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本科畢業(yè)設(shè)計論文 題 目 智能車刀刃磨機機械結(jié)構(gòu)設(shè)計 畢業(yè)時間 2014.06 i 畢業(yè) 任務(wù)書 一、題目 智能車刀刃磨機機械結(jié)構(gòu)設(shè)計 二、指導(dǎo)思想和目的要求 工欲善其事，必先利其器。刀具在切削加工中占有舉足輕重的地位。首先， 它直接關(guān)系到切削加工的效率、質(zhì)量；其次，在機械加工中，影響到加工成本， 刀具的費用占到了生產(chǎn)費用的 2-5%,所以對整個生產(chǎn)的經(jīng)濟效益有重大的影響。 工業(yè)發(fā)達國家的經(jīng)驗表明，選用高效合理的刀具，能使生產(chǎn)成本降低 10-20%； 再次，隨著我國工業(yè)迅猛發(fā)展，企業(yè)的經(jīng)營管理模式的改變，企業(yè)對人的要求 是技術(shù)工人上崗就要立即能上手操作，工人沒有數(shù)年的工作經(jīng)驗，要想通過手 工刃磨一把刀具則相當(dāng)困難，得不到合理幾何角度的刀具，勢必影響到生產(chǎn)質(zhì) 量和效率。所以刀具的刃磨技術(shù)在降低成本、提高加工量中顯得尤為重要。針 對這種情況設(shè)計一種既經(jīng)濟又便于操作的刃磨機就顯得尤為必要。 三、主要技術(shù)指標 1.失電制動器選擇；砂輪架升降機構(gòu)設(shè)計； 2.畢業(yè)設(shè)計說明書 1 份；設(shè)計圖紙 1 套； 3.英文翻譯 1 份；機構(gòu)運動動畫 1 套； 四、進度和要求 第 1-2 周：查閱有關(guān)車刀刃磨機的相關(guān)資料完成開題報告； 第 3-5 周：仔細閱讀研究車刀刃磨機相關(guān)資料并列出方案； 設(shè)計 論文 ii 第 6-7 周：對所選刃磨機進行材料和工藝分析，以及刀具一些參數(shù)的設(shè)定； 第 10-11 周：對進刃磨機行結(jié)構(gòu)設(shè)計，優(yōu)化刃磨參數(shù)與刃磨裝置的機械系 統(tǒng)設(shè)計； 第 12-13 周：對在刃磨機模塊設(shè)計進行參數(shù)化設(shè)計； 第 14-16 周：智能刃磨機的結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化，完成論文，準備答辯。 五、主要參考書及參考資料 1．吳宗澤，羅學(xué)升·機械設(shè)計課程設(shè)計手冊·北京:高等教育出版社， 1992 2．任敬心·華定安·磨削原理·西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，1998 3．朱祖根，杭根新·磨工與磨削·北京：機械工業(yè)出版社，1984 4．磨工工藝學(xué)·北京：機械工業(yè)出版社，1982 5．鄭善良·磨削基礎(chǔ)·上海：上?？茖W(xué)科技術(shù)出版社，1988 6．任敬心，康仁科·難加工材料的磨削·北京：國防工業(yè)出版社，1999 7. 機床設(shè)計手冊·北京：機械工業(yè)出版社，1978 8. 李新江·機械專業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)知識·北京：機械工業(yè)出版社，1998 9 .磨控學(xué)手冊·北京：機械工業(yè)出版社，1984 10.E.保羅.迪加莫·機械制造工藝及材料·北京：機械工業(yè)出版社，1984 11.東北重型機械學(xué)院·機床夾具設(shè)計手冊·上海：上?？茖W(xué)科技術(shù)出版社 1979 12.濮良貴，紀寧剛·機械設(shè)計·北京:高等教育出版社，2001 13.上海紡織工學(xué)院·哈爾濱工業(yè)大學(xué)，天津大學(xué)·機床設(shè)計手冊·上海： 上?？茖W(xué)科技術(shù)出版社，1988 西北工業(yè)大學(xué)明德學(xué)院畢業(yè)設(shè)計論文 iii iii I 摘 要 該論文主要研究了車刀刃磨機的設(shè)計以及控制方法。主要論述了車刀幾何 參數(shù)和刃磨參數(shù)之間的關(guān)系和求解方法，建立并描述車刀位姿調(diào)整的數(shù)學(xué)模型。 論文論述了車刀刃磨的數(shù)學(xué)模型，根據(jù)模型，求解了車刀的幾何參數(shù)和刃磨參 數(shù)之間的關(guān)系。由于車刀刃磨參數(shù)決定刃磨時車刀和砂輪間的角度調(diào)整。為了 確定車刀刃磨機床參數(shù)，首先根據(jù)刀具刃磨時活動空間的分析，設(shè)計了實現(xiàn)方 案，選取控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，根據(jù)刃磨運動方程控制角度，最終采用單片機對三臺 步進電機控制，從而控制機床產(chǎn)生相應(yīng)的運動，實現(xiàn)車刀的各個面刃磨。 本次設(shè)計就是為了解決生產(chǎn)當(dāng)中企業(yè)和工人的實際問題。首先對車刀的刃 磨展開研究，通過調(diào)研、分析、類比、論證。最終設(shè)計一種智能化、自動化的 刃磨機械，以滿足實際生產(chǎn)需要。本次設(shè)計的智能車刀刃磨機就是機電一體化 產(chǎn)品，我們方案就是要實現(xiàn)機械設(shè)計和控制電的結(jié)合，滿足設(shè)計要求。所以在 機械原理及結(jié)構(gòu)設(shè)計的前提，決定利用微控制器－單片機，實現(xiàn)對其自動控制， 減輕使用人員的輔助工作，從而達到智能化。車刀刀刃磨技術(shù)及控制研究的目 的就是提車刀的刃磨質(zhì)量，降低制造成本提高生產(chǎn)率; 通過對車刀刃磨的控制研 究，實現(xiàn)對車刀的自動刃磨和重磨，減工人的勞動強度，及時滿足生產(chǎn)的需求。 本設(shè)計主要先了解車刀的角度及幾何數(shù)，根據(jù)這些設(shè)計出數(shù)控車刀刃磨裝置的 結(jié)構(gòu)設(shè)計以及利用單片機來控制機構(gòu)運行實現(xiàn)車刀的刃磨。 