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1、金屬切削刀具設計機械與動力工程學院主講人 曲海軍Tel:15993775913Email:6.成 形 車 刀 成形車刀又稱樣板刀，是一種專用刀具，其刃形是根據(jù)工件要求的廓形設計的。它主要用在普通車床、六角車床、半自動及自動車床上加工內(nèi)外回轉(zhuǎn)體成形表面。用成形車刀加工時，工件廓形是由刀具切削刃一次切成的，同時作用切削刃長，生產(chǎn)率高；工件廓形由刀具截形來保證，被加工工件表面形狀、尺寸一致性好，互換性高，質(zhì)量穩(wěn)定；加工精度可達IT10IT8，表面粗糙度可達3.26.3；刀具可重磨次數(shù)多，使用壽命長。但成形車刀的刀具廓形大多比較復雜，設計、制造比較麻煩，成本較高；由于同時作用切削刃長以及其他結(jié)構(gòu)因素，
2、切削性能較差，容易產(chǎn)生振動，影響加工質(zhì)量；使用時對安裝精度的要求高，安裝調(diào)整比較麻煩。多用于成形回轉(zhuǎn)表面的成批、大量生產(chǎn)中。目前在汽車、拖拉機、紡織機械和軸承制造等行業(yè)里應用較多。6.1 成形車刀的種類、用途及裝夾 1.成形車刀的種類 刀具結(jié)構(gòu)不同，生產(chǎn)中最常用的是下面3種沿工件徑向進給的成形車刀，如圖6.11所示。(1)平體成形車刀。外形為平條狀，與普通車刀相似，結(jié)構(gòu)簡單，容易制造，成本低。但可重磨次數(shù)不多。用于加工簡單的外成形表面，如螺紋車刀和鏟制成形銑刀的鏟刀等。fffv(a)平體成形車刀圖6.11 成形車刀種類 6.3 成 形 車 刀(2)棱體成形車刀。棱柱體的刀頭和刀桿分開制作，大大
3、增加了沿前刀面的重磨次數(shù)，刀體剛性好，但比圓體成形車刀制造工藝復雜，刃磨次數(shù)少，且只能加工外成形表面。(b)棱體成形車刀圖6.11 成形車刀種類 fvff6.成 形 車 刀(3)圓體成形車刀。它好似由長長的棱體車刀包在一個圓柱面上而形成。刀體是一個磨出了排屑缺口和前刀面，并且?guī)О惭b孔的回轉(zhuǎn)體。它允許重磨的次數(shù)最多，制造也比棱體成形車刀容易，且可加工零件上的內(nèi)、外成形表面；但加工誤差(詳見6.3.4小節(jié))較大，加工精度不如前兩種成形車刀高。(c)圓體成形車刀圖6.11 成形車刀種類 ffvff6.成 形 車 刀 另外，除了上述的徑向方向進給的成形車刀外，還有切向進給的成形車刀，如圖6.12所示。
4、車削時，切削刃沿工件表面的切線方向切入工件。由于切削刃相對于工件有較大的傾斜角，所以切削刃是依次先后切入和切出，始終只有一小段切削刃在工作，從而減小了切削力；但切削行程長，生產(chǎn)率低。適于加工細長、剛性較差且廓形深度差別小的外成形表面。圖6.12 切向進給成形車刀nf6.成 形 車 刀 2.成形車刀的裝夾 通常成形車刀是通過專用刀夾安裝在機床上的。對裝夾的要求是：夾持可靠、剛性好、裝卸容易、調(diào)整方便，并且夾持結(jié)構(gòu)力求簡單和標準化。如圖6.13所示，棱體成形車刀是以燕尾的底面或與其平行的面作為定位基準面裝夾在刀夾燕尾槽內(nèi)的，并用螺釘及彈性槽夾緊。圖6.13 棱體成形車刀的裝夾1棱體刀；2夾緊螺栓；
