第六章 成形车刀

第六章成形车刀主要内容一、种类与用途二、几何角度三、廓形设计四、其它部分设计简介•成形车刀又称样板刀，是一种专用刀具，其刃形是根据工件要求的廓形设计的。它主要用在普通车床、六角车床、半自动及自动车床上加工内外回转体成形表面。用成形车刀加工时，工件廓形是由刀具切削刃一次切成的，同时作用切削刃长，生产率高；工件廓形由刀具截形来保证，被加工工件表面形状、尺寸一致性好，互换性高，质量稳定；加工精度可达IT10～IT8，表面粗糙度可达3.2～6.3；刀具可重磨次数多，使用寿命长。•但成形车刀的刀具廓形大多比较复杂，设计、制造比较麻烦，成本较高；由于同时作用切削刃长以及其他结构因素，切削性能较差，容易产生振动，影响加工质量；使用时对安装精度的要求高，安装调整比较麻烦。多用于成形回转表面的成批、大量生产中。目前在汽车、拖拉机、纺织机械和轴承制造等行业里应用较多。第一节成形车刀的种类与用途●按刀体形状：平体成形车刀、棱体成形车刀、圆体成形车刀平体形棱形圆体•(1)平体成形车刀。外形为平条状，与普通车刀相似，结构简单，容易制造，成本低。但可重磨次数不多。用于加工简单的外成形表面，如螺纹车刀和铲制成形铣刀的铲刀等。•(2)棱体成形车刀。棱柱体的刀头和刀杆分开制作，大大增加了沿前刀面的重磨次数，刀体刚性好，但比圆体成形车刀制造工艺复杂，刃磨次数少，且只能加工外成形表面。•(3)圆体成形车刀。它好似由长长的棱体车刀包在一个圆柱面上而形成。刀体是一个磨出了排屑缺口和前刀面，并且带安装孔的回转体。它允许重磨的次数最多，制造也比棱体成形车刀容易，且可加工零件上的内、外成形表面；但加工误差较大，加工精度不如前两种成形车刀高。●按进给方向斜向进给切削直角台阶表面时能形成较合理的后角切向进给自动车床上加工精度较高的小尺寸零件车削时，切削刃沿工件表面的切线方向切入工件。由于切削刃相对于工件有较大的倾斜角，所以切削刃是依次先后切入和切出，始终只有一小段切削刃在工作，从而减小了切削力；但切削行程长，生产率低。适于加工细长、刚性较差且廓形深度差别小的外成形表面。第二节成形车刀的几何角度一、前、后角的形成规定：在假定工作平面表示成形车刀必须具有合理的前、后角才能有效地工作。由于成形车刀的刃形复杂，切削刃上各点正交平面方向不一致，同时考虑测量和重磨方便，前角和后角都不在正交平面内测量，而规定在刀具的假定工作平面(垂直于工件轴线的断面)内测量，并以切削刃上最外缘与工件中心等高点(图中的1点，该点称为成形车刀的基点)处的假定工作前角和假定工作后角作为标注值(如图6-3所示)。成形车刀的前角和后角是通过刀具的制造和安装来形成的。(a)棱体成形车刀(b)圆体成形车刀图6-3成形车刀前角和后角的形成•棱体成形车刀的后刀面是成形棱形柱面，前刀面是平面。后刀面与燕尾面A-A平行。在制造棱体成形车刀时，将前刀面与后刀面的夹角磨成90°-（γf+αf）角。•在工作时将刀体的燕尾基准平面与过基点1的工件圆周切线倾斜安装，即可获得所需的前角和后角。如图6-3(a)所示。•在制造时将圆体成形车刀的前刀面做成离其中心距离最近[如图6-3(b)所示]；安装刀具时，刀具中心O0比工件中心高出即可形成所需要的前角和后角。h0和H值可由式(6.1)计算•式中：——成形车刀最大外圆半径，即基点1处的半径。•圆体成形车刀不但在制造时要保证值，而且重磨前刀面后也应使值不变。为此，通常在刀具端面上刻出一个以O0为中心、h0为半径的磨刀检验圆，重磨时应置前刀面与这个圆的切平面内。圆体成形车刀前刀面刃磨出γf，后刀面是成形回转表面。•成形车刀的前角γf和后角αf数值不仅影响刀具的切削性能，还影响加工零件的廓形精度，所以在制造、重磨合安装时，不允许任意变动。圆体成形车刀重磨前面时，必须保持h不变。