圆拉刀设计中一些问题的探讨
叶伟昌 程伟
摘 要 圆拉刀设计时常因拉削余量、齿升量、齿形和分屑槽等参数选用不当，而使拉刀使用寿命降低、工件表面质量变差、拉刀长度增加和制造成本提高。分析了产生这些问题的原因，指出了一些刀具设计资料中某些数据欠妥之处，并提出了相应的修改建议。
关键词 拉刀 使用寿命 容屑系数
0 引 言
正确设计拉刀，不仅可以延长拉刀使用寿命，而且可以提高工件表面质量。目前生产上使用的圆拉刀，大多为组合式的刀齿结构，即在粗切齿和过渡齿上采用不分齿组的轮切式切削方式，其上开有宽的弧形分屑槽。精切齿采用同廓式切削方式，其上磨出窄分屑槽。经作者长期在工厂使用与验证，发现这种拉刀由于结构本身和制造方面原因，常会造成拉削表面质量差和刀具使用寿命低等问题，亟待改进。
1 拉削余量
拉削余量的大小直接影响拉削质量、生产率和拉刀的长度。目前国内一些设计资料［1，2］上推荐的拉削余量普遍较大，例如拉削32×35mm的圆孔时，其拉削余量为1～1.2mm，而国外上述相似尺寸工件的拉削余量只有0.3～0.4mm。国内余量大的主要原因是因为考虑到工件拉前孔和基准面的垂直度误差大、拉刀制造精度差(如刃带宽窄不匀和拉刀过度弯曲)及拉床精度低等因素。实践证明，只要工件拉削预制孔的尺寸精度达到H12级，其中心线与工件基准端面的垂直度不超过0.02～0.05mm/100mm，表面粗糙度不大于Ra12.5～6.3μm，拉削余量完全可由1～1.2mm降至0.5～0.6mm。
2 齿升量
同廓式拉刀的齿升量是指前、后相邻的两个刀齿半径之差；轮切式拉刀的齿升量是指相邻前、后两组刀齿的半径之差；组合式拉刀粗切齿和过渡齿的齿升量是逐齿分布的，且每个刀齿的单边实际齿升量相当于同廓式拉刀齿升量的两倍。
齿升量的选择应考虑加工材料、拉削方式、拉刀强度和容屑系数等因素。研究表明，拉刀设计上最有效提高拉刀寿命或减少磨损的方法是减少齿升量。据报导，德国和日本等一些汽车和拖拉机齿轮加工中采用的拉刀齿升量，普遍小于0.05mm，而我国一般都大于0.05mm，甚至达0.1mm以上。但齿升量也不能过小，否则由于刃口具有一定钝圆，不利于刀刃的顺利切入，故齿升量一般不应小于0.01～0.02mm。
3 拉刀的容屑槽
拉刀的容屑槽，目前常用的有三种型式：直线齿背型、曲线齿背型和直线齿背双圆弧型，如图1所示。
图1 拉刀容屑槽的型式
曲线齿背型有利于切屑卷曲，所以在一些手册和书上［1～5］，对组合式圆拉刀和拉削韧性材料时都推荐采用这种槽型。但直线齿背双圆弧槽型具有制造简便、容屑空间大等特点，作者过去在工厂工作期间所设计的江苏50型拖拉机上用的圆拉刀都采用这种槽型，实践证明效果很好。为了降低拉刀制造成本，作者建议组合式圆拉刀也应优先选用这种槽型。
直线齿背双圆弧容屑槽型的尺寸，在拉削普通钢料与铸件时，可按以下公式计算:
式中L为拉削长度。
根据参考文献［1］中介绍的容屑系数计算公式K≤
即fz≤ 
；似乎槽深h取得越大，齿升量fz也可增大。其实不然，因为槽深h加大过多(如齿距p=10mm，槽深h≥5mm)，切屑在加深过多的槽里不能卷成理想屑卷，反而堆积在前刀面附近造成切屑堵塞，清除困难。所以，槽深h要按齿距p大小按比例选取(有时还要考虑拉刀刚度)，如p=10mm，取h=3，4，4.5mm等。另外，在上面fz的公式中也没有齿背宽度g，似乎g与fz无关，其实这也是一种误解。事实上如g增加过多(如p=10mm，g＞4mm)，则容屑槽的容屑空间锐减，切下的切屑伸展不开来，易粘附在前刀面上，同样会造成堵屑及不易清除等缺陷，严重时甚至使刀齿崩落或折断，故g也要按齿距p的比例选取。
4 拉刀的分屑槽
圆拉刀属于封闭式切削刀具，切屑成环状且套在拉刀容屑槽内，清除极为困难，对生产十分不利。所以，在刀齿上必须开分屑槽。
常用分屑槽的形状有圆弧形、角度形(V形)和U形(直槽形)三种，如图2所示。
图2 常用分屑槽的形状
U型分屑槽制造容易，但其侧刃上后角αk=0°，切削条件最差，应尽量不用。为使分屑槽两侧刃上具有一定的后角αk，应将窄分屑槽磨成图2中所示角度形分屑槽或圆弧形分屑槽，此时槽的侧刃后角可按下式计算
tanαk=tanαfsinθ/2
