可轉位車刀設計 HT200 （1~5題）,可轉位車刀設計,HT200,（1~5題）,可轉位,車刀,設計 一、 原始條件及設計要求 工件材料 σb/GPa HB L/mm D/mm A 熱處理狀態(tài) HT200 0.18 170~248 200 HT200 6.3 ------ 研究內容： 對可轉位車刀的功能原理分析，對整體機械結構進行方案選取及分析設計，對動力驅動部分及機械傳動等部分進行選型設計，對控制系統(tǒng)進行分析設計。 通過搜集的相關資料對數(shù)控控制、結構設計等相關學科進一步掌握，對本課題可轉位車刀進行分析設計。 通過前期的資料收集，查閱相關的書籍和文獻資料 ，對可轉位車刀機械結構進行優(yōu)化設計。 研究路線： 1.搜集市面上的現(xiàn)有可轉位車刀結構原理及功能，分析各種可轉位車刀的結構特點和優(yōu)缺點對比； 2.可轉位車刀機械傳動結構設計； 2.可轉位車刀鑄鐵結構部分受力分析校核； 3.可轉位車刀的驅動數(shù)控設計； 4.可轉位車刀外形設計、受力部件的設計； 5.輔助部分設計； 6.穩(wěn)定性分析； 7.驗證最終成果的合理性。 研究思路： (1)進行二維繪圖設計軟件等軟件的學習和應用。 (2)以理論為基礎，以實踐為根本。 (3)通過上網(wǎng)找資料和閱讀學校圖書館的相關書籍做好理論知識的儲備。 (4)進行一些優(yōu)化設計理論的學習。 (5)可以在老師的指導、同學的幫助下解決問題 (6)采用文獻查閱法幫助學習解決問題 預期結果： 1.搜集相關可轉位車刀資料，了解國內外目前可轉位車刀的研究現(xiàn)狀及發(fā)展前景； 2.對可轉位車刀的整體功能結構進行分析設計； 3.驅動部分進行選型設計、機械傳動部分設計、機械執(zhí)行機構設計； 4.控制系統(tǒng)選型； 提交論文和相關設計圖紙，附件等； 二、 刀具結構型式的確定 機夾可轉位車刀是將可轉位硬質合金刀片用機械的方法夾持在刀桿上形成的車刀，一般由刀片、刀墊、夾緊元件和刀體組成。 根據(jù)夾緊結構的不同可分為以下幾種形式。 ·偏心式 偏心式夾緊結構利用螺釘上端的一個偏心心軸將刀片夾緊在刀桿上，該結構依靠偏心夾緊，螺釘自鎖，結構簡單，操作方便，但不能雙邊定位。當偏心量過小時，要求刀片制造的精度高，若偏心量過大時，在切削力沖擊作用下刀片易松動，因此偏心式夾緊結構適于連續(xù)平穩(wěn)切削的場合。 ·杠桿式 杠桿式夾緊結構應用杠桿原理對刀片進行夾緊。當旋動螺釘時，通過杠桿產生夾緊力，從而將刀片定位在刀槽側面上，旋出螺釘時，刀片松開，半圓筒形彈簧片可保持刀墊位置不動。該結構特點是定位精度高、夾固牢靠、受力合理、適用方便，但工藝性較差。 ·楔塊式 刀片內孔定位在刀片槽的銷軸上，帶有斜面的壓塊由壓緊螺釘下壓時，楔塊一面靠緊刀桿上的凸臺，另一面將刀片推往刀片中間孔的圓柱銷上壓緊刀片。該結構的特點是操作簡單方便，但定位精度較低，且夾緊力與切削力相反。 不論采用何種夾緊方式，刀片在夾緊時必須滿足以下條件：①刀片裝夾定位要符合切削力的定位夾緊原理，即切削力的合力必須作用在刀片支承面周界內。②刀片周邊尺寸定位需滿足三點定位原理。③切削力與裝夾力的合力在定位基面(刀片與刀體)上所產生的摩擦力必須大于切削振動等引起的使刀片脫離定位基面的交變力。 選擇刀片加固結構，考慮到加工在普通機床上進行，且屬于連續(xù)加工，采用偏心式刀片加工結構。 表面粗糙度要求1.6μm,為精加工,但由于可轉為車刀刃傾角通常取負值,切屑流向已加工表面從而劃傷工件,因此只能達到半精加工。 三、 刀具材料的確定 在切削HT200（170~229HBW, δb=0.637GPa）時，刀具壽命T=60min的切削速度作為標準，在相同加工條件下，切削其他材料的v60與v060的比值Кr稱為相對加工性能指標，即 Кr=2.5~3為易切鑄鐵；Кr>3為非鈦材料；Кr≤0.5為不銹鑄鐵、高錳鑄鐵、鈦合金等難加工材料。 （1）HT200工材是合金鑄鐵，屬于碳鑄鐵一類，塑性韌性良好，經(jīng)調質（淬火+高溫回火），綜合力學性能升高。 （2）加工HT200工材應加入切削液，需要粗加工和精加工，所以不能使用超硬質材料刀具進行加工，超硬質材料刀具在高溫時易與水發(fā)生反應。也不能用高速鑄鐵刀具，因為HT200精加工是采用高速切削，而高速鑄鐵刀具會受溫度的限制，不能用于高速切削。 （3）常用的刀具材料高速鑄鐵、硬質合金、陶瓷材料和超硬材料四類。