•圆体成形车刀：αf=10°～12°；•棱体成形车刀:αf=12°～15°.二、在正交平面中切削刃后角的检验由图6-3还可看出，成形车刀切削刃上，只有基点1位于工件中心等高位置上，其他各点都低于工件中心。由于切削刃上各点的切削平面和基面位置不同，因而前角和后角也都不同，离基点越远的点，前角越小，后角越大。即γf2＜γf1，αf2＞αf1；而且圆体成形车刀的这种变化更为显著。•成形车刀后面与工件过渡表面间的摩擦程度取决于切削刃各点的后角大小，因此要对切削刃上关键点的后角进行验算。•为了简化，现以γf=0°、λs=0°的成形车刀为例来进行讨论。如图6-4所示，切削刃上任一点在假定工作平面内的后角为与该点主剖面后角为间的关系为：xxxrfoκααsintantan=•2.正交平面后角及其过小时的改善措施•如果αox=0°，使该处后面紧贴加工后面而无法切削，则需采取措施：•1）在不影响零件的使用性能前提下，改变零件的廓形，使Krx＞0°，保证αox≥2°～3°。•2）在Krx=0°的切削刃段的后面磨出凹槽，只保留0.3mm～0.5mm的一段狭窄棱面，减小摩擦面积。改变零件廓形刃上磨出凹槽•3）将Krx=O°的刃段磨出副偏角Krx′=2°～3°,可使摩擦大为减少。同样不改变工件的廓形，普遍采用。•4）采用斜向进给成形车刀，以形成Krx＞7°，使αox≥2°～3°。•5）采用螺旋体成形车刀，将圆体成形车刀各段切削刃的后面制成螺旋面，使Krx=0°处的后面与加工表面形成一定间隙，使αox≥2°～3°。结构复杂，制造麻烦，较少采用。改善措施：改变零件廓形刃上磨出凹槽作出侧隙角斜装成形车刀制成螺旋后刀面第三节廓形设计一、廓形设计概念成形车刀的廓形设计，就要由零件的廓形来确定刀具的廓形。零件的廓形，是指零件在轴向平面内的形状与尺寸，包括深度、宽度和圆弧等。成形车刀的廓形是指切削刃在垂直于后面的平面上投影形成的形状。在这个平面内成形车刀的廓形容易制造和测量。因成形车刀的γf0°、αf0°，使棱体与圆体成形车刀廓形深度P工件廓形深度T，因此，刀具的廓形不重合于零件的廓形而产生了畸变。一般刀具的廓形宽度与零件廓形宽度相同。因此，成形车刀廓形设计的主要内容是根据零件的廓形深度T和成形车刀的前角γf、后角αf修正计算成形车刀的廓形深度P和与它相关的尺寸。二、成形车刀廓形设计成形车刀廓形设计的方法有：作图法、计算法和查表法三种。作图法：简单、清晰和直观，但精度偏低。另外，作图法的精度主要取决于作图时的放大比例与作图的准确程度。计算法：能达到很高的精度．也比较迅速。查表法：简单、较迅速，但精度不及计算法，很少使用。目前，成形车刀设计常用计算法计算，作图法校验。作图法设计截形•作图法截形设计的主要内容：已知零件廓形、刀具前角和后角、圆形刀外径D。利用投影作图原理求出垂直后刀面剖面内的刀具截形。●作图法设计已知：零件的廓形、刀具的前角γf和后角αf、圆角车刀廓形的最大半径R，用作图法找出切削刃在垂直于后刀面上投影。步骤：1、在主视图上作出前刀面和后刀面的投影线2、作出切削刃各点2’3’4’(5’)的后刀面投影线3、在垂直后刀面的截面中，连接各点切削刀投影点与相等于零件廓形宽度引出线交点1”，2”，3”，4”，5”，连接各交点所形成的曲线即为成形车刀廓形。●计算法设计计算法设计成形车刀廓形ａ）棱形成形车刀ｂ）圆形成形车刀三、成形车刀对称圆弧廓形的近似计算四、成形车刀的附加刀刃成形车刀的装夹与结构尺寸•成形车刀先装在专用刀夹上,再将刀夹固装在机床上进行工作的.•成形车刀的结构尺寸棱形成形车刀的结构尺寸有高度、宽度、厚度和燕尾尺寸；圆体车刀的结构尺寸有外径、孔径和宽度等，只要已知工件的最大廓形深度尺寸，可以根据有关手册查阅相关结构尺寸，但成形车刀的宽度Lc需要计算。