關(guān)鍵詞： 刃磨機 位姿調(diào)整 卸荷結(jié)構(gòu) 單片機控制 II ABSTRACT This paper is major to have studied control method as well as the design of the edge mill machine of lathe tool. Have discussed mainly the mathematics between the geometry parameter and edge mill parameter of lathe tool that concerns and begs to untie method and establishes and describes the pose adjustment of lathe tool model. The paper mathematics that has discussed the edge mill of lathe tool model, according to model, beg to have untied the relation between edge mill parameter and the geometry parameter of lathe tool. Because of the edge mill parameter of lathe tool when deciding edge mill, the angle between lathe tool and emery wheel is adjusted. To determine the edge mill parameter of lathe tool of machine tool, first according to the edge mill of cutting tool the analysis of campaign space, have designed realization scheme, select to control construction of system , adopt only flat machine eventually according to edge mill sport equation control angle as 3 walks into generator control, so control machine tool to produce corresponding sport, realize every surface of lathe tool edge mill. adopt only flat machine eventually according to edge mill sport equation control angle as 3 walks into generator control, so control machine tool to produce corresponding sport, realize every surface of lathe tool edge mill. Key words: Edge mill machine Pose adjusts Unload lotus structure Single-chip microcontrol III 目 錄 第一章 緒論 ..................................................................................................................1 1.1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 ..................................................................................................1 1.2 課題研究意義 ......................................................................................................3 1.3 課題主要研究內(nèi)容 ..............................................................................................3 1.4 本章小結(jié) ..............................................................................................................4 第二章 方案設(shè)計及論證 ..............................................................................................5 2.1 方案提出 ..............................................................................................................5 【方案 1】 ..............................................................................................................5 【方案 2】 ..............................................................................................................6 2.2 方案論證 ..............................................................................................................8 2.3 本章小結(jié) ..............................................................................................................9 第三章 方案實施 ........................................................................................................11 3.1 數(shù)學(xué)模型建立 ....................................................................................................11 3.1.1 常見車刀 ..........................................................................................11 