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摘 要
本文是關(guān)于刀具角度測量裝置的設(shè)計過程及使用說明，重點介紹了刀具裝夾機構(gòu)，橫、縱向移動機構(gòu)和垂直進給機構(gòu)的設(shè)計。刀具裝夾機構(gòu)在虎鉗的基礎(chǔ)上進行改進設(shè)計，具有三個自由度，使其具有自鎖功能；對橫、縱向移動機構(gòu)和垂直進給機構(gòu)，采用滑動絲桿螺母副傳動機構(gòu)，其中包括了軸承類型和尺寸的選擇；還有對導軌類型和尺寸的選擇與計算，使導軌的導向性和工藝性更好；最后通過這些計算和選擇設(shè)計出了測量裝置，此裝置能夠更準確、方便的測出刀具的角度。
關(guān)鍵詞：刀具角度 測量裝置 進給機構(gòu)
Abstract
This article is about the tool angle measuring device in the design process and instructions, important to introduce a specific folder, horizontal, vertical moving mechanism and the vertical feed mechanism design. The specific design of the clip is mainly aimed at improvement of three DOF vice design combined with self-locking function ; on the horizontal ,vertical moving mechanism and the vertical feed mechanism design is a spiral slide helix and the choice between rolling through. The contrast between their determined drive with a sliding screw nut pairs to design feeding mechanism, including the choice of bearing type and size; also guide the type and size on the selection and calculation, to guide the direction of and the process of better; Finally, these calculations and chose to produce the type of measurement with a mechanical hand device so the device can be more accurate, convenient measure the angle of the tool.
Keywords: cutting tool angle ; measuremengt device ; feeding meehanism
目 錄
摘 要 1
Abstract 2
第1章 緒論 4
1.1 刀具角度測量裝置的研究意義 5
1.2 國內(nèi)外發(fā)展狀況及趨勢 5
第2章 車刀角度測量的理論分析 8
2.1 基本定義 8
2.2 車刀的幾何參數(shù) 9
2.2.1 刀具切削部分的表面與刀刃 9
2.2.2 確定刀具切削角度的參考平面 12
2.3 刀具幾何角度的計算 13
第3章 車刀角度測量的裝置的機械系統(tǒng)設(shè)計 15
3.1 測量裝置的總體方案選定 15
3.2 傳動系統(tǒng)的總體設(shè)計 16
3.3 傳動系統(tǒng)中的絲杠螺母副的設(shè)計計算 16
3.3.1 橫縱向進給機構(gòu)的選擇 16
