加工生產(chǎn)率。 1.1刀具的發(fā)展 隨著社會的發(fā)展,時代的進步,刀具在生產(chǎn)中的用途越來越廣.刀具的發(fā)展在一定程度上決定著生產(chǎn)率,中國加入WTO后,各行各業(yè)面臨的競爭越來越激烈,一個企業(yè)要有競爭力,其生產(chǎn)工具必須具有一定的先進性.中國作為一個農(nóng)業(yè)大國,其在機械方面的發(fā)展空間相當(dāng)大,而要生產(chǎn)不同種類的零件,不管其大小與復(fù)雜程度,都離不開刀具. ??目前，在金屬切削技術(shù)領(lǐng)域中，我國和先進的工業(yè)國家之間還存在著不小的差距，但這種差距正在縮小。隨著工廠、企業(yè)技術(shù)改造的深入開展，各行各業(yè)對先進刀具的需要量將會有大幅度的增長，這將有力地促進金屬切削刀具的發(fā)展 1.2本課題研究的目的 課程設(shè)計作為工科院校大學(xué)生的必修環(huán)節(jié)，不僅是鞏固學(xué)生大學(xué)所學(xué)知識的重要環(huán)節(jié)，而且也是在檢驗大學(xué)生綜合應(yīng)用知識的能力、自學(xué)能力、獨立操作能力和培養(yǎng)創(chuàng)新能力，是大學(xué)生參加工作前的一次實踐性鍛煉。 通過本課題設(shè)計可以達到以下目的： 1. 綜合運用學(xué)過的專業(yè)理論知識，能獨立分析和擬訂某個刀具合理的工藝路線，具備設(shè)計中等復(fù)雜刀具零件的能力。 2. 能根據(jù)被加工零件的技術(shù)要求，運用刀具設(shè)計的基本原理和方法，掌握一些專用刀具設(shè)計方法，完成刀具結(jié)構(gòu)設(shè)計，提高刀具設(shè)計能力。 3. 熟悉和學(xué)會使用各種手冊，能善于使用網(wǎng)絡(luò)搜尋一些設(shè)計的相關(guān)資料，掌握一定的工藝制訂的方法和技巧。 4. 進一步提高計算機操作的基本技能﹑CAD及Pro/engineer軟件應(yīng)用能力(造型設(shè)計與自動編程)﹑仿真模擬軟件的應(yīng)用。 二.矩形花鍵拉刀設(shè)計 1.被加工零件材料的選擇 被加工零件如圖1.所示 圖1 工件如圖2所示。材料為：45鋼；硬度HBS195 ；強度σb = 600Mpa；工件長度L=65mm。 圖2 2.設(shè)計步驟 2.1選擇拉刀材料 拉刀材料常用 W6Mo5Cr4V2高速工具鋼整體制造,一般不焊接柄部.由于拉刀制造精度高,技術(shù)要求嚴,在刀具成本中加工費用占的比重比較大,為了延長拉刀壽命,所以生產(chǎn)上也用W25Mo Cr4VCo8和W6Mo5Cr4V2Al等硬度和耐磨性均較高的高性能高速鋼制造.但一般常用W6Mo5Cr4V2,故該拉刀材料選擇W6Mo5Cr4V2. 2.2拉削方式 采用組合式的拉削方式,即在同一只拉刀上采用了兩種拉削方式的組合.它的粗精切削齒都不分組,粗切削齒上開圓弧形分削槽,槽寬略小于刃寬,前后刀齒上分削槽交錯排列,故粗切削齒上齒升量較大,拉削表面質(zhì)量高,拉刀制造容易,適用于拉削余量較多的圓孔,是目前常用的一種拉削方式。 2.3拉削余量 假設(shè)該矩形花鍵拉刀用來鉆孔,則其拉削余量可用如下公式: δ= 2.4幾何參數(shù) 拉刀的幾何參數(shù)主要指刀齒上的前角,后角和后刀面上的刃帶寬,為制造方便,其校準齒上的前角通常與切削齒相同。 查表有: 切削齒: 前角= 后角= 2.5齒升量fz 一般粗切齒應(yīng)切除拉削余量的80%以上,精切齒的齒升量按被拉削表面的質(zhì)量和精度來確定,通?？扇?.0250.08,但不得小于0.025。 2.6確定切削齒齒距 查表有 故:取=10mm 2.7確定同時工作齒數(shù) 2．