3.1.2 車刀幾何角度分析 ....................................................................................12 3.1.3 數(shù)學(xué)模型的建立 ........................................................................................13 3.2 機械部分設(shè)計 ....................................................................................................17 3.2.1 刃磨基本條件 ............................................................................................17 3.2.2 磨削力計算 ................................................................................................21 3.2.3 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計 ............................................................................................24 IV 3.2.4 失電制動器選擇 ........................................................................................28 3.2.5 砂輪架升降機構(gòu)設(shè)計 ................................................................................30 3.3 關(guān)鍵零部件結(jié)構(gòu)的有限元分析 ........................................................................32 3.3.1 底座零件 ....................................................................................................33 3.3.2 升降機構(gòu) ....................................................................................................34 3.3.3 進刀停止器 ................................................................................................35 3.4 本章小結(jié) ............................................................................................................37 第四章 車刀刃磨機機械結(jié)構(gòu)運動仿真 ....................................................................38 4.1 機構(gòu)運動仿真簡介 ............................................................................................38 4.2 車刀刃磨機結(jié)構(gòu)運動仿真 ................................................................................39 4.3 運動仿真分析 ....................................................................................................40 第五章 總結(jié) ................................................................................................................50 參考文獻 ......................................................................................................................51 致 謝 ............................................................................................................................52 畢業(yè)設(shè)計小結(jié) ..............................................................................................................53 附錄 ..............................................................................................................................54 1 第一章 緒論 1.1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 工欲善其事，必先利其器。刀具在切削加工中占有舉足輕重的地位。在機 械加工中，刀具的費用雖然僅為生產(chǎn)費用的2-5%,但它卻對整個生產(chǎn)的效益有重 大的影響。刀具是實現(xiàn)零件加工成形的主要工具，其性能和質(zhì)量直接影響機械 加工的加工質(zhì)量、效率和成本。 工業(yè)發(fā)達國家的經(jīng)驗表明，選用高效的切削刀具，可以使生產(chǎn)成本降低10- 20%。