3.3.2 橫縱向進給機構(gòu)的設(shè)計計算 18
3.3.3 垂直進給機構(gòu)的選擇 23
3.3.4 垂直進給機構(gòu)的設(shè)計計算 24
3.4 導軌的選擇 28
3.4.1 導軌的類型選擇 28
3.4.2 導軌的尺寸選擇 29
第4章 裝夾、分度和刻度裝置的設(shè)計 33
4.1 裝夾分度裝置的基本原理 33
4.2 指針與刻度盤的選擇 35
結(jié) 論 37
致 謝 38
參考文獻 39
CONTENTS
Abstract 1
Chapter 1 Introduction 4
1.1 Tool measurement device for significance 5
1.2 Developmental Status and Measurement Tool 5
Chapter 2 Theoretical Analysis of Measurement Tool 8
2.1 Basic definition 8
2.2 Tool geometry 9
2.2.1 Tool cutting edge part of the surface 9
2.2.2 To determine the angle of the cutting tool reference plane 12
2.3 Calculation of tool geometry 13
Chapter 3 Tool measurement device for mechanical system design 15
3.1 General scheme of measurement device selected 15
3. 2 Transmission System Design 16
3.3 Transmission Design and calculation of screw nut pairs 16
3.3.1 Horizontal and vertical feed mechanism of choice 16
3.3.2 Horizontal and vertical feed mechanism design calculation 18
3.3.3 The choice of the vertical feed mechanism 23
3.3.4 Vertical feed mechanism design calculation 24
3.4 Selection Guide 28
3.4.1 Select the type of rail 28
3.4.2 Size Selection Guide 29
Chapter 4 Clamping and indexing Device 33
4.1 The basic principles of clamping device 33
4.2 The choice of indexing device 35
Conclusion 37
Thanks 38
References 39
第1章 緒論
1.1 刀具角度測量裝置的研究意義
在金屬切削加工中，車刀是一種廣泛使用的刀具，在車床上使用各種車刀，可完成工件的外圓、端面、車槽或切斷，以及車孔和車內(nèi)外螺紋等加工工藝。為了滿足機器制造、金屬加工及其他部門對金屬切削刀具的需求，首先必須提高其生產(chǎn)速度，其次，要顯著提高刀具質(zhì)量，最后，要改進刀具的使用。其中，提高金屬切削刀具的質(zhì)量乃是達到最大限度滿足對切削刀具需求的基本方法。通過對刀具幾何角度測量裝置的設(shè)計，有利于鞏固和綜合應(yīng)用本專業(yè)基礎(chǔ)理論和專業(yè)知識，在結(jié)構(gòu)設(shè)計和工藝設(shè)計方面都得到訓練和提高。選題具有一定的實際意義。在現(xiàn)代機械制造工業(yè)中，加工機器零件的方法有很多種，如鑄造、鍛造、焊接、切削加工以及各種特種加工，其中切削加工是將金屬毛坯加工成具有一定精度、尺寸和表面質(zhì)量的主要加工方法。