车刀刃磨装置的结构设计

第 页 共 页车刀刃磨装置的结构设计摘要 车 刀 是 一 种 应 用 非 常 普 遍 的 金 属 切 削 刀 具 ， 用 它 可 以 在 普 通车 床 和 数 控 车 床 上 加 工 端 面 、 圆 柱 面 和 曲 面 等 。 在 车 类 加 工 中 心 或 车 类数 控 机 床 上 ， 车 刀 应 用 的 频 率 更 高 。 车 刀 和 其 它 刀 具 一 样 ， 切 削 一 段 时间 后 就 会 变 钝 ， 此 时 必 须 对 其 重 磨 方 可 使 用 。 否 则 ， 加 工 精 度 和 生 产 效率 都 受 到 严 重 的 影 响 。 车 刀 刃 磨 机 研 究 的 目 的 就 是 提 高 其 刃 磨 质 量 ， 降低 制 造 成 本 ， 提 高 生 产 率 ;通 过 对 车 刀 刃 磨 的 控 制 研 究 ， 实 现 对 车 刀 的位 置 几 何 角 度 自 动 调 整 ， 提 高 刃 磨 质 量 和 效 率 ， 减 少 工 人 的 劳 动 强 度 ，及 时 满 足 生 产 的 需 求 。 本 课 题 主 要 研 究 内 容 是 分 析 普 通 外 圆 车 刀 的 几 何结 构 即 车 刀 几 何 角 度 和 刃 磨 方 法 ， 建 立 车 刀 刃 磨 刀 面 的 数 学 方 程 ;运用 步 进 电 机 控 制 技 术 来 实 现 对 执 行 机 构 的 控 制 ， 从 而 实 现 对 车 刀 刃 磨 角度 自 动 精 确 调 整 。关 键 词 车 刀 ， 车 刀 的 几 何 角 度 ， 车 刀 的 刃 磨 ， 车 刀 刃 磨 装 置第 页 共 页目录第一章 绪论1（一）研究的目的和意义.1（二）国内外发展简况1（三）课题的来源和研究的主要内容3第二章 车刀分析以及刃磨方法4第一部 分车刀的参数分析4第二部 分车刀的刃磨方法12第三部分 车刀的尺寸大小及角度参数15第三章 装置的设计.21第一部分 车刀刃磨装置的结构分析21第二部分 传动装置以及电动机的选择设计23第三部分 刃磨装置控制系统初步设计39第四章 总结47感谢.48参考文献.49第 页 共 页第一章 绪论一研究目的和意义随着机械制造技术的发展，特别是数控加工技术，柔性加工的广泛应用，对金属切削加工必不可少的刀具及其制造也提出了更高的要求。刀具状态的好坏直接影响着被加工零件的加工质量及其机械加工效率，为保证零件的加工质量，提高生产效率，降低加工成本，刀具在达到磨钝标准规定的值时就应进行重磨(重新刃磨)然后才能继续使用。对金属切削刀具的刃磨既是刀具制造过程中的最后一道工序，也是刀具多次重磨必须进行的一道工序。刀具的刃磨决定了刀具切削部分的最终形状及其几何精度，是保证刀具切削性能和产品质量的关键。车刀是一种应用非常普遍的金属切削刀具，用它可以在车床上加工外圆、车断面和镗孔等。在大多数机加工厂中，车床数控车床得到广泛的应用，车刀应用的频率更高。车刀和其它刀具一样，切削一段时间后就会变钝，此时必须对其重磨方可使用。否则，该车刀报废，所以车刀的重磨工作量非常大。目前，我国螺旋齿立铣刀的刃磨大约 98%以上是在 M6020 或其变型、改进型的普通万能工具磨床上进行或者进行手工磨削。磨削质量除了取决于机床自身的刚性、精度外，还主要依赖于操作者的技艺和直观感觉。由于工具磨床是一个通用的刀具磨床，所以这种重磨方法的缺点是:(1) 机床调整麻烦，刃磨效率低;(2) 刃磨由工人手工操作，刃磨精度低。车刀刀刃磨技术及控制研究的目的就是提车刀的刃磨质量，降低制造成本提高生产率;通过对车刀刃磨的控制研究，实现对车刀的自动刃磨和重磨，减工人的劳动强度，及时满足生产的需求。本设计主要先了解车刀的角度及几何数，根据这些设计出数控车刀刃磨装置的结构设计以及利用单片机来控制机构运行实现车刀的刃磨。二 国内外发展简况对于车刀以及其他复杂形状刀具的刃磨技术和控制研究方面，国内外已有许多专家。做了不少的研究，也开发出了一些的刀具刃磨设备。在国外，对立车刀及其他复杂刀具磨削工艺和数控工具磨床的研究开发早，己经发展到了很高的水平。对于车刀刀刃的磨削 90%以上是在数控工具磨上进第 页 共 页行的，基本上实现了一次装件自动完成刀刃的全部磨削。有的数控工具磨还实现了自动上工件(被磨刀具)、自动磨削、自动修整砂轮、自动补偿、自动工件的全过程自动化。数控工具磨床的发展经历了从低档到高档的过程，由三轴数控发展到了六轴、八轴数控，并且己开发出十轴以上的多轴数控，多轴联动的数控工具磨床，还开发出不经铣制，直接磨出容屑槽和刀刃的整体、强力磨削的数控工具磨床。德国 WA LTER 公司的五轴 HELITRONICP OWERP RODUCTIONC NC 工具磨床，可用于制造各种金属切削刀具。机床配有测量定位系统，将测头固定安装在磨头上，用于实现刀具定位，可缩短磨削周期。该机床采用 WALTER公司自己开发的专用数控系统 HMC500 及其软件。除了能提供各种通用刀具磨削软件外，它还开发了一种新的“灵活编程”软件，通过该软件可以把刀具磨床变成能够设计刀具的磨床。