1、本科毕业论文（20 届）螺旋齿拉刀的计算机辅助设计所在学院 专业班级 机械设计制造及自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 本科生毕业论文I摘要在加工多种内外几何特征表面时，拉削是常用的加工方法。拉削可获得高的生产率和表面质量。拉削的主要缺陷是在加工过程中，除切削速度外其它参数都不能改变，这是因为除了切削速度，所有切削参数在拉刀制造完成后都己确定好，因此刀具设计对拉削加工中是最重要的。计算机辅助设计(CAD)经过将近 50 年的发展，在工程设计和制造业中得到了广泛的应用。从国外到国内相继出现了许多 CAD 应用软件及二次开发的软件。对于复杂刀具的设计，计算机辅助设计也越来越得
2、到重用。本文基于 Pro/e 设计了螺旋齿拉刀。本设计共分为 4个章节，第一章，阐述本设计的背景拉刀的发展和计算机辅助设计对于辅助刀具设计的运用的相关知识。第二章，提出拉刀设计的基本要素。第三章，进行了拉刀的力学分析。第四章，进行拉刀的具体设计，进行三维建模并绘制二维工程图。本课题可以有效的使用计算机辅助设计复杂刀具，缩短设计周期，节约设计成本，并能够进行参数化设计，方便修改与数据保存。关 键 词 ： 拉 刀 ； 计 算 机 辅 助 设 计 ； Pro/e本科生毕业论文IIabstract Broaching is a widely used machining operation in ma
3、nufacturing of variety of internal and external surface with geometrical features. High quality surfaces can be generated with high productivity. However, the main disadvantage of broaching is that it is not possible to change any of the cutting parameters but the cutting speed during production. Th
4、at is because all machining parameters, except cutting speed, are fixed in the manufacturing of broaching tools, which makes tool design the most important aspect of broaching.Computer aided design (CAD) after nearly 50 years of development, Computer-aided design ,it has been widely used in engineer
5、ing design and manufacturing. From foreign to domestic applications have emerged in many CAD software and secondary development of software. For complex tool design, computer-aided design more and more be reused. This design based on Pro / e Design of a helical broaches. The design is divided into f
6、our sections. The first chapter on the background of this design - broach the development and design of computer-aided design tool for supporting the use of relevant knowledge.Chapter II presented the basic elements of design broach. Chapter III, the tension in themechanical analysis tool. Chapter I
7、V, to broach the specific design, the three-dimensional modeling and rendering two-dimensional drawings. Use of this subjectcan be effectively assisted design complex computer-aided design tools, shortendesign cycle, saving design cost and design parameters to facilitate the modification and data st
8、orage.Keywords: Broach ；CAD ；Pro/e 本科生毕业论文III目录摘要 .I第一章 绪论 .- 1 -1.1 拉刀的基本知识 .- 1 -1.2 拉刀的现状和发展趋势 .- 2 -1.3 螺 旋 齿 拉 刀 的 特 点 .- 3 -1.4 计算机辅助设计技术在刀具设计中的运用 .- 5 -1.5 本课题主要意义 .- 5 -第二章 螺旋齿拉刀设计的基本问题 .- 6 -2.1 拉削余量 .- 6 -2.2 拉刀齿升量的选择 .- 6 -2.3 拉刀刀齿和容屑槽的形状 .- 7 -2.3.1 对 拉 刀 刀 齿 和 容 屑 槽 形 状 的 要 求 .- 7 -2.3.