5、3調(diào)節(jié)螺釘；4螺釘；5刀夾 6.成 形 車 刀 如圖6.14所示，圓體車刀3以內(nèi)孔為定位基準面，套裝在帶螺紋的心軸2上，通過銷子1與端面齒環(huán)4相連，以防車刀工作時轉(zhuǎn)動。將齒環(huán)與圓體成形車刀一起相對扇形板5轉(zhuǎn)動若干齒，則可粗調(diào)刀尖高度，扇形板同時與蝸桿9嚙合，轉(zhuǎn)動蝸桿就可微調(diào)刀尖高低。在心軸表面上還開了一條窄小長槽，利用螺釘6可避免旋緊螺母7時心軸一起轉(zhuǎn)動，但允許心軸2軸向移動。刀夾上的銷子8用來限制扇形板轉(zhuǎn)動的范圍。平體成形車刀裝夾方法與普通車刀相同。圖6.14 圓體成形車刀的裝夾1、8銷子；2心軸；3圓體車刀；4齒環(huán)；5扇形板；6螺釘；7、11夾緊螺母螺栓；9蝸桿；10刀夾6 成 形 車 刀
6、6.2 成形車刀的前角和后角 1.前、后角的形成及其大小 成形車刀必須具有合理的前、后角才能有效地工作。由于成形車刀的刃形復雜，切削刃上各點正交平面方向不一致，同時考慮測量和重磨方便，前角和后角都不在正交平面內(nèi)測量，而規(guī)定在刀具的假定工作平面(垂直于工件軸線的斷面)內(nèi)測量，并以切削刃上最外緣與工件中心等高點(圖中的1點，該點稱為成形車刀的基點)處的假定工作前角和假定工作后角作為標注值(如圖6.15所示)。成形車刀的前角和后角是通過刀具的制造和安裝來形成的。6.成 形 車 刀(a)棱體成形車刀 (b)圓體成形車刀圖6.15 成形車刀前角和后角的形成6 成 形 車 刀 在制造棱體成形車刀時，將前刀
7、面與后刀面的夾角磨成90角，在工作時將刀體的燕尾基準平面與過基點1的工件圓周切線傾斜安裝，即可獲得所需的前角和后角。如圖6.15(a)所示。在制造時將圓體成形車刀的前刀面做成離其中心為的距離如圖6.15(b)所示；安裝刀具時，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)計算 (mm)(6.1)(mm)(6.2)式中：成形車刀最大外圓半徑，即基點1處的半徑。圓體成形車刀不但在制造時要保證值，而且重磨前刀面后也應使值不變。為此，通常在刀具端面上刻出一個以O0為中心、為半徑的磨刀檢驗圓，重磨時應置前刀面于這個圓的切平面內(nèi)。0sin()ffhRsinfHR6.成 形
8、 車 刀 由圖6.15還可看出，成形車刀切削刃上，只有基點1位于工件中心等高位置上，其他各點都低于工件中心。由于切削刃上各點的切削平面和基面位置不同，因而前角和后角也都不同，離基點越遠的點，前角越小，后角越大。即f2f1，f2f1；而且圓體成形車刀的這種變化更為顯著。2.正交平面后角及其過小時的改善措施 成形車刀后面與工件過渡表面間的摩擦程度取決于切削刃各點的后角大小，因此要對切削刃上關鍵點的后角進行驗算。為了簡化，現(xiàn)以 0、0的成形車刀為例來進行討論。如圖6.16所示，切削刃上任一點在假定工作平面內(nèi)的后角為與該點主剖面后角為間的關系為(6.3)式中：切削刃上點的主偏角。fsortantans
9、inxfxxrx6 成 形 車 刀圖6.16 成形車刀具正交平面后角6 成 形 車 刀 顯然 ，并且 隨的 減小而減小；當 0時，不論 等于多少，總有 0。該段切削刃及其后面將與工件產(chǎn)生劇烈摩擦，切削條件惡劣，需采取適當措施予以改善，以保證 23。常用的措施有：(1)在 0的切削刃上磨出凹槽以保留一條窄小的棱面如圖6.17(a)所示.(2)磨出 2或 3的副偏角如圖6.17(b)所示，此法可減小摩擦，且刃磨簡單，但仍有一棱面或棱線與工件摩擦。(3)采用與工件軸線斜裝的成形車刀如圖6.17(c)所示，切削條件會更好。斜角 一般取1520。oxfxoxrxrxfxoxoxrxr r 6.成 形 車
