第六章 成型车刀

金属切削刀具设计机械与动力工程学院主讲人 曲海军Tel:15993775913Email:6.成 形 车 刀 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IT10IT8，表面粗糙度可达3.26.3；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。6.1 成形车刀的种类、用途及装夹 1.成形车刀的种类 刀具结构不同，生产中最常用的是下面3种沿工件径向进给的成形车刀，如图6.11所示。(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。fffv(a)平体成形车刀图6.11 成形车刀种类 6.3 成 形 车 刀(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。(b)棱体成形车刀图6.11 成形车刀种类 fvff6.成 形 车 刀(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(详见6.3.4小节)较大，加工精度不如前两种成形车刀高。(c)圆体成形车刀图6.11 成形车刀种类 ffvff6.成 形 车 刀 另外，除了上述的径向方向进给的成形车刀外，还有切向进给的成形车刀，如图6.12所示。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。图6.12 切向进给成形车刀nf6.成 形 车 刀 2.成形车刀的装夹 通常成形车刀是通过专用刀夹安装在机床上的。对装夹的要求是：夹持可靠、刚性好、装卸容易、调整方便，并且夹持结构力求简单和标准化。如图6.13所示，棱体成形车刀是以燕尾的底面或与其平行的面作为定位基准面装夹在刀夹燕尾槽内的，并用螺钉及弹性槽夹紧。图6.13 棱体成形车刀的装夹1棱体刀；2夹紧螺栓；3调节螺钉；4螺钉；5刀夹 6.成 形 车 刀 如图6.14所示，圆体车刀3以内孔为定位基准面，套装在带螺纹的心轴2上，通过销子1与端面齿环4相连，以防车刀工作时转动。将齿环与圆体成形车刀一起相对扇形板5转动若干齿，则可粗调刀尖高度，扇形板同时与蜗杆9啮合，转动蜗杆就可微调刀尖高低。在心轴表面上还开了一条窄小长槽，利用螺钉6可避免旋紧螺母7时心轴一起转动，但允许心轴2轴向移动。刀夹上的销子8用来限制扇形板转动的范围。平体成形车刀装夹方法与普通车刀相同。图6.14 圆体成形车刀的装夹1、8销子；2心轴；3圆体车刀；4齿环；5扇形板；6螺钉；7、11夹紧螺母螺栓；9蜗杆；10刀夹6 成 形 车 刀6.2 成形车刀的前角和后角 1.前、后角的形成及其大小 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6.15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。6.成 形 车 刀(a)棱体成形车刀 (b)圆体成形车刀图6.15 成形车刀前角和后角的形成6 成 形 车 刀 在制造棱体成形车刀时，将前刀面与后刀面的夹角磨成90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6.15(a)所示。在制造时将圆体成形车刀的前刀面做成离其中心为的距离如图6.15(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 (mm)(6.1)(mm)(6.2)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、为半径的磨刀检验圆，重磨时应置前刀面于这个圆的切平面内。0sin()ffhRsinfHR6.