9、2 容 屑 槽 的 形 状 和 种 类 .- 8 -2.3.3 容 屑 槽 的 尺 寸 计 算 .- 8 -2.4 拉刀几何参数的选择 .- 9 -2.4.1.拉刀的前角 .- 9 -2.4.2 拉刀的后角 .- 9 -2.5 拉刀的分屑槽 .- 10 -2.6 拉刀的圆柱部分和总长度 .- 11 -2.6.1 拉刀圆柱型前柄 .- 11 -2.6.2 拉刀颈部和过渡锥 .- 11 -2.6.3 前导部和后导部 .- 11 -2.6.4 后托柄和后柄 .- 12 -第三章 金属切削力学分析 .- 13 -3.1 直 角 切 削 原 理 .- 13 -3.1.1 第 一 变 形 区 金 属 滑
10、移 机 理 .- 14 -3.1.2 切 削 受 力 分 析 .- 14 -本科生毕业论文IV3.2 剪 切 角 机 理 .- 16 -3.2.1 斜 角 切 削 的 简 化 分 析 .- 16 -3.2.2 斜 角 切 削 的 剪 切 角 确 定 .- 17 -3.2.3 斜切角切削的切削力 .- 18 -3.3 螺 旋 齿 拉 刀 切 削 时 切 削 力 的 简 化 与 计 算 .- 19 -第四章 螺旋齿拉刀的设计 .- 20 -4.1 任 务 要 求 .- 20 -4.2 拉 刀 具 体 参 数 设 计 .- 20 -4.2.1 材 料 选 择 和 拉 削 方 式 选 择 .- 20
11、-4.2.2 选择拉刀几何参数 .- 20 -4.2.3 确定拉削余量和齿升量 .- 21 -4.2.4 容屑槽和分屑槽 .- 22 -4.2.5 确定拉刀前柄部位形状和尺寸 .- 23 -4.2.6 校 验 拉 刀 强 度 和 拉 床 载 荷 .- 23 -4.2.7 其他部位设计 .- 25 -4.3 拉 刀 三 维 设 计 .- 25 -4.4 拉 刀 二 维 图 纸 绘 制 .- 30 -总结 .- 31 -致谢 .- 32 -【参考文献】 .- 33 -本科生毕业论文- 1 -第一章 绪论1.1 拉刀的基本知识拉刀是用于拉削的成形刀具。刀具表面上有多排刀齿，各排刀齿的尺寸和形状从切入
12、 端至切出端依次增加和变化。当拉刀作拉削运动时，每个刀齿就从工件上切下一定厚度的金属，最终得到所要求的尺寸和形状。拉刀常用于成批和大量生产中加工圆孔、花键孔、键槽、平面和成形表面等，生产率很高。拉削加工的特点如下：（1）运动简单。拉削过程只需要一个主运动，而进给运动则是依靠刀齿的齿升量来完成，因此拉床结构简单，加工操作容易。（2）生产率高。拉刀齿数很多，又是几个刀齿参与切削，切削刃的工作的总长度很大，一次拉削就可以完成粗、半精、精加工工序，因此生产效率很高。拉削加工外齿轮时，一台拉床可以代替 10 台滚齿机；拉削加工内齿轮时，一台拉床可以代替 20 台插齿机；在加工特殊形状内外表面时，效果更加
13、明显。铣削和拉削对比如图 1-1。图 1-1 铣削和拉削对比（3）加工精度和表面质量高。拉削时的拉削层很薄，拉削速度较低，所以比较容易获得较小的表面粗糙度数值。由于被加工表面尺寸、形状主要取决于拉刀的精切齿和校准齿，由于拉刀在低速下工作，磨损慢，所以只要保证了拉刀的精度，就能保证被加工工件的精度，工件的尺寸一致性好，互换性高。拉刀加工典型表面时，加工精度和表面粗糙度列于表 1-1。本科生毕业论文- 2 -表 1-1 拉削加工精度和表面粗糙度一 般 拉 刀 特 殊 拉 刀加 工 表 面精 度 表 面 粗 糙 度 精 度 表 面 粗 糙 度圆 孔 IT7 9 5.0-0.63 IT7 9 0.63