在加工精密零件時，目前主要依靠切削加工來達到所需的加工精度。隨著科學技術(shù)的高速發(fā)展，機械制造工業(yè)也在飛速發(fā)展。相輔相成，科學技術(shù)的發(fā)展對機械制造工業(yè)也提出了越來越高的要求。許多的設(shè)備零件所需達到的形位精度和表面質(zhì)量逐年提高。這不光是對機床的制造、改進是一大挑戰(zhàn)，而且對刀具也提出了更高的要求。為了延長刀具壽命，提高刀具的使用效率，滿足加工零件所需的形位精度和表面質(zhì)量需要，除了在設(shè)計刀具時正確決定刀具的幾何形狀，合理地選用刀具材料，規(guī)定必要的熱處理以外，在制造過程中對刀具進行嚴格的檢驗也不容忽視。所以，對刀具進行嚴格、精確的測量越來越被人們重視，為了能精確地測量出各種刀具的幾何角度，人們已經(jīng)設(shè)計出了各種各樣的專用的刀具測量裝置。
1.2 國內(nèi)外發(fā)展狀況及趨勢
目前，英國、美國、德國、同本等國都有多種型號的刀具預調(diào)測量儀產(chǎn)品，如德國的Zoller和美國的EX—CELL公司的產(chǎn)品，不僅能夠迅速對刀具進行瞄準測量，而且能夠用微機刀具庫進行管理，測量時采用光電自動瞄準，對刀具的進給速度無特別要求。我國的大部分類似的刀具測量系統(tǒng)仍停留在機械光學式，依靠人眼通過影屏將刀具放大后進行瞄準測量，容易帶來主觀誤差，同時測量速度低近來我國科研人員也開發(fā)一些新型的刀具測量系統(tǒng)和測量方法，例如采用解調(diào)測量法的計算機視覺二維刀具檢測儀、基于CCD圖像處理的刀具測量儀以及原子力顯微鏡（AFM）測量法。下面主要介紹幾種典型的刀具測量方法。（1）：機械式測量法;機械式測量法是指人工用卡尺測量或?qū)⒘砍咭?guī)固定于機床上測量。文獻[1]介紹了一種用于臥式加工中心，可測量刀具懸伸長度和刀具半徑的簡易對刀測量裝置。該測量裝置主要由千分表、測量桿、彈簧和測量座構(gòu)成，能夠達到的極限誤差為±39m。（2）：光學投影法；光學投影法師是指將刀具的光學影像通過光路放大變換，顯示在投影屏上，然后人工瞄準測量。文獻[2]介紹了利用光學投影的方法來測量刀具的坐標位置和刀尖角度、圓角。該裝置將刀具放入定位主軸中，并用投影屏瞄準定位，即可在光柵顯表上顯示出刀具的坐標值，同時可測量出其他幾何參數(shù)。（3）：解調(diào)測量法；解調(diào)測量法是利用硬件或軟件，將光電脈沖幅度表示的視頻信號恢支承螺釘進行工件隊中。該中心架具有剛性好，回轉(zhuǎn)精度高，找正方便等優(yōu)點，但工件的裝夾不如局部策動式中心架方便、需要移動中心架。（4）：測頭測量法;測頭測量法是指將坐標機測量技術(shù)應(yīng)用于數(shù)控加工中，利用控制測頭對刀具表面形狀進行測量。文獻[4]介紹了一種數(shù)控測量系統(tǒng)，由反饋型測頭、數(shù)控系統(tǒng)和測量控制軟件組成?？刂茰y頭與被測刀具表面接觸，感應(yīng)被測件形狀的變化，并把位移量轉(zhuǎn)變成模擬量以正弦波的形式輸出，再經(jīng)過A/D變化輸入計算機處理。在測量中可利用波形細分技術(shù)來提高測量精度。（5）；原子力顯微鏡測量法。對于超精密加工，測量精度要求達到亞微米級、納米級。傳統(tǒng)上采用掃描電子顯微鏡量法可達到亞微米級。文獻[5]介紹了原子力顯微鏡測量法。該測量法利用AFM的彈性微懸臂的探針與被測樣品相互接近。產(chǎn)生可以根據(jù)微懸臂的彈簧剛度實現(xiàn)微弱力的測量，從而得到被測樣品的表面形象，測量精度可達到納米段。（6）圖像測量法。圖像測量法是指利用CCD圖像傳感器攝取刀具的對刀圖像，傳輸?shù)接嬎銠C電子科技大學碩士研究生畢業(yè)論文中經(jīng)過數(shù)字圖像算法處理，得到刀具幾何參數(shù)的測量結(jié)果。圖像測量法具有非接觸、高精度、高效率等許多優(yōu)點。文獻[6]介紹了一種二維圖像測量機系統(tǒng)，可以用來測量工件、刀具的坐標位置和尺寸參數(shù)，獲得很高的精度。
