铣刀数控加工过程及磨削中砂轮刀位轨迹算法毕业设计论文.doc

本科毕业设计论文本科毕业设计论文 i 摘 要 铣刀作为机械加工的主要切削工具，其用途广泛，消耗较大，所以铣刀的 批量加工生产尤为重要。由于铣刀材料多为高速钢或硬质合金，硬度较大，而 且铣刀本身作为一种重要的切削刀具，其精度较高，所以铣刀的数控加工必须 在高精密数控磨床上进行。其关键技术在于磨削过程中砂轮刀位轨迹的规划， 本文以铣刀的刃部数控加工过程及其刀位轨迹规划为研究对象，深入研究了加 工过程中砂轮的刀位轨迹的算法，本文主要以立铣刀为例，包括以下三个方面 的研究： (1) 通过对铣刀生产现场的实践学习，研究了铣刀刃部的数控加工过程， 按照加工顺序一般分为四步：整体开槽、端面齿隙磨削、前端面精磨、外圆精 磨。 (2) 通过对曲线曲面知识的学习，深入分析了铣刀典型螺旋槽的形状结构， 主要研究了四种螺旋槽，并得到这四种螺旋槽的一般几何方程式，为后续的数 控加工过程做了铺垫。 (3) 通过研究铣刀刃部的数控加工过程，对铣刀刃部形状在数控加工中砂 轮刀位轨迹进行了规划研究，确定了砂轮在铣刀周刃和端刃加工过程中轴线矢 量和砂轮中心的位置坐标矢量，并且研究了平形轮旋转不同角度投影后得到的 仿形曲线的规律。 关键字：铣刀数控加工，铣刀几何特征，刀位轨迹规划 本科毕业设计论文本科毕业设计论文 ii abstract milling cutter, as the main cutting tool of the mechanical process, have been widely applied, consume larger, so milling cutters batch process production is particularly important. because milling cutter always use high speed steel or cemented carbide as their materials, hardness is larger. as an important kind of cutting tools, milling cutter has a high precision. so machining milling cutters grinding process must be in the high-precision cnc grinding machine, and its key technology lies in the cutting process grinding wheel tool path planning, this article in order to milling cutters blade of the nc machining process and its cutter location tool path planning as the research object, in-depth study the machining the process of grinding wheel of the tool path planning, this paper mainly use the vertical milling cutter as an example, including the following three aspects of the research: (1) through to the milling cutter production field practice learning. studying the nc machining process of the milling cutter blade, according to the processing order there are generally divided into four steps: overall grooving, end face grinding tooth gap, end face fine grinding, cylindrical fine grinding. (2) through the study of knowledge of the curve surface, in-depth analysis the shape structure of the typical spiral flute of the milling cutter, mainly studied the four helical groove, and get the general geometry equations for the four helical groove, do set the stage for subsequent nc machining