隨著現(xiàn)代化機械加工技術(shù)朝著高效率、高精度、高自動化、高柔性化以及 網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展，切削刀具也正朝著精密化、復(fù)雜化的方向發(fā)展。 一般刀具制造和刃磨是采用普通的工具磨床進行加工，小批量的生產(chǎn)采用 萬能工具磨床，而大批量的刀具生產(chǎn)則采用專用的工具磨床，比如溝槽磨床、 立銑刀磨床等。然而隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，這種刀具的生產(chǎn)方式越來越不能適 應(yīng)現(xiàn)代刀具技術(shù)發(fā)展的要求。主要表現(xiàn):(1)一把刀具的生產(chǎn)需要幾臺機床，多次 裝夾，多次定位，不僅工藝裝備復(fù)雜，而且刀具的精度很難得以保證;(2)普通的 工具磨床的運動控制能力有限，對于一些復(fù)雜的刀具只能采用近似的方法加工; (3)萬能工具磨床在加工能力和加工范圍上，遠遠超過普通的工具磨床，但是仍 然不能適應(yīng)現(xiàn)代刀具的多品種、小批量、短周期要求。目前國外的工具磨床生 產(chǎn)廠家均采用數(shù)控萬能工具磨床和CNC磨削加工技術(shù)，這也是普通刀具和復(fù)雜 刀具制造刃磨的主要途徑和方法。國內(nèi)車刀刃磨機械主要是在復(fù)雜刀具刃磨功 能的基礎(chǔ)上帶有車刀的刃磨，臺灣佳群機電公司是臺灣專業(yè)CNC專用機床磨刀 機生產(chǎn)廠家， JD-30A型第三代萬能磨刀機配有刃磨車刀、鉆頭、銑刀的功能 和裝置?？梢葬槍Σ煌募庸ぴO(shè)備和刀具對象，對刀具進行修磨。武漢機床廠 生產(chǎn)的M6245車刀刃磨機， （如圖1-1所示）天津市北閘門口儀表機床廠刃磨機 CDM32（如圖1-2所示） 。M6245車刀刃磨機主要技術(shù)規(guī)格： 最大車刀寬度45mm，最大車刀厚度45mm；砂輪架最大往復(fù)行程50mm砂 2 輪架往復(fù)速度(無級變速)5-25mm/分，砂輪軸轉(zhuǎn)速2100轉(zhuǎn)/分，當(dāng)用φ200mm砂 輪時砂輪線速度22米/秒，砂輪數(shù)量可裝數(shù)量4，常用數(shù)量 2；刀架縱向最大移動 量550mm刀架橫向最大移動量80mm，刀架微調(diào)范圍20mm，微進給手輪一格移 動量0.01mm，刀架在水平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)角度360°，刀架在縱向平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)角度 ±20°刀架在橫向平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)角度±20°，虎鉗鉗口旋轉(zhuǎn)角度±90°液壓泵流 量*壓力2.5升/分*25公斤/厘米，系統(tǒng)工作壓力 8-10公斤/ 厘米，電動機主傳動電 動機1.5kw。 天津市北閘門口儀表機床廠刃磨機CDM32技術(shù)參數(shù)： 夾持刀具的最大截面尺寸 32×32mm。 主 Main worktable 1﹑工作臺面積 340×170mm 2﹑上下移動量 70mm 3﹑左右移動量 70mm 4﹑上下移動刻度盤每格移動量 0.02mm 5﹑工作臺繞水平軸旋轉(zhuǎn) -30°～+20° Motor of spindle 1﹑繞垂直軸旋轉(zhuǎn) 15 2﹑輸出功率 550W 3﹑轉(zhuǎn)速 2980r.p.m. Vice-wordtable 1﹑工作臺面積 276×150mm 2﹑工作臺繞水平軸旋轉(zhuǎn) -30°～+30° Main tool holder 1﹑前后移動量 100mm 2﹑前后移動刻度盤每格移動量 0.02mm 3﹑刀夾繞垂直軸旋轉(zhuǎn) 360° 機床凈重 140kg 3 圖1-1 M6245車刀刃磨機 圖1-2 機床廠刃磨機CDM32 1.2 課題研究意義 隨著我國工業(yè)迅猛發(fā)展，企業(yè)的經(jīng)營管理模式的改變，以前的師徒關(guān)系以 不是很明顯，企業(yè)對人的要求是技術(shù)工人上崗就要立即能上手操作，作為新的 學(xué)徒和剛上崗的技術(shù)工人沒有數(shù)年的工作經(jīng)驗，要想通過手工刃磨一把刀具則 相當(dāng)困難，得不到合理幾何角度的刀具，勢必影響到生產(chǎn)質(zhì)量和效率。所以刀 具的刃磨技術(shù)在降低成本、提高加工量中顯得尤為重要。針對這種情況設(shè)計一 種既經(jīng)濟又便于操作的刃磨機就顯得尤為必要。 本次設(shè)計就是為了解決生產(chǎn)當(dāng)中企業(yè)和工人的實際問題。首先對車刀的刃 磨展開研究，通過調(diào)研、分析、類比、論證。最終設(shè)計一種智能化、自動化的 刃磨機械，以滿足實際生產(chǎn)需要。車刀刀刃磨技術(shù)及控制研究的目的就是提車 刀的刃磨質(zhì)量，降低制造成本提高生產(chǎn)率;通過對車刀刃磨的控制研究，實現(xiàn)對 車刀的自動刃磨和重磨，減工人的勞動強度，及時滿足生產(chǎn)的需求。本設(shè)計主 要先了解車刀的角度及幾何數(shù)，根據(jù)這些設(shè)計出數(shù)控車刀刃磨裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計 以及利用單片機來控制機構(gòu)運行實現(xiàn)車刀的刃磨。 1.3 課題主要研究內(nèi)容 通過本次設(shè)計，首先，分析研究車刀幾何參數(shù)和刃磨參數(shù)之間的關(guān)系和求 解方法，建立并描述車刀位姿調(diào)整的數(shù)學(xué)模型。根據(jù)模型，求解車刀的幾何參 數(shù)和刃磨參數(shù)之間的關(guān)系。根據(jù)刀具刃磨時活動空間位置，分析刃磨運動控制 角度，設(shè)計機械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，實現(xiàn)車刀的各個面刃磨，最終完成車刀刃磨 4 機床整體設(shè)計。通過本次設(shè)計，一方面可以滿足和解決生產(chǎn)當(dāng)中的實際基本問 題，另一方面，也可以為我們研究其他刀具的刃磨奠定理論基礎(chǔ)，使刃磨機械 最終形成系列化、市場化產(chǎn)品。車刀刀刃磨技術(shù)及控制研究的目的就是提車刀 的刃磨質(zhì)量，降低制造成本提高生產(chǎn)率;通過對車刀刃磨的控制研究，實現(xiàn)對車 刀的自動刃磨和重磨，減工人的勞動強度，及時滿足生產(chǎn)的需求。