切削加工追求的目標是高精度、高效率、低成本、綠色環(huán)保。近年來，切削加工技術(shù)在高速切削、硬態(tài)切削、微霧潤滑切削、干式切削、復合切削等領(lǐng)域迅速發(fā)展，這些切削加工技術(shù)是實現(xiàn)以最小限度生產(chǎn)設(shè)備高效率、低成本加工零件的生產(chǎn)方式的核心，到目前為止，切削加工技術(shù)發(fā)展的最大標志就是高速切削加工的發(fā)展。
由于長期習慣于仿制國外產(chǎn)品，我國的儀器儀表工業(yè)缺乏創(chuàng)新能力，跟不上科學研究和工程建設(shè)的需要。我國儀器科學與技術(shù)研究領(lǐng)域積累了大量科研成果，許多成果處于國際領(lǐng)先水平，有待篩選。提高和轉(zhuǎn)化，但產(chǎn)業(yè)化程度很低，沒有形成具有國際競爭力的完整產(chǎn)業(yè)。（1）發(fā)展方向與科學前沿。數(shù)控設(shè)備的主要誤差來源可分為幾何誤差和熱誤差。對于重復出現(xiàn)的系統(tǒng)誤差，可采用軟件修正；對于隨機誤差較大的情況，要采用實時修正方法。對于熱誤差，一般要通過溫度測量進行修正。我國機床行業(yè)市場萎縮同時又大量進口國外設(shè)備的原因之一就是因為這方面的技術(shù)沒有得到推廣應(yīng)用。為此需要高速多通道激光干涉儀：其測量速度達60m/min以上，以適應(yīng)熱誤差和幾何誤差測量的需要。其測量結(jié)果和長度測量結(jié)果可同步輸入計算機。（2）運行和制造過程的監(jiān)控和在線監(jiān)測技術(shù)。綜合運用圖像、頻譜、光譜、光纖以及其它光與物質(zhì)相互作用原理的傳感器具有非接觸、高靈敏度、高柔性、應(yīng)用范圍廣的優(yōu)點。在這個領(lǐng)域綜合創(chuàng)新的天地十分廣闊，如振動、粗糙度、污染物、含水量、加工尺寸及相互位置等。（3）配合信息產(chǎn)業(yè)和生產(chǎn)科學的技術(shù)創(chuàng)新。為了在開放環(huán)境下求得生存空間，沒有自主創(chuàng)新技術(shù)是沒有出路的。因此應(yīng)該根據(jù)有專利權(quán)、有技術(shù)含量、有市場等原則選擇一些項目予以支持。根據(jù)當前發(fā)展現(xiàn)狀，信息、生命醫(yī)學、環(huán)保、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域需要的產(chǎn)品應(yīng)給予優(yōu)先支持。如醫(yī)用中介入治療的精密儀器設(shè)備、電子工業(yè)中的超分辨光刻和清潔方法和機理研究等。
第2章 車刀角度測量的理論分析
2.1 基本定義
切削運動：直接切除金屬層，使之轉(zhuǎn)變?yōu)榍邢鞯倪\動稱為切削的運動。
主運動：使工件與刀具產(chǎn)生相對運動以進行切削的最基本的運動。這個運動的速度最高，消耗功率最大。例如，外圓車削時的工件旋轉(zhuǎn)運動和平面刨削時的刀具直線往復運動，都是主運動。其他切削加工方法中的主運動也同樣是由工件和刀具來完成的，其形式可以是旋轉(zhuǎn)運動和直線運動，但每種切削加工方法的主運動通常只有一個。進給運動：使主運動能夠繼續(xù)切除工件上多余的金屬，以便形成工件表面所需的運動，稱為進給運動。例如外圓車削時車刀的縱向連續(xù)直線進給運動，和平面刨削時工件的間歇直線進給運動。其它切削加工方法中也是由工件或由刀具來完成進給運動的，但進給運動可能不止一個。它的運動形式可以是直線運動、旋轉(zhuǎn)運動或者兩者的組合，但無論哪種形式的進給運動，它消耗的功率都比主運動要有效。
