机械制造装备设计之5__金属切削刀具与刀具系统设计(a

机械制造装备设计主讲教师李辉机械工程学院机械制造教研室第5章金属切削刀具与刀具系统设计5.1成形车刀设计5.2成形铣刀设计5.3圆孔拉刀设计5.4数控刀具与工具系统现代高效刀具的特点为“高精度、高效率、高可靠性和专用化”。“专用化”就是针对用户的特定需求，提供一整套高效率加工解决方案。掌握了现代高效刀具的核心技术，才能开发生产出满足用户需要的成套高效硬件设备，包括机床、刀具、配套工卡辅具、冷却系统、测量系统等。我国的刀具制造业要实现与国际接轨，首先需要努力实现经营方针的战略性转变：从单纯卖刀具转变到能为用户提供“加工解决方案”，承诺为用户解决实际加工问题。第5章金属切削刀具与刀具系统设计5.1成形车刀设计成形车刀是在车床上车削内外成形表面的非标刀具，能一次切出成形表面，操作简便，生产效率高。但成形刀具制造较为困难，用普通机床难以达到高精度要求，在加工较长工件或切削速度较高时容易产生振动。成形车刀具有生产效率高、加工质量稳定、刀具使用寿命长等特点。第5章金属切削刀具与刀具系统设计本章主要介绍成形车刀前角、后角的形成、切削刃上各点前角及后角的表示及变化规律。重点介绍了根据被加工零件表面的形状、尺寸、刀具的前角和后角，采用作图法或计算法来确定成形车刀刀刃的形状(截形)。成形车刀主要适用于尺寸较小、加工表面形状较复杂、且生产批量较多的圆柱形零件的加工。第5章金属切削刀具与刀具系统设计5.1.1成形车刀的种类与用途(1)生产效率高能一次切出成形表面、操作简便、生产效率高。(2)加工质量稳定加工精度可达IT10～IT8、表面粗糙度Ra6.3～3.2。(3)刀具寿命长可重磨多次。第5章金属切削刀具与刀具系统设计1.按刀体外形与结构分为(1)平体成形车刀除切削刃外其它结构和普通车刀完全相同。常用于加工简单成形表面，如铲齿、车螺纹和车圆弧等。第5章金属切削刀具与刀具系统设计5.1.1成形车刀的种类与用途第5章金属切削刀具与刀具系统设计(2)棱体成形车刀外形为棱柱体，刚性好，重磨次数多，使用寿命长。只能加工外成形表面。第5章金属切削刀具与刀具系统设计5.1.1成形车刀的种类与用途第5章金属切削刀具与刀具系统设计(3)圆体成形车刀刀体是一个回转体，并磨出容屑缺口和前刀面，其优点是刀具容易制造，可重磨次数多，可以加工内、外成形表面，故生产中用得较多。第5章金属切削刀具与刀具系统设计5.1.1成形车刀的种类与用途第5章金属切削刀具与刀具系统设计2.按进给方向分为(1)径向进给成形车刀切削时其切削刃沿工件半径方向切入，切削行程短，生产率高，应用最广泛。但当切削刃宽度较大时，径向力就会增大，容易引起振动，加工表面粗糙度增大，不适用于加工细长和刚性差的工件。第5章金属切削刀具与刀具系统设计5.1.1成形车刀的种类与用途径向进给成形车刀第5章金属切削刀具与刀具系统设计（2）切向进给成形车刀切削时其切削刃沿工件切向切入。由于切削刃是逐渐切入与切离工件故切削力小，工作平稳，切削行程长，生产率较低，常用于自动车床上加工精度较高的小尺寸零件。第5章金属切削刀具与刀具系统设计5.1.1成形车刀的种类与用途切向进给成形车刀第5章金属切削刀具与刀具系统设计（3）斜向进给成形车刀切削时其切削刃的进给方向与工件轴线不垂直，用在车削直角台阶表面，能形成较合理的后角。第5章金属切削刀具与刀具系统设计5.1.1成形车刀的种类与用途斜向进给成形车刀第5章金属切削刀具与刀具系统设计5.1.2成形车刀的前角和后角1.前角和后角的形成1）棱体成形车刀第5章金属切削刀具与刀具系统设计第5章金属切削刀具与刀具系统设计第5章金属切削刀具与刀具系统设计第5章金属切削刀具与刀具系统设计侧后角与侧前角定义为成形车刀的后角与前角第5章金属切削刀具与刀具系统设计在棱体成形车刀的切削刃各点的切削平面和基面的位置是变化的，由各点的切削平面和基面与所在点的后面和前面形成的后角与前角都不相同。