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刀具方案文档在线提供

前言

本设计是根据高等职业院校机械制造专业制定的《金属切削原理与刀具》的部分内容为依据设计的。

本设计主要针对对刀具的设计，使高等职业院校学生对课程理念加深印象。

此设计包括刀具材料的选择，刀具几何参数的选择两部分，共分六节，依次为：

对零件的分析、刀具材料的选择、刀具几何参数的选择、切削液的选择、进给量的选择、以及计算。

此设计突出了基础知识，用于分析和解决切削时有关提高质量、提高效果和降低成本等技术问题，介绍了如何选择刀具材料，刀具几何参数，切削液以及进给量的选择，最终计算是否符合车床的使用效率，在设计当中，给出了车床的基本用量。

为了便于理解，此设计还给出了车刀的工作图，用来加深印象及理解，途中还标注了相关的尺寸。

本设计在设计过程中得到了许多同学和老师的帮助和指导，谨表衷心感谢。

设计中尚有错误、疏漏和不妥之处，敬请批评指正。

一、零件分析

1、零件技术要求的加工性分析

2、零件结构的切削加工性分析

3、零件材料的切削加工性分析

4、生产纲领分析

二、刀具材料选择

1、说明刀具材料在加工中应有的性能与其作用

2、说明选择常用刀具材料的原由

3、比较常用刀具材料的性能特点，说明刀具材料的选择方法及选择依据

三、刀具几何参数的选择

1、车刀类型的选择

2、各几何参数在切削中的作用

①前角r0的作用

②后角αo的作用

③主偏角κr的作用

④刃倾角λs的作用

⑤副后角αo＇的作用

⑥副偏角κr＇的作用

⑦刀尖圆弧半径的选择

⑧刃口形式的选择

3、刀具结构参数的选择

1刀柄的选择

2刀头的选择

3刀片的选择

4刀槽的选择

4、可能存在的问题

四、切削液的选择

1切削液的作用

2切削液的种类及应用

五、切削用量的选择

⒈选择背吃刀量

⒉选择进给量

六、计算

任务书

车刀设计

C6140功率7.5KWη=85％

车外圆

ZGMn13高锰钢，无硬皮

1.刀具几何参数，结构参数的选择

2.切削液选择

3.刀具材料选择

4.切削用量

5.刀具工作图

说明书

1.说明书A4纸

2.零件结构，技术要求：

粗车

3.材料性能分析

4.材料力学性能分析

5选择刀具材料

6.刀具应具备的力学性能

7.刀具种类

8.不同种类刀具特点

9.刀具，刀尖，几何角度的选择

一、零件分析

1、零件技术要求的加工性分析

ZGMn13高锰钢为难加工材料，硬度为210HBS，抗拉强度σb=0.981GPa，伸长率δ=80%，冲击韧度为αk=2943KJ\m2，热导率k=13w/（m.k>,其加工性等级为：

“4.5.9.9a.8”，高锰钢的伸长率和冲击韧度很高，切削时塑性变形大，加工硬化严重，硬化层深度达0.1~0.3mm以上，硬度较基体高两倍左右，热导率较小，切削温度高。

零件要求粗加工，毛坯L=450mm，D=Φ74mm，要求加工到L=450mm,D=Φ63mm,表面粗糙度为Ra=3.2um。

2、零件结构的切削加工性分析

ZGMn13的L=450mm，D=Φ74mm，L/D=6为短轴，又为粗加工，加工的余量大，不易振动及变形。

3、零件材料的切削加工性分析

ZGMn13高锰钢为难加工材料，硬度为210HBS，抗拉强度σb=0.981GPa，伸长率δ=80%，冲击韧度为αk=2943KJ\m2，热导率k=13w/（m.k>,,因此，其伸长率和冲击韧度很高，塑性变形大，加工硬化严重，切削温度高，切削时，刀具易磨损，寿命低。