總之，任何切削加工方法都必須有一個主運動，可以有一個或幾個進給運動。主運動和進給運動可以由工件或刀具分別完成，也可以由刀具單獨完成（例如在鉆床上鉆孔或鉸空）。
待加工表面：它是工件上即將被切去的表面，隨著切削過程的進行，它將逐漸減小，直至全部切去。
已加工表面：它是刀具切削后在工件上形成的新表面，并隨著切削的繼續(xù)進行而逐漸擴大。
過渡表面：它是刀刃正切削著的表面，并且是切削過程中不斷改變著的表面，但它總是處在待加工表面與已加工表面之間。
切削用量：所謂切削用量是指切削速度、進給量和背吃刀量三者的總稱。
切削速度V:它是切削加工時，刀刃上選定點相對于工件的主運動的速度。刀刃上各點的切削速度可能是不同的。當主運動為旋轉(zhuǎn)運動時，刀具或工件最大直徑處的切削速度由下式確定：
m/s或m/min
式中—完成主運動的刀具或工件的最大直徑mm；
—主運動的轉(zhuǎn)速r/s或r/min。
進給量：它是工件或刀具的主運動每轉(zhuǎn)或每一行程時，工件和刀具兩者在進給運動方向上的相對位移量。例如外圓車削時的進給量是工件每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)是車刀相對于工件在進給運動方向上的相對位移量，其單位為mm/r；又如在牛頭刨床上刨削平面時，則進給量是刨刀每往復一次，工件在進給運動方向上相對于刨刀的位移量，其單位為mm/雙行程。
在切削加工中，也有用進給速度來表示進給運動的。所謂進給運動是刀刃上選定點相對于工件的進給運動的速度，其單位為mm/s。若進給運動為直線運動，則進給速度在刀刃上各點是相同的。
背吃刀量：對外圓車削和平面刨削而言，背吃刀量等于工件已加工表面與待加工表面間的垂直距離；其中外圓車削的背吃刀量
mm
式中—工件待加工表面的直徑mm。
—工件已加工表面的直徑mm。
2.2 車刀的幾何參數(shù)
2.2.1 刀具切削部分的表面與刀刃
如圖2-1所示是外圓車刀的切削部分，它具有下述表面和刀刃：
前刀面 ()
副切削刃 ()
副后刀面()
刀尖
主后刀面 ()
主切削刃 ()
圖2-1 外圓車刀切削部分
前刀面（）：切下的切屑沿其流出的表面。
主后刀面（）：與工件上過渡表面相對的表面。
副后刀面（）：與工件上已加工表面相對的表面。
主切削刃（）：前刀面與主后刀面相交而得到的邊鋒，用以形成工件的過渡表面，它完成主要的金屬切除工作。
副切削刃（）：前刀面與副后刀面相交而得到的邊鋒，它協(xié)同主切削刃完成金屬切除工作，以最終形成工件的已加工表面。
刀尖：主、副切削刃的交點。多數(shù)刀具將此處磨成圓弧或一小段直線。
車刀的幾何角度主要有前角o、主偏角r、副偏角r、后角o、副后角o、刃傾角s，車刀主要幾何角度如圖2-2所示。
前角o：在主切削刃上選定點的正交平面Po內(nèi)，前刀面與基面之間的夾角。前角影響切屑變形、切削力的大小，切削溫度的高低及刀具壽命和工件表面的質(zhì)量好壞。
主偏角r：主切削刃在基面上的投影與進給方向之間的夾角，在基面Pr上測量。主偏角影響刀頭強度、散熱和切削層斷面形狀。
副偏角r：副切削刃在基面上的投影于進給方向之間的夾角，它在Pr內(nèi)測量。副偏角影響刀頭強度、散熱和已加工表面的粗糙度。
后角o：在同一正交平面Po內(nèi)，后刀面與切削平面Ps之間的夾角。后角能防止和減少刀具主后刀面于加工表面摩擦，使刀刃鋒利。
副后角o：在副切削刃上選定點的副正交平面Po內(nèi)，副后到面與副切削平面之間的夾角。
刃傾角s：主切削刃與基面Pr的夾角，在切削平面Ps中測量。當?shù)都庠谥髑邢魅猩蠟樽畹忘c時，s為負值：反之，當?shù)都庠谥髑邢魅猩蠟樽罡唿c時，s為正值。
已加工表面
加工表面
待加工表面
圖2-2 車刀的幾何角度
以上是外圓車刀必須標出的六個基本角度。有了這六個基本角度，外圓車刀的三面(前刀面、主后刀面、副后刀面)、兩刃(主切削刃、副切削刃)、一尖的空間位置就確定下來了。
2.2.2 確定刀具切削角度的參考平面