process. (3) through the study of milling cutter blades nc machining process, researching the shape of edge of milling cutter grinding wheel in the nc machining tool path planning ,determine the grinding wheel in the week of cutter blade and the blade machining process central axis vector and the center of the wheel location coordinates vector and studying the law of the contour curve when flat wheel get on the different rotation angles and projecting to coordinate plane. key words：nc process of the milling cutter，geometric features of the milling cutter，tool path planning 本科毕业设计论文本科毕业设计论文 iii 本科毕业设计论文本科毕业设计论文 iv 目目 录录 第一章第一章 绪论绪论1 1.1 数控加工现状.1 1.1.1 数控加工的概念.1 1.1.2 数控加工编程的研究现状.1 1.2 国内刀具制造行业现状2 1.2.1 国内数控刀具的发展现状.2 1.3 论文研究内容和意义3 1.3.1 研究内容.3 1.3.2 研究意义.3 1.4 本章小结4 第二章第二章 铣刀数控加工过程分析铣刀数控加工过程分析5 2.1 铣刀的设计依据5 2.1.1 技术要求.5 2.1.2 技术资料.5 2.2 铣刀的部分特殊制造技术5 2.2.1 铣刀的热处理技术.5 2.2.2 铣刀的焊接技术.6 2.2.3 铣刀的涂层技术.7 2.3 铣刀数控加工过程分析7 2.3.1 整体开槽.7 2.3.2 端面齿隙磨削.9 2.3.3 前端面精磨.9 2.3.4 外圆精磨.10 2.4 本章小结12 第三章第三章 铣刀几何特征研究铣刀几何特征研究13 3.1 铣刀螺旋刃线模型13 3.1.1 定义螺旋角的两种方式.13 3.1.2 定义螺旋线的导程.14 3.1.3 螺旋线几何模型.15 3.2 螺旋槽截面几何形状研究18 3.2.1 立铣刀螺旋面三坐标系的建立.18 本科毕业设计论文本科毕业设计论文 v 3.2.2 立铣刀端截面螺旋槽曲线方程.19 3.3 本章小结26 第四章第四章 铣刀数控加工刀位轨迹规划铣刀数控加工刀位轨迹规划29 4.1 砂轮轨迹综述29 4.1.1 砂轮仿形研究.30 4.1.2 端刃磨削砂轮轨迹研究.33 4.1.2 外圆后刀面磨削砂轮轨迹研究.37 4.2 本章小结39 第五章第五章 软件界面设计软件界面设计41 5.1 基于 ug 的二次开发41 5.1.1 ug 简介.41 5.1.2 nx 二次开发概述.41 5.2 界面内容42 5.2.1 主界面.42 5.2.2 刀具参数设置.43 5.2.3 切削参数设置.43 5.2.4 砂轮设置.45 5.2.5 数控系统设置.45 5.2.6 机床设置45 5.3 在 ug 上实现窗口调用45 5.3.1 准备工作.45 5.3.2 实现过程.45 5.4 本章小结46 第六章第六章 全文总结全文总结47 6.1 论文总结47 6.2 展望47 参考文献参考文献49 致致 谢谢51 毕业设计小结毕业设计小结53 本科毕业设计论文本科毕业设计论文 1 第 1 章 绪论 1.1 数控加工现状 1.1.1 数控加工的概念 数控加工25（numerical control machining），是指在数控机床上进行零件 加工的一种工艺方法，数控机床加工与传统机床加工的工艺规程从总体上说是 一致的，但也发生了明显的变化。数控加工是用数字信息控制零件和刀具位移 的机械加工方法，它是解决零件品种多变、批量小、形状复杂、精度高等问题 和实现高效化和自动化加工的有效途径。 1.1.2 数控加工编程的研究现状 数控编程的核心任务是计算刀位轨迹，然后经过后置处理产生数控加工程 序，目前刀位轨迹生成方法有两种，一种是基于点、线、面和体的刀位轨迹生 成方法，另一种是基于特征的刀位轨迹生成方法。 (1) 基于点、线、面和体的刀位轨迹生成方法16 cad 技术从二维绘图起步，经历了三维线框、曲面和实体造型发展阶段， 一直到现在的参数化特征造型。在二维绘图与三维线框阶段，数控加工主要以 点、线为驱动对象，如孔加工，轮廓加工，平面区域加工等。这种加工要求操 作人员的水平较高，交互复杂。在曲面和实体造型发展阶段，出现了基于实体 的加工。