瑞士 SC HNEEBERGER 公司的五轴五联动 GEMIN CNC 工具磨床，主要用于生产和修磨各种不同形状的小尺寸刀具，能自动测量，自动上下料，实现了无人操作。机床配有自动测量系统，方便刀具的安装及磨削，它采用一个固定安装的三维测头，既可用于测定刀具毛坯几何形状，在刀具重磨前测量又可用来保证刀具磨削质量。还有，美 国的 HUFFMAN 公司的 HS-87R 型数控工具磨床，瑞士STRAUSAK 公司的 57W /CNC-4G 四轴数控磨床，日本牧野公司的 NX-40 型十轴数控工具磨床等都是性能优越的数控机床。为了提高我国刀具的制造工艺水平及质量，80 年代后期国内部分厂家陆续从 美国、德国、日本等国引进了数控工具磨床及 CNC 磨削技术。主要有 :(1) 营 口 机 床 厂从德国 WALTER 公司引进了 Helitronic30CNC 三轴数控工具磨床。该机床可实现任意两轴和三轴联动，各轴均由步进电机驱动。整机刚性和精度较好，适用于立铣刀等的磨削加工。(2 )上 海 工具厂从日本东芝硬质合金株式会社引进了一台 RBG-01 型模具铣刀数控专用磨槽机。该机床数控轴数为 6 轴，6M-B 控制 x, y, A, B,C 轴，SM-C 控制 z 轴。联动轴数为 4 轴(x, y, A, C)由 6M-B 系统控制。各轴均由直流伺服电机驱动。该机床刚性好、加工精度高。机床实现了自动上工件、自动磨削、自动下工件等全过程自动化，是 80 年代属世界先进水平的数控工具磨床。第 页 共 页(3 )V L 205-CNC 数控刀具磨床是从法国 ROUCHAUD 公司引进并进行中法合作生产的六坐标数控刀具刃磨设备。它配备 NLM760 数控系统，使用RENISHAW 测头进行刀具参数测量，为刀具刃磨程序的参数化设计提供了极为方便的条件。国内在数控工具磨床的研究方面开发起步较晚，可以说是从 80 年代中后期才开始的，其研究、开发还处于样机或单台极少量试生产阶段。国内有几家研制的数控工具磨床，其 CNC 系统都是从国外引进，使机床售价大大的提高，从而影响这些数控工具磨床的推广和应用。在数 控 系 统方面，北京航空航天大学在 80 年代就开展了数控刀具刃磨机的研制工作，己开发了几种型号的数控刀具刃磨机。在已有的研究成果上，还开发了一套性能优越的数控刀具刃磨机数控系统。该大学在国家“八五”和“863”计划中承担了高性能开放式数控系统的开发任务。开发出了的基于Windows 操作系统的开放式数控系统 CH-2010,在车床、铣床、加工中心、凸轮磨床等多种机床上获得成功应用。 “华 中 2 000 型 工具磨床专用数控系统”是在国家“八五”重点攻关项目 “数控万能工具磨床产品开发”科研成果的基础上，成功开发出的用于各种回转刀具磨削加工的集成化 CNC 系统。在数 控 磨 床方面，武汉机床厂研制的 MH6030 型刀具磨削中心，该机床采用 8050M数控系统，实现六轴主联动控制。该机床适用于加工复杂工具、复杂刀具如模具铣刀等，还适用于磨削加工复杂的中小型零件。咸阳机床厂 MK6025/3 三轴联动数控万能工具磨床是最近研制成功的新一代工具磨床，该机床采用了华工 I 型数控系统，配有华中理工大学各种刀具加工软件，该软件还可以针对用户自己的要求进行自行编程并设计所需软件。该机床能自动完成各类普通及复杂刀具的刃磨或重磨，解决了普通工具磨床需要附件才能完成的复杂刃磨问题;配备测量系统，在数控系统测量软件支持下，将被磨刀具的有关几何参数(如螺旋角或导程)及安装位置(如始点位置)等参数自动输入计算机系统，自检测系统可以自动判断加工刀具的起始点，自动生成加工程序并实现整个加工过程的自动磨削。还有 营 口 冠华机床厂的 M6025K 万能工具磨床和武汉机床附件厂的 GW-1 万能磨刀机，均为普通型工具刃磨机床。主要问题国内各大中型机械厂，对车刀类的刃磨，主要由工人在万能工具磨床上进行手工刃磨。工人劳动强度大，刃磨效率和精度低。刀具重磨时，刀具的刃形受到第 页 共 页磨损或严重的破坏，使得手工刃磨时不容易控制，没法保证刀具的重磨质量。在车刀刃磨技术及控制技术研究方面，国内起步较晚，而且相关设备和数控系统主要依靠进口和与国外企业合作开发，因而，多数局限于一些复杂刃形如球头车刀等的制造和建模，或者直接依赖进口特定的大型数控加工机床。国外对刀具刃磨的研究虽然起步较早，但所开发的设备主要是三轴、多轴联动的大型数控工具磨床或磨削加工中心。对于通用型的车刀刃磨，进口该设备成本过高，不合乎国情。三 课题来源与主要研究内容本课题来源于陕西省教育厅培育项目“智能车刀磨装置” ， ，该项目为陕西理工学院，项目主持人为戴俊平教授。课题主要研究内容为:根据车刀角度及几何参数，设计出车刀刃磨装置。并实现自动化控制。第二章 车刀分析以及刃磨方法第一部分 车刀的参数分析一，金属切削发展简史研究金属切削加工过程中刀具与工件之间相互作用和各自的变化规律的一门学科。