8容屑槽形狀 為減少加工容屑槽的成形車刀和樣板的種類，應(yīng)盡量將容屑槽的形狀和尺寸標準化，系列化。目前常用的容屑槽形狀有直線齒背型，曲線齒背型和直線齒背雙圓弧型三種. 直線齒背雙圓弧槽型槽型容削空間大，制造較簡便，目前生產(chǎn)的拉刀大多采用這種槽型，適用于組合式及分塊式的拉削和齒升量大的拉刀上。，故應(yīng)選用直線齒背雙圓弧槽型 2．9確定容削系數(shù)K 容屑系數(shù)K是拉刀容屑槽的有效面積A與切削層面積Ad的比值，即K=A/ 由于A=*h*h/2 查表有 K=3.2 2．10計算容屑槽深 為保證拉刀有足夠的容削空間，設(shè)計時必須滿足如下條件3.14*h*h/(4L*)>=K, 故拉刀容屑槽深h1.13 2．11確定容屑槽尺寸 查拉刀容屑曹形狀尺寸表 有： p=10時,?、蛐?故,有:h=4mm, g=3.2mm, r=2mm 2.12拉刀的分屑槽形狀及其尺寸 常用分屑槽的形狀有圓弧形和角度形兩種。圓弧形分屑槽主要用于輪切式拉刀的切削齒和組合式拉刀的粗切齒和過度齒上；角度形分屑槽用于同廓式拉刀的切削齒和組合式拉刀的精切齒上。 故 本設(shè)計若粗切齒時采用圓弧形分屑槽；若精切齒時采用角度形分屑槽. 查表可知:拉刀分屑槽數(shù): 粗切齒(圓弧型分屑槽):槽數(shù)=10 精切齒(角度型分屑槽):槽數(shù)=14 2.13粗算切削齒齒數(shù) 過度齒齒數(shù)=35,精切齒齒數(shù)=37,校準齒齒數(shù)=37 根據(jù)選定的粗削齒齒升量和已知的加工余量δ,切削齒齒數(shù)可按下式估算 = 2.14確定校準齒齒數(shù)和校準齒直徑 有孔直徑公差0.025,查如下表一得拉削孔徑擴張量=0 取=5 考慮到拉后孔徑可能產(chǎn)生擴張或收縮,校準齒直徑的基本尺寸為 ==30.021-0=30.021(=0) 其中 --拉后孔徑的最大極限尺寸 -----拉后孔徑的擴張量或收縮量 2．15確定拉刀各刀齒直徑 由δ=-可知：=-δ=58.025-1.6=56.425 故d=+(12) 其具體結(jié)果見拉刀工作圖。 式中：---拉削后孔的最大直徑，單位：mm ---拉削前預(yù)制孔的最小直徑，單位：mm 2.16確定齒形狀及尺寸 具體的齒形與尺寸如圖3所示 圖3 刀齒寬度 B=10mm。 刃帶 f=0.8±0.2mm。 刀刃長度 l=3mm。 2.17倒角刀齒的計算 已知B=10, 2.18柄部結(jié)構(gòu)形式及尺寸 拉刀圓柱形前柄的結(jié)構(gòu)形式可分為Ⅰ型和Ⅱ型，Ⅰ型用于柄部直徑小于18mm的拉刀，Ⅱ型用于柄部直徑大于18mm的拉刀。Ⅰ型和Ⅱ型又可分為無周向定位面和有周向定位面。當(dāng)拉刀用于實現(xiàn)工作行程和返回行程的自動循環(huán)時，需要有后柄結(jié)構(gòu)，后柄放置在拉刀后導(dǎo)部的后邊，后柄的結(jié)構(gòu)形式有Ⅰ型和Ⅱ型兩種，Ⅰ型為整體式，Ⅱ型為裝配式，一般在后柄直徑較大時采用。 故該拉刀選擇 Ⅱ型A-無周向定位面的圓柱形前柄型式，Ⅰ型圓柱形后柄型式. 查表知: 柄部尺寸為: 2.19頸部長度 頸部直徑可取與前柄直徑相同值,也可略小于前柄直徑.頸部長度要保證拉刀第一個刀齒尚未進入工件之前,拉刀前柄能被拉床的夾頭夾住.因此可得拉刀頸部長度計算公式 取m=20mm, B=70mm, A=30mm 2.20過度錐長度 過度錐長度根據(jù)拉刀直徑不同可取為10,15,20mm ,故取=20mm 故: =35+70+30-20=100mm 2.21前導(dǎo)部直徑,長度 2.22后導(dǎo)部直徑,長度 后導(dǎo)部直徑的基本尺寸等于拉后孔的最小直徑,長度可取為工件長度的1/22/3,但不得小于20 mm. 