機械設計制造及其自動化畢業(yè)設計-空心大直徑組裝拉刀設計與加工工藝

1、<p><b>　　本科畢業(yè)論文</b></p><p><b>　　（20 屆）</b></p><p>　　空心大直徑組裝拉刀設計與加工工藝</p><p><b>　　1緒 論</b></p><p>　　拉削加工以其突出的優(yōu)點廣泛應用于批量生產中。近年來，在

2、單件、小批量生產中，有些形狀復雜、精度高的零件也需要用拉刀才能加工。拉削幾乎應用于所有的機械制造廠。拉刀是一種多齒工具，拉削是有拉倒的后一個（或一組）刀齒高于前一個（或一組）刀齒，從而能夠從工件上切下多余的金屬，以獲得較高精度和較好的表面質量。拉刀從工件上把拉削余量切下來的順序和方式，通常都用圖形表達，稱這種圖形為“拉削圖形”。拉削圖形分為分層式、分塊式和綜合式三大類。綜合式拉削集中了成形式拉削與輪切式拉削的特點，即粗切齒制成輪切式結構

3、，精切齒則采用成形式結構。這樣，既縮短了拉刀長度，保證較高的生產率，又能獲得較好的工件表面質量。</p><p>　　拉刀主要用于大量生產中加工零件的成形表面。在這樣條件下，較高的生產效率可補償刀具制造和刃磨費用較高的不足。因此，可以說拉削技術的發(fā)展與大批大量生產緊密相關。</p><p>　　拉刀是高效的多齒刀具。拉削時，利用拉刀上刀齒尺寸的變化來切除加工余量，拉削精度可達到IT8~IT

4、7，表面粗糙度Ra3.2-0.5μm。</p><p>　　拉削加工主要特點是:</p><p><b>　　多刃同時參加切削；</b></p><p><b>　　切削寬度較大；</b></p><p>　　切削厚度較小(0.03-0.1毫米)；</p><p>　　加工表

5、面光潔度好、精度高；</p><p>　　運動簡單，易于自動化。</p><p>　　花鍵孔的種類很多，應用較廣的有矩形齒花鍵孔、漸開線花鍵孔和三角齒花鍵孔等。本文以漸開線花鍵孔拉刀的設計為主，對其余兩種花鍵孔拉刀只介紹了截面尺寸的計算。</p><p>　　1.1我國切削技術發(fā)展概況</p><p>　　裝配式拉刀近年來有較快的發(fā)展，主要應

6、用于結構尺寸較大的拉到和有特殊要求的拉刀。這是由于大尺寸結構拉刀要消耗大量高速鋼、制造困難、成本高昂、磨損后修模也較為復雜。采用裝配式結構可較好地解決上述問題，此外，裝配式結構較易解決拉削方式、拉削余量分配、合理幾何參數等因素和拉刀結構的矛盾，適合于有特殊要求的拉刀。目前，裝配式拉刀的結構主要有裝刀套式結構、裝刀環(huán)式結構結構和裝刀條式結構。</p><p>　　拉刀是現代化生產中使用較多的高效切削刀具，它廣泛用于

7、汽車、拖拉機、機械制造等行業(yè)。國內一些大工具廠也因大直徑拉刀所用高速鋼材料的金相組織差，熱處理不易掌握，質量難保證，易出廢品等原因，也很少生產。為此，設計研制裝配式拉刀，解決了大直徑拉刀不能淬火等一系列間題，提高了拉刀的制造能力和技術水平。</p><p>　　拉刀主要是解決批量生產零部件加工孔的一種刀具，拉刀是由許多尺寸逐漸增高的刀齒所組成的一種切削刀具，當它在拉力作用下沿其軸線作直線運動時，其刀齒便一個接一個