在设计机床和刀具、制订机器零件的切削工艺及其定额、合理地使用刀具和机床以及控制切削过程时，都要利用金属切削原理的研究成果，使机器零件的加工达到经济、优质和高效率的目的。 简史 金属切削原理的研究始于 19 世纪中叶。1851 年，法国人 M.科克基拉最早测量了钻头切削铸铁等材料时的扭矩,列出了切除单位体积材料所需功的表格 1864 年，法国人若塞耳首先研究了刀具几何参数对切削力的影响 1870 年,俄国人 NA.季梅首先解释了切屑的形成过程，提出了金属材料在刀具的前方不仅受挤压而且受剪切的观点。1896 年，俄国人 AA.布里克斯开始将塑性变形的概念引入金属切削。至此，切屑形成才有了较完整的解释。1904 年，英国人 J.F.尼科尔森制造了第一台三向测力仪，使切削力的研究水平跨前了一大步。1907 年美国人 F.W.泰勒研究了切削速度对刀具寿命的第 页 共 页影响，发表了著名的泰勒公式。1915 年，俄国人 RT.乌萨乔夫将热电偶插到靠近切削刃的小孔中测得了刀具表面的温度(常称人工热电偶法)，并用实验方法找出这一温度同切削条件间的关系 19241926 年,英国人 E.G.赫伯特、美国人 H.肖尔和德国人 K.科特文各自独立地利用刀具同工件间自然产生热电势的原理测出了平均温度（常称自然热电偶法） 。19381940 年美国人 H.厄恩斯特和 M.E.麦钱特利用高速摄影机通过显微镜拍摄了切屑形成过程，并且用摩擦力分析和解释了断续切屑和连续切屑的形成机理。40 年代以来，各国学者系统地总结和发展了前人的研究成果，充分利用近代技术和先进的测试手段，取 得了很多新成就，发表了大量的论文和专著。二，刀具切削部分的组成及角度金属切削种类繁多，形状各异。但就其切削部分而言，都可以看成是由外圆车刀演变而成。图 2.1 车刀的几何面（1） 车刀及切削部分的组成。车刀由刀头和刀杆两大部分组成。刀杆是刀具上夹持部分组成。刀头直接担负切削工作，它由以下部分组成刀面 1a.前刀面 新切屑流出的表面。rA第 页 共 页b.后刀面 与加工表面相对的表面。aAc.副后刀面 与工件已加工表面相对的表面。a刀刃 2a. 主切削刃 前刀面与主后刀面相交形成的切削刃。b. 副切削刃 前刀面与副后刀面相交形成的切削刃。刀尖 3主切削刃与副切削刃的的交点。（2） 刀具角度（3） 为了表示刀具空间集合形状及位置，需通过刀具几何角度来表示。再表达刀具几何角度时，仅靠刀头上的几个面是不够的，还需要建立几个坐标平面，以便与刀具刀头上的各个面组成相应的角度。1） 刀具切削角度的坐标平面刀具的切削角度是刀具在切削运动状态下确定的角度。所以刀具的切削角度的坐标系应该用合成切削速度来说明。切削平面 通过切削刃某选定点，切与加工表面的平面。 1基面 通过切削刃某选定点，垂直于合成切削速度向量的平面。 2正交平面 通过切削刃某选定点垂直于主切削刃在基面上的投影平面。 3副切削刃正交平面 垂直与副切削刃在基面上的投影。 42） 刀具标注角度正交平面坐标系 为便于刀具设计者在设计刀具时标注，需要对上述参 1考平面做一些假设，车削时的假设条件是：A 装刀时，刀尖恰在工件的中心线上；B 刀杆对称面垂直于工件轴线；C 没有进给运动；D 工件以加工表面的形状是圆柱表面；根据这些条件，外圆车刀主切削刃某选定点的标注角度参考坐标平面为;基面 通过切削刃上选定点 M，平面与刀杆底面的平面；tP切削平面 通过切削刃上选定点 M，与主切削刃相切并垂直于基面sp的平面正交平面 通过切削刃上选定点 M，垂直于主切削刃在基面上投影o第 页 共 页的平面。因此正交平面坐标系内的三个坐标平面互相垂直，构成了 1 个空间直角坐标系，称为正交平面坐标参考系正交平面坐标系的刀具角度标注 如图所示正交平面参考系中，刀具 2角度有以下几个。A正交平面 中测量的角度；Po前角 前刀面与基面之间的夹角；ar后角 后刀面与切削平面之间的夹角；o楔角前 刀面与后刀面之间的夹角。有09()oo oraB 副正交平面 。中测量的角度；P副后角 副后刀面与副切削平面之间的夹角。oaC 基面 中测量的角度；rp主偏角 。进给方向与主切削刃在基面上的投影之间的夹角。()k负偏角（ ）进给方向与副切削刃在基面上的投影之间的夹角。r刀尖角（ ）主切削刃与副切削刃在基面上投影之间的夹角。有0 18()r rrkD 切削平面 中测量的角度；sp刃倾角（ ）主切削刃与基面之间的夹角。刀具的前刀面，后刀面及主切削刃的方位，用前角 ，后角 ，主aro偏角 ，刃倾角 4 个角度就可以确定。其中， 于 确定了前刀rks s面的方位， 和 确定了后刀面的方位， 与 确定了主切削刃的roarks方位。第 页 共 页Pn9354s向 N图 2.2 车刀正交平面参考系角度标注（3） 车刀工作切削角度及车刀种类用于车削加工的、具有一个切削部分的刀具。车刀是切削加工中应用最广的刀具之一。图 1.1 为常用外圆车刀的典型结构形式。 结构车刀的切削部分由主切削刃、副切削刃、前面 后面和副后面等组成它的几何形状由前角 、后角 主偏角 刃倾角 S、副偏角 和刀尖圆弧半径 所决定。