硬质合金可转位车刀设计(待修改)

四、硬质合金可转位车刀设计

［原始条件］

加工连杆体工序7中车大头孔，工件材料为QT450-10，铸件。表面粗糙度要求达到Ra6.3，需采用粗车，使用机床为CA6140普通车床。

试设计一把硬质合金可转位外圆车刀。

设计步骤为：

（1）选择刀片夹固结构。考虑到加工在CA6140普通车床上进行，且属于连续切削，参照表2.1典型刀片夹固结构简图和特点，采用偏心式刀片夹固结构。

（2）选择刀片材料（硬质合金牌号）。由原始条件给定：被加工工件材料为QT450-10，连续切削，完成粗车工序，按照硬质合金的选用原则，选取刀片材料（硬质合金牌号）为YG8。

（3）选择车刀合理角度。根据刀具合理几何参数的选择原则，并考虑到可转位车刀几何角度的形成特点，选取如下四个主要角度：①前角γo= 15°；②后角 o = 5°；③主偏角kr = 75°；④刃倾角λs= -6°。

后角 o的实际数值以及副后角 o 和副偏角k rg 在计算刀槽角度时，经校验后确定。

（4）选择切削用量。根据切削用量的选择原则，查表确定切削用量。 粗车时：切削深度ap=2mm，进给量f= 0.5mm/r，切削速度v= 128m/min ；

（5）选择刀片型号和尺寸：

①选择刀片有无中心固定孔。由于刀片夹具结构已选定为偏心式，因此应选用中心有固定孔的刀片。

②选择刀片形状。按选定的主偏角kr = 75°，参照文献5中2.4.4.2节刀片形状的选择原则，选用正方形刀片。

③选择刀片精度等级。参照文献5中2.4.4.3节刀片精度等级的选择原则，选用U级。

④选择刀片内切圆直径d（或刀片边长L）。根据已确定的ap=2.0mm，kr = 75°和λs= -6°，将ap、kr和λs代入文献5公式（2.5），可求出刀刃的实际参加工作长度Lse为

Lse =sinkrcos s=sink75 cos( 6 )=2.082mm ap

则所选用的刀片边长L应为

L＞1.5 Lse=1.5×2.082=3.123mm

因为是正方形刀片，所以 L=d＞3.123mm

⑤选择刀片厚度s。根据已选定的ap=2.0mm、f=0.5mm/r及通过文献5图2.3（选择刀片厚度的诺模图），求得刀片厚度s≥3.0mm。

⑥选择刀尖圆弧半径rε。根据已选定的ap=2.0mm、f=0.5mm/r及通过文献5图2.4选择刀片厚度的诺模图，求得连续切削时的rε=0.8mm。

⑦选择刀片断屑槽型式和尺寸，参照文献5中2.4.4.4节中刀片断屑槽型式和尺寸的选择原则，根据已知的原始条件，选用A型断屑槽，断屑槽的尺寸在选定刀片型号和尺寸后，便可确定。

综合以上七方面的选择结果，确定选用的刀片型号是：SNUM120408R-A4（见文献5表2.10），其具体尺寸为

L=d=12.70mm；s=4.76mm；d1=5.16mm；m=2.301mm；rε=0.8mm

刀片刀尖角εb= 90°；刀片刃倾角λsb= 0°；断屑槽宽Wn =4mm；取法前角γnb= 20°。

(6)选择硬质合金刀垫型号和尺寸。硬质合金刀垫形状和尺寸的选择，取决于刀片夹固结构及刀片的型号和尺寸。本题选择与刀片形状相同的刀垫，正四方形，中心有圆孔。其尺寸为：L= 11.70mm；厚度s=3.18mm；中心孔直径d1=4.4mm。材料为YG8。型号为S12N。

(7) 计算刀槽角度。可转位车刀几何角度、刀片几何角度、刀槽几何角度之间的关系，如文献5图2.5所示。

刀槽角度计算步骤是；

①刀杆主偏角krg

krg = kr = 75°

②刀槽刃倾角λsg

λsg =λs= -6°

③刀槽前角γog

将γo= 15°、γnb= 20°、λs= -6°代入式（2.8），得

tan15 tan20 /cos ( 6 ) tanγog= = - 0.089

则γog= -5.086°(5°5′9″)，取γog= -5°。

④验算车刀后角 o。车刀后角 o的验算公式为

(tan nb tan ogcos s)

tan o = 1 tan tan ogcos s ( 1 ) nb

当 nb = 0°时，则式（1）成为

tan o = - tanγog cosλs ( 2 )

将γog= -5°、λs= -6°代入式（2），得tan o = - tan（-5°）cos2（-6°）=0.87，则

o =4.946°(4°56′44″)

与所选角度值相近，可以满足切削要求。而刀杆后角 og ≈ o ，故 og = 5°。

⑤刀槽副偏角

k rg = kr = 180°- kr - εr

因为 εr g =εr ，krg= kr

所以 k rg = 180°- krg -εr g = 180°- kr -εr ( 3 )