4、生产纲领分析

生产纲领生产纲领是指企业在计划期内应当生产的产品产量和进度计划。

根据生产纲领的大小和产品品种的多少，机械制造企业的生产可分为单件生产、成批生产和大批量生产三种生产类型。

①单件生产：

产品的种类多而同一产品的产量很小，工件地点的加工对象完全不重复或很少重复。

如重型机械、专用设备或新产品试制都属于单件生产。

②成批生产：

工作地点的加工对象，周期性的进行轮换。

如普通机床、纺织机械等的制造属于成批生产。

按照批量的大小，又可分为小批量生产、中批量生产和大批量生产三种类型。

③大量生产：

产品数量很大，大多数工作地点长期进行某一零件的某一道工序的加工。

我们使用的是CA6140机床，加工高锰钢零件，根据以上的分析，我们所加工的零件为中批量生产。

二、刀具材料选择

1、说明刀具材料在加工中应有的性能与其作用

因为ZGMn13是难加工材料，硬度为210HBS，伸长率和冲击韧度都很高，塑性变形大，加工硬化严重，切削温度高。

因此，刀具材料的硬度应高于ZGMn13，且应降低在加工过程中的加工硬化、切削温度，采用目前新开发的超细颗粒并添加稀金属TaC的硬质合金K10牌号，但K10在生产加工中不易刃磨及查找相关参数，且费用高，从经济性考虑，不宜采用，而符合以上要求的YT5更为实用。

2、说明选择常用刀具材料的原由

在切削时，因为塑性变形以及摩擦，使刀具受到高温高压作用，此外还要承受冲击与振动。

为避免迅速磨损或破损，刀具材料的选用应具有以下基本性能：

（1>高硬度和高耐磨性硬度是刀具材料应具备的基本特征。

刀具材料的硬度应大于工件材料的硬度。

一般应在62HRC以上。

刀具材料的硬度越高，耐磨性就越高；组织中硬质点的硬度越高，数量越多，颗粒越小，分布越均匀，则耐磨性就越高。

（2>足够的强度和韧性刀具材料必须具备足够的强度和韧性，以能承受切削力、冲击和振动等的作用。

<3）高的耐热性亦称热硬性及红硬性，即在高温下保持硬度、耐磨性、强度和韧性能力。

它是衡量刀具材料切削性能的主要标志。

此外，刀具材料在高温下应具有抗氧化、抗粘结和抗扩散的能力。

还应有良好的热导性和耐热冲击性。

<4）良好的工艺性即在制造时应有好的锻造、热处理、高温塑性变形、可磨削等能力。

3、比较常用刀具材料的性能特点，说明刀具材料的选择方法及选择依据

刀具材料的选用应尽量结合本国资源，降低刀具材料的价格和制造成本。

生产中应根据不同的切削条件合理选择刀具切削部分材料，以充分发挥各种刀具材料的性能特点。

K10的刀具，为硬质合金，硬度为89~93HRA,耐热性可达800~1000℃，抗弯强度1~1.75GPa，冲击韧性0.4MJ/㎡左右，适用于加工车铁、铜及有色金属材料。

钨钛钴类

   由碳化钨、碳化钛和钴组成，加入碳化钛可以增加合金的耐磨性，可以提高合金与塑性材料的粘结温度，减少刀具磨损，也可以提高硬度；但韧性差，更脆、承受冲击的性能也较差，一般用来加工塑性材料，如各种钢材。

常用牌号有YT5、YT15、YT30等，后面数字是碳化钛含量的百分数，碳化钛的含量愈高，红硬性愈好；但钴的含量相应愈低，韧性愈差，愈不耐冲击，所以YT5常用于粗加工，YT15和YT30常用于半精加工和精加工。

YG类硬质合金的韧性和导热性较好，不易与切屑粘结，因此适用于不锈钢粗车加工；而YW类硬质合金的硬度、耐磨性、耐热性和抗氧化性能以及韧性都较好，适合于不锈钢的精车加工。

因此选用YT5作为刀具材料十分合适。

三、刀具几何参数的选择

1、车刀类型的选择

车刀的种类很多，按用途可分为外圆车刀、端面车刀、切断车刀、螺纹车刀和内孔车刀等；按结构又可分为整体式、焊接式、机夹式和可转位式，按照要求，我们选用焊接式车刀，焊接式车刀是将硬质合金刀片钎焊在碳素结构钢刀柄的刀槽内的车刀，它具有结构简单，制造方便，可按需刃磨，并且刚性好等优点，应用广泛。