10、 刀圖6.17 正交平面后角為0改善措施6.成 形 車 刀6.3 徑向成形車刀的廓形設計 1.廓形設計的必要性 工件上包含軸線的軸向剖面廓形是已知的廓形。為了方便起見，在制造和測量成形車刀時使用的是NN剖面上的廓形，如圖6.18所示。對于棱體成形車刀，就是垂直于主后刀面的NN法向剖面上的廓形；對于圓體成形車刀，就是軸向剖面上的廓形。從圖6.18中可以看出，只有當 0，0時，刀具的NN平面上的廓形和工件的軸向剖面廓形才完全相同。此時成形車刀的廓形無需修正，即刀具廓形等于工件廓形。但 0成形車刀是不能進行切削工作的，必須具有合理的前角和后角才能有效地工作。顯然，當 0、0或 0、0時，刀具在NN剖
11、面上的廓形深度P和工件軸向剖面上的廓形深度Pw是不相等的，即PPw，且 、越大，兩者的差別越大。對于普通徑向進給的成形車刀，其軸向尺寸和工件的軸向尺寸是相等的，不發(fā)生變化，但廓形深度發(fā)生了變化，所以必須對刀具的廓形深度加以修正設計、計算。fffffffff6.成 形 車 刀圖6.18棱體成形車刀的廓形設計1、2、3、4工件廓形；、切削刃投影；1、2、3、4刀具廓形12346.成 形 車 刀 2.廓形修正設計方法 成形車刀廓形設計的方法，主要有圖解法和計算法。圖解法較簡單，但設計精度差；計算法設計精度較高但工作量大。近年來隨著計算機的廣泛應用，計算法的應用也十分廣泛。在此僅以計算法為例介紹成形車
12、刀的設計步驟。(1)設計成形車刀的廓形前必須做好的準備工作。做出工件廓形的正、俯視圖。確定工件廓形上的組成點和基點，并進行編號。為了減少設計工作量，一般先選擇工件廓形上的轉(zhuǎn)折點(稱為廓形的組成點)。如直線廓形可取兩端點作為組成點，而曲線廓形則除兩端點外，尚需根據(jù)工件精度的要求，在曲線中間再取若干點作為組成點。然后依次給各組成點編號(一般將工件回轉(zhuǎn)體上半徑最小處的點編為1點，稱為基點。這與6.3.2節(jié)中提到的刀具上的基點1是一致的)。注意：在工件廓形上有一些小的倒角、圓角等，在廓形設計時可以不必考慮，等其他部分的廓形都設計好以后，再將它們照搬到刀具廓形的相應部位即可。6 成 形 車 刀 在工件廓
13、形圖上，標出各組成點的軸向尺寸和徑向尺寸。在標注尺寸時，須注意有公差的徑向尺寸應取其平均值，并以此值進行計算。根據(jù)工件的材質(zhì)、刀具類型和加工情況，參照(表6-2和表6-3)選取前角和后角。對于圓體成形車刀還需確定其外徑 。根據(jù)工件最大廓深 由有關設計資料查得，也可由式(6.4)計算。0d0dpm axa01pmax22()1.5dRaed式中：apmax工件最大廓深，即工件的最大半徑與最小半徑之差；e考慮有足夠的容屑空間時所需要的距離，可按切削厚度和切屑的卷曲程度選取，一般為3mm12mm(當工件為脆性材料時取小值，工件為韌性材料時取大值)；d 內(nèi)孔直徑，主要根據(jù)心軸的強度和剛度確定，一般取為
14、(0.250.45)d0，據(jù)此取成相近之標準值10、13、16、20、22、27等；R1 刀具廓形最大半徑。6.成 形 車 刀(2)棱體成形車刀的廓形設計。由于普通徑向進給的成形車刀的軸向尺寸和工件的軸向尺寸相等，但廓形深度發(fā)生了變化，所以只需對刀具各點的廓形深度P2、P3、P4 進行設計計算。從圖6.18 看出，P2、P3、P4、可以通過前刀面上各相應點的距離C2、C3、C4、計算出來，而C2、C3、C4、又由前刀面延長線上A2、A3、A4求出。6.成 形 車 刀圖6.18棱體成形車刀的廓形設計1、2、3、4工件廓形；、切削刃投影；1、2、3、4刀具廓形6.成 形 車 刀 根據(jù)圖6.18的幾