车刀刀尖角εr的计算公式为：

cosεr = [ cosεrb (tan ogcos s)2- tan og sin s] cos s ( 4 ) 当εrb=90°时，式（4）成为

cosεr = -tan og sin scos s ( 5 )

将 og = -5°、 s=-6°代入式(5 )，得

cosεr = -tan（-5°）sin（-6°）cos（-6°）= -0.0091

εr = 90.52°(90°31′16″)

故 k rg ≈k r = 180°- 75°- 90.52°= 14.48°(14°28′48″)

取 k rg = 14.5°

⑥ 验算车刀副后角 o。车刀副后角 o的验算公式为

(tan nb tan ogcos og)

tan o = 1 tan nbtan ogcos sg ( 6 )

当 nb= 0°时，式( 6 )成为

tan o = - tanγ og cos2λ sg ( 7 )

而 tanγ og = - tanγog cosεrg + tanλsg sinεrg ( 8 )

tanλ sg = tanγog sinεrg + tanλsg cosεrg ( 9 ) 将γog = -5°、 sg = -6°、εrg =εr =90.52° 代入式（8 ）、( 9 )中，得

tanγ og = - tan（-5°）cos90.52°+ tan（-6°）sin90.52°= -0.106 所以 γ og = - 6.04°(-6°2′41″)

tanλ sg = - tan（-5°）sin90.52°+ tan（-6°）cos90.52°= -0.087 所以 λ sg = - 4.95°(-4°56′44″)

再将 γ og = - 6.04°、λ sg = - 4.95°代入式( 7 )，得

tan o = - tan（- 6.04°）cos2（- 4.95°）= 0.105

所以 o = 5.99°(5°59′43″)，可以满足切削要求。

刀槽副后角 og ≈ o ，故 og =5.99°，取 og =6°。

综合上述计算结果，可以归纳出：

车刀的几何角度

γo= 15° o = 4.946° kr =75° k r = 14.5° s= -6° o =5.99° 刀槽的几何角度

γog= -5° αog= 5° krg =75° k rg = 14.5° sg= -6° og =6°

(8) 计算铣制刀槽时需要的角度

①计算刀槽最大负前角γgg及其方位角τgg。

将γog= -5°、 sg= -6°代入文献5公式（2.9)，得

22 tanγgg = -tan( 5 ) (tan( 6 ) = - 0.137

γgg = -7.79°(-7°47′13″)

将γog= -5°、 sg= -6°代入式(2.10)，得

tanτgg = tan(-5°)/tan(-6°) = 0.382

τgg = 39.77°(39°46′26″)

②计算刀槽切深剖面前角γpg和进给剖面前角γfg 。

将γog= -5°、 sg= -6°，kr =75°代入式( 8 ) 和式( 9 )，可得

tanγpg = tan（-5°）cos75°+ tan（-6°）sin75°= -0.124

tanγfg = tan（-5°）sin75°+ tan（-6°）cos75°= -0.057

所以 γpg = -7.08°(-7°4′41″)

γfg = -3.28°(-3°16′47″)

(9)选择刀杆材料和尺寸。

①选择刀杆材料。选用45号钢为刀杆材料，热处理硬度为HRC38～45，发黑处理。

②选择刀杆尺寸

由于设计车刀用于车削内孔，通过查询可转位内孔车刀国际图册选择刀杆高度H=25mm 刀杆宽度B=20mm h1=20mm 刀杆长度L=200mm b=6mm 由于切削深度ap=2.0mm，进给量f= 0.5mm/r，可以不必校验刀杆强度。

(10)选择偏心销及其相关尺寸。

①选择偏心销材料。偏心销材料选用40Cr，热处理硬度为HRC40～45，发黑。

②选择偏心销直径dc和偏心量。偏心销直径可用文献5式（2.1)求出，即 dc = d1 -（0.2～0.4）mm

前面已经选定d1 =5.16mm，取括号内最大数值0.4 mm，则

dc =5.16 - 0.4 =4.76mm

偏心量可用文献5式(2.2)求出，即

1dcd 22

22

1 12

2e≤ 为计算方便，取μ1 =μ2 = 1.3，dc = d2 1=1，则由文献5式（2.2）得e≤0.13dc

=0.13×4.76=0.6188mm，取e =0.6 mm 。

为使刀片夹固可靠，选用自锁性能较好的螺钉偏心销，并取螺钉偏心销转轴直径d2为M6。

③计算偏心销转轴孔中心在刀槽前刀面上的位置。根据前面已经选定的各尺寸

d1 =5.16mm，d=12.70 mm，

dc = 4.76mm ，e =0.65 mm

取β= 30°，代入则

m = 2+ 0.65sin30°- cos30°= 6.5 mm 2

n = - 0.65cos30°- sin30°= 5.88 mm 22

(11) 绘制车刀工作图和零件图。

①硬质合金可转位外圆车刀，见附图5。

②硬质合金可转位外圆车刀刀杆，见附图6。

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