故取 故:取=40mm 2.23柄部前端到第一齒長度 = 2.24計算最大切削力 = 小于拉床額定拉力, 則: = 2.25拉床拉力校驗 計算出的拉削力應(yīng)小于拉床的實際拉力,即 對于良好狀態(tài)的舊拉床, =0.8,其中L6110型拉床的公稱拉力=200 KN 故0.8=0.8200=160 KN,所以拉床拉力足夠. 2.26拉刀強度校驗 為防止拉刀拉斷,拉削時產(chǎn)生的拉應(yīng)力應(yīng)小于拉刀材料的許用應(yīng)力,即=/, 式中: --拉刀上的危險截面積,一般在柄部或頸部. --拉刀材料的許用應(yīng)力,高速鋼的=343392 MPa 故=346.2 =/=3155.7/346.3=9.1MPa< 所以拉刀強度允許. 2.27計算校驗拉刀 L=++++ 其中=P=90mm ==50mm ==50mm =455mm 查表二 故L=455 所以合格 表二:花鍵拉刀允許的最大總長度 拉刀直徑 >1215 >1520 >2025 >2530 >3050 >50 最大總長度 600 800 1000 1200 1300 1500 精密花鍵拉刀一般不超過20 2.28確定拉刀技術(shù)要求(GB3813-83) ①拉刀熱處理 用W6Mo5Cr4V2高速工具鋼制造的拉刀熱處理硬度 刀齒和后導(dǎo)部 63 66HRC 前導(dǎo)部 60 66HRC 柄部 40 52HRC 允許進行表面強化處理 ②拉刀表面粗糙度(見表三) 表三 拉刀主要表面粗糙度 拉刀表面 表面粗糙度 拉刀表面 表面粗糙度 拉刀表面 表面粗糙度 刀齒圓柱刃帶表面 粗切齒前面和后面 中心孔工作錐面 校準齒前面和后面 前導(dǎo)部外圓表面 柄部外圓表面 精切齒前面和后面 后導(dǎo)部外圓表面 容屑槽槽底 ③拉刀粗切齒外圓直徑的極限偏差(見表四) 表四 拉刀粗切齒外圓直徑的極限偏差 齒升量 外圓直徑極限偏差 相鄰齒齒升量允差 0.3 0.005 > 0.007 > 0.010 >0.06 0.02 ④矩形花鍵拉刀精切齒與外圓校準齒外圓直徑的極限偏差(見表五) 表五 矩形花鍵拉刀精切齒與外圓校準齒外圓直徑的極限偏差 被加工孔的直徑偏差 校準齒與其尺寸相同的精切齒的外圓直徑的極限偏差 其余精切齒的外圓直徑的極限偏差 0.018 > > > >0.046 ⑤拉刀外圓表面對拉刀基準軸線的徑向圓跳動公差(見表六) 表六 矩形花鍵外圓表面對拉刀基準軸線的徑向圓跳動公差 對拉刀基準軸線的徑向跳動公差 拉刀柄部與卡爪接觸的錐面對拉刀基準軸線的斜向圓跳動公差 拉刀各部分的徑向圓跳動應(yīng)在同一個方向 校準齒和校準齒相同直徑的精切齒及后導(dǎo)部 其余部分 0.1 拉刀全長與其基本直徑的比值 徑向圓跳動公差 不得超過表五中所規(guī)定的外圓直徑公差值 > >25 0.03 0.04 0.06 ⑥拉刀前導(dǎo)部與后導(dǎo)部外圓直徑公差(按f7) ⑦拉刀全長尺寸的極限偏差(見表七) 表七 拉刀全長尺寸的極限偏差 拉刀全長尺寸 長度尺寸允許的極限偏差 1000 >1000 三.矩形花鍵銑刀的設(shè)計 1.被加工零件材料的選擇 被加工零件如圖4.所示，工件材料為：45鋼；硬度HBS195 ；強度σb = 600Mpa；工件長度L=65mm。 圖4 2.1齒槽半角 =/Z=/8= 2.2齒頂圓弧中心半角 =-=-= 2.3齒頂寬 ==51.95=12.25mm 2.4初算齒廓高度 h=(-)/2+(12)=( )/2+(12) 取h=5mm 2.5銑刀寬度 B=+2h=12.25+25=16.4 取B=16 mm 2.6按銑刀寬度最后確定齒廓高度 h===5mm 2.7銑刀齒頂圓弧半徑 ===25.98 2.8齒頂圓角半徑 ==1 2.9銑刀前角 精加工時:=0 2.10容屑槽形式 矩形花鍵銑刀容屑槽底形式通常有兩種,即平底式和中間有凸起或槽底傾斜的加強形式,在銑削深度較小和刀齒強度足夠的情況下,應(yīng)采用平底式;在銑削深度較大時,宜采用加強形式,其槽底形狀都是根據(jù)工件廓形確定的. 