车刀几何参数的选择受多种因素影响，必须根据具体情况选取。前角 根据工件材料的成分和强度来选取，切削强度较高的材料时，应取较小的值。例如，硬质合金车刀在切削普通碳素钢时前角取1015；在切削铬锰钢或淬火钢时取 -2-10。一般情况下后角取 610 主偏角 根据工艺系统的刚性条件而定,一般取 3075, 刚性差时取较大的值，在车阶梯轴时，由于切削方式的需要取大于或等于 90。刀尖圆弧半径 和副偏角 一般按加工表面粗糙度的要求而选取。刃倾角 S 则根据所要求的排屑方向和刀刃强度确定。 车刀前面的型式主要根据工件材料和刀具材料的性质而定。最简单的是平面型，正前角的平面型适用于高速钢车刀和精加工用的硬质合金车刀，负前角的平面型适用于加工高强度钢和粗切铸钢件的硬质合金车刀。带倒棱的平面型是在正前角平面上磨有负倒棱以提高切削刃强度，适用于加工铸铁和一般钢件的硬质合金车刀。对于要求断屑的车刀，可用带负倒棱的圆弧面型，或在平面型的前面上磨出断屑台。 第 页 共 页车刀的切削部分和柄部(即装夹部分)的结合方式主要有整体式、焊接式、机械夹固式和焊接 -机械夹固式。机械夹固式车刀可以避免硬质合金刀片在高温焊接时产生应力和裂纹，并且刀柄可多次使用。机械夹固式车刀一般是用螺钉和压板将刀片夹紧，装可转位刀片（见可转位刀具）的机械夹固式车刀。刀刃用钝后可以转位继续使用，而且停车换刀时间短，因此取得了迅速发展。 种类 车刀按用途可分为外圆、台肩、端面、切槽、切断、螺纹和成形车刀等。还有专供自动线和数字控制机床用的车刀。 切断车刀 切断车刀切既窄且深的槽，排屑空间小，切屑极易堵塞，为了减小同已加工表面的摩擦，其切削部分的两侧必须磨有副偏角，因而根部的强度大大削弱。此外,切断车刀在切近工件中心处时,切削速度趋近于零，不利于切削。因此,切断车刀在工作时极易“打刀”(崩裂)。先进的切断车刀一般将主切削刃做成人字形,前面磨成屋脊形，使切屑产生横向收缩，朝一个方向稳定地排出，不致堵塞在槽中，同时再将刀头底部制成凸肚形，以最大限度地提高强度和刚度（图 1.3切断车刀） 。图 2.3 切断车刀成形车刀 成形车刀在结构上有平体形、棱体形和圆形 3 种（图 1.4成形车刀） 。图 2.4 成型车刀第 页 共 页成形车刀只有在前角为零度时其刀刃廓形才与工件的截形相同；前角不是零度时，则稍有不同，需要经过计算或用图解法求出车刀的截形。 自动线和数控机床用车刀 这类车刀应满足一些特殊要求：切削性能稳定可靠，断屑稳定，刀具可快速更换。因此，对刀片的质量要求更高，使用中采取强制换刀，以避免过度的磨损。断屑槽的形状和尺寸必须根据加工条件经试验确定，使切屑形状为碎裂的短弧形。为了减少换刀和调整的停机时间，刀具的调整应用各种类型的对刀工具或对刀仪在机外进行。图1.5自动线和数字控制机床用车刀图 2.5 自动线数控车刀是利用螺钉或楔块来调整车刀的径向尺寸 L 轴向尺寸 W 和刀尖高度 H 的自动线和数字控制机床用车刀。第二部分车刀的刃磨方法车刀的刃磨是切削加工中一项具有较高技术含量的基本操作,操作者需要熟悉相关理论知识和刃磨原理,熟练掌握刃磨方法及操作技巧。车刀刃磨分为如下几步：（一）车刀刃磨大概步骤(1) 常用车刀种类和材料 ,砂轮的选用常用车刀五大类,切削用途各不同,外圆内孔和螺纹,切断成形也常用;车刀刃形分三种,直线曲线加复合;车刀材料种类多,常用碳钢氧化铝 ,硬质合金碳硅,根据材料选砂轮;砂轮颗粒分粒度,粗细不同勿乱用 ;粗砂轮磨粗车刀,精车刀选细砂轮。(2) 车刀刃磨操作技巧与注意事项刃磨开机先检查,设备安全最重要; 砂轮转速稳定后,双手握刀立轮侧;两肘夹紧腰部处,刃磨平稳防抖动 ;车刀高低须控制,砂轮水平中心处;刀压砂轮力适中,反力太大易打滑 ;手持车刀均匀移,温高烫手则暂离;刀离砂轮应小心,保护刀尖先抬起;高速钢刀可水冷,防止退火保硬度;硬质合金勿水淬,骤冷易使刀具裂;先停磨削后停机,人离机房断电源第 页 共 页(3) 90、75、45等外圆车刀刃磨步骤粗磨先磨主后面,杆尾向左偏主偏;刀头上翘 38 度,形成后角摩擦减;接着磨削副后面,最后刃磨前刀面;前角前面同磨出,先粗后精顺序清;精磨首先磨前面,再磨主后副后面;修磨刀尖圆弧时,左手握住前支点;右手转动杆尾部,刀尖圆弧自然成;面平刃直稳中求,角度正确是关键;样板角尺细检查,经验丰富可目测。（二）刃磨时的注意事项必须根据刀具材料决定砂轮种类。一般刃磨车刀刀体和高速钢车刀时，用白色氧化铝砂轮；刃磨硬质合金车刀时，用绿色碳化硅砂轮。如果条件允许，在精磨硬质合金车刀时，可采用金钢石砂.刃磨车刀时手握刀具要平稳，压力不能太大，要不断地作左右或前后移动，使刀具受热均匀，防止产生硬质合金刀片裂纹和高速钢刀头烧伤而退火。刃磨硬质合金车刀时，不可把刀头部分放入水中冷却，以防刀片突然冷却而碎裂。刃磨高速钢车刀时，应随时用水冷却以 防车刀过热退火，降低硬度。刃磨时，车刀高低必须控制在砂轮水平中心， 刃头略向上翘，否则会出现后角过大或负后角等缺陷。