式中：αf为分屑槽的槽底后角，其值应比拉刀刀齿上的后角略大，通常磨成αf=5°，见图2中AA剖面；θ为分屑槽的槽角。
由上式中可知，当θ=0°时，不论αf磨成多大，αk始终等于0°。而当θ角增大时，αk角也将增大。如取αf=5°，θ=60°～90°，则从公式中计算可知，此时侧刃上后角将增大到αk=2.5°～3.54°，从而可使该处切削条件大大改善。
在实际生产中，由于角度形分屑槽的宽度很窄，通常只有1mm左右，而要将砂轮外圆修成60°～90°角，并要求在拉刀上磨出αf=5°的槽底斜角，砂轮直径不能选大，否则会碰到相邻刀齿，加之砂轮在尖角处磨损快，需经常修整，这在工艺上是有难度的。所以操作者在制造拉刀时常用薄片砂轮来磨削，致使磨出的窄分屑槽成了U形槽。
由于圆弧形分屑槽的结构合理，其槽角比V形窄分屑槽的槽角大，且槽与切削刃相交处的刀尖角也大，磨削方便，砂轮与被磨工件(拉刀)接触面大，磨削时工件不易烧伤，所以在设计和制造拉刀时，为了提高拉刀使用寿命，拉刀不但在粗切齿和过渡齿上，而且在精切齿上磨的分屑槽也应尽量采用圆弧形分屑槽。
为使切屑能顺利卷曲，分屑槽的槽数需适当增多。经验表明，其槽数应使切下的切屑宽度不超过4～5mm为宜。目前一些拉刀设计资料中［1，2，3］推荐的分屑槽数目普遍较少，例如直径为50mm的圆拉刀，分屑槽的槽数是22个，而国外同尺寸拉刀上的分屑槽数目为40个。同理，轮切式和组合式圆拉刀上的圆弧形分屑槽数目亦要适当增多。
还应指出，通常人们认为校准齿是不参与切削工作的，故校准齿一般都不磨分屑槽。但在实际生产中，经观察，拉刀第一个校准齿是参与切削工作的(因为刃口上有钝圆，会对孔壁产生较大挤压作用而使工件产生弹性回复而缩小)，它具有精切齿的功能。但因其上不作分屑槽，致使切下的切屑形成环状，难于卷起，容易堵塞在槽内，使加工表面质量降低。所以作者建议，在设计和制造拉刀时，除最后1～2个校准齿外，在其余校准齿上亦应前后交错地磨出圆弧形分屑槽或角度形分屑槽，如图3所示。
图3 校准齿上磨分屑槽
5 拉刀校准齿直径尺寸
为了提高拉刀寿命，拉刀校准齿直径尺寸应等于工件孔的最大极限尺寸。考虑到拉后孔径可能产生扩张或收缩，校准齿直径的基本尺寸应为
式中：Dmax为被拉孔的最大极限尺寸；δ为拉后孔径的扩张量或收缩量(拉削韧性大的金属及薄壁孔时常会收缩)，“-”号用于孔径扩张，“+”号用于收缩。
拉后孔的扩张量与收缩量应通过试验确定，设计时通常可取为孔公差的0.1～0.15倍。由于拉刀轴线与孔轴线方向不一致或有弯曲，刃磨前刀面时刃口上会产生毛刺，以及刀齿上有积屑瘤等原因，所以拉后孔径大多出现扩张现象。但因扩张量较小，所以一般在设计时通常可不考虑扩张量而规定校准齿直径的上偏差为0，下偏差取-0.005～-0.015mm，被加工孔的直径公差小的取小值，反之取大值。这样设计，可使制造出的拉刀有较高使用寿命，但使用新拉刀拉出的孔径有可能出现超差现象。此时，经作者在生产中验证，可采用试拉几个工件(毛刺很快磨掉)或更换切削液等方法来解决，如用充足的乳化油水溶液进行拉削。其原因是：乳化油水溶液是一种水基切削液，水的导热性好，故刀具热膨胀小；乳化油水溶液的润滑性比油类切削液差，所以刀具对工件的挤压作用也大，加工后工件的回弹量也就增加，因而孔径尺寸减小。
利用上述规律，实际生产中就可改变切削液的种类和成分来控制加工尺寸，以满足拉孔加工精度和质量的要求。
6 拉刀几何参数
在一些手册和教材［3，5，9］中，为了提高拉刀尺寸寿命，如图4所示，推荐在精切齿与校准齿的前刀面上磨出bγ1=0.5～1mm的倒棱来，倒棱上前角根据工件材料不同而取为γo1=-5°～20°。实践证明，这样会大大提高拉刀制造和重磨成本，是不可取的。
图4 拉刀几何参数
拉刀刀齿的后面上一般都有一段后角为0°的刃带，其功用是为了保证拉刀重磨后刀齿直径不变，提高拉削平稳性和便于测量各刀齿直径。但根据生产经验，宽的刃带易使金属粘附在齿的顶部，特别是在加工韧性大的材料时，因此目前刃带宽度都选得较小。一般粗切齿刃带宽度
bα=0.1mm，精切齿上bα=0.2mm，校准齿上bα=0.4mm。
7 合理确定拉刀颈部长度