成 形 车 刀 由图6.15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f2f1，f2f1；而且圆体成形车刀的这种变化更为显著。2.正交平面后角及其过小时的改善措施 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 0、0的成形车刀为例来进行讨论。如图6.16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(6.3)式中：切削刃上点的主偏角。fsortantansinxfxxrx6 成 形 车 刀图6.16 成形车刀具正交平面后角6 成 形 车 刀 显然 ，并且 随的 减小而减小；当 0时，不论 等于多少，总有 0。该段切削刃及其后面将与工件产生剧烈摩擦，切削条件恶劣，需采取适当措施予以改善，以保证 23。常用的措施有：(1)在 0的切削刃上磨出凹槽以保留一条窄小的棱面如图6.17(a)所示.(2)磨出 2或 3的副偏角如图6.17(b)所示，此法可减小摩擦，且刃磨简单，但仍有一棱面或棱线与工件摩擦。(3)采用与工件轴线斜装的成形车刀如图6.17(c)所示，切削条件会更好。斜角 一般取1520。oxfxoxrxrxfxoxoxrxr r 6.成 形 车 刀图6.17 正交平面后角为0改善措施6.成 形 车 刀6.3 径向成形车刀的廓形设计 1.廓形设计的必要性 工件上包含轴线的轴向剖面廓形是已知的廓形。为了方便起见，在制造和测量成形车刀时使用的是NN剖面上的廓形，如图6.18所示。对于棱体成形车刀，就是垂直于主后刀面的NN法向剖面上的廓形；对于圆体成形车刀，就是轴向剖面上的廓形。从图6.18中可以看出，只有当 0，0时，刀具的NN平面上的廓形和工件的轴向剖面廓形才完全相同。此时成形车刀的廓形无需修正，即刀具廓形等于工件廓形。但 0成形车刀是不能进行切削工作的，必须具有合理的前角和后角才能有效地工作。显然，当 0、0或 0、0时，刀具在NN剖面上的廓形深度P和工件轴向剖面上的廓形深度Pw是不相等的，即PPw，且 、越大，两者的差别越大。对于普通径向进给的成形车刀，其轴向尺寸和工件的轴向尺寸是相等的，不发生变化，但廓形深度发生了变化，所以必须对刀具的廓形深度加以修正设计、计算。fffffffff6.成 形 车 刀图6.18棱体成形车刀的廓形设计1、2、3、4工件廓形；、切削刃投影；1、2、3、4刀具廓形12346.成 形 车 刀 2.廓形修正设计方法 成形车刀廓形设计的方法，主要有图解法和计算法。图解法较简单，但设计精度差；计算法设计精度较高但工作量大。近年来随着计算机的广泛应用，计算法的应用也十分广泛。在此仅以计算法为例介绍成形车刀的设计步骤。(1)设计成形车刀的廓形前必须做好的准备工作。做出工件廓形的正、俯视图。确定工件廓形上的组成点和基点，并进行编号。为了减少设计工作量，一般先选择工件廓形上的转折点(称为廓形的组成点)。如直线廓形可取两端点作为组成点，而曲线廓形则除两端点外，尚需根据工件精度的要求，在曲线中间再取若干点作为组成点。然后依次给各组成点编号(一般将工件回转体上半径最小处的点编为1点，称为基点。这与6.3.2节中提到的刀具上的基点1是一致的)。注意：在工件廓形上有一些小的倒角、圆角等，在廓形设计时可以不必考虑，等其他部分的廓形都设计好以后，再将它们照搬到刀具廓形的相应部位即可。6 成 形 车 刀 在工件廓形图上，标出各组成点的轴向尺寸和径向尺寸。在标注尺寸时，须注意有公差的径向尺寸应取其平均值，并以此值进行计算。根据工件的材质、刀具类型和加工情况，参照(表6-2和表6-3)选取前角和后角。对于圆体成形车刀还需确定其外径 。根据工件最大廓深 由有关设计资料查得，也可由式(6.4)计算。