15、何關系，即可按以下順序求出各切削刃點的廓形深度：1sinfhr11cosfAr 22sinfhr222cosfAr221CAA22cos()ffPC33sinfhr333cosfAr331CAA33cos()ffPC6.成 形 車 刀 從以上各式可知，h及A1為共用的數(shù)值。求切削刃上任意一點y的廓形深度的步驟為:sinfyyhrcosyyfyAr1yyCAAcos()yyffPC 完成刀具各點的廓形深度P2、P3、P4、的計算后，結(jié)合工件的軸向尺寸就可確定棱體成形車刀的廓形。6.成 形 車 刀(3)圓體成形車刀的廓形設計。圓體成形車刀的廓形用各點的半徑R2、R3、R4、來表示，圓體成形車刀的廓
16、形設計就是求出刀具廓形上各組成點的半徑R2、R3、R4、。如圖6.19所示，通過1點作前刀面的延長線，刀具中心O0與該延長線的距離為h0。前刀面上C2、C3、C4、的求法和棱體成形車刀完全相同。根據(jù)圖6.18中的關系，得出各刀刃組成點的半徑R2、R3、R4、順序為 01sin()ffhR11cos()ffBR6.成 形 車 刀 從以上各式可知，h0和B1為共用的數(shù)值。求刀刃上任意一點y的廓形深度的步驟為 212BBC022tanhB022sinhR313BBC033tanhB033sinhR1yyBBC0tanyyhB0sinyyhR 完成刀具各點的半徑R2、R3、R4、的計算后，結(jié)合工件的軸
17、向尺寸就可確定圓體成形車刀的廓形。以上所述為加工外表面徑向成形車刀廓形的原理，同樣也可用于加工內(nèi)表面的徑向成形車刀。6.成 形 車 刀 用成形車刀加工成形零件時會產(chǎn)生誤差，從而影響工件的加工精度。產(chǎn)生誤差的原因有:刀具設計時產(chǎn)生的設計計算誤差(如廓形設計時計算到一定有效位數(shù)而產(chǎn)生的計算誤差、作圖時的度量誤差、刀具本身的雙曲線誤差以及圓弧廓形近似計算產(chǎn)生的誤差等)、刀具制造刃磨時產(chǎn)生的加工誤差、刀具使用時產(chǎn)生的調(diào)整誤差和安裝誤差等。本節(jié)主要討論雙曲線誤差。6.4 工件的雙曲線誤差 任何一個復雜的回轉(zhuǎn)體工件，其成形表面均可分解成許多個單元錐體表面。用幾何學原理可以證明，錐體表面與平行于軸線但不包含
18、軸線的任何平面的交線均為雙曲線。6.成 形 車 刀 當用前角 大于0的棱體成形車刀加工錐體表面時，車刀的前刀面是一個平行于工件軸線但不包含軸線的平面MM如圖6.20(a)所示，它與工件錐體表面的交線是一條雙曲線1 ，若要準確地切出此錐體表面，就要求車刀切削刃廓形與此雙曲線形狀完全一致。但為了制造和刃磨方便，車刀切削刃都做成直線形圖6.20(a)中的直線 。用這種車刀進行切削，就要將工件的錐體表面在中間多切去一些，加工后的工件外形為一內(nèi)凹的雙曲線回轉(zhuǎn)體。工件的內(nèi)凹量稱為雙曲線誤差，由棱體成形車刀產(chǎn)生的誤差叫做第一類雙曲線誤差，一般數(shù)值較小，不超過0.05mm，在前角大到20時，誤差才達0.lmm
19、。321426.成 形 車 刀圖6.20(a)棱體成形車刀加工錐面時的誤差來源120lMM準確的工件形狀直線切削刃切出的工件形狀122213MMNNO1r1r2ff切削刃應有的形狀直線0l22214NN6.成 形 車 刀 要消除這種雙曲線誤差，又要使車刀制造方便，仍保持直線切削刃，只有使車刀切削刃位于工件軸向剖面內(nèi)，且與工件錐體表面母線完全重合才行。一般可采用下列兩種方法：對某些精加工用的成形車刀可使其 0；設計成帶刃傾角 的車刀，把如圖6.20中車刀上的 點位置提高到2點的位置上，車刀的這段切削刃便與工件錐體母線重合。這兩種方法從理論上講都可以消除雙曲線誤差，但 0的車刀對切削變形有不利影響
