刀具结构设计计算概论

非凡真爱

按照系统学的观点，我们可以把具有某种功能的产品如刀具看成一个系统，通过对系统的分析，把系统的总功能分解成若干个子功能，而用以完成这些子功能的要素就是该系统的子系统。如果其中某些子系统可与其他系统中的另一些子系统在功能上通用、互换，又具有一致的介面，这些子系统便可以从母系统中分离出来，形成一个个通用的子系统即模组，这就是分解。为了满足不用的使用要求，我们在模组体系中选择若干模组并按照新的产品系统要求结合起来，就会产生一个具有新功能的产品系统，这就是组合。例如，我们在某车床上使用一刀具系统，其装上钻头作为切削模组，用钻夹头作为链接切削模组与环境（机床）的桥梁─主柄模组，就形成了钻削系统；而如果把切削模组换为丝锥，她成了攻丝系统。对于钻削系统，由钻夹头和直柄钻头组成的系统在使用功能上与锥柄麻花钻等效。
刀具结构设计的基本步骤

在刀具结构设计中，我们大致应安排如下步骤：

分析加工对象

分析加工对像是刀具设计的先导性工作。一个合适的刀具，应该是针对特定的加工任务而进行的，而对加工任务进行分析，无疑是设计出符合加工任务需要的刀具的一个前提条件。

我们首先应明确所设计刀具的应用范围。一般而言，应用范围较小的刀具针对性较强，在所针对的范围中的使用效果较好，但针对面小会导致销量相对较小，可能使该刀具的制造成本较高；而应用范围较大的刀具则正好相反，他们的销量较大，制造成本相对较低，然而他们可能虽然能在许多场合中正常使用，但可能在每一个特定的场合的应用都不是非常理想。这就需要设计者在设计前明确自己的设计目标，除只针对特定加工任务的定制刀具之外，在应用范围和制造成本方面取得一个平衡点。

我们所说的加工范围分析，大致应包括加工方式分析、加工工件材料分析、应用场所分析等。

所谓加工方式分析，包括车削、铣削、钻削或者镗削等基本加工方式。

因为车削的切削刃工作时，通常为连续切削。这种切削方式的切削力是持续的，切削热会持续不断地发生，那么对车削刀具的切削刃材料的耐热性要求比较高，这将成为我们选择塑性材料工件的车刀材料尤其是粗车刀具材料的一个重要方面；而铣削的切削刃工作时则通常为断续切削，这种切削方式是周期性的切削力冲击载荷，切削热也会对刀刃形成热冲击，那么对铣削刀具的切削刃材料的耐冲击性能要求比较高，而这个耐冲击性能包含了耐力冲击和耐热冲击两个主要方面；而钻削的切削刃工作时，通常既是连续切削，排屑和散热的空间也极其有限，还要考虑从钻头外缘至钻头中心的切削速度急剧变化，对钻削刀具的切削刃材料的要求就会非常复杂（而钻头的结构对于排屑和散热也有很大影响）。

这些加工方式的不同使不同的刀具在结构设计上也会有很多不同。如铣刀大部分是多刃刀具，它同车刀大部分是单刃刀具不同，应该考虑在结构上如何保证刀具各切削刃在端面或圆周方向上刃口位置的一致性。因此，在工艺难以保证切削刃一致性而刀具切削刃材料对这种一致性有较高要求时，就应该考虑增加切削刃位置调整的机构。又如钻头是一个设计上比较困难的刀具，因为它的加工方式通常既要求它有较大的排屑空间以提供高效率钻孔的排屑需求，又要求它有较大的刀体截面尺寸以保证在高效率钻孔时它能承受较大的切削力和切削扭矩，而钻头的刀具实体径向截面与排屑空间截面之和又恒等于孔的截面积，这种矛盾的平衡会对刀具设计者在设计细节把握形成严峻考验。

所谓加工工件材料分析，是指了解被加工工件材料的特性，如切削力的大小、切削热的大小、工件材料随切削温度和切削力的变化而产生的影响加工性能或最终零件性能的变化等等。

例如在切削力方面，切削一般铝合金的切削力大约是同等条件下切削钢件的1/3，因此我们在设计铝合金专用铣刀或专用钻头时可以在刀具材料不变的条件下减少刀体的受力面积，以腾出更大的空间用以排屑。而在设计加工硬材料的专用铣刀时，我们则需要反其道而行之，减小容屑槽深度和排屑空间，增加刀具的芯部，以承受更大的切削力而保证刀具的变形依然在我们可接受的范围之内。

又如在切削热方面，钛合金、镍基合金切削加工时不但会产生很高的切削热，而这些工件材料的散热性能很不理想，大量的切削热常常不能被切屑带走而是传导至刀具上，致使刀具的温升增加，硬度下降。如何降低切削钛合金、镍基合金的切削热并尽可能隔绝切削热向刀具的传递成为此类刀具设计中的一个重要考虑。