实体加工的加工对象是一个实体，它由一些基本体素经集合运算（并、 交、差运算）而得。实体加工不仅可用于零件的粗加工和半精加工，大面积切 削掉余量，提高加工效率，而且可用于基于特征的数控编程系统的研究与开发， 是特征加工的基础。 (2) 基于特征的刀位轨迹生成方法18 参数化特征造型已有了一定的发展时期，但基于特征的刀具轨迹生成方法 的研究才刚刚开始。特征加工使数控编程人员不在对那些低层次的几何信息 （如：点、线、面、实体）进行操作，而转变为直接对符合工程技术人员习惯 的特征进行数控编程，大大提高了编程效率。 零件的每个加工过程都可以看成对组成该零件的形状特征组进行加工的总 和。那么对整个形状特征或形状特征组分别加工后即完成了零件的加工。而每 一形状特征或形状特征组的 nc 代码可自动生成。 lee and chang 开发了一种用虚拟边界的方法自动产生凸自由曲面特征刀具 轨迹的系统24。这个系统的工作原理是：在凸自由曲面内嵌入一个最小的长方 本科毕业设计论文本科毕业设计论文 2 块，这样凸自由曲面特征就被转换成一个凹特征6。最小的长方块与最终产品 模型的合并就构成了被称为虚拟模型的一种间接产品模型。刀具轨迹的生成方 法分成三步完成：切削多面体特征；切削自由曲面特征；切削相交特征。 jong-yun jung 研究了基于特征的非切削刀具轨迹生成问题18。文章把基 于特征的加工轨迹分成轮廓加工和内区域加工两类，并定义了这两类加工的切 削方向，通过减少切削刀具轨迹达到整体优化刀具轨迹的目的。文章主要针对 几种基本特征（孔、内凹、台阶、槽），讨论了这些基本特征的典型走刀路径、 刀具选择和加工顺序等，并通过 ip（inter programming）技术避免重复走刀， 以优化非切削刀具轨迹。 1.2 国内刀具制造行业现状 1.2.1 国内数控刀具的发展现状 国内数控刀具的研制从20世纪80年代初开始，最早为几个机床附件厂为加 工中心配套生产。但由于其技术、资金、设备和人力资源的投入不够，对现代 金属切削工具认识不足，起点低，多年来发展缓慢，甚至已经面临被淘汰出局 的威胁。从近几年的发展情况来看，国内刀具制造企业在技术创新方面整体上 与国外著名企业差距较大，主要表现在： (1) 刀具制造企业技术研发不足。我国的数控刀具产业总体技术处于中低 端水平，高技术产品市场基本被国外企业垄断。大多数中小企业研发能力不足， 只能是部分引进来改进产品，在市场处于追随和补缺地位。 (2) 我国数控刀具质量不高。我国刀具产品在质量方面还存在着不足：产 品可靠性低、精度和外观质量不好。 (3) 品牌维护能力不足。我国刀具品牌一直保持着性价比高的优势。但是 营销和服务实践、经验方面存在很大不足，缺乏与国际知名品牌挑战的经验。 体现在：销售和服务过程中，缺乏客户就是效益的理念；营销服务部门与企业 内部各价值链（如研发与生产部门）沟通不及时，导致市场需求和生产变化不 能及时报告给相关部门；营销和服务队伍不够健全，服务人员的业务素质和技 术水平参差不齐，诚信意识淡薄，缺乏对企业整体品牌的维护。 (4) 品牌成长后劲不足。主要体现在企业文化基础不牢和人力资源开发不 足，尤其是我国刀具企业缺乏以客户为中心的组织文化和营销文化。虽然我国 刀具制造企业开展是以顾客为中心的运营机制转换，但缺乏深厚的组织氛围和 文化支撑，从而削弱了企业抵御竞争者侵袭和企业自身向前发展的能力；在这 样文化背景下，大多数科技人员和营销人员虽然已具备一定水准的科研开发能 力和营销能力，但固有的企业运营机制和激励机制方面做得不足，影响员工的 积极性和创造力的施展。 (5) 缺少材料基础性研究，高端数控刀具制造水平大大受限。由于国内缺 本科毕业设计论文本科毕业设计论文 3 乏相关的材料基础研究，大量原材料需要进口。在材料性能缺少系统了解的情 况下，难以采用最优的制造工艺，生产的效率和质量难以保证。 综上所述，我国金属切削刀具与国外相比从刀具的精度、刀具材料、涂层 技术、设计思路等诸多方面差距还很大，大量的技术难题有待突破。 1.3 论文研究内容和意义 1.3.1 研究内容 论文主要针对铣刀的数控加工过程进行研究，分析了铣刀螺旋槽的几何特 征，根据加工需要，对开槽用的平形轮投影曲线进行研究，得到投影曲线形状 与砂轮旋转角度的关系式，对立铣刀各个部位加工中砂轮的运动轨迹进行了研 究，并得到决定砂轮位置的矢量的方程式，主要研究内容如下： (1) 铣刀的数控加工过程分析 铣刀的数控加工，以立铣刀为例，主要分为整体开槽；端面齿隙磨削；前 端面精磨；外圆精磨这四步。所谓整体开槽，就是整体加工出铣刀的螺旋槽， 因为螺旋槽是一形状复杂的螺旋面，所以论文描述了三种加工方法，分析比较 各个方法的优缺点以供参考。外圆精磨实际上就是对铣刀周刃的第一、第二后 刀面进行磨削，磨削采用了一种砂轮、铣刀共同运动的方式。 (2) 铣刀几何特征研究 铣刀最为复杂的部分便是它的螺旋槽，螺旋槽的形状决定了周刃切削力和 切削热的大小以及排屑的难易程度，螺旋槽实则是由铣刀端截面的轮廓曲线通 过螺旋线扫掠获得，所以论文对螺旋线和铣刀端截面轮廓曲线进行了研究，从 而得到螺旋槽的几何方程。 (3) 铣刀数控加工刀位轨迹规划 铣刀开槽所用平形轮，通过旋转不同角度，改变与铣刀接触的切削部分的 大小，便得到不同的槽形，论文研究了砂轮每转过 5 度，在平面上的投影得到 一系列投影曲线，并研究了转过度数与曲线的关系，通过 matlab 拟合得到 方程式。 论文研究了铣刀数控加工的四大部分过程中砂轮的运动轨迹，因为决定砂 轮位置的矢量为砂轮轴线矢量和砂轮轮心点坐标矢量，所以只要确定这两个矢 量的方程式，砂轮的位置就唯一确定了，加工不同部位砂轮的旋转角度和平移 距离也就随之确定，从而得到砂轮运动轨迹的计算方法。 1.3.2 研究意义 随着数控技术的广泛应用，在铣刀的生产加工行业，我国还处在比较落后 的状态，目前国内使用的用来加工铣刀的数控磨床大多是从国外引进的，数控 加工的关键在于加工过程中切削刀具的刀位轨迹计算，由于铣刀的几何结构复 杂多样，磨削时，砂轮的位置轨迹变化较多，所以一套系统的计算砂轮位置轨 本科毕业设计论文本科毕业设计论文 4 迹的数控系统会大大缩短铣刀的生产加工时间，针对这个问题，本文研究了铣 刀的数控加工过程以及如何通过砂轮旋转角度变化和平移位置变化来加工出铣 刀的各个特征型面，在保证铣刀各个型面尺寸的基础上得到最短最有效的砂轮 运动轨迹，减少了人工调试与修改的时间，从而也杜绝了人为的生产加工误差， 便于管理和实现铣刀的一体化设计制造过程，提高了铣刀的生产加工效率和磨 削精度。 1.4 本章小结 本章主要介绍了数控加工的概念以及目前比较成熟的两种刀位轨迹生成方 法，通过对比，得出不同方法的优缺点。简要介绍了目前国内刀具制造行业的 现状，主要在技术创新和数控加工方面略显不足，针对这些不足，介绍了论文 研究的内容和意义，主要研究了铣刀数控加工过程和铣刀的几何特性以及加工 铣刀时砂轮运动轨迹的规划。 本科毕业设计论文本科毕业设计论文 5 第 2 章 铣刀数控加工过程分析 2.1 铣刀的设计依据 2.1.1 技术要求 (1) 客户提供被加工零件图：根据需要，客户提供相应的被加工铣刀的零 件图纸，然后设计者根据零件图纸设计出相应铣刀； (2) 提供使用该刀具的设备情况：客户提供该铣刀的使用环境，安装铣刀 的机床的情况等； (3) 被加工零件的材料：根据铣刀材料的不同，设计不同参数的铣刀； (4) 刀具的使用环境：设备主轴转速，进给量及相关情况； (5) 是否冷却及冷却方式； (6) 是否有其他特殊要求； 2.1.2 技术资料 (1) 根据被加工零件的材料进行刀具材料的选择； (2) 根据客户设备情况进行刀具连接部分的设计：柄部类型、参数的选择 等； (3) 进行冷却参数的选择：冷却液类型、牌号、成分等； (4) 根据被加工零件图进行刀具截形的设计：刀具截形曲线的形状、尺寸 等； (5) 根据刀具的使用环境进行刀具切削参数的选择和优化； (6) 满足客户的其他特殊要求； 2.2 铣刀的热工艺 铣刀的热工艺包括铣刀的热处理技术、铣刀的焊接技术、铣刀的涂层技术， 这些特殊技术能够明显改善铣刀材料的组织性能和工艺性能，根据不同的需要， 进行不同的特殊处理，以期实现特定的加工要求。 2.2.1 铣刀的热处理技术 由于传统方法生产的铣刀在高负荷使用后容易折断或变形，所以铣刀的热 处理就显得尤为重要了，可以很好地改善铣刀材料的力学和工艺性能，使之更 好地用于生产。 对于材料为高速钢的刀具，热处理对于提高刀具硬度，增强刀具耐磨性 本科毕业设计论文本科毕业设计论文 6 是必不可少而且是十分关键的技术。热处理工艺也是一个重要的研究领域。热 处理工艺的工艺参数在不断的实验与优化中，对于某种材料的热处理最适宜的 加热温度和时间等等工艺参数的确定从理论上是很难得到的，基本上是通过实 验获得。下面总结的是比较具有代表意义的一种热处理过程。 刀具热处理加工主要步骤大致可分为：预热，加热，冷却，后处理。对于 预热采用箱式电阻炉(或井式炉)和中温盐浴炉，最后加热在高温盐浴炉中进行。 在硝盐炉或电阻炉中回火。 (1) 预热 按铣刀的直径大小可分为一次预热和二次预热，目的是消除加工应力，使 内外温度一致，减小铣刀的形变。 (3) 冷却 采用分级或等温淬火，分级温度为 580620，盐浴成分为 50% bacl2+30% kcl+ 20%nacl(简称 2-3-5 盐)，当表面温度到 650700时，转入 220250的硝盐中保温 3040min。 (4) 热校直 快速从硝盐炉中取出，将铣刀放在螺旋压力机上进行校直，考虑到冷速太 快，要在不低于 20的温度下进行校直，采取校过的措施，以防止其反弹。 (5) 清洗回火 开水槽煮净铣刀表面的残盐，铣刀垂直向上插入圆形回火筐中挤紧回火， 介质为 100%kno3,温度为 540560，保温 80100min，回火 3 次。 (6) 柄部处理 柄部在 850的盐浴炉中加热到表面颜色与盐浴一致时，挑出油冷或空冷。 2.2.2 铣刀的焊接技术 铣刀的焊接技术可以分为两部分：一部分是刀齿的焊接；另一部分是柄部 与刃部的焊接。考略到刃部是主要加工切削部分，对材料的要求比较高，一般 为硬质合金，而柄部等部分是非切削部分，硬度强度要求不高，为了节省成本， 选择不同材料，并将其焊接起来得到完整铣刀。 (1) 镶齿合金刀片的焊接 硬质合金上的焊接裂纹是焊接应力过大而引起的。在充分加热后，刀具开 始冷却，焊料凝固，由于钢的热膨胀系数比硬质合金大23倍，在钢与硬质合 金上产生不同的收缩，达到室温后，钢的收缩是硬质合金的两倍。逐渐收缩的 结果，在硬质合金上产生拉应力，而产生焊接开裂现象。此外，硬质合金在 9501100 就会产生剧烈氧化，所形成的氧化膜存在许多空隙而使硬质合金变脆，从而 本科毕业设计论文本科毕业设计论文 7 降低合金的机械性能。因此，在焊接时，必须避免焊接区域的氧化现象。 (2) 刀头刀柄的焊接 因为为了节省成本，对于主要用于切削的刃部，采用硬质合金等较为贵重 的材料，而柄部对于强度硬度等要求没有刃部高，一般可采用比较经济的工具 钢等材料，然后通过焊接技术将刃部跟柄部焊接起来，一般采用铜钎焊，铜及 其合金在钎焊前要采用机械清理或砂纸打磨的办法清除工件表面的氧化物，用 化学清理的办法去除油脂及其他污物。刃部跟柄部的焊接，有两种连接方式， 一种是平底连接，一种是 v 形连接，后者更加紧固稳定。 2.2.3 铣刀的涂层技术 目前已有许多种刀具涂层方法，包括 pvd 涂层、cvd 涂层以及交替涂覆 pvd 和 cvd 的复合涂层等，从刀具制造商或涂层供应商那里可以十分容易地 获得这些涂层。本文将介绍一些刀具涂层共有的属性以及一些常用的 pvd、cvd 涂层选择方案。在确定选用哪种涂层对于切削加工最为有利时，涂 层的每一种特性都起着十分重要的作用。常用的涂层如下所述： (1)氮化钛涂层(tin) tin 是一种通用型 pvd 涂层，可以提高刀具硬度并具有较高的氧化温度。该涂 层用于高速钢切削刀具或成形工具可获得很不错的加工效果。 (2)氮碳化钛涂层(ticn) ticn 涂层中添加的碳元素可提高刀具硬度并获得更好的表面润滑性，是高 速钢刀具的理想涂层。 (3)氮铝钛或氮钛铝涂层(tialn/altin) tialn/altin 涂层中形成的氧化铝层可以有效提高刀具的高温加工寿命。 主要用于干式或半干式切削加工的硬质合金刀具可选用该涂层。根据涂层中所 含铝和钛的比例不同，altin 涂层可提供比 tialn 涂层更高的表面硬度，因此 它是高速加工领域又一个可行的涂层选择。 2.3 铣刀数控加工过程分析 由于刀具材料多为高速钢和硬质合金，且以硬质合金居多，硬度较高，普 通的数控加工方法难以实现其加工，一般只能通过数控磨削来完成，并且磨削 精度较高。 磨床能加工硬度较高的材料，如淬硬钢、硬质合金等；也能加工脆性材料， 如玻璃、花岗石。磨床能作高精度和表面粗糙度很小的磨削，也能进行高效率 的磨削，如强力磨削等。加工精度较高。刀具的数控加工，以整体立铣刀为例， 砂轮实现四轴的联动，工作台实现轴向的转动，共五轴，砂轮有 x、y、z 方向 的移动和 a 轴的转动，加上夹持铣刀的工作台轴向的转动，数控加工中实际上 是四轴联动，砂轮三轴的移动和工作台的转动，不过砂轮有时需要转动相应角 本科毕业设计论文本科毕业设计论文 8 度来完成各个齿隙的磨削。一把标准铣刀的磨削过程一般包括： (1) 整体开槽； (2) 外圆精磨； (3) 端面齿隙磨削； (4) 前端面精磨。 2.3.1 整体开槽 铣刀槽型一般由以下参数决定：槽型角，芯径，齿宽，砂轮现状等共同决 定，还有立铣刀的螺旋角，周齿法向径向前角等。整体开槽选用平行轮，根据 不同的铣刀材料，选择不同粒度硬度的平行轮，平行轮尺寸根据铣刀槽形尺寸 来确定，平行轮开槽有两种方法： 方法一：砂轮尺寸较大时，铣刀不动，通过特征造型，得到铣刀槽型的特 征模型，多为二次曲面，然后计算平行轮加工此二次曲面的轨迹路线，砂轮实 现五轴联动，砂轮可以相对于铣刀轴线偏移一个角度，也可以相对于砂轮轴线 偏移一个角度，然后通过螺旋线走刀，获得不同形状的槽形，多次走刀，最终 达到要求尺寸。 采用较小尺寸的砂轮磨削时可以采用行磨方法，如图2-1所示，对于槽型弧 线的每段，采用逐步行切的方法，依次通过多次走刀加工出不同弧线，依然是 铣刀旋转，砂轮直线进给，不同弧线连接成整个槽型曲线，由于这种加工方法 可以细致地仿照每段弧线的形状进行切削，所以加工精度较高，但加工效率因 为走刀次数过多，铣刀每次旋转到一定角度后需要抬刀（砂轮抬起），然后铣 刀再转到初始位置，然后再继续加工，整个过程耗费时间较多。 