•Lc=lc+a+b+c+d•其中lc为工件成形表面的宽度•a为避免切削刃太尖而附加的切削刃宽度，取2～5mm•b为工件端面留出精加工余量而附加的切削刃宽度，取1～3mm，如果端面有倒角，取1～1.5。•c为切断预加工而附加的切削刃，一般取3～8mm。•D为保证切削刃超出毛坯外圆而附加的切削刃，取0.5～2mm。成形车刀的样板和技术条件•成形车刀设计后还需要设计成形车刀的样板，一般样板设计是成对出现，一块是工作样板，用来检验成形车刀廓形，另一块是校对样板，是用于检验工作样板磨损程度。•技术条件通常用高速钢制成，整体式，热处理硬度为63～66HRC，尺寸公差一般是廓形深度取工件公差的1/2～1/3，宽度取1/5～1/8。位置公差为不超过0.02/100。表面粗糙度：前刀面：Ra0.16-0.63，侧面取Ra0.63-1.25，其余为Ra1.25-2.5。成形车刀设计的基本步骤一、选用刀具材料（根据加工材料选择）二、确定刀具几何角度（前角与后角）三、确定刀具结构尺寸（主要是最大廓深，深度确定以后可查阅相关手册）四、确定工件组成点与组成点平均尺寸五、计算刀具各点对应的廓形深度六、个组成点廓形的深度公差七、计算刀具斜线部分的倾角八、求近似圆弧，作出刀具廓形图以及样板图。棱形成形车刀设计举例•已知条件：加工零件如右图。•材料：Y15易切钢，σb＝0.49Gpa•选取前角γf＝15°后角αf＝12°设计要求：设计计算棱形成形车刀截形，绘制成形车刀及样板图。设计计算过程：1、零件计算分析图零件平均尺寸计算取刀具上1，(2，)为刀具轮廓形设计计准点。节点1、2、3、4、5、6、7平均直径分别为：d7＝(25.25＋25.4)／2＝25.325r7=12.663•B2-7＝10•d1-2＝2×（12.6632－102）0.5•r1-2＝7.769•B2-1＝20•d3-4＝2×（17.85＋18）／2＝17.925•R3-4＝8.963B2-3＝48•d5-6＝2×（19.9＋20）／2＝19.95•r5-6＝9.975•B5-6＝(14.85＋15.3)／2＝15.075计算刀具廓形深度•h＝r1、2Sinγf＝7.769×Sin15°＝2.011•h2＝4.044•r1、2Cosγf＝7.769×Cos15°＝7.504Cos（γf＋αf）＝Cos（15°＋12°）＝0.891•Px＝[(rx2－（r1、2Sinγf）2－r1、2Cosγf）0.5]Cos（γf＋αf）•P3、4＝[(8.9632－4.044）0.5－7.504]0.891＝1.096•P5、6＝[(9.9752－4.044）0.5－7.504]0.891＝2.019•P7＝[(12.6632－4.044）0.5－7.504]0.891＝4.453计算近似圆弧半径R7•Tanθ＝P7／2”7”＝4.453／3＝0.4453θ＝24°•R7＝2”7”／Sin2θ＝10／Sin48°＝13.459•圆心的位置对称圆弧中心线校验•校验4”5”切削刃上后角αo4”5”因κr4”5”＝0,故αo4”5”＝0改善措施，磨出κr4”5”＝8°校验刀具廓形宽度∑L=3dmin∑L＝49+7＝56（7附加刀刃宽度）•56＝∑L=3×18＝54刀体尺寸•Tmax＝T7＝4.894•B＝14,H＝75,E＝6,A=25,F=10,r＝0.5燕尾测量尺寸为：•d＝6，M＝29.46廓形深度尺寸标注•刀具廓形深度设计基准为d1-2,刀具廓形深度标注基准为d5-6基准不重合，故标注廓形深度应为：•P5-6＝2.019≈2.02•P5-6－P3-4＝2.019－1.096＝0.923≈0.92•P7－P5-6＝4.453－2.019＝2.434≈2.43样板设计图