刀具角度是指在刀具工作圖上需要標出的角度，它是在靜止參考系下描述的。刀具的制造和測量就是按照這種角度進行的。為了便于車刀在制造和測量，在建立刀具靜止參考時，做如下三點假設(shè)：
(1) 不考慮進給運動影響；
(2) 安裝車刀時應(yīng)使刀尖與工件中心等高，且車刀刀桿中心線與工件軸線垂直；
(3) 主切削刃上任選定點與工件中心等高。
根據(jù)上述三點假設(shè)建立三個刀具靜止參考系，分別是正交平面參考系、法平面參考系、背平面和假定工作平面參考系。這里著重介紹一下正交平面參考系，要用到以下幾個平面：
基面(Pr)：過切削刃上選定點并垂直于該點切削速度的向量vc的平面。對于普通車刀來說，它的基面總是平行于刀桿的底面。
切削平面(Ps)：過切削刃上選定點作切削刃的切線，此線與該點的切削速度向量vc所組成的平面。
正交平面(Po)：過切削刃上的選定點，同時垂直于該點的基面Pr和切削平面Ps的平面。
對于切削刃上的某一選定點，該點的正交平面Po、基面Pr和切削平面Ps構(gòu)成了一個兩兩相互垂直的空間直角坐標系，將此坐標系稱之為正交平面參考系，如圖2-3所示，由此圖可知，正交平面垂至于主切削刃或其切線在基面上的投影。
圖2-3 正交平面參考系
2.3 刀具幾何角度的計算
刀具是切削加工必備工具，它直接影響切削加工的質(zhì)量，確定刀具的幾何角度，是刀具影響切削加工的重要因素。刀具角度的計算與測量一直是刀具設(shè)計制造中的難題，通常的方法有幾何法矢量法。幾何法是利用坐標系根據(jù)各個角度在坐標系中的位置關(guān)系，通過解析幾何法求得；矢量法就是把刀具線面用矢量表如圖2-4坐標變換圖達到，通過建立矢量表達式來求得。隨著計算機技術(shù)、虛擬技術(shù)的發(fā)展，利用計算機來確定刀具角度越來越成熟，通過三維參數(shù)化設(shè)計，建立參數(shù)模型，利用計算機繪圖程序構(gòu)建刀具模型，測量出所需的幾何角度。
圖2-4 坐標變換圖
第3章 車刀角度測量的裝置的機械系統(tǒng)設(shè)計
3.1 測量裝置的總體方案選定
如圖3-1所示，它水平設(shè)計一個導軌，導軌上裝有一個可以作直線滑動的滑座，導軌與滑座之間通過滾動軸承來實現(xiàn)滑動。滑座的上部裝有能前后向直線滑動的滑塊，滑塊上設(shè)有與導軌垂直的水平向滑槽，滑座的4個角上向上設(shè)有4個支座，支座上開有豎向滑槽，滑塊裝在4個支座之間，水平向滑槽與豎向滑槽通過銷軸串聯(lián)，銷軸與水平向滑槽之間、銷軸與豎向滑槽之間分別通過滾動軸承實現(xiàn)滑塊，在滑塊上向上裝有分度裝置，分度裝置上面裝有夾持裝置，分度裝置包括兩個垂直相接的分度頭。刀柄可以直接固定在夾持裝置上。
圖3-1 車刀角度測量裝裝置的夾持裝置及導軌簡圖
設(shè)計中夾持裝置和上面一樣都是采用三向旋轉(zhuǎn)虎鉗固定和旋轉(zhuǎn)，傳動機構(gòu)采用絲杠螺母副和錐齒輪副，由手輪驅(qū)動。驅(qū)動系統(tǒng)采用三個手輪分別控制三個軸向的運動，一個控制絲杠螺母副使刻度裝置沿Z-Z軸導軌運動；一個控制絲杠螺母副使工作臺沿X-X軸導軌直線運動；最后一個控制絲杠螺母副使工作臺沿Y-Y軸導軌直線運動這樣就組成了一個完整的傳動工作系統(tǒng)。
圖3-2 三向鉗結(jié)構(gòu)示意圖
3.2 傳動系統(tǒng)的總體設(shè)計
本設(shè)計需要刀具在轉(zhuǎn)動角度測量的同時也需要軸向進給運動，所以設(shè)計起來有一定難度，要保證進給的準確性就需要用精確的傳動系統(tǒng)。絲杠螺母副的傳動平穩(wěn)精確，可用于本設(shè)計的傳動系統(tǒng)中，由于設(shè)計的機器要求精度較高尺寸較小，所以X、Y、Z軸傳動采用滑動絲杠螺母傳動。用手輪帶動絲杠螺母副定位可以在保證精度的同時方便操作。
3.3 傳動系統(tǒng)中的絲杠螺母副的設(shè)計計算
3.3.1 橫縱向進給機構(gòu)的選擇