方法二：铣刀安装在工作台上，工作台可以绕着铣刀的轴向转动，转动速 度跟砂轮的前进速度有关，这样可以将加工铣刀螺旋槽转换为砂轮的直线走刀， 当然，砂轮需要偏转合适的角度，也就是说将螺旋槽二次曲面通过复合运动展 成一次平面，考虑到工作台的转动并不是360度方向任意转动，假设它有一个转 动角度范围，工作台配合砂轮转动，砂轮由铣刀端部向柄部运动，到达极限位 置，砂轮抬起，工作台恢复初始位置，砂轮移动到铣刀端部初始位置，重复从 端部到柄部磨削过程完成第二次磨削，最终达到要求尺寸。铣刀刃部又分为圆 柱形和圆锥形，当然，这两种形状开槽砂轮所转角度有差异，圆柱形刃部，砂 轮只需绕着垂直于水平面的轴旋转一定角度，而圆锥形刃部砂轮还需要绕着平 行于水平面的轴旋转一定角度。这种方法也可以让砂轮静止不动，偏转合适的 角度，然后工作台既轴向的转动由轴向进给。如图2-2所示整体开槽： 本科毕业设计论文本科毕业设计论文 9 图2-1 行切砂轮位置 图 2-2 整体开槽 2.3.2 端面齿隙磨削 端面齿隙磨削，分为两部分，第一端面齿隙用纵磨法，选择碟形轮，此端 面为平面特征，加工时通过调整砂轮，使之与此平面平行，然后由边到心进行 磨削，达到尺寸精度要求，关键是碟形轮的位置转角的确定。第二齿隙用横磨 法，实际为扩齿磨削，此面呈一个锥形，用碟形轮加工，通过调整碟形轮的角 度位置，使之刚好能满足第二齿隙的形状要求，而且端面长齿跟短齿的齿隙扩 齿切削深度不同，短齿部分切削较深，使对角短齿不相连，长齿部分则保证其 对心（有些要求不对心），有些刃部都是长齿，即所有刃都过心，在磨削这种 刃的齿隙时要求不能过切，保证所有刃中心相连，当人也有所有刃都不过心的， 需要在各个刃之间切出空隙。采用由边到心进行磨削，以达到尺寸精度要求。 如图2-3所示： 本科毕业设计论文本科毕业设计论文 10 图2-3 端面齿隙磨削 2.3.3 前端面精磨 前端面精磨实际上是选用碟形轮精磨端齿后刀面，后刀面与端面夹角较小， 后刀面实则为一斜平面，可以通过设置碟形轮轴向与法向的角度，来与后刀面 斜平面成一水平面，从而对其进行磨削，端面长齿后刀面与短齿后刀面是同一 角度面，只是面积不同，长齿后刀面较大，短齿较小，磨削时要保证碟形轮有 足够的进给，能磨削完整个后刀面，每磨削完一个后刀面，工作台旋转一个角 度，然后磨削下一个后刀面。 因为铣刀端面刃数的不同，需要合理分配旋转角度，以及调整砂轮位置角 度，避免因为刃数过多而产生干涉现象，设置合适的切削参数，以达到尺寸精 度要求。 铣刀端面并不是完全垂直于刀轴，有时候端面会与出之于刀轴水平面有一 个较小夹角，一般为2度，称为蝶形角。加工时蝶形角对碟形轮的偏转角度的影 响较小。端齿磨削方法有两种，根据机床实际情况及工件夹持角度选择。如图 2-4所示两种方法： 本科毕业设计论文本科毕业设计论文 11 图2-4 端齿磨削方法 2.3.4 外圆精磨 外圆精磨选用碟形轮或者碗型轮，这里选用碗型轮，碗型轮用来磨削铣刀 侧刃部分的后刀面，铣刀后刀面有两个，呈不同角度，一般铣刀后刀面通过圆 弧连接，所以两后刀面难以分辨，也有两后刀面呈一定角度的，磨削外圆后刀 面，也可以应用开槽的那种方法二，铣刀夹持在工作台上，通过工作台的轴向 转动，然后碗型轮可以直线进给，将侧刃后刀面曲面通过复合运动展成一平面， 这样可以减少砂轮的旋转，先磨削第一后刀面，即远离侧刃的那个面，再磨削 第二后刀面，即挨着侧刃的那个面，磨削后刀面采用从柄部到端部的走刀方向， 一次磨削走刀完成，砂轮抬起并移动到初始位置，然后工作台旋转至初始位置， 然后砂轮逼近，接触，完成第二次磨削，多次磨削达到所要求尺寸和精度为止。 由于圆周刃与端刃连接部分有三种连接方式：清根连接（即无过渡直角连 接）、过渡 r 连接、球头形连接（球头铣刀），如图，则在磨削完侧刃后刀面， 根据此圆弧大小和砂轮直径，补偿算出砂轮中心所走圆弧轨迹，如图为 r 连接， 弧度较小，而球头形弧度较大，需要调整砂轮的位置和角度，确定圆的圆心， 加上圆半径和砂轮半径，得到砂轮轴心的运动轨迹。 对于球头形连接，需要根据铣刀直径得到圆弧半径，通过砂轮刀位点，补 偿砂轮半径，得到砂轮中心绕球形中心旋转轨迹。 对于直角连接，在磨削完周刃后刀面后，砂轮可以直线退出，抬刀到安全 本科毕业设计论文本科毕业设计论文 12 高度，不需要对端面进行磨削即可。如图2-5所示： 图2-5 外圆精磨 周齿磨削方法有三种，如图2-6所示： 图2-6 周齿磨削的三种方法 2.4 本章小结 本章简要介绍了铣刀的设计依据，主要研究了铣刀的热加工工艺和冷加工 工艺，热加工工艺主要包括热处理、焊接、涂层等，冷加工工艺主要是铣刀的 数控磨削工艺，分析了铣刀的数控磨削过程，按步骤分为整体开槽、端面齿隙 磨削、前端面精磨、外圆精磨，并介绍了各个步骤的磨削方法，分析了各个磨 削方法的优缺点，并总结了常用的方法。 本科毕业设计论文本科毕业设计论文 13 第三章 铣刀几何特征研究 本章主要研究了铣刀螺旋角的两种定义方式以及铣刀四种典型螺旋槽的几 何特征，并介绍了铣刀各个截面坐标系的转换关系以及各种转换矩阵的表达式。 