本設(shè)計主要 先了解車刀的角度及幾何數(shù)，根據(jù)這些設(shè)計出數(shù)控車刀刃磨裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計以 及利用單片機來控制機構(gòu)運行實現(xiàn)車刀的刃磨。 根據(jù)車刀角度及幾何參數(shù)，設(shè)計出車刀刃磨裝置，并實現(xiàn)自動化控制。 1.4 本章小結(jié) 通過本章的學(xué)習(xí)了解，我們初步了解了智能車道刃磨機的發(fā)展狀況，以及 它在機械加工中所占的重要作用。在21世紀現(xiàn)代化高速發(fā)展的今天，生產(chǎn)力決 定一切，我們要創(chuàng)造生產(chǎn)力，提高生產(chǎn)效率。機械加工方面我們更應(yīng)該改善技 術(shù)與生產(chǎn)力，對傳統(tǒng)的加工刃磨技術(shù)進行改善與提高，使加工智能化自動化。 無車刀是一種應(yīng)用非常普遍的金屬切削刀具，用它可以在車床上加工外圓、車 斷面和鏜孔等。在大多數(shù)機加工廠中，車床數(shù)控車床得到廣泛的應(yīng)用，車刀應(yīng) 用的頻率更高。由于工具磨床是一個通用的刀具磨床，所以這種重磨方法的缺 點是：機床調(diào)整麻煩，刃磨效率低;刃磨由工人手工操作，刃磨精度低。 車刀和其它刀具一樣，切削一段時間后就會變鈍，此時必須對其重磨方可 使用。否則，該車刀報廢，所以車刀的重磨工作量非常大。目前，我國螺旋齒 立銑刀的刃磨大約98%以上是在M6020或其變型、改進型的普通萬能工具磨床 上進行或者進行手工磨削。磨削質(zhì)量除了取決于機床自身的剛性、精度外，還 主要依賴于操作者的技藝和直觀感覺。 5 第二章 方案設(shè)計及論證 2.1 方案提出 【方案 1】 車刀刃磨實現(xiàn)上也就是針對車刀的主后刀面、副后刀面、前刀面三個面進行 磨削，從而保證六個基本角度。如圖所示2-1所示： Aα ——主后刀面 Aα /——副后刀面 Aγ —— 前刀面 Kr—— 主偏角 λ s——刃傾角 γ o——前 角 α o——后 角 Kr＇——副偏角 α o＇——副后角 6 圖 2-1 車刀 空間應(yīng)該有三個自由度才能保證三個面和六個基本角度，而在我們常用的 夾具里，萬能虎鉗就是最常見的能實現(xiàn)三個自由度的輔助夾具，所以我們可以 借鑒，從而實現(xiàn)刃磨。 工作原理： （1） 后刀面的刃磨 首先把車刀緊固在虎鉗1上，將轉(zhuǎn)體5相對于底座6轉(zhuǎn)動（繞Y軸線）--車刀 的主偏角K r，使刀刃與縱向進給方向平行，角度值可從刻度盤7讀出，再將虎鉗 相對于3轉(zhuǎn)動（繞Z軸線）--車刀的軸向后角。角度值可從刻度盤2讀出，此時， 車刀的整個后刀面都出于切削平面內(nèi)，當(dāng)萬能虎鉗隨工作臺作縱向往復(fù)直線運 動時，即可刃磨出車刀的后刀面。副后刀面刃磨基本相同。 (原理如圖2-2所示) (2) 前刀面的刃磨 車刀在虎鉗上緊固后，將轉(zhuǎn)體 5 相對于底座 6 轉(zhuǎn)動（繞 Y 軸線），--車刀 的主偏角 Kr，角度值可從刻度盤 7 讀出，將虎鉗 1 相對于轉(zhuǎn)體 3 轉(zhuǎn)動（繞 Z 軸 線）--車刀的軸向前角，角度值可從刻度盤 2 讀出。在將轉(zhuǎn)體 3 相對于轉(zhuǎn)體 5 轉(zhuǎn)動（繞 X 軸線）--刃傾角 λs，角度值可從刻度盤 4 讀出（如果 λs=0，則不 需轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)體 3），這樣車刀的整個前刀面（經(jīng)刃磨后的）都出于水平位置，當(dāng) 萬能虎鉗歲工作臺作作縱向直線往復(fù)運 動，即可刃磨前刀面。 7 1一虎鉗; 2、4、7一刻度盤; 3、5一轉(zhuǎn)體； 6一底座 圖2-2 刃磨原理圖 【方案 2】 由于空間需要三個旋轉(zhuǎn)自由度，才能保證三個面和六個基本角度，可以借 鑒機器人的腕關(guān)節(jié)，實現(xiàn)刃磨。機器人執(zhí)行機構(gòu)即機器人本體，其臂部一般采 用空間開鏈連桿機構(gòu)，其中的運動副（轉(zhuǎn)動副或移動副）常稱為關(guān)節(jié)，關(guān)節(jié)個 數(shù)通常即為機器人的自由度數(shù)。驅(qū)動裝置是驅(qū)使執(zhí)行機構(gòu)運動的機構(gòu)，按照控 制系統(tǒng)發(fā)出的指令信號，借助于動力元件使機器人進行動作。它輸入的是電信 號，輸出的是線、角位移量。機器人使用的驅(qū)動裝置主要是電力驅(qū)動裝置，如 步進電機、伺服電機等驅(qū)動裝置。如圖 2-3 所示。 1、關(guān)節(jié) 1 2、關(guān)節(jié) 2 3、關(guān)節(jié) 3 圖 2-3 驅(qū)動裝置 利用該種結(jié)構(gòu)，用三臺伺服電機進行輸入，就可實現(xiàn)空間的三個角度的旋 8 轉(zhuǎn)輸出，這三條傳動路線分別如下: 電機 1－齒輪 Z1/Z2－齒輪 Z3/Z4－θ 2 實現(xiàn) X 軸的旋轉(zhuǎn); 電機 2－齒輪 Z5/Z6－θ 1 實現(xiàn) Z 軸的旋轉(zhuǎn); 電機 3－齒輪 Z7/Z8－θ 3 實現(xiàn) Y 軸的旋轉(zhuǎn); 車刀刀具可以裝夾在托板上，實現(xiàn)主后刀面、副后刀面、前刀面的刃磨， 角度的調(diào)整，可以通過控制伺服電機的旋轉(zhuǎn)，位姿的調(diào)整由控制軟件按照位姿 調(diào)整的數(shù)學(xué)模型進行控制。從而可以實現(xiàn)刀具的數(shù)控化刃磨。 2.2 方案論證 方案一，由上述分析可知萬能虎鉗調(diào)整時需將三個坐標軸都進行調(diào)整，但 由于 X、Y、Z 三軸是連動的。當(dāng)夾具體繞 X 軸轉(zhuǎn)動時，Y 軸方向隨著轉(zhuǎn)動， 但 Z 軸方向不變。繞 Y 軸轉(zhuǎn)動時，X、Z 軸方位不變。繞 Z 軸旋轉(zhuǎn)時，X 、Y 方位隨著變動。因此當(dāng)夾具繞 X 或 Z 軸旋轉(zhuǎn)時，同時會帶動其它軸旋轉(zhuǎn)，我們 知道在刃磨刀具的幾個刀面時，刃磨的先后順序不同，刃磨的幾何角度也不同， 因此在使用時，調(diào)整的幾何角度并不是獨立的刀具角度，而是對幾何角度在空 間進行分析后得到的角度。這樣就會在刃磨時，帶來計算的麻煩，勢必影響到 刃磨的效率，且萬能虎鉗的調(diào)整是通過目測，由工人用手調(diào)整，這樣刃磨的質(zhì) 量也很難保證。因此在磨床上利用萬能虎鉗來進行車刀的刃磨其缺點是很明顯 的。 方案二，為了解決萬能虎鉗三軸轉(zhuǎn)動時，帶來的聯(lián)動調(diào)整問題以及計算時 的麻煩，我提出第二種實現(xiàn)方案。