钨钛钴类硬质合金车刀，因对冷热和冲击的敏感性较强，当环境温度变化较大时，也会产生裂纹，如在我国北方的冬季，如果把磨得很热的车刀放在冷空气中，往往会产生裂纹，最好是进行保温缓慢冷却。1、刃磨断屑槽时，由于车刀和砂轮接触时容易打滑，必须注意安全。2、刃磨时，砂轮旋转方向必须由刃口向刀体方面转动，以免造成刀刃呈锯齿形缺陷。砂轮要经过严格检查和良好平衡，装夹牢固，运转平衡。3、砂轮磨削表面须经常修整，使砂轮没有明显的跳动。重新安装砂轮后，要进行检查，经试转才可使用。（三）车刀的刃磨和研磨刃磨、研磨预磨刀体部分在刃磨硬质合金切削角度之前，应先磨去焊渣，并将刀体部分磨出一个比后角略大。 (的后隙角，以便刃磨刀具的后角。刃磨刀体部分，应采用白色氧化铝砂轮，硬度为中软，刃磨时要左右移动，防止刃磨受热不均而使刀头部分产生裂纹。粗磨以砂轮外圆磨出副偏角和副后角。以砂轮外圆磨出主偏角和主后角。以砂轮外圆磨出车刀的前面。以砂轮的棱面磨出断屑槽，并留出倒棱的宽度。第 页 共 页精磨精磨时砂轮需进行修整，保持砂轮旋转的平稳。以砂轮的外圆分别磨出车刀的主、副偏角和主副后角保持主切削刃平直光洁。用砂轮的棱面精磨车刀前角磨出刀尖圆弧及修光刃。以砂轮的端面磨出主切削刃上的倒棱。（四）工厂中车刀刃磨的方法（1）手工刃磨，该方法工人需要有丰富的工作经验，和车刀刃磨知识。该方法是:工人师傅手拿车刀刀柄部分在磨削机上进行磨削该方法又称研磨，俗称“背刀” ，也是车工在刀具方面必须掌握的技术之一。具体方法如下；首先刃磨过的车刀或使用后的车刀有轻微磨损现象，可用油石或研磨板研磨刀面。由于一般砂轮机上的砂轮没有经过严格的平衡，存在较大的振动偏摆，同时砂轮表面也不够平整，刃磨过程中用双手握着车刀稳定性又较差，因此在刃磨时砂轮与车刀有微量冲击现象，刃磨出的刀具切削刃通常不够平滑光洁，表面粗糙度较差。这样的车刀不仅直接影响被加工零件的表面粗糙度，而且还降低了车刀的使用寿命。对于硬质合金车刀，在车削时还容易产生掉渣和崩刃现象，所以对车刀必须进行研磨。车刀研磨时，可用油石或研磨粉进行。研磨硬质合金车刀时用碳化硼；研磨高速钢车刀时用氧化铝。这里主要讲解用油石研磨车刀的方法。用油石研磨刀具时，手持油石要平稳，如下图所示。油石与刀具接触的被研磨表面，要贴平前后刃面沿水平方向平稳移动，推时用力，回来时不用力。不要上下方向移动，如图所示，这样容易将刀尖磨钝，影响切削刃的锋利。研磨后的车刀将消除刃磨的残留痕迹，降低刃面的表面粗糙度值 1 级-2 级。这种方法可以减少车刀磨削成本而且可以当场进行非常方便。（2）使用工具磨床进行研磨该方法研磨精度高于手工磨削并且不需要工作经验非常丰富的工人。使用M6020 工具磨床进行磨削，用三向钳夹紧车刀，利用分度盘对车刀角度进行调节。其刃磨步骤为：1)把车刀的前.后.副后面及底面的焊渣磨掉.2)磨前.后面的刀杆部为,角度比刀片大 23 度3)粗磨主后角.副后角及前刀面.第 页 共 页4)精磨前刀面及断削槽5)精磨主.副后刀面为：第三部分 常用车刀的尺寸大小及角度参数 （1）车刀的种类和用途车刀种类很多，具体可按用途和结构分类。1.按用途分类 车刀可分为：外圆车刀、内孔车刀、端面车刀、切断车刀、螺纹车刀等。图 2.6 常用的几种车刀a)直头外圆车刀 b)弯头外圆车刀 c)90外圆车刀 d)宽刃精车外圆车刀e)内孔车刀 f)端面车刀 g)切断车刀 h)螺纹车刀按结构分类 车刀按其结构可分为：整体车刀、焊接车刀、机夹车刀和可转位车刀。（2）焊接车刀1. 车刀刀杆截面形状及选择 车刀刀杆截面形状有矩形、方形和圆形三种。一般用矩形，切削力较大时采用方形，圆形多用于内孔车刀。刀杆高度 H 可按车床中心高选择。2. 刀槽形状及选择 刀槽形状应根据车刀类型、刀片型号选择。表第 页 共 页1.1 所列为常用车刀刀槽形状。 刀槽形状的选择原则应该是：在保证焊接强度前提下，尽量减少焊接面数及焊接面积两种。目前在于尽量减小焊接应力。表 2.1 焊接车刀常用刀槽形状名称 简 图 特点 适用刀具 配用刀片开口槽制造简单，焊接面最少，刀具应力小外圆刀、弯头刀、切槽刀A1、C3、C4、B1、B2半封闭槽夹持刀片较牢固，焊接面大，容易产生焊接应力外圆车刀A2、A3、A4、A5、A6、B3、D1封闭槽夹持刀片牢固，焊接应力大，易产生裂纹螺纹刀 C1嵌入槽V 形槽燕尾槽用于底面积较小的刀片，增加焊接面，提高结合强度切断刀切刀槽刀A1C33.硬质合金刀片及选择 （1）刀片牌号 指车刀切削部分的刀具材料。一般根据工件材料选择刀片牌号。（2）刀片型号 指刀片形状和规格尺寸。刀片型号由一个字母和三位数字组成。字母和第一位数字表示刀片形状的型号，后两位数字代表刀片主要尺寸参数。我国目前将刀片分 A、B、C、D、E、F 六种型式，各式又有多种形状。其中 A、B、C 型主要用制造各种车刀，D、E 用于制造铣刀、钻头和绞刀，F 型第 页 共 页用于制造工具。