2、各几何参数在切削中的作用

1前角r0的作用

前角是起切削作用的一个重要角度，它的大小影响切削变形、刀——削面间摩擦、散热效果、刀具强度和加工精度等。

因此，选择好前角十分重要。

当前角r0增大，剪切角φ随着增大，金属塑性变形小，变形系数ξ减小，沿前刀面的摩擦力减小，因此切削力减小。

选择前角应遵循以下基本原则：

按加工精度要求精加工前角较大，粗加工较小，加工铸锻毛坯件，带硬质点表面和断续切削前角小，成型刀具和展成刀具为减小重磨后刃形误差前角取零或很小；

按加工材料要求加工材料的塑性、韧性高，前角较大；强度、硬度高，前角较小，加工脆性、淬硬材料前角小或负值；

按刀具材料要求高速钢刀具的抗弯强度、韧性较高，前角大，硬质合金刀具前角较小；陶瓷刀具的强度、韧性低，前角更小些；ZGMn13为材料零件为粗加工，强度硬度高，所以前角较小，且刀具材料YT5为硬质合金，前角也应小，综合选择，r0=3o。

2后角αo的作用

后角大小影响后面与切削表面间摩擦程度和刀具强度。

具体选择原则是：

按加工精度要求精加工后角较大αo=10°~12°；粗加工后角较小αo=8°~12°。

按加工材料要求切削塑性金属后角较大，例如低碳钢αo=8°~12°；脆性金属后角较小，如铸铁αo=6°~8°；切削强度、硬度高材料后角较小，如高强度钢αo≤10°；切削韧性高材料易产生粘削屑后角较大，如纯铜αo=12°~15°。