14、-0.16键 槽 侧 面 IT9 10 10-2.5 IT7 9 2.5-0.63花 键 孔 齿 面 5-1.25 IT7 9 1.25-0.32齿 轮 齿 面 IT8 8 5-1.25 IT7 9 1.25-0.32平 面 IT10 11 5-1.25 IT7 9 2.5-0.63（4）加工成本低。拉刀虽然制作复杂，价格高，但是寿命长，一把拉刀加工的工件数很多，加工生产率又高，所以拉削加工成本较低。由于拉刀具有上述特点，所以被广泛的使用于批量生产中。近年来，在小批、单件生产对一些复杂、精度较高的零件中也有使用。1.2 拉刀的现状和发展趋势拉 刀 主 要 是 用 于 大 批 量 的 生 产 过
15、 程 中 ， 虽 然 他 价 格 昂 贵 ， 但 是 加 工 精 度 和 数 量 弥 补了 不 足 。 目 前 拉 刀 的 发 展 趋 势 主 要 是 为 了 提 高 拉 刀 的 加 工 效 率 、 加 工 精 度 、 刀 具 的 稳 定性 和 耐 用 度 。 对 于 拉 刀 的 改 进 主 要 是 以 下 几 个 方 面 ：（ 1） 改 善 刀 具 寿 命 。 目 前 使 用 较 广 泛 的 拉 刀 材 料 是 高 速 钢 。 最 近 也 使 用 了 硬 质 合 金 、粉 末 冶 金 高 速 钢 和 涂 层 刀 具 ， 所 以 应 用 范 围 扩 大 了 。 从 图 1-2 中 可 清 楚
16、地 看 出 ， 采 用新 材 料 带 来 的 经 济 效 益 。 根 据 科 研 和 工 业 生 广 取 得 的 试 验 结 果 表 明 ， 采 用 下 列 三 种 刀 具时 ， 由 于 其 寿 命 的 提 高 ， 每 年 可 节 省 重 磨 和 装 调 时 间 分 别 为 : 涂 层 高 速 钢 刀 具 达 67%， 硬 质 合 金 刀 具 达 73%； 涂 层 硬 质 合 金 刀 具 达 87%。采 用 粉 末 冶 金 高 速 钢 (ASP 型 )制 成 的 拉 刀 ， 具 有 良 好 的 韧 性 和 很 高 的 横 向 断 裂 强度 ， 其 寿 命 大 大 高 于 普 通 高 速 钢 。
17、 例 如 用 粉 末 高 速 钢 ASP30 制 成 的 拉 刀 ， 拉 削 转 向 轮的 球 形 孔 ， 可 加 工 2000 件 ， 而 用 M41 高 速 钢 制 成 的 拉 刀 只 能 加 工 5600 件 。 采 用 氮化 钛 涂 层 高 速 钢 推 刀 加 工 内 齿 轮 ， 其 寿 命 比 普 通 未 涂 层 高 速 钢 推 刀 提 高 3 倍 ， 重 磨后 寿 命 也 有 提 高 ， 且 加 工 表 面 光 洁 度 得 到 改 善 。 采 用 装 圆 形 硬 质 合 金 可 转 位 刀 片 的 拉 刀加 工 曲 轴 轴 承 盖 的 半 圆 孔 和 接 合 面 ， 可 大 大 降
18、 低 加 工 成 本 。本科生毕业论文- 3 -图 1-2 采 用 新 材 料 带 来 的 经 济 效 益 高 速 钢 涂 层 高 速 钢 硬 质 合 金 涂 层 硬 质 合 金 h小 时如 瑞 士 Fassler 公 司 推 出 的 产 品 是 内 表 面 镶 金 刚 石 的 拉 刀 ， 主 要 用 于 消 除 内 齿 轮的 淬 火 变 形 。 拉 刀 的 后 端 装 有 校 准 和 定 距 环 ， 可 提 高 拉 刀 的 寿 命 。 采 用 这 种 拉 刀 可 以 消除 最 大 为 0.2 毫 米 的 变 形 量 。（ 2） 提 高 切 削 速 度 。 经 过 分 析 了 一 些 加 工