0d0dpm axa01pmax22()1.5dRaed式中：apmax工件最大廓深，即工件的最大半径与最小半径之差；e考虑有足够的容屑空间时所需要的距离，可按切削厚度和切屑的卷曲程度选取，一般为3mm12mm(当工件为脆性材料时取小值，工件为韧性材料时取大值)；d 内孔直径，主要根据心轴的强度和刚度确定，一般取为(0.250.45)d0，据此取成相近之标准值10、13、16、20、22、27等；R1 刀具廓形最大半径。6.成 形 车 刀(2)棱体成形车刀的廓形设计。由于普通径向进给的成形车刀的轴向尺寸和工件的轴向尺寸相等，但廓形深度发生了变化，所以只需对刀具各点的廓形深度P2、P3、P4 进行设计计算。从图6.18 看出，P2、P3、P4、可以通过前刀面上各相应点的距离C2、C3、C4、计算出来，而C2、C3、C4、又由前刀面延长线上A2、A3、A4求出。6.成 形 车 刀图6.18棱体成形车刀的廓形设计1、2、3、4工件廓形；、切削刃投影；1、2、3、4刀具廓形6.成 形 车 刀 根据图6.18的几何关系，即可按以下顺序求出各切削刃点的廓形深度：1sinfhr11cosfAr 22sinfhr222cosfAr221CAA22cos()ffPC33sinfhr333cosfAr331CAA33cos()ffPC6.成 形 车 刀 从以上各式可知，h及A1为共用的数值。求切削刃上任意一点y的廓形深度的步骤为:sinfyyhrcosyyfyAr1yyCAAcos()yyffPC 完成刀具各点的廓形深度P2、P3、P4、的计算后，结合工件的轴向尺寸就可确定棱体成形车刀的廓形。6.成 形 车 刀(3)圆体成形车刀的廓形设计。圆体成形车刀的廓形用各点的半径R2、R3、R4、来表示，圆体成形车刀的廓形设计就是求出刀具廓形上各组成点的半径R2、R3、R4、。如图6.19所示，通过1点作前刀面的延长线，刀具中心O0与该延长线的距离为h0。前刀面上C2、C3、C4、的求法和棱体成形车刀完全相同。根据图6.18中的关系，得出各刀刃组成点的半径R2、R3、R4、顺序为 01sin()ffhR11cos()ffBR6.成 形 车 刀 从以上各式可知，h0和B1为共用的数值。求刀刃上任意一点y的廓形深度的步骤为 212BBC022tanhB022sinhR313BBC033tanhB033sinhR1yyBBC0tanyyhB0sinyyhR 完成刀具各点的半径R2、R3、R4、的计算后，结合工件的轴向尺寸就可确定圆体成形车刀的廓形。以上所述为加工外表面径向成形车刀廓形的原理，同样也可用于加工内表面的径向成形车刀。6.成 形 车 刀 用成形车刀加工成形零件时会产生误差，从而影响工件的加工精度。产生误差的原因有:刀具设计时产生的设计计算误差(如廓形设计时计算到一定有效位数而产生的计算误差、作图时的度量误差、刀具本身的双曲线误差以及圆弧廓形近似计算产生的误差等)、刀具制造刃磨时产生的加工误差、刀具使用时产生的调整误差和安装误差等。本节主要讨论双曲线误差。6.4 工件的双曲线误差 任何一个复杂的回转体工件，其成形表面均可分解成许多个单元锥体表面。用几何学原理可以证明，锥体表面与平行于轴线但不包含轴线的任何平面的交线均为双曲线。6.成 形 车 刀 当用前角 大于0的棱体成形车刀加工锥体表面时，车刀的前刀面是一个平行于工件轴线但不包含轴线的平面MM如图6.20(a)所示，它与工件锥体表面的交线是一条双曲线1 ，若要准确地切出此锥体表面，就要求车刀切削刃廓形与此双曲线形状完全一致。但为了制造和刃磨方便，车刀切削刃都做成直线形图6.20(a)中的直线 。用这种车刀进行切削，就要将工件的锥体表面在中间多切去一些，加工后的工件外形为一内凹的双曲线回转体。工件的内凹量称为双曲线误差，由棱体成形车刀产生的误差叫做第一类双曲线误差，一般数值较小，不超过0.05mm，在前角大到20时，误差才达0.lmm。321426.