离工件中心越远，后角越大、前角越小。5.1.2成形车刀的前角和后角2.1前角和后角的形成2.圆体成形车刀第5章金属切削刀具与刀具系统设计第5章金属切削刀具与刀具系统设计第5章金属切削刀具与刀具系统设计第5章金属切削刀具与刀具系统设计ffRhsinfRHsin5.1.3成形车刀的廓形设计成形车刀设计的主要内容有两部分：廓形设计和刀体设计。廓形设计可利用计算法、作图法进行，目前通过CAD更为简便和精确。刀体设计可选用厂标定型的结构及尺寸。成形车刀设计图包括廓形设计图、刀体结构尺寸图以及检测廓形用的成对样板工作图。第5章金属切削刀具与刀具系统设计5.1.3成形车刀的廓形设计1．成形车刀廓形设计概念第5章金属切削刀具与刀具系统设计成形车刀的廓形设计就是根据被加工零件的廓形来确定相对应的刀具廓形。被加工零件的廓形是指零件在轴向平面内的形状与尺寸，而成形车刀的廓形是指刀具切削刃在垂直于后刀面上的投影所形成的形状。在这个平面上成形车刀的廓形容易制造和测量。5.1.3成形车刀的廓形设计第5章金属切削刀具与刀具系统设计因此，刀具的廓形不重合于零件的廓形，而产生了畸变，对于0°的径向成形车刀，它的廓形宽度与对应的零件廓形宽度相等，因此，成形车刀廓形设计是根据零件的廓形深度T和刀具的前角、后角来修正成形车刀的廓形深度P和与它相关的尺寸。γｆ＞0°、αｆ＞0°时刀具廓形与工件廓形的关系圆体刀棱体刀第5章金属切削刀具与刀具系统设计5.1.3成形车刀的廓形设计2．成形车刀廓形设计原理第5章金属切削刀具与刀具系统设计作图法设计：已知零件的廓形、刀具的前角和后角、圆体车刀廓形的最大半径R，通过作图找出切削刃在垂直于后刀面上的投影。计算法设计：由于成形车刀切削刃的廓形宽度相等于对应的零件廓形宽度。成形车刀廓形设计主要是利用计算法求出成形车刀廓形深度，能达到很高精确度。作图法设计成形车刀廓形圆体刀棱体刀第5章金属切削刀具与刀具系统设计作图法设计成形车刀廓形圆体刀棱体刀第5章金属切削刀具与刀具系统设计计算法设计成形车刀廓形圆体刀棱体刀第5章金属切削刀具与刀具系统设计5.1.3成形车刀的廓形设计3．成形车刀对称圆弧廓形的近似计算第5章金属切削刀具与刀具系统设计对于零件上精度不高的圆弧廓形，也可利用计算方法，求出成形车刀上对应的圆弧廓形尺寸。成形车刀对称圆弧的近似计算第5章金属切削刀具与刀具系统设计5.1.4成形车刀其它部分设计1．成形车刀的刀体第5章金属切削刀具与刀具系统设计成形车刀的刀体结构及其尺寸与所使用的机床和夹持成形车刀的刀夹有关。成形车刀刀体结构的各尺寸及精度、表面粗糙度、材料及热处理、硬度等技术条件均按厂标确定。5.1.4成形车刀其它部分设计第5章金属切削刀具与刀具系统设计5.1.4成形车刀其它部分设计2．成形车刀的样板第5章金属切削刀具与刀具系统设计成形车刀设计后还需设计成形车刀样板，通常设计相互吻合的两块样板：一块“工作样板”是在制造成形车刀时用于检验成形车刀廓形的；一块“校对样板”是用于检验“工作样板”的磨损程度。第5章金属切削刀具与刀具系统设计5.1.5成形车刀的三维设计加工零件图第5章金属切削刀具与刀具系统设计5.1.5成形车刀的三维设计刀具三维图形第5章金属切削刀具与刀具系统设计刀具图5.2成形铣刀设计第5章金属切削刀具与刀具系统设计成形铣刀的切削刃廓形应根据工件廓形设计。用成形铣刀在通用铣床上可加工复杂形状的表面，生产率也较高。成形铣刀常用来加工直槽、螺旋槽、齿轮等。常用的成形铣刀（如凸半圆铣刀和凹半圆铣刀）已有通用标准。而大多数成形铣刀属专用铣刀需自行设计。5.2成形铣刀设计第5章金属切削刀具与刀具系统设计按成形铣刀齿背的加工方法，可分为尖齿成形铣刀和铲齿成形铣刀两种。尖齿成形铣刀的齿背是利用专门的靠模铣削和刃磨的，具有较高的耐用度和较好的加工质量。但制造复杂，刃磨较难，适合于大批量生产。铲齿成形铣刀的齿背是按一定曲线铲制的，用钝后只需重磨前刀面，可保证刃形不变，刃磨方便，得到广泛应用。