20、，而有 的車刀會增加工件其他部分的加工誤差，并且設計制造復雜，目前應用不多。fssf26.成 形 車 刀 用圓體成形車刀加工錐體表面時圖6.20(b)，除產(chǎn)生類似棱體成形車刀所產(chǎn)生的第一類雙曲線誤差外，還由于圓體成形車刀本身也是一個圓錐體，在 0時，它的前刀面和車刀錐體面的交線本身就已經(jīng)是外凸的雙曲線如圖6.20(b)中的曲線 ，所以圓體成形車刀相比棱體成形車刀在工件上要切去更多一層金屬，從而產(chǎn)生了第二類雙曲線誤差。這導致工件外形是一個更加內(nèi)凹的雙曲回轉(zhuǎn)體。這類誤差較大，一般可達0.4mm，當前角為20時，可達1.4mm 左右。f1426.成 形 車 刀圖6.20（b）圓體成形車刀加工錐面時的
21、誤差來源MM準確的工件形狀實際切削刃形狀12MMNNNNr1r2O1ffO0hR1R2切削刃應有的形狀軸向剖面內(nèi)切削刃是直線13426.成 形 車 刀 由于圓體成形車刀在形成后角時，車刀的中心面必須高于工件的中心面，因此其刀刃就不能位于刀具軸向剖面內(nèi)。所以加工錐體表面的車刀其刀刃一般都是外凸的雙曲線，即使是 0的車刀或磨出 也只能消除第一類雙曲線誤差而不能消除第二類誤差。由于第二類誤差比第一類誤差大得多，所以圓體成形車刀的雙曲線誤差比棱體的大，加工精度低。另外，為了減輕后續(xù)工序切斷刀的負荷，并對工件端面倒角或修光，在成形車刀兩側(cè)還需配置附加切削刃。在制造成形車刀時，為了檢驗刀具廓形，要設計一個
22、工作樣板；為了檢驗工作樣板的磨損程度，還要設計一個檢驗樣板；這兩塊樣板工作面形狀共軛，是成對設計的。有關上述方面的詳細內(nèi)容可參閱相關手冊和工具書。fs6.成 形 車 刀小小 結(jié)結(jié) 1.車刀是在普通車床、轉(zhuǎn)塔車床、立式車床、自動與半自動車床上完成工件的外圓、內(nèi)孔、端面、切槽或切斷以及部分內(nèi)外成型面等加工的切削刀具。按用途不同可分為外圓車刀、端面車刀、內(nèi)孔車刀及切斷刀等。按結(jié)構(gòu)不同，又可分為整體式高速鋼車刀、焊接式硬質(zhì)合金車刀和機械夾固式硬質(zhì)合金車刀（又分為機夾可重磨式車刀和可轉(zhuǎn)位式機夾車刀）。它們在結(jié)構(gòu)復雜性、刀桿利用率、刀片使用壽命、對生產(chǎn)率的影響等方面存在差異，正是這些差異影響了它們在生產(chǎn)中
23、的應用不同。2.可轉(zhuǎn)位刀片的主要代碼包括刀片形狀、有無斷屑槽和固定孔、刀片的主要尺寸以及斷屑槽型等。選擇刀片形狀時要考慮被加工零件的形狀、工序性質(zhì)、刀片利用率等因素；有無斷屑槽則取決于工件材料（鑄鐵等脆性材料加工不需斷屑槽）；有無固定孔取決于刀片夾緊方式（若用上壓實，則無需帶孔）；刀片切削刃長度取決于作用主切削刃長度；刀片的厚度主要取決于切削力的大小；斷屑槽型的選擇取決于工件材料、加工性質(zhì)(粗、精加工)、工序內(nèi)容（加工外圓、內(nèi)孔或緞面）、切削用量、工件剛性等。3.成形車刀的前、后角不僅與制造過程有關，還與安裝有關，其前、后角是通過安裝獲得的。要注意驗算成形車刀的后角，對于 的切削刃處的后刀面要采取改進措施，以減小車刀后刀面與工件間的劇烈摩擦。4.對于普通徑向進給的成形車刀，其軸向尺寸和工件的軸向尺寸是相等的，當 ，時，刀具在N-N剖面上的廓形深度P和工件軸向剖面上的廓形深度Pw是不相等的，所以必須對刀具的廓形深度加以修正設計、計算。同時也是產(chǎn)生雙曲線誤差的根本原因。成形車刀的廓形設計有作圖法和計算法。00r00f00f00f
第六章 成型車刀