故該容屑槽選擇采用平底式. 2.11銑刀孔徑 銑刀的孔徑d應(yīng)根據(jù)銑削寬度和工作條件選取,也可以按剛度,強度條件計算,還可根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗選取. 因此,該銑刀根據(jù)其切削寬度B=13查表,可得d=22 mm. 2.12銑刀外徑 對于平底形式的容屑槽,銑刀外徑可估算: =55mm 2.13銑刀圓周齒數(shù) 在設(shè)計時,一般可根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗按銑刀外圓直徑的大小來預(yù)選定圓周齒數(shù),且一般盡量采用偶數(shù). 因此,查表可知 =8. 2.14銑刀的后角 2.15鏟削量 K===4 =(1.31.5)K=1.5*4=6 2.16容屑槽圓角半徑 r===1.8 取r=2 2.17容屑槽深度 對于有平底容屑槽,齒背需鏟磨的成形車刀 . 2.18容屑槽間角 一般取= ,這里取= 2.19分屑槽尺寸 因為該銑刀寬度小于20,故切削刃上不需做分屑槽. 2.20鍵槽尺寸 查表有: b=6mm , h=6mm ,t=17.6mm ,=23.6mm ,=24.1mm , r=0.5 總 結(jié) 課程設(shè)計對工科院校的我們是非常必要的，不僅鞏固了我們所學(xué)知識的，而且也驗證了我們綜合應(yīng)用知識的能力、自學(xué)能力、獨立操作能力和培養(yǎng)創(chuàng)新能力，是我們參加工作前的一次實踐性鍛煉。 大學(xué)三年的學(xué)習(xí)即將結(jié)束，在我們即將進入大四,踏入社會之前，通過課程設(shè)計來檢查和考驗我們在這幾年的所學(xué)的知識，同時對于即將面臨工作的我們有著重要的意義。這是作為我們平時學(xué)習(xí)和以后工作的鏈接的一個紐帶,為我們無論是在將來的工作或者是繼續(xù)學(xué)習(xí)打下了一個堅實的基礎(chǔ)。 通過這一學(xué)期的學(xué)習(xí)和對有關(guān)資料的查閱，我以所學(xué)的專業(yè)知識和從與專業(yè)相關(guān)聯(lián)的課程為出發(fā)點，設(shè)計了刀具零件并編制了刀具零件的加工程序，并復(fù)習(xí)了所學(xué)軟---AUTOCAD的運用，同時學(xué)習(xí)了其他一些相關(guān)軟件的應(yīng)用。在設(shè)計思想中盡可能體現(xiàn)了我所學(xué)的、掌握和了解的知識。 通過這次課程設(shè)計我獲益匪淺，在以后的工作中，雖然在期間遇到了諸多挫折,但我想以后的我會遇到更多的困難，當(dāng)我回想起這設(shè)計經(jīng)歷的時候，我就萌發(fā)出那種和困難做斗爭的勇氣。 當(dāng)然由于是第一次設(shè)計刀具類東西,設(shè)計經(jīng)驗的不足，應(yīng)該還有諸多錯誤和漏洞,希望各位老師同學(xué)批評和指教! 參 考 文 獻: 1.金屬切削刀具設(shè)計 1962年 機械工業(yè)出版社 2.金屬切削手冊 上海市科學(xué)技術(shù)交流站 1974年 上海人民出版社 3.銑刀,拉刀生產(chǎn)圖冊 1977年 技術(shù)標準出版社 4.刀具課程設(shè)計指導(dǎo) 1985年 機械工業(yè)出版社 5.許先緒主編 非標準刀具設(shè)計手冊 1985年 機械工業(yè)出版社 6.劉華明主編 金屬切削刀具課程設(shè)計指導(dǎo)資料 1986年 機械工業(yè)出版社 7. 徐嘉元主編 機械加工工藝基礎(chǔ) 1990年 機械工業(yè)出版社 8.樂兌謙主編 金屬切削刀具 北京 1993年 機械工業(yè)出版社 18