表 2.2 为国家标准（GB5244-85、GB5245-85）中部分硬质合金刀片的常用型号型号 刀片简图 主要尺寸 /mm 用途举例A1 L=670190的外圆车刀和内孔车刀、宽刃光刀A2 L=825端面车刀、不通孔车刀A3 L=104090外圆车刀、端面车刀A4 L=650端面车刀、直头外圆车刀、内孔车刀C1 B=412 螺纹车刀C3 B=3.516.5 切断刀、切槽刀（3）可转位车刀1.可转位车刀特点 可转位车刀由刀杆、刀片和夹紧元件组成（图 1.7）。正多边形刀片上压制出卷屑槽并经过精磨，可以转位使用，几条切削刃全用钝后，可更换相同规格的刀片，使用起来很方便。第 页 共 页图 2.7 可转位车刀的组成1刀杆 2刀垫 3刀片 4夹紧元件可转位车刀的几何角度完全由刀片和刀槽的几何角度组合而成。切削性能稳定，适合于大批量生产。2.硬质合金可转位刀片 刀片形状很多，常用的有三角形、偏 8三角形、凸三角形、正方形、五角形和圆形等。3.转位车刀刀片夹紧结构 对夹紧结构的要求是：夹紧可靠，重复定位精确，操作方便，结构简单，制造容易，而且夹紧元件不应防碍切屑流出。常用的夹紧机构有偏心式，杠销式、杠杆式、楔销式和上压式。4. 转位车刀与焊接式的刀具比较，有以下优点：（1） 因刀片不经焊接、刃磨，可避免热应力和裂纹，硬质合金材料保持了原有的机械性能、切削性能、硬度、抗弯强度，提高了刀具的耐用度。（2） 可以工业大生产的方式，提供了先进的、合理的刀具几何参数。（3） 只有这种可转位式的车刀才能采用先进的涂层刀片。（4） 刀片转位迅速、准确，更换方便，效率提高，在数控、加工中心、自动线上尤为重要。（5） 有利于标准化设计和大量生产，保证质量。（6） 刀杆长期使用，节省大量钢材；省却刃磨工序，减少硬质合金的额外消耗，刀具费用降低。（4）车刀角度的换算第 页 共 页在设计和制造刀具时，需要对不同参考系之间的角度进行换算。1.法平面与正交平面角度的换算 当车刀刃倾角较大时，常需要标注出法平面内角度。可转位车刀刀片本身角度是法平面给出的，但安装到刀槽就需计算出正交平面内的角度。图 2.8 给出了刃倾角 s0车刀主切削刃上选定点在正交平面、法平面内的各标注角度。图 2.8 正交平面与法平面的角度换算图中 Mb 为正交平面 Po 与前刀面 Ar 的交线，M C为法平面 Pn与前刀面 Ar的交线，Ma为正交平面 Po、法平面 Pn与基面 Pr三者的交线。则有：actabotsonbcMattan n=tan oCos s Cot n=Cot oCos s 2.垂直于基面的各平面角度与正交平面角度的换算 ，一般在已知 o、 o、 r、 s的情况下，可计算出 f、 f和 p、 p。以上为机加车刀与普通车刀不同该车刀大多部分为一次性刀头，但是该车刀刃磨装置用于普通外圆车刀，可减少加工成本，一个车刀可多次使用因此使用。因此该装置可应用于大多数普通机加工厂。2 刀 具 刃 磨 参 数第 页 共 页由 于 刀 具 加 工 材 料 的 不 同 ， 对 刀 具 的 各 项 参 数 要 求 也 不 尽 相 同 。 故 为 了满 足 加 工 需 求 ， 必 须 选 出 合 理 的 刀 具 参 数 。如 表 2.3 所 示 为 刀 具 加 工 不 同 材 料 所 常 用 的 一 些 刀 具 角 度 。（1） 高速钢车刀工件材料 前角 )/(0ar后角 )/(0oa（400500）bMp2025 812 钢和铸钢（7001000）bMP510 58镍铬钢和铬钢 (700800)MPb515 57(160180) HBS 12 68灰铸钢(220260)HBS 6 68(140160)HBS 15 68可缎铸钢(170190) HBS 12 68钢铝 巴氏合金 2530 812中硬青铜及黄铜 10 8钨 20 15铌 2025 1215铜合金 30 1012镁合金 2535 1015电木 0 1012纤维纸板 0 1416硬橡胶 -20 1820软橡皮 4075 1520塑料和有机玻璃 2025 30表 2.3 车刀的刀具角度根据以上金属切削资料及刀具资料设计出车刀刃磨装置的机构和具体设计及零件设计。第 页 共 页第三章 装置的设计第一部分 车刀刃磨装置的结构分析根据以前的车刀刃磨大致可分为手动刃磨和用工具磨床进行刃磨。手动刃磨在前面已经讲过，利用工具磨床刃磨可减小加工误差，并且效率高于手工刃磨。磨床刃磨是利用三向钳进行进行夹紧和进行角度确定，但是磨削过程中需要多次装夹工件而且磨削精度不高（精度不一定高于手动磨削） 。因此需要设计出一磨削精度高于其他磨削方法，磨削效率高，结构简单，成本低廉的自动化磨削装置。根据以上磨削方法，我们设想一可以实现可绕 X 轴，Y 轴，Z 轴，旋转的机构并且在绕 X 轴时，不干涉 Y 轴的运动。该机构与工具磨床组合可实现 6 个自由度，该机构最初设想为利用球角控制刀架角度变化,但是该机构在磨削过程中不能承受磨削力，出现偏移，使磨削精度下降。同时我们又设想出改造三向钳，改造成步进电机控制，但是设计出结构尺寸过大不符合设计要求。因此以上两种机构都不符合要求。根据以上的设想，我们设计出利用类似与十字轴的结构，来实现工作台绕X 轴的旋转，以及绕 Y 轴的旋转。