19、实 例 的 数 据 ， 一 般 来 说 拉 削 的 速 度 范 围 为5-10 米 /分 和 20-23 米 /分 。 采 用 低 速 的 主 要 原 因 为 ： 直 线 切 削 运 动 ； 对 表 面 加 工 要 求 较 高 ； 多 数 情 况 规 定 了 加 工 的 节 奏 。为 了 保 持 高 速 钢 的 高 温 硬 度 ， 一 般 建 议 加 工 速 度 不 超 过 40 米 /分 ， 否 则 就 需 要 使用 更 好 的 刀 具 材 料 。（ 3） 改 变 拉 刀 的 结 构 。 特 殊 的 拉 刀 结 构 可 以 提 高 加 工 效 率 。1.3 螺 旋 齿 拉 刀 的 特 点螺
20、旋 齿 拉 刀 和 直 齿 拉 刀 的 主 要 区 别 是 它 的 刀 齿 和 分 屑 槽 成 连 续 性 的 螺 旋 结 构 ， 对 比如 图 1-3：图 1-3 螺 旋 齿 圆 孔 拉 刀 和 普 通 圆 孔 拉 刀螺 旋 齿 拉 刀 的 基 本 特 点 为 ：（ 1） 螺 旋 齿 圆 孔 拉 刀 拉 削 内 孔 属 “半 封 闭 切 削 ”状 态普 通 拉 刀 拉 削 内 孔 属 “封 闭 切 削 ”， 切 屑 被 迫 卷 曲 在 封 闭 的 容 屑 槽 中 ， 切 削 区 与外 部 隔 绝 ， 冷 却 润 滑 液 不 能 充 分 浇 注 到 切 削 表 面 ， 刀 齿 工 作 条 件
21、很 不 利 。 螺 旋 齿 拉 刀 因本科生毕业论文- 4 -具 有 连 续 的 螺 旋 形 容 屑 槽 ， 切 削 区 与 外 部 相 通 ， 冷 却 润 滑 液 可 以 直 接 进 入 切 削 区 ， 冷 却 、润 滑 和 冲 刷 刀 齿 及 工 件 ， 这 对 于 改 善 刀 齿 工 作 条 件 ， 降 低 切 削 力 ， 提 高 刀 具 寿 命 和 工 件表 面 质 量 都 有 重 要 影 响 。（ 2） 螺 旋 齿 拉 刀 工 作 平 稳 性 好螺 旋 齿 拉 刀 切 削 工 件 属 于 斜 角 切 削 ， 普 通 拉 刀 主 刀 刃 垂 直 于 轴 线 ， 属 于 直 角 切 削
22、，整 个 切 削 刃 同 时 切 入 、 切 出 ， 使 刀 刃 上 的 冲 击 负 荷 很 大 ， 并 随 着 同 时 工 作 齿 数 周 期 性 变动 ， 易 引 起 强 烈 振 动 ， 限 制 了 切 削 速 度 的 提 高 ， 采 用 不 等 齿 距 设 计 方 法 也 不 能 消 除 拉 力的 变 动 。 而 螺 旋 齿 拉 刀 因 刀 刃 连 续 、 逐 渐 切 入 及 切 出 工 件 ， 因 而 拉 力 是 平 稳 地 逐 渐 增 大或 减 少 的 ， 并 能 减 少 单 位 长 度 切 削 刃 上 切 削 力 ， 可 减 少 切 削 振 动 。（ 3） 工 件 加 工 质 量
23、好斜 角 切 削 时 ， 随 着 刃 倾 角 的 增 加 ， 使 工 作 前 角 增 大 ， 而 且 刀 具 刃 口 圆 弧 半 径 值 也 相应 的 减 少 ， 有 利 于 刃 口 的 切 入 ， 减 少 了 切 削 变 形 ， 随 着 刃 倾 角 的 增 加 ， 使 前 刀 面 倾 斜 程度 增 加 ， 有 利 于 抑 制 积 屑 瘤 的 产 生 和 生 长 ， 有 效 地 消 除 了 切 削 振 动 ， 并 可 抑 制 钢 件 拉 削中 产 生 鳞 刺 ， 提 高 拉 削 质 量 。 另 外 切 削 锥 角 很 小 ， 切 屑 很 薄 ， 不 开 分 屑 槽 也 能 断 屑 ， 呈“细