所以，綜上HT200的性能和刀材的特點，應該選用硬質合金刀具加工。常用的硬質合金刀具有YG、YT、YW。但YG不能加工鑄鐵，主要用于加工鑄鐵、有色金屬等脆性材料和非金屬材料。 （4）YT30適合對材料的精加工和連續(xù)切削，YT15適合精加工，耐磨性好于YT30。YW1和YW2硬質合金的硬度、耐磨性、耐熱溫度、抗彎強度和沖擊韌性均比YT類高，可用于加工鑄鐵和鑄鐵，適用于粗加工和精加工。但是考慮到我國鉭，鈮的儲備量和成本等一些綜合因素，故最好選用YT類。由于只要求精加工和粗加工，所以最優(yōu)選擇的刀具材料為YT15，YT15含鈦量為15%，是硬質合金中含鈦較高的，850℃下硬度為620HV。 四、 刀具幾何參數(shù)的合理選擇及其計算 刀具角度： 根據(jù)《機械制造技術基礎》刀具合理幾何參數(shù)的選擇,并考慮可轉位車刀幾何角度的形成特點,四個角度做如下選擇: 粗加工刀具的幾何角度 粗加工時不必太注重加工精度，所以前后角取小一些，保證刀具韌性，提高效率。 （1）前角 粗車時實際切削前角由圓弧產生為ro=10°～20°。這樣使刀具強度增加，切削變形小，刀口鋒利，減小切削力，提高加工效率，故選用ro=15°。 （2）后角 后角的范圍一般為a0=5°～7°，因為當a0= a0′時，提高刃磨質量，提高刃口強度，便于下次在刀具磨損后磨刀具，提高加工效率。所以取用a0=6°。 （3）主偏角 采用Кr=90°，主要原因是本次加工的零件為齒輪鍛坯，同時可使切削深抗力Fp減小幾乎為零，在較大的切削深度和進給量下，不至于引起較大震動。副偏角采用Кr′=6°～10°，使刀尖強度提高，改善散熱條件，提高刀具耐用度，減小加工面粗糙度，提高加工表面質量。 （4）刃傾角 粗車時為了提高刀尖強度，使切削力首先受力不在刀尖上，保護刀尖，故取λs=0°～5° 根據(jù)我們需要車削的工件的需求，我們選擇三角形作為粗車時車刀刃形。 刀尖修磨形式有三種：修圓刀尖、倒角刀尖和倒角帶修光刃。其中我們選擇修圓刀尖。增大修圓刀尖圓弧半徑rε，能明顯的減小表面粗糙度，并能增加刀頭強度和改善散熱條件。但過大的刀尖圓弧半徑使切削力Fy增大和影響斷屑。根據(jù)下圖故選擇刀尖圓弧半徑為1.5mm。 采用斷屑槽通過設置斷屑槽對流動中的切屑施加一定的約束力，使切屑應變增大，切屑卷曲半徑減小。斷屑槽的尺寸參數(shù)應與切削用量的大小相適應，否則會影響斷屑效果。 在刀具主剖面內通常有三種形狀的斷屑槽：直線圓弧形、全圓弧形、折線形。 選擇斷屑槽為直線圓弧形，外傾式。因為切屑易折小段，并流向加工表面，切屑范圍廣。 精加工是保證加工尺寸精度和表面粗糙度，所以前后角應選的大一些。 （1）前角 因為加工脆性材料硬度較高的材料時前角小些，由題目知材料為HT200，前角范圍在13o到18o由表（4—5）知，實際切削前角由圓弧產生為ro=15°～20°故用ro=18。 （2）后角 由于精車主要減少摩擦，增加其表面質量，后角應選擇較大一點，由書知其范圍a0=6°～8°，故取a0= a0′， a0=7° （3）主偏角 采用Кr=90°，在較大的切削力和進給量下，不至于引起較大震動。副偏角采用Кr′=6°～10°，使刀尖強度提高，改善散熱條件，提高刀具耐用度，減小加工面粗糙度，提高加工表面質量，采用Кr=90°，Кr′=6°～10°。 （4）刃傾角 精加工時，為防止切削劃傷已加工表面，選擇刃傾角為λs=0°～5°，故精車刀的刃傾角選擇為5°。 內斜式是適用于背吃刀量ap較小的半精加工和精加工，具有+λs,使切屑流向刀具后面而折斷。 計算銑制刀槽時所需的角度 ① 計算刀槽最大副前角及其方位角 將=-5 , ==-5代入下式得: tan=- ＝＞ =-7.05 將=-5 , ==-5代入下式得: tan= ＝＞ =HT200 ② 計算刀槽切深剖面前角和進給剖面前角 將=-5 , =-5, k=75代入下式 tan=sin+tan sin ＝＞ =-6.12 tan=sin+tan sin ＝＞ =-3.54 5、 刀具結構設計及結構尺寸計算和驗算 刀槽角度的計算: 刀桿主偏角 ==75 ② 刀槽刃傾角 ==-5 ③ 刀槽前角 將=20, =25, =-5代入下式 tan ==-0.089 則=-5.089,取=-5 ④ 驗算車刀后角a. 