8、地在被加工工件上切下一層薄薄的金屬，從而使工件獲得一定的形狀、尺寸、精度和光潔度的鍵槽。一根普通拉刀的價格一般在1000—2000元之間，但大孔徑拉刀的價格則更為昂貴，有的價格高達八萬多；拉刀在機械設計中有相關的標準，要求精度較高。特別是同心度、一致性等要求很嚴格。大直徑拉刀是汽車工業(yè)、重型機械工業(yè)、國防工業(yè)廣泛應用的精密復雜刀具。拉刀的制造相當于細長軸的加工，長度愈一長，其制造難度愈大，成本愈高；拉刀又是一種多刃的成形刀具，它在拉削零

9、件時，通常一次行程即可完成零件的加工。</p><p><b>　　1.2拉刀簡介</b></p><p>　　1.2.1拉刀的類型</p><p>　　拉刀的種類可按貝加工表面部位、拉刀結構和使用方法不同來分類。</p><p>　　按被加工表面部位不同分類</p><p>　　按被加工表面部位

10、不同可分為內拉刀和外拉刀。如下圖1-1所示，較常見的內拉刀和外拉刀有：圓拉刀、花鍵拉刀、四方拉刀、鍵槽拉刀和 平面拉刀。</p><p>　　a)圓拉刀 b）花鍵拉刀</p><p>　　圖1-1各種內拉刀和外拉刀</p><p>　　1.2.2拉刀的組成</p><p>　　拉刀的組成，以圓拉刀為例，拉刀的組成如下圖所示，由前柄L1 、

11、頸部L2 、過度錐L3 、前導部L4 、工作部L5 和后導部L6 組成。對于長或者重的拉刀還必須作出支撐用的后柄L7，如圖1-2所示。</p><p><b>　　實心小徑拉刀</b></p><p>　?。?）空心大直徑組裝拉刀</p><p>　　圖1-2 拉刀的組成</p><p>　　1.2.3拉刀的拉削方

12、式</p><p>　　拉削方式是指拉刀逐齒從工件表面切除加工余量的方式。拉削方式有分層式、分塊式和綜合式三種。</p><p><b>　　1.分層式</b></p><p>　　分層式是每層加工余量各由一個刀齒切除。但根據工件表面最終廓形的形成過程不同，又分成：</p><p>　　同廓式 它是指各刀齒的廓形玉加工

13、表面的最終廓形相似，最終廓形是由最后一個切削齒拉削后形成的。</p><p>　　漸成式 它是指加工表面最終廓形是由各刀齒拉削后銜接形成的。</p><p>　　2.分塊式（輪切式）</p><p>　　分塊式拉刀?、瘛ⅱ?、Ⅲ組刀齒，齒組間有較大齒升量fz ，每組由三個齒組成，前二尺切削刃交錯分布，，他們分別切除加工面上1、2位置處余量，最后一圓形齒起修光作用。此

14、外，也有制成不分齒組的，每個切削齒均有較大的齒升量，各相鄰刀齒切削刃均成交錯分布，用于進行交錯分塊拉削。</p><p><b>　　3.綜合式</b></p><p>　　綜合式拉刀的前部刀齒做成單齒分塊式，后部刀齒做成同廓分層式。</p><p>　　三種拉削方式的主要特點是：同廓分層式拉刀的齒升量較小拉削質量高，拉刀較長；同廓漸成式拉刀拉

15、削成型表面時拉刀容易制造，拉削質量較差；分塊式拉刀的齒升量較大，適宜于拉削大尺寸、大余量表面，也可以拉削毛坯面，拉倒的長度短，效率高，但不易提高拉削質量；綜合式拉刀具有同廓分層、分塊拉削的優(yōu)點，目前拉</p><p>　　削余量較大的圓孔，常使用綜合式圓拉刀。</p><p>　　由上可知，研究先進的拉削方式，對提高拉削水平，改革拉刀結構和最近拉削技術發(fā)展起著重要的促進作用。</p&