3.1 铣刀螺旋刃线模型 3.1.1 定义螺旋角的两种方式 一把整体立铣刀不是由单一的几何曲线曲面构成，而是由圆柱、圆锥、圆 弧、球面等多种回转曲面构成，立铣刀的螺旋刃线部分是其重要组成部分，刃 线螺旋的表达式对于螺旋角的大小有决定意义，而螺旋角的大小又决定着铣刀 周刃切削力的大小。螺旋沟槽的存在，有利于减少切削热，并且使切屑能够顺 利地排出。铣刀的螺旋刃线是通过一点绕着固定轴的轴向运动和径向运动合成 出来的，下面讨论两种螺旋角和导程的定义方法19。 铣刀螺旋槽螺旋线是周刃前后刀面与回转外轮廓的交线，螺旋线的定义与 螺旋运动有关，绕固定轴做螺旋运动的点的速度 v 按照极坐标方式可分解为三 部分：轴向速度 v、径向速度 v、切向速度 v。如图 3-1 所示： 图 3-1 螺旋线速度分解 螺旋曲线上任意一点 n 的速度，按照极坐标方式可分解为如图所示三个方 本科毕业设计论文本科毕业设计论文 14 向的速度的矢量和，即： (3-1) vvvv 螺旋角的定义方式有两种，第一种将其定义为回转面母线与螺旋线的夹角，如 图所示，此时回转面母线的方向即轴向速度 v与径向速度 v的矢量和，定义 为 v0，则： (3-2) vvv 0 定义螺旋角为 则，由螺旋角第一种定义方式得： (3-3) v vv v v 0 cos 为了用于以下推导简化，将其改写为余切值得： (3-4) v vv cot 第二种定义方式是将螺旋角定义为回转轴与螺旋线的夹角，此时由 n 点的 速度 v 和轴向速度 v得螺旋角表达式： (3-5) v v cos 同样化为余切值得： (3-6) vv v cot 3.1.2 定义螺旋线的导程 因为一般立铣刀回转体都是圆柱或者球体，则螺旋线导程19各段相等，即 为等导程螺旋线，由上文螺旋角的第一种定义方式，以及导程 p 的性质，可定 义导程 p 为回转体母线与回转角速度 的比值，即： (3-7) vv v p 0 设回转体上 n 点的回转半径为 r(z)，绕 z 轴转动的角度为 ，沿着 z 轴移 动距离为 sz ，由以上数据得： (3-8) z zz s t s t s v (3-9) )( )()( z z z szr t s s zr t zr v 本科毕业设计论文本科毕业设计论文 15 (3-10) )()(zr t zrv 以上三个式子中带上撇的表示导数，其中 dt d 将(3-8)、(3-9)、(3-10)代入(3-7)中得等导程 p 的表达式： (3-11)(1 2 zrs vv p z 同理，若螺旋角由第二种方式定义，则得到等导程表达式： (3-12) z s v p 3.1.3 螺旋线几何模型 对于等螺旋角螺旋线，采用上述两种方式得到的螺旋线方程有所差异，用 第二种定义方式得到的螺旋角方程略微复杂，求得的螺旋线方程相对于第一种 定义方式较为繁琐，并且方式二在对刀具性能的影响上与定义方式一差距不大， 故以下采用定义方式一来计算螺旋线几何方程19。 按照方式一定义的螺旋角方程，将(3-8)、(3-9)、(3-10)式代入到(3-4)中得： (3-13) )( )(1 cot 2 zr zrs v vv z 因为要求螺旋线上点的在三维坐标中的 x、y、z 坐标值，因为 z 值是变 化值，即为公式中的 sz ，x 与 y 值跟绕 z 轴旋转的旋转角度 还有回转面的 半径 r(z)有关，关系如下： (3-14)cos)(zrx (3-15)sin)(zry 对于(3-13)式，方程式上下两边同乘以 d 得公式： (3-16) dzr zdrdsz )( )( cot 22 要得到 x、y 轴的坐标值，必须先得到 的表达式，为此对(3-16)两边积分得： (3-17)dz dz dr zr z 2 1 )( 1 tan)( 将(3-17)式代入(3-14)、(3-15)得等螺旋角螺旋线方程为： 本科毕业设计论文本科毕业设计论文 16 (3-18) dz dz dr zr zrx dz dz dr zr zry sz z 2 2 1 )( 1 tancos)( 1 )( 1 tansin)( 由于立铣刀周刃回转体有两种，一种是圆柱回转体，一种是球体，对于圆 柱回转体的螺旋线，如图3-2所示： 图3-2 圆柱回转体 由图得 r(z)为定值设为 r，从而为零，又设初始转角位，化简(3-18)得圆)( zr 0 柱体螺旋线（刃线）方程为： (3-19) )tansin( )tancos( 0 0 r z rx r z ry szz z 对于球体，以球心为坐标原点建立如图3-3所示坐标系： 图3-3 球体回转体 本科毕业设计论文本科毕业设计论文 17 设球的半径为 r，则球面上任意回转半径为，并且可求得 22 )(zrzr ，并设起始角为将这些已知条件代入(3-18)式中得球体的螺旋 22 zr z dz dr 0 线方程为： (3-20) zr zr zry zr zr zrx sz z lntan 2 1 sin lntan 2 1 cos 0 22 0 22 对于锥形回转面，设圆锥低圆半径为 r，顶圆半径为 r，圆锥锥角为 ， 