由刃磨要求可知，在刃磨時要通過夾具體的 回轉(zhuǎn)使刀具的被刃磨面回轉(zhuǎn)到與磨輪工作面平行的方位。因此，當(dāng)夾具回轉(zhuǎn)則 需要三個旋轉(zhuǎn)的自由度以保證刃磨時所要求的角度，由以上對萬能虎鉗的分析 知，該夾具的三個方向的回轉(zhuǎn)自由度并不是獨立的，在旋轉(zhuǎn)時角度是很難控制 的，因此為了方便而準確的控制三個方向的自由度，我們將這些自由度的生成 關(guān)系獨立開來，我們采取第二個實施方案。該結(jié)構(gòu)由三部分組成，一部分有一 個自由度，并且三部分的軸線交于一個平面。三部分的實現(xiàn)由三臺步進電機控 制，則三個方向的旋轉(zhuǎn)自由度就可實現(xiàn)，并且是獨立的存在，不會有干涉的現(xiàn) 象，再采用絲杠螺母機構(gòu)來實現(xiàn)兩個方向的進給運動，這樣在刃磨車刀時，要 9 使刀具待磨面與磨輪工作面平行，我們只需要分別控制三臺電機來實現(xiàn)三個軸 的旋轉(zhuǎn)，三個軸的旋轉(zhuǎn)由數(shù)學(xué)建模關(guān)系控制，就可輕易的實現(xiàn)人為控制，得到 我們所需的角度。 在三個自由度的實現(xiàn)上，有兩種方案可以實現(xiàn)，第一種就是三臺電機同時 布置在一個機體內(nèi)，第二種可以使進給方向有兩個自由度的旋轉(zhuǎn)，然后再利用 砂輪的旋轉(zhuǎn)，提供第三個自由度，這樣也可以實現(xiàn)三個自由度的控制，在整個 設(shè)計當(dāng)中，我們對這兩個方案也進行了論證，最后在實現(xiàn)控制上，我們發(fā)現(xiàn)， 第一、數(shù)學(xué)模型的建立，都是以刀具的旋轉(zhuǎn)為研究對象的；第二、考慮到設(shè)計 的結(jié)構(gòu)的緊湊性，我們最終考慮采用了第二種方案中的 2，利用三臺步進電機 實現(xiàn)對刀具的控制，從而得到要磨的刃磨角度。 圖 2-3 方案可以實現(xiàn)三個回轉(zhuǎn)軸線相交于一點，這樣三個軸的運動彼此不 會產(chǎn)生誘導(dǎo)運動，三個電機的運動相互獨立，這樣控制算法上比較簡單容易實 現(xiàn)，但在結(jié)構(gòu)上體現(xiàn)的相對復(fù)雜，為此，我們在這個基礎(chǔ)上對這個方案部分結(jié) 構(gòu)進一步進行改型，從而力求得到比較合理的適合于刀具刃磨的結(jié)構(gòu)。 圖 2-4 結(jié)構(gòu)方案 Z 軸方向布置一臺步進電機，可以實現(xiàn)垂直水平面的旋轉(zhuǎn)運動，平行于水 平面布置一臺步進電機可以實現(xiàn)繞 X 軸的旋轉(zhuǎn)運動，水平面內(nèi)垂直于 X 軸布置 10 一臺步進電機，從而就可實現(xiàn)繞 Y 軸的旋轉(zhuǎn)運動?？傮w結(jié)構(gòu)方案如圖 2-4 所示， 為此 在次方案的基礎(chǔ)上我們只需進行合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計和控制的設(shè)計，就可實現(xiàn) 我們的設(shè)計要求。 2.3 本章小結(jié) 我國工具行業(yè)，長期處在低水平數(shù)量型發(fā)展軌道，加上目前正處在國家深 化改革，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，客觀和主觀都造成我國的工具行業(yè)難以適應(yīng)當(dāng)今飛速 發(fā)展的市場變化。我國刀具制造同先進國家的差距進一步拉大。為了降低成本， 提高刃磨質(zhì)量和效率，尤為重要。車刀的刃磨就是最基礎(chǔ)的。 而長期以來車刀的刃磨，主要由車床工人用手工刃磨，憑目測控制刃磨角 度，這種刃磨方式，刃磨的角度不太正確，效率也較低，所以開發(fā)高效可靠、 功能強大、成本低廉的經(jīng)濟型數(shù)控車刀刃磨機具有現(xiàn)實的經(jīng)濟意義和深遠的社 會意義。 11 12 第三章 刃磨機設(shè)計方案實施 3.1 數(shù)學(xué)模型建立 3.1.1 常見車刀 圖 3.1 車 刀 的 種類 a)外圓車刀 b) 外圓車刀 d)內(nèi)孔車刀 f)螺紋車刀 e)圓弧車刀 c)切斷刀 圖3-1 常用車刀 車刀是應(yīng)用最廣的一種單刃刀具。也是學(xué)習(xí)、分析各類刀具的基礎(chǔ)。車刀 用于各種車床上，加工外圓、內(nèi)孔、端面、螺紋、車槽等。車刀按結(jié)構(gòu)可分為 整體車刀、焊接車刀、機夾車刀、可轉(zhuǎn)位車刀和成型車刀。車刀由刀頭和刀桿 兩大部分組成。刀桿是刀具上夾持部分組成。刀頭直接擔(dān)負切削工作，它由以 下部分組成。 13 3.1.2 車刀幾何角度分析 圖 3-2 車刀幾何角度投影 為了表示刀具空間集合形狀及位置，需通過刀具幾何角度來表示。再表達 刀具幾何角度時，僅靠刀頭上的幾個面是不夠的，還需要建立幾個坐標平面， 以便與刀具刀頭上的各個面組成相應(yīng)的角度。 刀具切削角度的坐標平面: 刀具的切削角度是刀具在切削運動狀態(tài)下確定的角度。所以刀具的切削角 度的坐標系應(yīng)該用合成切削速度來說明。 切削平面 通過切削刃某選定點，切與加工表面的平面。○ 1 基面 通過切削刃某選定點，垂直于合成切削速度向量的平面?！?2 正交平面 通過切削刃某選定點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 垂直與副切削刃在基面上的投影?！?4 刀具標注角度 正交平面坐標系 為便于刀具設(shè)計者在設(shè)計刀具時標注，需要對上述參考○ 1 平面做一些假設(shè)，車削時的假設(shè)條件是： A.裝刀時，刀尖恰在工件的中心線上； B.刀桿對稱面垂直于工件軸線； C.沒有進給運動； 14 D.工件以加工表面的形狀是圓柱表面； 根據(jù)這些條件，外圓車刀主切削刃某選定點的標注角度參考坐標平面為; 基面 通過切削刃上選定點 M，平面與刀桿底面的平面；切削平面 通過??tP ??sp 切削刃上選定點 M，與主切削刃相切并垂直于基面的平面 正交平面 通過切削刃上選定點 M，垂直于主切削刃在基面上投影的o 平面。因此正交平面坐標系內(nèi)的三個坐標平面互相垂直，構(gòu)成了 1 個空間直角 坐標系，稱為正交平面坐標參考系 正交平面坐標系的刀具角度標注 如圖所示正交平面參考系中，刀具角度○ 2 有以下幾個。 刀具的前刀面，后刀面及主切削刃的方位，用前角 ，后角 ，主偏角 ，arork 刃傾角 4 個角度就可以確定。其中， 于 確定了前刀面的方位， 和 確s?ars?roa 定了后刀面的方位， 與 確定了主切削刃的方位。