16、gt;<p>　　1.2.4空心大直徑組裝拉刀的優(yōu)點</p><p>　　在實際生產過程中，有時候需要加工的零件內徑比較大，如果用實心拉刀加工的話，所需材料比較多，浪費也就比較大，而且拉刀的重量也比較大，不便于加工，所以在加工時，對于直徑比較大的拉刀，就制成空心的，這樣就便于拉刀的裝夾與使用，同時還減輕了拉刀的質量，節(jié)約了材料，降低了企業(yè)的支出符合當前的可持續(xù)發(fā)展的方針，所以說空心大直徑拉刀在實際生

17、產中具有重大的意義。</p><p><b>　　2拉刀設計</b></p><p>　　2.1拉刀工作部分設計</p><p><b>　　2.1.1齒升量</b></p><p>　　漸開線花鍵拉刀的齒升量αf 是相鄰兩刀齒（或兩組刀齒）的半徑差。αf 應選擇適當，若太大會影響拉刀強度和拉床負荷

18、，但太小又難切下很薄的金屬層。而刀齒也容易磨損，加工表面也不光潔。</p><p>　　精切齒的齒升量αf數值見下表2-1，過度齒的齒升量有粗切齒的齒升量逐齒遞減至精切齒的齒升量。精切齒的齒升量一般選取0.005~0.025mm。</p><p>　　表2-1 拉刀精切齒的齒升量</p><p>　　綜上所述可得出，最終所選則的拉刀齒升量為：粗切部分的齒升量αf

19、取0.25mm，精切部分的齒升量αf取0.10mm。</p><p>　　2.1.2.幾何參數</p><p>　　（1） 前角γo 按被加工才聊得性質選取，對于強度或硬度高的材料，前角宜小，具體數值劍下表2-2：</p><p>　　表2-2 拉刀前角</p><p>　　根據上述表格中的數據，在本設計中，選擇的前角γo為18

20、6;。</p><p>　　(2)后角α0 為了是刀齒前后面重磨之后，直徑變小較慢，以及延長拉刀的使用壽命，拉倒的后角應選較小值，具體數值見下表2-3。</p><p>　　(3)刃帶寬度bα1 后刀面留有刃帶，其寬度為，后角為0。刃帶的作用是為了制造拉刀時便于測量刀齒直徑和拉削時期支撐作用，重磨后又能保持直徑不變。但刃帶不宜太寬，以免增加摩擦而得到粗糙的加工表面，刃帶寬度的具體數值

21、見表2-3.</p><p>　　表2-3 拉刀后角和刃帶</p><p>　　由上表數值可得，在粗切部分，取切削齒的后角α0 為3°30′，由于是花鍵拉刀，故刃帶bα1選取范圍為0.05-0.15；在精切部分，取切削齒的后角α0 為1°30′0+1° ，刃帶bα1為0.05-0.2；校準齒的后角α0為0°30′0+30′ ；刃帶bα1為0.2-0

22、.7。具體數值如下圖2-3所示</p><p>　　表2-3 切削齒后角與刃帶</p><p><b>　　2.1.3. 齒距</b></p><p>　　齒距p是相鄰兩刀齒間的軸向距離，確定齒距的大小時，應考慮拉削的平穩(wěn)性及足夠的容屑空間，一般應有3-8個刀齒同時工作為好。</p><p>　　粗切齒的齒距p按經驗公式

23、（2.1）計算</p><p>　　P=（1.25-1.5）√l （2.1）</p><p>　　式中 l—拉削長度（mm）</p><p>　　P—齒距，根據計算值，p值去接近的標準值（mm）。</p><p>　　L=904，由式（2.1）計算得：</p><p&g

24、t;<b>　　P=12</b></p><p>　　最大同時工作齒數zc 可按下式（2.2）計算</p><p>　　zc =l/p+1 （2.2）</p><p>　　zc 僅取整數部分。</p><p><b>　　zc=71</b><

25、/p><p>　　過渡齒的齒距p過 p過 =p</p><p>　　精切齒的齒距p精 則為：</p><p>　　當p＞10mm時， p精 =（0.6-0.8）p</p><p>　　當平≤10mm時， p精 =p（便與制造）</p><p>&l