ZGMn13高锰钢为粗加工，硬度高，后角应选较小值，αo=8°。

3主偏角κr的作用

主偏角的大小影响刀头强度，径向分力大小，传散热量面积、残留面积高度。

因而主偏角是影响刀具寿命和加工表面质量的重要角度。

主偏角选择原则是：

按加工表面粗糙度要求在加工系统刚性允许时，减小主偏角能减小表面粗糙度高度，提高加工表面质量。

按加工材料要求切削硬度、强度高材料选取较小主偏角。

例如切削淬火钢、冷硬铸铁κr=10°~30°、刚锰钢κr=25°~45°、热喷涂材料κr=10°~15°。

按加工条件要求根据加工零件的形状，加工系统刚性等条件参考表4-5选取主偏角κr值。

表4-5按加工条件主偏角κr选用参考值

加工条件

加工系统刚性足够

加工系统刚性较好

可中间切入

加工外圆端面倒角

加工系统刚性较差

粗车、强力车削

加工系统刚性较差

台阶轴、细长轴

多刀车、仿形车

切断切槽

主偏角κr

10°~30°

45°

60°~70°

75°~93°

90°

综合以上要求，选择主偏角为45°。

4刃倾角λs的作用

刃倾角影响实际工作前角，当刃倾角绝对值增大时，实际工作前角增大，因此切削变形小。

具体选择原则为：

按加工精度要求精加工时防止切削划伤已加工表面，取λs=0°~+5°，粗加工时提高刀刃强度，取λs=0°~-5°。

按加工条件要求加工断续表面、加工余量不匀面表面，在有冲击振动情况下通常选取负刃倾角，此外，按加工材料性能选，加工强度、硬度高材料，选较小或负刃倾角。

表4-6按加工条件、加工材料刃倾角选用值

应用范围

精车钢，车细长轴

精车有色金属

粗车刚和灰铸铁

粗车余量不均匀刚

断续车削钢、灰铸铁

带冲击切削淬硬钢

大刃倾刀具薄切削

λs值

0°~+5°

+5°~+10°

0°~-5°

-5°~-10°

-10°~-15°

-10°~-45°

-45°~-75°

综上所述，选择λs=0°。

5副后角αo＇的作用

一般刀具上副后角的选择原则与主后角的相同，在面铣刀上为便于制造，选取αo＇=αo。

对于切槽刀、三面刃铣刀齿强度常选用很小副后角αo＇=1°~2°。

因此选择αo＇=2°。

6副偏角κr＇的作用

副偏角是影响加工粗糙度的主要角度，通常是减小副偏角来减小理论粗糙度的高度。

副偏角影响刀头强度，过小副偏角会引起与已加工表面摩擦和产生振动、降低已加工表面质量。

副偏角的选择：

粗车κr＇=10°~15°，精车、加工系统刚性较差、台阶轴、细长轴、仿形车和加工强度、硬度高材料κr＇=6°~10°，切断、切槽刀κr＇=1°~2°。

因此选择κr＇=10°。

⑦刀尖圆弧半径的选择所车的零件为粗车，为提高刀尖强度，应选择较大圆弧半径，但也不能过大，以免切削时引起振动，粗车时进给量一般为0.56，根据表4-8可知刀尖圆弧半径为1.2。

表4-8不同表面粗糙度和刀尖圆弧半径时的进给量

2.5~12.5

6.3~2.5

4.9~6.3

4.0~4.9

2.5~4.0

1.6~2.5

1.0~1.6

0.4

---

0.27

0.25

0.22

0.20

0.15

0.10

0.8

0.51

0.43

0.37

0.32

0.28

0.22

0.13

1.2

0.69

0.56

0.49

0.41

0.36

0.29

0.18

1.6

0.88

0.68

0.57

0.47

0.39

0.31

0.20

⑧刃口形式的选择刃口的形式对切削刃的强度和寿命有显著影响，国标规定为E、F、T、S4种，车削用的刀片基本上是修圆切削刃E型，其倒圆半径rn一般在0.03~0.08mm，涂层刀片修圆半径rn小于等于0.05mm，精车时选较小值，粗车时选较大值，因此，选择rn为0.08。

3、刀具结构参数的选择

①刀柄的选择刀柄横剖面形状有矩形、正方形和圆形三种，其中以矩形刀柄应用最多。

应在其上铣出刀槽后，强度削弱不多。

刀柄的长度一般取其高度的6倍，CA6140的中心高为200，根据表5-2常用刀具刀柄横截面尺寸可知，矩形刀柄断面B×H为16×25，长度为150。

表5-2常用刀具刀柄横截面尺寸<单位:

mm）

机床中心高

150

180~200

260~300

350~400

正方形刀柄断面H2

162

202

252

302

矩形刀柄断面B×H

12×20

16×25

20×30

25×40

②刀头的选择刀头形状可分为直头和偏头两种。

直头结构简单，制造方便；偏头通用性好，能车外圆和端面。

因此选用45°偏头车刀。

a>直头外圆车刀b>90°偏头外圆车刀c>45°偏头车刀d>切断车刀

③刀片的选择刀片的选择是根据车刀的用途和主偏角来选择刀片的形状，并根据背吃刀量和主偏角来决定刀片长度L。

同时，外圆车刀一般应使参加工作的切削刃长度不超过刀片长度的60%~70%。

背吃刀量ap=5.5mm，主偏角κr=45°。

因此，L=1.4ap.160%=12.4,取12，再查表得C=10,B=4,因此选择A112型刀片。

如图：

④刀槽的选择国标规定的刀片槽型有16种，其中常用的典型槽型为A、K、V、W、C、B、G和M等，目前，国内外对刀片断削槽型的研究十分重视，我国许多工厂在引进基础上开发了许多适应性好，断削性能可靠的断削槽型，因为ZGMn13是硬材料，会产生内应力，又因为使用的是A1型刀片，因此选用折线形开口槽，其相关数据为：

hg=H-（1~2>-Ccosαo/cos（αo+γ0g>=15.7mm

bg=B-Ctan（αo+γ0g>=9mm

Lg=L-Ccosαo/cos（αo+γ0g>*tanαo＇=11.6mm

H——刀杆高度尺寸；

L、B、C——刀片的长、宽、高。

④刀面的选择车刀由前面、后面几副后面组成。

前面Ar刀面上切削流过的表面。

后面Aa与工件上过渡表面相对的刀具表面。

为了提高刃口强度，在前面前端接近切削刃的地方可磨出倒棱，在后面前端接近切削刃的地方可磨出刃带。

副后面Aa′与工件上已加工表面相对的刀具表面。

4、可能存在的问题

⑴刀具磨损在切削时因为切屑于刀具前面﹑加工表面与刀具后面之间产生持续的温度和摩擦作用，使刀具前面和后面出现磨损，尤其是刀具受到高温和冲击振动等的作用，还可能会使刀具破损。