rks? 3.1.3 數(shù)學(xué)模型的建立 車 刀 刀 面 方 程 建 立 1、建立坐標系 1.1 車刀坐標系 以外圓車刀的刀尖0為坐標原點，負進給方向為x d 軸方向， 吃刀運動方向為 Yd 軸方向， 按右手法則建立車刀坐標系。O-x dydzd，并與車刀“固結(jié)”。 1.2機床坐標系 以 車 刀 坐 標 系 的 原 點 0為 坐 標 原點，x d軸方向為x軸 方向， Yd軸方向為y軸方 向， 按右手法則建立機床坐標系。O-xyz，并與機床“固結(jié)”。 2、建立刀面方程式 設(shè)車刀的三個刀面為平面， 并設(shè)主偏角為k r、 ， 副偏角 為k r’： ， 主后角為a 0、 法向主后角為a n進給剖面主后a f,切深剖面主后角為a p,主前角為γ 0,法向前角為 γ n,進給剖面前角為γ f,切深剖面前角為γ p,刃傾角為λ s,副后角為α o＇,進給 剖面副后角為α p＇。 15 2.1主后刀面方程式 過刀尖o做主后刀面的單位法線，如圖4-3可知，該單位的法線的方向數(shù) （即Na在x d、y d、z d軸上的坐標分量）p a，q a，r a分別為 pa=-cosα o×sinkr qa= cosα o×coskr ra=-sinα o 于是，主后面的方程式可表示為： xd -cosα o·sinkr T xd pa qa ra · yd = cosα o·coskr yd =0 (1) zd -sinα o zd 2.2 副后刀面方程式 過 刀 尖 O作 副 后 刀 面 的 單 位 法 線 Na’， 由 圖 4-3可 知 ， 該 單 位 法 線 的 方 向 數(shù) (即 Na’在 Xd、 Yd、 zd軸 上 的 坐 標 分 量 pa’ 、 qa’、r a’： 分別為： 圖 3-3 刀具角度投影關(guān)系圖 16 pa’=-cosα o’×sinkr qa’= cosα o’×coskr ’ ra’=-sinα o’ 于是，副后刀面方程式為: xd -cosα o’·sinkr ’ T xd pa’ qa ‘ ra ‘ · yd = cosα o’·coskr ’ yd =0 (2) zd -sinα o’ zd 2.3 前刀面方程式 過 刀 尖 O作 前 刀 面 的 單 位 法 線 Nr， 由 上 圖 可 知 ， 該 單 位 法 線 的 方 向 數(shù) (即 Nr,在 Xd、 Yd、 zd軸 上 的 坐 標 分 量 )pr 、q r、r r： 分別為： pr=sinγ n·sinkr - cosγ n·sinλ s ·coskr qr=-sinγ n·coskr - cosγ n·sinλ s ·sinkr rr= cosγ n·cosλ s 于是前刀面的方程式可表示為： xd sinγ n·sinkr - cosγ n·sinλ s ·coskr xd pr 、q r、r r · yd = -sinγ n·coskr - cosγ n·sinλ s ·sinkr yd =0 (3) zd cosγ n·cosλ s zd 車刀的位姿調(diào)整 1、 建立砂輪的磨削平面方程 設(shè) 磨 刀 砂 輪 的 軸 線 與 機 床 坐 標 系 。 O-XYZ 的 x 軸平行． 并以砂輪的端平面刃 磨車刀的各表面， 那么砂輪的磨削平面方程可描述為： x 1 0 0 · y = 0 z 2、車刀的位姿調(diào)整 要 求 ： (1)能 實 現(xiàn) 任 意 一 個 被 刃 磨 刀 面 與 砂 輪 的 磨 削 平 面 重合； 17 (2)能 實 現(xiàn) 沿 磨 刀 砂 輪 軸 線 方 向 的 進 給 運 動 ； (3)能 保 證 磨 削 在 砂 輪 的 輪 沿 附 近 進 行 ； 圖 3-4 主后刀面刃磨 3、 車刀的姿態(tài)調(diào)整 姿 態(tài) 調(diào) 整 的 理 論 依 據(jù) 是 坐 標 旋 轉(zhuǎn) ， 任 意 一 個 被 刃 磨 刀 面 經(jīng) 過 坐 標 旋 轉(zhuǎn) 以 后 應(yīng) 能 夠 與 砂 輪 的 磨 削 平 面 重 合 或 平 行 、 車刀坐 標 系 的 起 始 位 置 與 機 床 坐 標 系 重合?？紤]到設(shè)計的機械結(jié)構(gòu)和刃磨時主要利用砂輪的端面刃磨，為了 提高刃磨效率和提高刃磨質(zhì)量，所以需確定刃磨的先后順序。綜合考慮上述因 素，我們確定了如下刃磨順序。 3.1 主后刀面刃磨 要 想 讓 主 后 刀 面 調(diào) 整 到 與 機 床 坐 標 系 的 yoz平 面 相 平 行 的 位 置 需 要 經(jīng) 過 兩 次 旋 轉(zhuǎn) 變 換 。 第 一 次 讓 刀 具 連 同 坐 標 系 。 讓 步 進 電 機 繞 Z軸 沿 順 時 針 方 向 轉(zhuǎn) kr 。 如 圖 3 - 4 所 示 ，然后讓X向步進電機繞X軸選轉(zhuǎn)一個后角，則主后刀面 就可實現(xiàn)預(yù)期的刃磨。 3.2 副后刀面刃磨 副后刀面的刃磨和主后刀面的刃磨基本相似，所不同的就是第一步的旋轉(zhuǎn) 18 方向有所不同，首先應(yīng)該逆時針旋轉(zhuǎn)一個副偏角，副后角同樣需要 X 方向步進 電機調(diào)整。 3.3 前刀面的刃磨 前刀面的刃磨時，首先旋轉(zhuǎn)一個主偏角，然后再旋轉(zhuǎn)一個軸向前角，最后 旋轉(zhuǎn)一個刃傾角。這樣需要三次旋轉(zhuǎn)才可實現(xiàn)前刀面的刃磨，電機的旋轉(zhuǎn)順序 為 Z 向步進電機-Y 向步進電機-X 向步進電機。 3.2 機械部分設(shè)計 3.2.1 刃磨基本條件 車刀的材料 常用車刀材料一般有高速鋼(High-speed steel)和硬質(zhì)合金(Horniness metal)兩類。 （1）高速鋼車刀 高速鋼是一種加了較多的鎢、鉬、鉻、釩等合金元素的高速工具鋼，特點 是較高的熱穩(wěn)定性，且學(xué)溫度達 500～600 攝氏度，與碳素工具鋼，合金工具鋼 相比，切削速度提高 1～3 倍，耐用度提高 10～40 倍。 （2）硬質(zhì)合金車刀 硬質(zhì)合金是以鎢的碳化物（WC）鈦的碳化物（TiC）的粉末為基礎(chǔ)，以鈷為 粘結(jié)劑，用粉末冶金法，經(jīng)高溫?zé)Y(jié)而成，硬質(zhì)合金的紅硬性為 W80～1000 攝 氏度，它的切削速度為高速鋼的 4～10 倍，常溫時，硬質(zhì)合金較脆，怕沖擊和 振動，不能制成復(fù)雜刀具，用其制成整體式的較少，大多為刀片。 刀具的磨損形式 刀具的磨損按其發(fā)生部位主要有以下形式:如圖 3-5 所示 1、刀面磨損 磨損主要發(fā)生在刀具的后刀面上,后刀面磨損后,形成后角等 于零的小棱面,磨損程度以棱面高度 h 后 表示。 