以低圆中心为坐标原点建立坐标系如图3-4所示： 图3-4 圆锥回转体 如图得 代入 (3-18)式得到锥形回转面的螺旋线方程为： 2 tan)( zrzr (3-21) z sz z rzzry z rzzrx 2 tan 2 )( 2 cos tan (sin 2 tan 2 tan 2 )( 2 cos tan (cos 2 tan 2 2 本科毕业设计论文本科毕业设计论文 18 3.2 螺旋槽截面几何形状研究 立铣刀螺旋槽的形状主要是由槽型角、芯径、齿宽、螺旋角、周齿法向径 向前角、砂轮现状等参数共同决定的，前刀面与沟槽连接和后刀面与沟槽连接 部分的光滑衔接是设计槽型的关键，因为前刀面与沟槽为主要部分，对铣刀的 切削性能影响较大，而后刀面与沟槽连接部分对于铣刀的整体性能影响不大， 其形状主要是由砂轮参数与几何位置共同保证的。 3.2.1 立铣刀螺旋面三坐标系的建立 不同形状参数的空间曲线沿着螺旋线扫掠出来的曲面就是螺旋面，对于立铣 刀，有时候需要研究法截面上的前角和后角，有时候需要研究端截面上的前角 和后角，前者是在法截面坐标系中标定的，后者是在端截面坐标系中标定的， 如图3-5所示给出法截面坐标系跟端截面坐标系的定义19。 图3-5 三个截面坐标系 (1)如图3-5所示端截面坐标系为 of-xfyfzf ，x 轴为截面与螺旋线交点和截 面圆心连线的延长线，y 轴垂直于截面半径延长线并与截面相切，z 轴平行于 工件坐标系的 z 轴并与截面垂直。坐标系 of-xfyfzf 可由坐标系 o-xyz 绕 z 轴 旋转 (z)角度，并经过平移得到，因此由坐标轴 o-xyz 到端截面坐标轴 of- xfyfzf 的变换矩阵为： 1000 0100 00)(cos)(sin 00)(sin)(cos 1000 100 0010 )(001 21 zz zz z zr mmm f 注：m1为平移变换矩阵 m2为绕 z 轴旋转的变换矩阵 r(z)为 p 点处的端截面半径 (z)为绕 z 轴旋转角度 本科毕业设计论文本科毕业设计论文 19 (2)如图主截面坐标系为 o0-x0y0z0 ，可在端截面坐标系 of-xfyfzf的基础上 绕 yf轴旋转 (z)角度得到，其中 (z)为 p 点处截面母线与回转轴 z 轴的夹角， 此时 x0与螺旋线相切，所以可得由端截面坐标系 of-xfyfzf到主截面坐标系 o0- x0y0z0绕 yf轴的旋转变换矩阵 m3，从而得到由坐标系 o-xyz 到主截面坐标系 of-xfyfzf的变换矩阵 m0=mfm3=m1m2m3，其中 m3为： 1000 0)(cos0)(sin 0010 0)(sin0)(cos 3 zz zz m (3)如图法截面坐标系为 on-xnynzn ,可在主截面坐标系 o0-x0y0z0的基础上 绕 x0轴旋转 (z)角度得到，其中 (z)为 p 点处螺旋角，此时 zn与回转体螺旋线 相切，法截面坐标系上研究的是回转体螺旋线法面上的各个角度关系，由主截 面坐标系 o0-x0y0z0到法截面坐标系 on-xnynzn的旋转变换矩阵为 m4，从而得 到由坐标系 o-xyz 到法截面坐标系 on-xnynzn的变换矩阵为 mn=m0m4=m1m2m3m4 其中 m4为围绕 x0轴的旋转变换矩阵： 1000 0)(cos)(sin0 0)(sin)(cos0 0001 4 zz zz m 对于立铣刀，圆柱回转体与球体的端截面都是圆形，而法截面各不相同， 对于螺旋面，可由空间曲线绕着螺旋线扫掠得到，所以需要知道空间曲线的方 程，此处为铣刀端截面上螺旋槽曲线方程。 3.2.2 立铣刀端截面螺旋槽曲线方程 立铣刀端面螺旋槽形状曲线19主要是由其周刃前角、后角、刃宽、砂轮形 状等参数共同确定的，以下讨论四种形状的槽型曲线，分别为：(1)前刀面与沟 槽圆弧连接并且后刀面与沟槽连接部分有一段凸台过渡；(2)前刀面与沟槽呈一 定角度，并且后刀面与沟槽连接部分有一段凸台过渡；(3)前刀面与沟槽圆弧连 接，后刀面与沟槽无凸台过渡；(4)前刀面与沟槽呈一定槽型角，后刀面与沟槽 无凸台过渡。 (1)圆弧连接，直线过渡，如图3-6所示： 如图所示，槽型曲线为 abdpmegh，其中前刀面与沟槽过渡部分为半径 为 rc圆心为 c 点的圆弧，后刀面与沟槽之间有一段凸台 em 为直线，mp 小段 直线，其中 hg 为第一后刀面，ge 为第二后刀面。参数说明如表3-1所示： 要得到完整的槽型曲线方程式，需要求出以下各点的坐标值 a(xa，ya)、 本科毕业设计论文本科毕业设计论文 20 b(xb，yb)、d(xd，yd)、h(xh，yh)、g(xg，yg)、e(xe，ye)、m(xm，ym)、p(xp，yp) 以及沟槽半径 rf的值。 图3-6 立铣刀端截面 表3-1 铣刀截面参数 变量名符号 铣刀大径d=2r 柱齿深度h1 周刃前角0 周刃第一后角1 周刃第二后角2 第一后刀面宽度l1 第二后刀面宽度l2 凸台深度h2 槽底