⑵刀具寿命在切削时因为工件材料﹑刀具材料﹑刀具几何参数和切削用量的共同的作用会对刀具的寿命起到一定影响。

例如切削用量对刀具寿命影响最大的是切削速度vc,其次是进给量f，影响较小的是背吃刀量ap。

因为切削速度提高，摩擦加剧，切削温度高，刀具磨损快，刀具寿命降低幅度大。

⑶积屑瘤存在与否积屑瘤产生的原因是刀与屑之间产生粘结，增大了切屑流出的阻力，促使切屑在底面停留形成滞流层。

在一定压力和温度条件下，流速极低的滞流层被剪切断裂粘附在到人处，该粘附层受到切屑流出时的挤压和摩擦作用使硬度提高，高硬度的粘附层又继续剪切流出切屑的底层金属，如此层层堆积形成了积屑瘤。

在这里显然还是存在这样的影响，虽然积屑瘤对粗加工有利，但会一定程度上影响粗糙度

四、切削液的选择

合理选用切削液能起到减小切削变形、有效的减小切削力、降低切削温度的作用、从而能延长刀具寿命、防止工件热变形和改善已加工表面质量。

此外，使用高性能切削液也是改善某些难加工材料切削加工性的一个重要措施。

1、切削液的作用

1、冷却作用

切削液浇注在切削区域内，利用液体吸收大量热，并以热传导、对流和汽化等方式降低切削温度。

2、润滑作用

切削液具有渗透作用，利用渗透到切削、工件与刀具接触面间形成吸附薄膜达到增加润滑和减小摩擦效果。

吸附薄膜有物理性吸附膜和化学性吸附膜。

物理性吸附膜是在切削液中加动物油、植物油、油酸等油性添加剂。

化学性吸附膜是添加硫、氯和磷等极压添加剂使与金属表面起化学反应形成牢固的化学性吸附膜，从而在高温时减少摩擦，提高润滑效果。

3、排屑和洗涤作用

在磨削、钻削、深孔加工和自动化生产中可利用浇注或高压喷射切削液来排除切削、引导切削流向和冲洗机床及工具上细削、磨粒。

4、防锈作用

切削液中加入防锈添加剂，使它与金属表面起化学反应而生成保护膜，起到防锈、不伤害人体和使用经济性等要求。

目前国内外许多工厂实行“绿色切削”，利用气态、固态冷却润滑剂，并采取有效通风、冷却装置等。

进行“绿色切削”是改善工厂废液排放和生态环境的重要方向。

尤能降低切削液的输送、排放系统及装置的成本。

2、切削液的种类及应用

生产中常用的切削液有：

以冷却为主的水基切削液和以润滑为主的油基切削液。

①水基切削液

水基切削液包括有：

水溶液、乳化液和合成切削液。

②油基切削液

油基切削液主要有：

切削油和极压切削油。

⑴切削油

切削油中有矿物油、动植物油和复合油。

⑵极压切削油

极压切削液分为极压乳化液和极压切削油两类。

它们分别是在乳化液和矿物油中添加氯、硫、磷等极压添加剂配制而成。

极压添加剂能形成牢固的化学膜，在高温时可显著提高冷却和润滑效果。

极压切削液在高速加工、精加工及对难加工材料加工中使用最多。

氯化切削油形成的化学膜熔点为600°，在加工钢时耐高温350°。

它的摩擦因素小、润滑性好，用于切削合金钢、高锰钢及其它难加工材料。

硫化切削油形成硫化铁化学膜，熔点为1100°，在切削时耐高温750°。

硫化液可用于车、铣粗加工不锈钢、耐热钢、不锈钢镗孔、铰孔和车螺纹等，并用于对合金钢德拉削和齿轮加工等。

综合经济性及适用性要求，选用氯化切削油作为润滑油。

五、切削用量的选择

在已确定了刀具几何参数后，再选定切削用量，才能进行正常切削工作。

切削用量选择主要是指，确定背吃刀量ap、进给量f和切削速度vc，必要时还需进行机床功率的检验。

选择切削用量应根据加工要求、加工条件，并考虑生产效率、加工质量和生产成本等原则进行。