同时利用步进电机可实现联动。如图九所示。当步进电机转动时带动丝杠转动，使螺母上下移动，当螺母上下移动时，使滑杆转轴抬高或降低，带动工作台面绕 Y 轴旋转，转动一定角度。同理底下步进电机带动丝杠螺母使工作台面绕 X 轴进行旋转。工作台面底下的电机带动第 页 共 页蜗轮蜗杆机构使刀架绕 Z 轴旋转，因此实现车刀在磨前刀面，后到面，副前刀面及副后刀面，所转动的角度。但是一般磨削是用砂轮面去磨，因此在磨削后刀面时，X 轴和 Z 轴是联动的，也可以先走绕 X 轴进行旋转，然后绕 Z 轴进行旋转，当前刀面与后刀面有一定角度时，X，Y，Z 轴是联动的也可以分别转动，这些主要是控制方面做的，该机构是可以同时联动也可以分别转动各个轴，根据实验该机构不会出现自由度的约束。这种机构，在设计时主要考虑到 x 轴和 y 轴的连接部分，也就是十字轴的初步设计，该机构十字轴与普通十字轴完全不同，它是由三根轴构成的，X 滑杆转轴，Y 滑杆转轴，和固定转轴，固定转轴要比其他两轴要粗，固定转轴在和其他两轴连接处是在中心线开了个槽子和孔，Y 轴在连接处是削去两端圆弧部分使其插入固定转轴的槽中同时中间也打孔与固定转轴孔的轴线重合，使 x轴插入该孔中，实现当工作台绕 y 轴转动时以 y 轴轴线为中心旋转，x 轴也是一样的。YXZ123456789图 3.1 车刀刃磨装置的结构图1. 步进电机 2. 丝杠 3. 螺母 4. x 滑杆转轴 5. y 滑杆转轴 6. 车刀 7. 蜗杆第 页 共 页8. 刀架 9. 蜗杆 Z 轴是通过，蜗轮蜗杆机构实现传动的，整个装置所采用的传动部件都是具有自锁功能的，因此减少了装置的零件数目，把结构简单化了。如果在装置中不采用具有自锁功能的传动零件在整个切削过程中，刃磨装置所受磨削力是可以产生逆传动的，因此，我们采用的是非滚珠丝杠，就是在螺母中没有滚珠，虽然在传动过程中，使传动摩擦大，但是它具有自锁功能。而在 z 轴所采用的蜗轮蜗杆机构本身是具有自锁能力的，它们的具体细节将会在下一部分说明。我们所设计的车刀刃磨装置，机构不仅可以用于刀具刃磨而且这种机构是可以用于其它机床加工复杂工件。我们在设计过程中，考虑到工作台面可绕 x轴 y 轴各旋转正负 30 度的角度变换，而在 z 轴可进行完全旋转。这种机构的通用性强，使用方便，可以和多种机床进行组合。也可以把该种装置看成是一个数控夹具。（1） 刀架板的设计在设计刀架板时主要要考虑到刀架板在工作时是否对其它零件产生干涉，还有刀架板中刀架的位置，要能切削方便与砂轮有一个好的位置不至于砂轮闯到磨削装置上。根据这些要求我们设计出将刀架部分用一半圆弧凸出使砂轮与磨削装置有一定距离。我们设计刀架板厚 20mm 总长 180mm 在边缘处有一半径为 45mm 的圆弧突出。具体零件可参考刀架板零件图。（2） 底板的设计底板设计中，首先要考虑到板的厚度以及部分细节方面的设计再装丝杠螺母的地方采用厚度为 35mm，比其它地方后。这样要钻空放 1入轴承。在其它地方板厚为 15mm ，底板总长为 175mm 总宽为 165mm。材料为 2q235第二部分传动装置以及电机的选择设计一 歩 进 电 机 选 择 计 算（ 一 ） 步 进 电 机 的 工 作 原 理 和 特 性步 进 电 机 如 同 普 通 电 机 ， 有 转 子 、 定 子 和 定 子 绕 组 分 成 若 干 相 ， 每 相的 磁 极 上 有 极 齿 ， 转 子 在 轴 上 也 有 若 干 齿 。 当 某 相 定 子 绕 组 通 以 直 流 电第 页 共 页激 励 后 ， 便 能 吸 引 转 子 ， 使 转 子 上 的 齿 和 定 子 上 的 齿 对 齐 。 因 此 ， 它 是按 电 磁 铁 作 用 的 原 理 进 行 工 作 的 ， 在 外 加 脉 冲 信 号 的 作 用 一 步 一 步 的 运转 ， 是 一 种 将 电 脉 冲 信 号 转 换 相 应 角 位 移 的 机 电 元 件 。 步 进 电 机 定 子 可以 做 成 两 相 或 三 、 四 、 五 和 十 相 等 。 相 绕 组 可 以 单 拍 或双 拍 方 式 通 电 。 步 进 电 机 主 要 技 术 参 数 指 标 和 特 性 有 :(1) 步 距 角 。当 步 进 电 机 的 定 子 绕 组 为 m， 转 子 齿 数 为 Z， 通 电 方 式 系 数 为 k时 ， 每 输 入 一 个 脉 冲 信 号 ， 转 子 转 过 的 角 度 称 为 步 距 角 ， 用 表 示 则有(5-1)60mkz单 拍 通 电 时 k=1， 双 拍 通 电 时 k=2。(2) 静 态 步 距 角 误 差 是 指 步 进 电 机 空 载 时 ， 每 步 实 际 转 过 的 角 度 与 理 论 步 距 角 之 差 。以 角 度 单 位 或 理 论 步 距 角 的 百 分 数 表 示 。(3) 精 度通 常 指 的 是 最 大 步 距 误 差 和 最 大 累 积 误 差 ， 步 距 误 差 是 空 载 运 行 一 步的 实 际 转 角 的 稳 定 值 和 理 论 值 之 间 的 最 大 值 ， 用 理 想 步 距 的 百 分 数 表 示 。