26、t;b>　　由P=12mm得；</b></p><p>　　p精=0.8p=0.8×12=9.6</p><p><b>　　取p精=10mm</b></p><p><b>　　2.1.4.容屑槽</b></p><p>　　容屑槽要有足夠的容屑空間，能使切屑卷曲自由，

27、又能使刀齒有足夠強度，并可多次重磨，常用的容屑有下列三種形式，如圖2-4所示。</p><p><b>　　圖2-4容屑槽形式</b></p><p>　　齒背為直線的槽行 槽底有一圓弧r，這種槽形簡單，容易制造，用于拉削脆性材料及一般鋼材。</p><p>　　齒背為曲線的槽形 由于前刀面于兩個圓?。≧和r）組成，這種槽形有利于卷屑，適用

28、于拉削韌性材料。</p><p>　　加長齒距的槽形 槽底為一直線，容屑空間加大，適用于拉削深孔。</p><p>　　容屑槽按其深度不同又可分為淺槽、基本槽及深槽三種，可根據具體情況來選用。</p><p>　　決定容屑槽時要注意容屑條件，由于切屑卷曲不緊密，故應使容屑槽的有效容積V槽 大于切屑體積V屑 ，即容屑系數K應為</p><p&g

29、t;　　K=V槽 /V屑 ＞1 （2.3）</p><p>　　由于切屑的寬度變形較小，可忽略不計，所以容屑系數K可用容屑槽及切削層在拉刀軸向剖面內（縱剖面）的面積比來表示。即</p><p>　　K=F槽 /F切削層 （2.4）</p><p>　　容屑槽縱剖面

30、有效面積F槽 可按下式（2.5）近似計算</p><p>　　F槽 =πh2 /4 （2.5）</p><p>　　式中，h——容屑槽深度（mm）。</p><p>　　切屑層的縱剖面積F切削層 為</p><p>　　F切削層 =ac l

31、 （2.6）</p><p>　　式中ac ——切屑厚度（mm），杜宇普通拉削式拉刀，ac = af ；對于綜合拉削式拉刀，ac = 2af ；；</p><p><b>　　L——拉削長度。</b></p><p><b>　　故 </b></p><p>　　K=/ ac l=

32、 （2.7）</p><p>　　h=1.13√K ac l （2.8）</p><p>　　計算后，h選用基金的標準值（mm）。</p><p>　　容屑系數K的具體數值隨加工材料性質和齒升量不同而異。</p><p>　　根據上述數值，按有關資料查出容屑槽的深

33、度h分別為：粗切齒h粗=6，精切齒h精=4。

34、

35、 </p><p><b>　　2.1.5分屑槽</b></p><p>　　分屑槽的作用是減小切削寬度，便于切屑容納在容屑槽中。當切削韌性金屬時，若沒有分屑槽，則花鍵拉刀每個刀齒切下的金屬層呈帶狀，使清除切屑十分困難，對拉削過程十分不利。故隊切削寬度較大的拉刀，在切削刃的切削齒上都要做出

36、交錯分布的分屑槽，將切屑分成許多小段。</p><p><b>　　2.2 校準部分</b></p><p>　　校準部的校準齒無齒升量，只做校準和修光作用，不作出分屑槽。為了便與制造，校準齒的前角γ0校、齒距p校與齒形均可做成和精切齒相同。為了時拉刀重磨后其直徑變化較小以及拉削平穩(wěn)，后角α0校應做得更小些，刃帶寬度b1校應做得更大些，具體數值劍表2-3。</p

37、><p>　　如果拉削孔的精度要求較高，則校準齒的齒數z校就應該多一些，具體數值劍表2-4。重磨時只需重磨第一個切削齒到最后一個精切齒的這部分刀齒。最后一個精切齒重磨后因其直徑變小了，于是第一個校準齒就變成了心得最后一個精切齒。以后再重磨后，如此類推。</p><p>　　表2-4 校準齒齒數</p><p>　　為了是拉刀能多次重磨，校準齒直徑應等于被拉削孔的最大