2、前刀面的磨損 磨損部位主要發(fā)生在刀具的前刀面上，在主切削刃的后 方產(chǎn)生一個月牙洼，磨損程度與月牙洼的深度 h 前 表示。 19 3、前刀面與后刀面同時磨損 這種磨損是指刀具前刀面的月牙洼與后刀面 上的棱面同時產(chǎn)生 一般，刀具在切削工件的過程中，其后刀面都有磨損，h 后 的大小直接影響 工件的加工精度、表面的光潔度和生產(chǎn)效率，同時 h 后 測量方便，故生產(chǎn)實踐 中常以 h 后 的大小表示刀具磨損程度。 圖 3- 5 刀具磨損形式 砂輪選取 ( 1 )材料選取 砂輪是由磨料加結(jié)合劑用制造陶瓷的工藝方法制成的。砂輪的特性由下列 五個因素來決定：磨料、粒度、結(jié)合劑、硬度和組織。常用的磨料有氧化物系、 碳化物系、高硬磨料系三類。如表 1-1 所示。 選用原則 刃磨刀具的砂輪應(yīng)使刃磨后的刀具具有鋒利的切削刃和一定的光潔度，并 且刀面無退火燒傷現(xiàn)象。選擇砂輪是主要依據(jù)刀具材料的性質(zhì)、磨削性質(zhì)、圖 紙要求等，選擇砂輪的磨料、粒度、硬度、結(jié)合劑、形狀和尺寸。 20 表 3-1 所示 砂輪材料 具體有一些基本原則： 工件硬度工件越硬，砂輪硬度應(yīng)選得軟些，使磨鈍了的磨?？禳c脫落，以 便砂輪經(jīng)常保持有銳利的磨粒在工作，避免工件因磨削溫度過高而燒傷。 工件 材料越軟，砂輪的硬度應(yīng)選得硬些，使磨粒脫落得慢些，以便充分發(fā)揮磨粒的 切削作用。 砂輪與工件的接觸面積大時，應(yīng)選用軟砂輪，使磨粒脫落快些，以 免工件因磨屑堵塞砂輪表面而引起表面燒傷。內(nèi)圓磨削和端面平磨時，砂輪硬 度應(yīng)比外圓磨削的砂輪硬度低。磨削薄壁零件及導(dǎo)熱性差的工件時，砂輪硬度 也應(yīng)選得低些。精磨和成型磨精磨和成型磨削時，應(yīng)選用硬一些的砂輪，以保 持砂輪必要的形狀精度。砂輪粒度大砂輪的粒度號越大時，其硬度應(yīng)選低一些 的，以避免砂輪表面組織被磨屑堵塞。工件材料磨削有色金屬、橡膠、樹脂等 軟材料，應(yīng)選用較軟的砂輪，以免砂輪表面被磨屑堵塞。 表 3 磨 料名稱 代號 特 點 適 用 范 國 棕剛玉 GZ 有 足 夠 的 硬 度 ， 韌 性 大 ， 抗 彎 強 度 高 ， 價 格便宜 磨 削 碳 素 鋼 、 一 般 合 金 鋼 ， 可 鍛 鑄 鐵 ， 硬 青 銅 等 。 特 剮 適 于 墨 未 淬 硬 鋼 和 調(diào) 質(zhì) 鋼 以 及 粗磨工序白剛玉 GB 比棕剛玉硬而脆， 自銳性好， 磨 削力和磨削熱量較小，價格比 棕剛玉高 磨削淬硬鋼， 高速鋼， 高碳鋼， 螺紋， 齒輪， 薄壁．薄片零件以及刃磨刀具等 鉻剛玉 GG 硬度與白剛玉相近而韌性較好 可磨削合金鋼， 高速鋼， 錳鋼等高強度材 料以及光潔度要求較高的工序。也適于成 型磨削，刃磨刀具等單晶剛 玉 GD 硬度和韌性都比白剛玉高 磨 削 不 銹 鋼 和 高 釩 高 速 鋼 等 韌 性 大 、 硬 度 高的材料微晶剛 玉 GW 強度高，韌性和自銳性好 磨 削 不 銹 鋼 ， 軸 承 鋼 和 特 種 球 墨 儔 鐵 等 黑碳化 硅 TH 硬度比白剛玉高，但脆性大 磨 削 鑄 鐵 ， 黃 銅 、 軟 青 銅 以 及 橡 皮 ， 塑 科 等 非金屬材料綠碳化 硅 TL 硬度與黑碳化硅相近而脆性更 大 磨削硬質(zhì)合金、光學(xué)玻璃等 金剛石 JR JT 硬度最高，磨削性能好，價格 昂貴 磨削硬質(zhì)合金、光學(xué)玻璃等高硬度材料 21 根據(jù)上述理論對于車刀的刃磨應(yīng)分別選取砂輪材料 ① 氧化鋁砂輪適用于高速鋼車刀 ② 碳化硅砂輪適用于硬質(zhì)合金車刀 （2）砂輪形狀及尺寸選取 砂輪形狀選擇 對于車刀的刃磨主要是氧化鋁砂輪和碳化硅砂輪，根據(jù)如表 3-2 所示砂輪 結(jié)構(gòu)和設(shè)計刃磨機結(jié)構(gòu)安裝尺寸和車刀角度刃磨時空間位置，可以對砂輪進行 外形選擇。 表 3-2 所示 砂輪類型 砂輪類型 斷面簡圖 代號 直徑(mm) 厚度(mm) 孔徑(mm) 平型砂輪 P 6-600 5-200 2-305 雙斜邊一號砂輪 PSX1 100-350 10-32 20-127 單斜邊二號砂輪 PDX2 150-350 10-25 25-127 單面凹砂輪 PDA 30-600 25-75 10-305 雙面凹砂輪 PSA 200-600 25-75 25-203 薄片砂輪 PB 100-400 1-5 20-32 筒形砂輪 N 150-400 50-200 100-350 杯形砂輪 B 50-250 40-200 13-150 碗形砂輪 BW 50-175 25-63 13-32 碟形砂輪 D 100-300 13-25 13-32 磨量規(guī)砂輪 JL 150-250 10-32 32-75 磨針砂輪 JZ 400-450 150-200 100-150 22 表 3-3 所示 砂輪刀具類型 砂輪的粒度、硬度組織和材料的選擇不同，都會對被磨工件表層金屬的塑 性變形產(chǎn)生影響，進而影響表面粗糙度。砂輪的速度越高，單位時間內(nèi)通過被 磨表面的磨粒數(shù)就越多，因而工件表面的粗糙度值就越小。砂輪粒度和砂輪修 整對表面粗糙度的影響。 通常，用碗形(或杯形)砂輪刃磨刀具的后刀面，在刃磨過程中，由于杯形 砂輪的直徑不變，因而更適用于無變速裝置的磨床。目前碗形(杯形)砂輪的直 徑都較小，砂輪圓周速度低，磨粒易變鈍，刀具表面光潔度差，故實際當(dāng)中為 了提高砂輪圓周速度，選用直徑較大的平形砂輪，經(jīng)適當(dāng)調(diào)整，用來刃磨后刀 面。刃磨前刀面一般用碟形砂輪。在本次設(shè)計當(dāng)中為了提高刃磨效率和簡化刃 磨機床結(jié)構(gòu)，采用了平行砂輪進行刀具各個面的刃磨。 3.2.2 磨削力計算 磨削力 F 可分解為互相垂直的三個分力，即沿砂輪徑向的法向磨削力 Fn， 沿砂輪切向的切向磨削力 Ft；以及沿砂輪回轉(zhuǎn)軸線方向的軸向磨削力 Fα。軸 向分力 F。較小，可不計，如圖 3-6 所示。由于砂輪磨粒具有較大的負前角， 所以法向磨削力 Fn 大于切向磨削力 Ft，通常 Fn/Ft 在 1.5～3 范圍內(nèi)。Fn 和 砂輪 刀具材料 加工情況 磨料 粒度 硬度 結(jié)合劑 碳素工具鋼 粗 磨精 磨 棕剛玉棕剛玉 46 #-60# 80#-120# ZR1-ZR2 ZR1-ZR2 陶瓷 瓷陶 高速鋼及合 金鋼 粗 磨 精 磨 精 磨 白剛玉 白剛玉 碳化硅 46#-60# 80#-120# 120#-180# R3-ZR1 R3-ZR1 ZR1-ZR2 瓷陶 瓷陶 樹脂或橡 膠 硬質(zhì)合金 粗 磨 精 磨 粗 磨 半精磨 精 磨 碳化硅 碳化