1、选择背吃刀量

背吃刀量是根据粗、精加工要求、已知的加工余量及加工系统刚性和机床功率来确定。

粗加工

为提高生产效率，在刀具强度、加工系统刚性允许条件下，尽量一次切除余量，若余量多，表面粗糙不平、有硬皮等，可将加工余量分二次切除。

所加工的零件无硬皮，且为粗加工，余量也不大，因此一次性切除ap=5.5。

2、选择进给量f

确定进给量f的原则是：

对于粗加工，应在加工工艺系统钢性和强度、机床进给系统强度允许条件下确定进给量f的值；对于精加工，则根据表面粗糙度要求选择进给量f值。

粗加工切削用量的选择见表4-7。

表4-7硬质合金车刀粗车外圆时的进给量

工件材料

车刀刀杆尺寸

工件直径

背吃刀量

≤3

＞3~5

﹥5~8

﹥8~12

12以上

进给量f

碳素结构钢和合金结构钢

16×25

20

40

60

100

400

0.3~0.4

0.4~0.5

0.5~0.7

0.6~0.9

0.8~1.2

——

0.3~0.4

0.4~0.6

0.5~0.7

0.7~1.0

——

——

0.3~0.5

0.5~0.6

0.6~0.8

——

——

——

0.4~0.5

0.5~0.6

——

——

——

——

——

20×30

25×25

20

40

60

100

600

0.3~0.4

0.4~0.5

0.6~0.7

0.8~1.0

1.2~1.4

——

0.3~0.4

0.5~0.7

0.7~0.9

1.0~1.2

——

——

0.4~0.6

0.5~0.7

0.8~1.0

——

——

——

0.4~0.7

0.6~0.9

——

——

——

——

0.4~0.6

因为背吃刀量为5.5mm，工件直径为62mm，根据表可选择进给量为f=0.56mm.r-1。

六、计算

在CA6140车床上粗车ZGMn13，材料抗拉强度σb=0.981GPa、硬度210HBS、毛坯尺寸为Φ74mm×450mm,粗车后要求尺寸为Φ63mm×450mm,表面粗糙度要求为Ra=3.2µm。

<车床的功率为P=7.5kw,η=85%）

总结

在车刀设计中，参数的选择直接决定加工工艺的好与坏。

在选择刀具材料是YW类硬质合金对于加工高锰钢是很好的材料，但因为设计参数难找，价格也很高，从经济性考虑，不适合我国的国情，因此，只好选择YT15，这种刀具也可以加工高锰钢，且价格比较便宜，实用性也较高。

在选择断屑槽时，不能选择圆弧型断屑槽，圆弧型断屑槽大大增加了刀具在加工中的前角，对于高锰钢的加工就不适应了，只能选择折线型断屑槽。

根据课本的进给量的选择，要达到3.2的粗糙度的前提下，进给量为0.56，刀尖圆弧半径为1.2，在副偏角的选择上，根据粗车工件以及刀具材料的前提下，主偏角一般在25°~45°，但选择45°偏头车刀时，主偏角就是45°，根据车刀的结构，我选择了45°的主偏角。

在车刀设计中，因为没有详细的资料可以查阅，有些参数的选择范围就很狭窄，选择出来的参数都是不比较准确的，例如在粗糙度能保证的情况下，进给量可以选大些。

在这次设计中对于切削热的分析比较少，是因为硬质合金有耐高温的特性，而且切削液的冷却作用也很适合。

通过这次车刀的设计，使我对于课本上的知识又进一步的了解了，对相关的知识也可以勉强联系起来了。

同时，也使我对刀具的材料以及刀具的几何参数选择有了一定的分析能力和鉴别能力，经过设计，也加深了我对本门课程的学习兴趣。