38、直徑dmmax，但拉削后孔徑經常發(fā)生擴張或收縮，故實際校準齒直徑取為</p><p>　　d0校=dmmax ±μ （2.9）</p><p>　　式中，μ——空的擴張量或收縮量，孔徑擴張取“-”號，收縮取“+”號。</p><p>　　在一般情況下，孔徑總會擴張，擴張量的大小可有試驗來確定，或查有關資料。</p><p>&

39、lt;b>　　校準部長度為</b></p><p>　　L校準部=z校 p校 （2.10）</p><p>　　2.3前堵頭和后堵頭</p><p>　　由于在拉刀的加工過程中，拉刀中間部分的材料已被去除，不便于裝夾，因此在加工過程中，就需要用到前堵頭與后堵頭，前后堵頭在拉刀的加工過程中起著輔助

40、的作用，防止拉刀工作部分在加工過程中受到損害，為了便于設計、加工，前、后堵頭的尺寸與拉刀前、后刀柄的尺寸取相同值。拉刀前后堵頭的示意圖如下圖2-5所示。</p><p>　?。?）前堵頭（刀柄）</p><p>　?。?）后堵頭（刀柄）</p><p>　　圖2-5 前、后堵頭(刀柄)</p><p><b>　　2.4前、后刀柄

41、</b></p><p>　　前刀柄與后刀柄直徑的基本尺寸分別為拉削前、后被拉工件孔徑的最小極限尺寸，其長度應大于2/3的拉削孔長度。 </p><p>　　前刀柄作用是起預制孔的定心和導向作用；后刀柄的作用是防止拉削終了時工件的傾斜下垂而損害孔壁。</p><p>　　前后刀柄的示意圖如圖2-5所示</p><p><b&

42、gt;　　2.5拉刀檢驗</b></p><p>　　為使拉刀能順利工作，在設計拉刀時，甚至在使用外購拉刀前，應對拉刀的同時工作齒數、容屑空間、拉刀強度等項目進行檢驗。</p><p><b>　　同時工作齒數校驗</b></p><p>　　齒距P會影響刀齒在拉削長度L內的同時工作齒數ze。為了確保拉削過程的穩(wěn)定性，一般應使ze=

43、3-8。故在設計或使用拉刀時，應按下式檢驗同時工作齒數</p><p>　　Ze=L/P+1≥3 （2.11）</p><p>　　如若Ze＜3，則將若干零件疊夾拉削，或適當簡小平齒距P。</p><p><b>　　容屑空間檢驗</b></p><p>　　容屑空間的

44、設計或檢驗是指，在拉刀的假定進給平面內，一個刀齒容屑槽的有效面積A應大于該刀齒切下的金屬層面積AD,即</p><p>　　A＞AD或者A=KAD （2.12）</p><p>　　此外，也可以在已確定容屑槽深度h后來檢驗容屑空間所允許的齒升量fz（hD）</p><p>　　fz=hD=0.781h2/KL

45、 （2.13）</p><p>　　通常設計容屑槽時，是根據式（*）求出h及根據式（**）求出p，在容屑槽系列標準中再確定槽的齒背圓弧R及槽底圓弧r的尺寸。</p><p><b>　　拉刀的強度檢驗</b></p><p>　　拉刀強度檢驗是個重要的檢驗項目，在生產中，常因工件材料強度高，拉刀齒升

46、量過大，拉刀上受力面積小及切屑嚴重賭賽而引起的拉刀折斷。為師拉刀強度足夠，應使拉削時產生的拉應力σ小于拉刀材料的許用應力[σ]，即</p><p>　　σ=FCmax/Smin≤[σ] （2.14）</p><p>　　式中 FCmax——作用于拉刀刀齒上主運動方向的最低拉削力，單位N;</p><p>　　Sm

47、in—— 拉刀上強度最薄弱位置的截面積，通常為第一刀齒槽底的截面積，單位為mm2；</p><p>　　[σ]——拉刀材料的許用應力，單位為MPa，高速鋼[σ]=2500-4000MPa；</p><p>　　作用在拉刀刀齒上最大切削力FCmax，可有下列實驗公式求得</p><p>　　FCmax=FcbDmaxzeK