成 形 车 刀图6.20(a)棱体成形车刀加工锥面时的误差来源120lMM准确的工件形状直线切削刃切出的工件形状122213MMNNO1r1r2ff切削刃应有的形状直线0l22214NN6.成 形 车 刀 要消除这种双曲线误差，又要使车刀制造方便，仍保持直线切削刃，只有使车刀切削刃位于工件轴向剖面内，且与工件锥体表面母线完全重合才行。一般可采用下列两种方法：对某些精加工用的成形车刀可使其 0；设计成带刃倾角 的车刀，把如图6.20中车刀上的 点位置提高到2点的位置上，车刀的这段切削刃便与工件锥体母线重合。这两种方法从理论上讲都可以消除双曲线误差，但 0的车刀对切削变形有不利影响，而有 的车刀会增加工件其他部分的加工误差，并且设计制造复杂，目前应用不多。fssf26.成 形 车 刀 用圆体成形车刀加工锥体表面时图6.20(b)，除产生类似棱体成形车刀所产生的第一类双曲线误差外，还由于圆体成形车刀本身也是一个圆锥体，在 0时，它的前刀面和车刀锥体面的交线本身就已经是外凸的双曲线如图6.20(b)中的曲线 ，所以圆体成形车刀相比棱体成形车刀在工件上要切去更多一层金属，从而产生了第二类双曲线误差。这导致工件外形是一个更加内凹的双曲回转体。这类误差较大，一般可达0.4mm，当前角为20时，可达1.4mm 左右。f1426.成 形 车 刀图6.20（b）圆体成形车刀加工锥面时的误差来源MM准确的工件形状实际切削刃形状12MMNNNNr1r2O1ffO0hR1R2切削刃应有的形状轴向剖面内切削刃是直线13426.成 形 车 刀 由于圆体成形车刀在形成后角时，车刀的中心面必须高于工件的中心面，因此其刀刃就不能位于刀具轴向剖面内。所以加工锥体表面的车刀其刀刃一般都是外凸的双曲线，即使是 0的车刀或磨出 也只能消除第一类双曲线误差而不能消除第二类误差。由于第二类误差比第一类误差大得多，所以圆体成形车刀的双曲线误差比棱体的大，加工精度低。另外，为了减轻后续工序切断刀的负荷，并对工件端面倒角或修光，在成形车刀两侧还需配置附加切削刃。在制造成形车刀时，为了检验刀具廓形，要设计一个工作样板；为了检验工作样板的磨损程度，还要设计一个检验样板；这两块样板工作面形状共轭，是成对设计的。有关上述方面的详细内容可参阅相关手册和工具书。fs6.成 形 车 刀小小 结结 1.车刀是在普通车床、转塔车床、立式车床、自动与半自动车床上完成工件的外圆、内孔、端面、切槽或切断以及部分内外成型面等加工的切削刀具。按用途不同可分为外圆车刀、端面车刀、内孔车刀及切断刀等。按结构不同，又可分为整体式高速钢车刀、焊接式硬质合金车刀和机械夹固式硬质合金车刀（又分为机夹可重磨式车刀和可转位式机夹车刀）。它们在结构复杂性、刀杆利用率、刀片使用寿命、对生产率的影响等方面存在差异，正是这些差异影响了它们在生产中的应用不同。2.可转位刀片的主要代码包括刀片形状、有无断屑槽和固定孔、刀片的主要尺寸以及断屑槽型等。选择刀片形状时要考虑被加工零件的形状、工序性质、刀片利用率等因素；有无断屑槽则取决于工件材料（铸铁等脆性材料加工不需断屑槽）；有无固定孔取决于刀片夹紧方式（若用上压实，则无需带孔）；刀片切削刃长度取决于作用主切削刃长度；刀片的厚度主要取决于切削力的大小；断屑槽型的选择取决于工件材料、加工性质(粗、精加工)、工序内容（加工外圆、內孔或缎面）、切削用量、工件刚性等。3.成形车刀的前、后角不仅与制造过程有关，还与安装有关，其前、后角是通过安装获得的。要注意验算成形车刀的后角，对于 的切削刃处的后刀面要采取改进措施，以减小车刀后刀面与工件间的剧烈摩擦。4.对于普通径向进给的成形车刀，其轴向尺寸和工件的轴向尺寸是相等的，当 ，时，刀具在N-N剖面上的廓形深度P和工件轴向剖面上的廓形深度Pw是不相等的，所以必须对刀具的廓形深度加以修正设计、计算。同时也是产生双曲线误差的根本原因。成形车刀的廓形设计有作图法和计算法。00r00f00f00f