用于加工回转外表面的可转位拉刀设计

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拉刀是一种高精度、高效率的多齿刀具，可用于加工各种形状的内、外表面。其中，硬质合金可转位拉刀具有切削效率高、使用寿命长等特点，其应用日趋广泛。本文以曲轴加工为例，介绍用于加工外回转表面的硬质合金可转位拉刀的工作原理、设计特点以及拉刀角度的设计要点。

1 拉刀的工作原理

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图1 拉刀加工原理示意图

采用拉削方式加工回转体外表面时，拉刀工作原理如图1 所示。加工时，工件固定在夹具上随主轴一起高速旋转，拉刀沿工件圆周切线方向作直线进给运动。拉刀的每个刀齿均可看作一把切向成形车刀。由于拉刀各刀齿的切削刃与拉刀支撑平面的距离各不相同，当各刀齿依次切入工件时，从切削刃到工件轴线的最小距离也逐齿变化，从而决定了各刀齿切除金属层的厚度。拉刀可在一次工作行程中完成粗、半精和精加工，且每一加工阶段可安排不同的加工余量。由于工件的径向尺寸由刀具安装位置决定，与进给运动的时间无关，因此加工精度易于保证。

2 拉刀的设计特点

加工具有复杂廓形的外表面时，通常将拉刀设计为组合式，即将若干把拉刀安装在一个刀体上，使其分别加工同一零件的各部分表面。组合拉刀中的各把拉刀既可同时工作也可顺次工作。

设计组合拉刀时，首先需将待加工表面廓形划分成若干简单的单元。为使加工每一单元的拉刀设计最简化，同时又能提高拉削效率和缩短拉刀长度，在廓形分段及拉刀配置时应考虑尽可能让几把拉刀同时参与工作，但这样往往会造成拉刀结构过于复杂、拉刀及其紧固件布置困难、拉床过载、零件加工时变形过大、排屑困难等问题，因此在多数情况下最好采用同时加工与顺次加工相结合的方式来安排拉刀位置，合理拉削复杂表面。例如在图2所示的加工曲轴用组合拉刀结构中，布置在前面两侧的多排刀片可同时加工曲轴两侧板面，布置在后面的三排刀片则用于加工连杆轴颈表面。

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图2 加工曲轴用组合拉刀结构示意图

1.楔块 2.螺钉 3.可转位刀片 4.内六角螺钉 5.刀垫 6.长刀座 图3 组合拉刀中可转位刀片的夹固方式

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采用硬质合金可转位刀片的拉刀可大大提高拉削效率和刀具使用寿命。图3所示为加工曲轴用组合拉刀中可转位刀片的夹固方式。在长刀座6上顺次布置了若干刀槽，为满足齿升量的不同要求，各刀槽的底面高度尺寸各不相同。在刀槽中装入刀垫5并用内六角螺钉4紧固在长刀座上，可转位刀片3安放在刀垫上，利用底面及两个侧面实现六点定位，并用楔块1和螺钉2夹紧固定。加工时，切削平面与工件的回转轴线相互平行。 , l* b3 [* q3 z- \

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由于可转位刀片的刃长较窄，而需加工的轴颈较宽，因此需将多个可转位刀片沿轴颈轴线方向并排布置，以达到轴颈宽度，两相邻刀片应在相交处的左右各重叠一部分，以保证加工后不留刀痕。在设计组合拉刀时，其结构应能实现拉刀高度可调，以保证在加工复杂零件廓形时能获得所需加工精度。拉刀高度的调整通常在装配新拉刀时进行，通过用厚度一致的垫片垫入刀座与进给滑台之间或采用可沿拉刀长度方向移动的专用调整楔铁均可实现拉刀高度调整。调整楔铁的斜角为1°30´～2°，其长度应比拉刀总长大一个最大调节行程，其宽度等于拉刀底面宽度，楔铁上的紧固螺钉孔应做成长条形，其长度应大于楔铁的行程长度。 5 e- } v" ^/ t$ d) `! n

3 拉刀角度的设计要点

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% i7 b" V) H5 A* K& | 图4 刀具前、后角的变化关系

1. 前角和后角
   如图4所示，某一切削刃上的任意点从A点开始切削，在B点结束切削。在切削过程中，切削刃上任意点的工作前角和后角都在不断变化。现在讨论切削刃在直线段AB上的任意位置C点时(C 点位置可用半径R_i=OC和角度h来表示)垂直于工件轴线的剖面内的前角和后角。若忽略进给运动对工作基面和切削平面的影响，则切削平面P_se为通过C点切于圆周的平面，工作基面P_re为通过OC的轴向平面。前刀面与工作基面P_re之间的夹角为工作前角g_fe，后刀面与切削平面P_se之间的角度为工作后角a_fe；g_f和a_f分别为标注前角和后角，h为工作角度与标注角度的变化值，即 g_fe=g_f-h
   a_fe=a_f+h 1 T- u5 n& _$ i/ o+ ]6 g3 h
   当切削刃上C点从位置A向位置B移动时，h由A点上的最大值变化到B点上的0°。h的最大值的计算关系式为 cosh=r/(r+f_z)式中：r——经该刀齿加工后的零件半径 ; l) `2 F0 ` K0 [* o/ H% s- m4 p
   f_z——齿升量 : \7 ?: g; K7 W5 D, u
   通过以上分析可知，在切削过程中，前角g_fe减小，后角a_fe增大。随着齿升量f_z的增大，切削时前、后角的变化幅度也随之增大，刀具的切削能力反而下降。因此，为了避免前、后角变化范围过大，齿升量的取值不应过大。在拉刀设计中，标注后角a_f应取较小值(一般为2°左右)，而标注前角g_f的取值可适当大一些。
2. 刃倾角l_s 3 A: [' O& M$ P! |
   为使切削刃在切削时逐渐切入和切离工件，使切削过程平稳，排屑顺利，获得较高加工质量，在安装刀片时应使切削刃与工件轴线间有一偏斜角(即刃倾角l_s) ，但设计时应注意，刃倾角l_s必须小于所选刀片的法向后角，以保证合理的副刃后角。
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   图5 刀具的副偏角kr´

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3. 副偏角k_r´ 6 F, K; U. F1 r0 R2 y
   若选用正方形的可转位刀片，对于加工两侧板面的拉刀部分，可将刀片倾斜1°～2°，形成副偏角k_r´(如图5a所示)，以减小副切削刃与侧板面之间的摩擦。虽然此时主切削刃相对于工件轴线也倾斜了一个角度k_r´，但因该部分的外圆表面加工精度要求较低，因此完全可以达到工艺要求。对于加工曲轴轴颈的拉刀部分，两侧边的刀片可选用平行四边形刀片，以获得副偏角k_r´(如图5b所示)。

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4 结语

加工回转外表面的硬质合金可转位拉刀同时具有普通拉刀、切向成形车刀和可转位刀具的综合特点，其设计、制造难度较大，成本较高。但这种刀具切削效率高，加工质量好，使用寿命长，在批量生产时能产生显著的经济效果，对于推进可转位式复杂刀具的国产化将起到积极作用。