48、 （2.15）</p><p>　　式中 Fc——作用在刀齒單位切削寬度上的切削力，單位為N/mm，可在拉刀設計資料中查出。</p><p>　　2.6材料選擇及加工</p><p>　　拉刀材料選擇高速鋼，其余部分選擇9CrSi。在加工過程中，零件螺紋部分的入爐溫度為650-750℃，加熱溫度為840-860℃，然后油冷，回火溫度為450℃，最后在空氣中冷

49、卻，是硬度達到40-45HRC。零件的其余部分在回火溫度為400℃，空冷，最終硬度為48-55℃。</p><p><b>　　3．工藝過程</b></p><p>　　3.1拉刀的工藝過程</p><p>　　表3-1 空心漸開線花鍵拉刀工藝過程卡</p><p>　　3.2前刀柄的工藝過程</p>

50、<p>　　表3-2 前刀柄工藝過程卡</p><p>　　3.3前堵頭的工藝過程</p><p>　　表3-3 組裝拉刀前堵頭工藝過程卡</p><p>　　3.4后刀柄的工藝過程</p><p>　　表3-4 后刀柄工藝過程卡</p><p>　　3.5后堵頭的工藝過程</p>

51、<p>　　表3-5 后堵頭工藝過程卡</p><p><b>　　結論</b></p><p>　　通過這次的畢業(yè)設計，我對大學四年所學的專業(yè)知識有了一個全新的系統(tǒng)的認識，基本掌握了空心大直徑組裝拉刀的結構，及其主要的工作原理，并且通過查閱相關資料和圖紙，鍛煉了自己識圖及繪圖的能力。在本次畢業(yè)設計中，在查閱資料后，首先確定組裝拉刀的各部零件分別是什么，

52、然后通過所查找道德資料，選取制造拉刀各部分的材料。再設計過程中，原宏老師多次帶領我們參觀拉刀的加工過程，并且為我們詳細地講解，對這些過程更加的熟悉，設計起來也更加的得心應手。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] GB/T 5102-2004 漸開線花鍵拉刀 技術條件</p><p>　　[2] G

53、B 3832.3-2008 拉刀圓柱形后柄 型式和基本尺寸</p><p>　　[3] GB 3832.2-2008 拉刀圓柱形前柄 型式和基本尺寸</p><p>　　[4] 《刀具設計手冊》 機械工業(yè)出版社 1999年6月</p><p>　　[5] 《拉刀設計與使用》 機械工業(yè)出版社 1990年10月</p><

54、;p>　　[6] 孟少農主編. 機械加工工藝手冊[M].機械工業(yè)出版社.1992</p><p>　　[7] 楊黎民等編. 刀具設計手冊[M].兵器工業(yè)出版社.1999</p><p>　　[8] 何堅強，趙國年 裝配式拉刀設計汽車工藝與材料[M].1993</p><p>　　[9] 四川省機械工業(yè)局編. 復雜刀具設計手冊[M].北京:機械工業(yè)出版社

55、,1979</p><p>　　[10] 劉惟信等.機械最優(yōu)化設計[M]. 北京:清華大學出版社,1986年9月</p><p>　　[11] 上?？萍紖f會.金屬切削手冊〔M〕. 上海:上?？萍汲霭嫔?1984</p><p>　　[12] 陸劍中，孫家寧.金屬切削道具與原理[M]. 北京：機械工業(yè)出版社</p><p>　　[13] 金屬切

56、削刀具課程設計指導書（內部交流資料）.咸陽機器制造學校</p><p>　　[14] 樓希翱，薄化川. 拉刀設計與使用[M].北京：機械工業(yè)出版社.1983</p><p>　　[15] 王先逵.機械制造工藝學[M].機械工業(yè)出版社（第二版）.2006</p><p>　　[16] [蘇] N.B.菲爾格爾.合金熱處理手冊[M].北京：中國鐵道出版社，1985<