24、软 羊 毛 ”状 的 切 屑 向 前 排 出 顺 利 ， 不 会 擦 伤 己 加 工 表 面 。 普 通 圆 孔 拉 刀 的 一 般 拉孔 精 度 只 能 达 到 级 ， 粗 糙 度 Ra 为 5.0 0.63 m， 而 螺 旋 齿 圆 孔 拉 刀 拉 孔 精 度 可 达 到IT6 级 ， 粗 糙 度 Ra 为 0.63 0.16 m， 并 不 会 产 生 环 状 切 屑 ， 一 般 在 普 通 拉 刀 的 精 切齿 、 修 光 齿 上 常 常 不 开 分 屑 槽 ， 以 防 止 破 坏 工 件 表 面 粗 糙 度 ， 但 这 样 在 未 开 分 屑 槽 的 刀齿 上 常 形 成 环 状 切
25、屑 ， 这 种 切 屑 蜷 曲 在 容 屑 槽 内 ， 不 易 清 除 ， 有 时 被 迫 使 用 硬 物 去 撬 ，既 费 时 又 常 碰 伤 刀 齿 。 螺 旋 齿 拉 刀 产 生 的 螺 旋 状 的 切 屑 有 点 类 似 钻 屑 ， 很 易 清 除 。（ 4） 螺 旋 齿 拉 刀 强 度 、 刚 性 好普 通 拉 刀 的 横 截 面 呈 圆 形 ， 强 度 取 决 于 齿 槽 底 面 的 截 面 积 ， 拉 削 细 长 孔 时 ， 存 在 强度 不 足 的 缺 点 。 而 螺 旋 齿 拉 刀 横 截 面 积 要 多 出 一 部 分 ， 多 出 部 分 的 形 式 与 螺 旋 的 头 数
26、 有关 。 见 图 1-4.图 1-4 拉 刀 截 面 面 积 比 较（ 5） 适 用 范 围 较 广由 于 螺 旋 齿 拉 刀 的 齿 距 和 被 加 工 孔 的 长 度 无 关 ， 既 有 利 于 浅 孔 的 加 工 ， 又 利 于 深 孔的 加 工 ， 而 它 切 削 稳 定 性 好 的 特 点 又 使 它 比 普 通 拉 刀 更 适 宜 于 浅 孔 和 带 环 形 槽 孔 的 拉 削 。且 能 选 择 适 当 的 能 保 证 足 够 重 磨 次 数 的 齿 距 ， 以 增 长 拉 刀 的 使 用 寿 命 。本科生毕业论文- 5 -1.4 计算机辅助设计技术在刀具设计中的运用拉刀是一种复
27、杂、高效刀具，被广泛应用于大批量生产和一些其它方法难以加工的特型面的生产中。拉刀性能和质量的优劣，将直接影响加工效率、加工精度和表面质量。但是长期以来拉刀的设计与管理仍然采用手工设计和人工管理，造成了大量的重复性劳动，标准化程度低、设计优化性差、周期长、难管理、易混乱，不能够有效地利用现代科学技术成果。随着计算机技术的发展，将其引入拉刀设计领域中来解决常规刀具设计所存在一系列问题具有普遍意义。1.5 本课题主要意义螺 旋 齿 拉 刀 是 一 种 复 杂 的 刀 具 ， 传 统 的 设 计 方 式 需 要 长 时 间 的 人 力 付 出 ， 劳 动 时 间长 、 效 率 低 、 设 计 精 度 差 ， 不 能 进 行 有 效 的 参 数 化 计 算 和 储 存 。 计 算 机 辅 助 设 计 操 作 简单 灵 活 ， 使 用 方 便 ， 具 有 很 高 的 参 数 化 设 计 能 力 ， 因 此 本 课 题 通 过 引 入 计 算 机 辅 助 设 计进 行 拉 刀 的 设 计 。