拉刀颈部长度要保证拉刀第一个刀齿尚未进入工件之前，拉刀柄部能被拉床的夹头夹住，即应考虑拉床床壁和花盘厚度、夹头与拉床床壁间距等数值，见图5。由此可知，拉刀颈部长度系由所使用的拉床型号确定，一般不需计算。有些参考文献［1，6］中推荐，对于L6110和L6120型拉床的颈部长度LG分别为180～200mm和180～205mm，经核算，其值偏大，致使拉刀长度大大增加。
图5 拉刀颈部长度计算
由图5中可知，拉刀颈部长度LG可按下式计算
LG≥m+H+H1-l′
对于生产中最常用的L6110、L6120、L6140三种型号的卧式拉床，其各种尺寸如下：H(拉床床壁厚度)分别为60，80，100mm；H1(花盘厚度)分别为30，40，50mm；m(夹头与拉床床壁间隙)可取m=10～20mm；l′(拉刀过渡锥长度)一般为10～20mm，通常取10，15和20mm三种尺寸。
这样，颈部长度LG变为：
LG=H+H1
因此，可算出LG的尺寸如下：
L6110拉床 LG=60+30=90(mm)
L6120拉床 LG=80+40=120(mm)
L6140拉床 LG=100+50=150(mm)
因直径小于30mm拉刀的夹头尺寸小于拉床床壁孔径，允许拉刀牵引夹头进入拉床床壁孔内10～30mm深，故小规格拉刀的颈部长度还可以缩短。
实际生产中，为了缩短拉刀长度，常将花盘拆去，配置厚度比花盘厚度H1较小的大衬套(对于L6110、L6120和L6140型拉床，大衬套厚度H1′可分别取为10，14和16mm)，见图6(a)。大规格拉刀可直接用大衬套，中小规格拉刀用大衬套外还要配上小衬套，见图6(b)。小衬套厚度h1可取为8～12mm。大衬套与小衬套之间可采用过渡配合H7/k6。这样，又可使拉刀颈部长度减短10～25mm。
图6 拉削用的衬套
8 拉刀材料
拉刀材料在GB3831—83中推荐用W18Cr4V高速工具钢制造。但由于高钨钢一次碳化物不均匀性大，颗粒度粗，冶金质量差，钢的韧性也不高；另一方面，由于钨资源在世界上日益紧缺，其储量只够40～60年使用，所以不少欧洲国家已在钢号系列中去除高钨钢W18Cr4V。近几年来我国W18Cr4V在高速工具钢中使用比例亦已由过去的80%以上锐减至10%以内，各大工具厂已不用这种钢号制造拉刀，而由钨钼系高速工具钢W6Mo5Cr4V2取代。
由于拉刀制造精度高，技术要求严，在刀具成本中加工费用占的比重大。为了延长拉刀寿命，作者认为拉刀宜于采用W2Mo9Cr4VCo8(M42)和W6Mo5Cr4V2A1等硬度和耐磨性均较高的高性能高速工具钢制造，德国和瑞典等国家还采用粉末冶金高速钢(PM HSS)制造拉刀。经生产实践证明，这样可使拉刀寿命提高，尽管刀具材料费用增加了，但从综合经济指标来衡量，还是合算的。
叶伟昌，男，1934年1月生。南京工学院(现东南大学)机械工程系毕业，现为淮阴工业专科学校教授。主要研究领域为刀具技术与精密孔加工。曾获江苏省优秀教育工作者及淮阴市有突出贡献专业技术工作者称号。已在国内外学术刊物上发表论文180多篇，出版有“成形车刀的设计与制造”、“金属切削刀具”与“刀量模具设计简明手册”等专著多部。
叶伟昌(淮阴工业专科学校 江苏淮阴 223001)
程伟(淮阴工业专科学校 江苏淮阴 223001)
参考文献
1，孟少农.机械加工工艺手册(第2卷).北京：机械工业出版社，1992
2，四川省机械工业局.复杂刀具设计手册(上册).北京：机械工业出版社，1979
3，刘华明.金属切削刀具设计简明手册.北京：机械工业出版社，1994
4，楼希翱，薄化川.拉刀设计与使用.北京：机械工业出版社，1990
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6，崔永茂，叶伟昌.金属切削刀具.北京：机械工业出版社，1991
7，叶伟昌.延长圆孔拉刀使用寿命的方法.机械制造，1994(6)
8，吴修义.拉削缺陷和拉刀设计.机械制造，1996(9)
9，袁长良.机械制造工艺装备设计手册.北京：中国计量出版社，1992
10，叶伟昌.组合式圆孔拉刀结构的改进.中国科学技术文库.北京：科学技术文献出版社，1998
来源：机械设计与制造工程000103