累 积 误 差 时 指 ， 从 任 意 位 置 开 始 ， 经 过 任 意 步 后 任 意 的 实 际 角 位 移 和 理论 角 位 移 之 差 。(4) 最 大 静 转 矩 maxM所 谓 静 态 是 指 步 进 电 机 的 通 电 状 态 不 变 ， 转 子 保 持 不 动 的 定 位 状 态 。第 页 共 页静 转 矩 即 是 步 进 电 机 处 于 定 位 状 态 下 的 电 磁 转 矩 ， 它 绕 组 内 的 电 流 和 失调 角 之 间 的 函 数 。失 调 角 就 是 在 定 位 状 态 下 ， 如 果 在 转 子 上 加 一 个 负 载 使 转 子 转 过 一 个角 度 。 并 能 稳 定 下 来 ， 这 时 转 子 上 受 到 的 电 磁 转 矩 和 负 载 转 矩 相 等 ， 该电 磁 转 矩 即 为 静 转 矩 。 角 度 B 称 为 失 调 角 。 对 应 于 某 式 调 角 最 大 的 转矩 ， 为 最 大 静 转 矩 ， 一 般 来 说 材 大 的 电 机 ， 负 载 转 矩 也 大 。maxMmaxM(5) 最 大 起 动 转 矩 st只 有 在 外 加 的 转 矩 小 于 峨 时 才 能 启 动 ， 该 性 能 表 示 步 进 电 机 启 动 时 的负 载 能 力 。(6) 响 应 频 率在 某 一 个 频 率 范 围 内 ， 步 进 电 机 可 以 任 意 运 行 而 不 丢 步 ， 则 这 一 最 大频 率 称 为 响 应 频 率 。 通 常 用 启 动 频 率 来 作 为 衡 量 指 标 。 它 是 指 在 一 定 负载 下 直 接 起 动 而 不 丢 步 的 极 限 频 率 。(7) 运 行 频 率 和 矩 频 特 性运 行 频 率 指 拖 动 一 定 负 载 使 频 率 连 续 上 升 时 ， 能 使 步 进 电 机 不 失 步 运行 的 极 限 频 率 。 矩 频 特 性 包 括 起 动 矩 频 特 性 和 运 行 矩 频 特 性 。 起 动 矩 频特 性 指 在 给 定 的 驱 动 条 件 下 ， 负 载 惯 量 一 定 时 ， 起 动 频 率 和 负 载 转 矩 之间 的 关 系 ， 又 称 为 牵 入 特 性 。 运 行 矩 频 特 性 指 负 载 惯 量 不 变 时 ， 运 行 频率 和 负 载 转 矩 之 间 的 关 系 ， 又 称 为 牵 出 特 性 。 矩 频 特 性 如 图 3.2 所示 。第 页 共 页图 3.3 步 进 电 机 惯 频 特 性(8) 惯 频 特 性在 负 载 力 矩 一 定 时 ， 频 率 和 负 载 惯 量 之 间 的 关 系 ， 称 为 惯 频 特 性 。 惯频 特 性 分 为 启 动 惯 频 特 性 和 运 行 惯 频 特 性 。 如 图 5-2 所 示 。对 于 步 进 电 机 的 控 制 ， 了 解 其 性 能 参 数 必 须 的 ， 因 为 在 进 行 步 进 电 机 选择 和 软 件 设 计 时 ， 它 的 性 能 决 定 整 个 控 制 系 统 的 性 能 。(二 )步 进 电 机 选 择 和 计 算1 初 选 步 进 电 机型 号 相数 电压 电流 电阻 电感 静转矩 机身长 定位转 出轴长 重量 接线图图 3.2 步 进 电 机 矩 频 特 性第 页 共 页矩单 位 V A mH Kg.cm mm Kg.cm mm Kg57BYGH101 4 3 1.3 2.3 2.2 4.9 45 0.3 21 0.45 a57BYGH102 2 5.1 0.75 6.8 12.5 5 45 0.3 21 0.45 b57BYGH201 4 16 0.4 40 60 8.5 55 0.7 21 0.65 a57BYGH202 4 12 0.7 17.5 22 8.5 55 0.7 21 0.65 a57BYGH203 2 2.4 1.5 1.6 3.4 8 55 0.7 21 0.65 b57BYGH204 4 5 1.5 3.3 3.6 8.5 55 0.7 21 0.65 a57BYGH205 2 6 0.6 10 26.5 8.5 55 0.7 21 0.65 b57BYGH206 4 2.7 3 0.9 1.4 8.5 55 0.7 21 0.65 a57BYGH207 2 4.4 1.15 3.8 8 9 55 0.7 21 0.65 b57BYGH208 2 7.2 0.6 12 33 8.5 55 0.7 21 0.65 b57BYGH209 4 4 1.6 2.5 3.5 8.5 55 0.7 21 0.65 a57BTGH210 4 4.8 1.5 3.2 4 8 55 0.7 21 0.65 a57BYGH211 4 3 2 1.5 2 8.5 55 0.7 21 0.65 a57BYGH212 2 1.8 3 0.6 1.3 8.5 55 0.7 21 0.65