車刀后角a的驗算公式為: tan a= 當=0時,則上式成為: tan a=- 將=-5, =-5代入上式得a=5.05 前面所選后角a=6,與驗算值有差距,故車刀后角a應選a=5才能與驗算角度接近 而刀桿后角a≈a=5 ⑤ 刀槽副偏角 k=k=180-= k=,= 因此k=180-- 車刀刀尖角的計算公式為 cos=[cos]cos 當=90時,上式變?yōu)閏os= - cos 將=-5, =-5代入上式得=90.4 故k≈k=180-75-90.4=14.6 取k=14.6 ⑥ 驗算車刀副后角a 車刀副后角的驗算公式為: tan a= 當a=0時, tan a= - 而tan=sin+tan sin tan=sin+tan sin 將=-5, ==-5,==90.4代入上式 tan=tan(-5)sin90.4+tan (-5)sin90.4 ＝＞ =-4.97 tan=sin90.4+tan (-5)sin90.4 ＝＞ =-4.97 再將=-4.97 =-4.97代入得 tan a= - ＝＞ a=4.93可以滿足切削要求 刀槽副后角a≈a,故a=4.93,取a=5 綜上述計算結果,可以歸納出: 車刀的幾何角度: =20, =6, =75, k=14.6,=-5, a=4.93 刀槽的幾何角度: =-5 , a=5, k=75 , k=14.6, =-5, a=5 六、 刀具強度、剛度校核 經(jīng)過前面的幾個步驟已經(jīng)可以把刀具設計出來，但是前面所提都是理論，當真正進行切削加工時，刀具是否會如理論一致呢？ 1、表面質量 加工工件時分為精加工和粗加工，粗加工時速度較慢，車床速度=560r/min，加工完后表面較為粗糙，表面質量一般Ra=6.3。精加工時車速較快，車床速度=630r/min,加工完成后表面比較光滑，表面質量Ra=3.2。 2、切削力 當?shù)毒邔嶋H參加切削加工時，會出現(xiàn)作用在工件和刀具上的大小相等，方向相反的切削力。切削力的出現(xiàn)會影響工藝系統(tǒng)強度、剛度和被加工工件質量。 （1）切削用量影響 背吃刀量和進給量增大都會使切削力增大，增加一倍，切削力也增加一倍，但增加一倍，切削力只增加70%~80%?？梢?，在實際切削過程中，適當?shù)臏p小，增加可切除更多的金屬層，獲得更高生產效率。而我們選取的=1.5mm、=0.7mm/r，可以滿足這點。 切削速度對切削力的影響可見本書P15圖3-18，而我們設計的、=94.2m/min，這正好避免了積削瘤的產生帶來切削力增加的影響。 （2）工件材料的影響 工件材料的硬度和強度越高，其剪切屈服強度σ0.2就越高，產生的切削力就越大。本次工件的材料為HT200，其硬度和強度都較大，所以切削時，產生的切削力大。 （3）刀具幾何參數(shù)的影響 由書本P51圖3-19,3-20，可知，前角增大，切削力減小，而主偏角在30~60是減小，在60~75為最小，當超過時，就會急劇增大，我們設計的主偏角Кr=90，這樣會使切削力增大。 七、 確定刀具工作圖的技術條件 偏心式75硬質合金可轉位外圓車刀如下圖 八、 設計體會 課程設計即將結束，回顧整個過程，我覺得受益匪淺。本設計師在我的指導教師老師的指導下順利完成的。經(jīng)過將近期努力，從查閱資料、拆裝有關機器、圖紙和論文的修改及打印等過程當中，老師夠給予了我最無私的幫助和耐心的指導，還有機械教研組的各位老師，在這里一并表示最衷心的感謝。 特別是老師的嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度，執(zhí)著的事業(yè)追求，以及樸實無華的人格魅力深深感染了我，無論在思想上還是學習上，都對我有很大的影響。 通過這次設計，使我對以前學過的知識得到進一步鞏固，增強了我的獨立思考的能力和實踐能力，提高了我的創(chuàng)新意識，也使我明白了一些道理，只要努力就一定會有結果。同時，老師們的那種精神是我們學習的寶貴財富，也將激勵我勇敢的面對未來的挑戰(zhàn)。在這里再一次對幫助和指導過我的老師，特別是我的指導教師老師表示我最衷心的感謝。 最后，向在百忙中抽出時間對本文進行評審并提出寶貴意見的各位專家表示衷心的感謝！祝愿所有老師工作順利，身體健康。 -10- 參考文獻 [1]徐灝.刀具設計手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社，1991,136-138. 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