第5章金属切削刀具与刀具系统设计5.2.1铲齿成形铣刀第5章金属切削刀具与刀具系统设计1．铲齿的原理为使成形铣刀在设计、制造和检验时简便，成形铣刀的前角多取0°。因此成形铣刀的前刀面为轴向平面。为保证成形铣刀重磨后廓形不变，在重磨时一定要保持前刀面通过铣刀轴线。而铣刀的后刀面应该是切削刃绕轴线回转，并同时沿轴线平面向铣刀轴线移动所形成的表面。实现这种运动的加工方法叫铲齿。5.2.1铲齿成形铣刀第5章金属切削刀具与刀具系统设计1．铲齿的原理铲齿成形铣刀的刃形与后刀面在铲齿车床上用铲刀切削而成。铲刀为前角为零的平体成形车刀，其切削刃廓形与铣刀轴向平面廓形相同，但凹向相反。铲齿时，成形铣刀毛坯回转的同时，铲刀沿铣刀的径向做直线运动，铲完一个刀齿后，铲刀退回，铣刀分度后，再铲削第二个刀齿，这种沿被铲铣刀半径方向的铲齿方法称为径向铲齿。第5章金属切削刀具与刀具系统设计z2齿间角第5章金属切削刀具与刀具系统设计第5章金属切削刀具与刀具系统设计铲齿后所得到的齿背曲线为阿基米德螺旋线。5.2.1铲齿成形铣刀第5章金属切削刀具与刀具系统设计2．成形铣刀的后角及铲削量成形铣刀的齿背曲线在M点的进给后角为，它与铲削量的关系式为：fMfMzdKtan0第5章金属切削刀具与刀具系统设计5.2.1铲齿成形铣刀第5章金属切削刀具与刀具系统设计2．成形铣刀的后角及铲削量成形铣刀的齿顶进给后角为，并定义其为成形铣刀的名义后角，一般取=10°~15°，则任意半径处的进给后角满足下式：fafaxxfxRRRKztan2tan0第5章金属切削刀具与刀具系统设计5.2.1铲齿成形铣刀第5章金属切削刀具与刀具系统设计2．成形铣刀的后角及铲削量成形铣刀重磨次数愈多，后角也愈大；切削刃上任意点的愈小，该点也愈小，但应保证不小于2°～3°，以免铣刀后面与工件加工表面发生严重摩擦。ox第5章金属切削刀具与刀具系统设计当后角过小时，可采取下列改进措施。（1）增大齿顶后角，但不能超过15°～17°。（2）修改铣刀刃形。（3）改变工件安装位置。（4）采用斜向铲齿。第5章金属切削刀具与刀具系统设计5.2.2铲齿成形铣刀的廓形设计第5章金属切削刀具与刀具系统设计1．加工直槽成形铣刀的廓形设计加工直槽的成形铣刀，若采用零度前角，则当铣刀轴线垂直于进给方向时，刀齿任意轴向剖面内的廓形皆与工件廓形相同，铣刀切削刃的形状与加工该铣刀的铲刀刃形相同，因此这种铣刀廓形设计简单，制造检验也方便，容易保证精度，精加工成形铣刀常用零度前角。而粗加工成形铣刀为正前角。第5章金属切削刀具与刀具系统设计第5章金属切削刀具与刀具系统设计5.2.3铲齿成形铣刀的结构参数第5章金属切削刀具与刀具系统设计（1）铣刀齿形高度h和宽度BmmhhW2~1（2）铣刀容屑槽底形第5章金属切削刀具与刀具系统设计第5章金属切削刀具与刀具系统设计5.2.3铲齿成形铣刀的结构参数第5章金属切削刀具与刀具系统设计（3）铣刀孔径d：根据铣削宽度和工作条件确定5.2.3铲齿成形铣刀的结构参数第5章金属切削刀具与刀具系统设计（4）铣刀外径do：在保证铣刀孔径足够大、刀体强度足够的条件下，应取较小的铣刀外径。mmhdd6~22.22.2~20（5）铣刀齿数z：在保证刀齿强度和足够的重磨次数的条件下，应尽量增大铣刀齿数，以增加铣削平稳性。tdz05.2.3铲齿成形铣刀的结构参数第5章金属切削刀具与刀具系统设计（6）铲削量K：对于精度要求高的成形铣刀，其齿背除铲齿外，还需铲磨，铲磨铣刀的齿背必须做成双重铲齿的形式。fMzdKtan0第5章金属切削刀具与刀具系统设计5.2.3铲齿成形铣刀的结构参数第5章金属切削刀具与刀具系统设计（7）容屑槽角θ：一般取22°、25°、30°，铣刀齿数少时取较大值，（8）容屑槽深H：应能保证铲齿时铲刀或砂轮不碰到容屑槽底。rKhH平底不需铲磨：Ⅰ型齿背：Ⅱ型齿背：rKKhH21rKKhH25.2.4标准成形铣刀的结