橫縱向機構(gòu)采用螺旋傳動。螺旋傳動是利用螺桿和螺母組成的螺旋副來實現(xiàn)傳動要求的。它主要用于將回轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運動，同時傳遞運動和動力。根據(jù)螺桿和螺母的相對運動關(guān)系，螺旋傳動的常用運動形式，主要有2種，第一種是螺桿轉(zhuǎn)動，螺母移動，多用于機床的進給機構(gòu)中；另一種是螺母移動，螺桿轉(zhuǎn)動并移動，多用于螺旋起重器或螺旋壓力機種。本設(shè)計采用第一種運動形式。
螺旋傳動按其螺旋副的摩擦性質(zhì)不同，又分為滑動螺旋、滾動螺旋和靜壓螺旋?；瑒勇菪Y(jié)構(gòu)簡單，便于制造，易于自鎖。
1. 滑動螺旋傳動的特點
（1） 降速傳動比大
螺桿（或螺母）轉(zhuǎn)動一轉(zhuǎn)，螺母（或螺桿）移動一個螺距（單頭螺紋）。因為螺距一般很小，所以在轉(zhuǎn)角很大的情況下，能獲得很小的直線位移量，可以大大縮短機構(gòu)的傳動鏈，因而螺旋傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，傳動精度高，工作平穩(wěn)。
（2） 具有增力作用
只要給主動件一個較小的轉(zhuǎn)矩，從動件即能得到較大的軸向力。
（3） 能自鎖
當螺旋線升角小于摩擦角時，螺旋傳動具有自鎖作用。
（4） 效率低、磨損快
由于螺旋工作面為滑動摩擦，致使其傳動效率低。
相反，滾動螺旋和靜壓螺旋摩擦阻力小，傳動效率低高，但是結(jié)構(gòu)復雜,造價比較高，所以本設(shè)計采用滑動螺旋傳動。
2. 滑動螺旋傳動主要有以下兩種基本型式
（1） 螺母固定，螺桿轉(zhuǎn)動并移動（如圖3-3a）
這種傳動型式的螺母本身就起著支承作用，從而簡化了結(jié)構(gòu)，消除了螺桿與軸承之間可能產(chǎn)生的軸向竄動，容易獲得較高的傳動精度。缺點是所占軸向尺寸較大（螺桿行程的兩倍加上螺母高度），剛性較差。因此僅適用于行程短的情況。
（2） 螺桿轉(zhuǎn)動，螺母移動（如圖3-3b）
這種傳動型式的特點是結(jié)構(gòu)緊湊（所占軸向尺寸取決于螺母高度及行程大小），剛度較大。適用于工作行程較長的情況。
本設(shè)計中采用第一種運動基本形式。
圖3-3 滑動螺旋傳動的基本形式
3.3.2 橫縱向進給機構(gòu)的設(shè)計計算
1. X、Y軸滑動螺旋傳動的設(shè)計計算
滑動螺旋工作時，主要承受轉(zhuǎn)矩及軸向拉力的作用，同時在螺桿和螺母的旋合螺紋間有較大的相對滑動?；瑒勇菪钡闹饕问绞悄p，因此滑動螺旋的基本尺寸（螺桿的直徑和螺母的高度）通常是按耐磨性計算確定的。
（1） 螺桿中經(jīng)
類比法：類比CA6140上刀架絲杠。
可知此螺桿大徑（公稱直徑） =22mm
螺桿中徑 =19.5mm
（2） 公稱直徑
=22mm
（3） 螺距
公稱直徑為22mm，選擇螺距為5mm
=5mm
（4） 螺紋導程
取螺紋線數(shù)=1
=5mm
（5） 螺母旋合長度
=
=1.519.5=29.25mm
（6） 旋合圈數(shù)
（7） 螺紋工作高度
mm
（8） 螺紋表面工作強度
由文獻[9]表6-5查得
式中—螺紋形式系數(shù)，梯形螺紋
—螺母長度與螺桿中徑之比，整體式螺母=1.2-1.5 取
—許用壓強由文獻[13]表6.1-14選取材料選用：螺母螺桿皆用鋼，
所以=7.5-13取=10MP
（9） 驗算自鎖
螺紋升角：
由文獻[9]表6.1-12 得當量摩擦角：
取
所以絲杠反行程自鎖。
因為此裝置絲杠轉(zhuǎn)速慢，受力不大且不受沖擊和受壓，因此不需對螺桿螺母的危險截面強度、穩(wěn)定性及臨界轉(zhuǎn)速進行校核。而且此測量裝置只負責簡單測量，精度不高，所以不用對絲杠螺母副進行剛度校核。
絲杠具體參數(shù)見表3-1。
(10) 絲杠有關(guān)公差選擇
由文獻[10]表3-23得：
因為此裝置為普通機床進給機構(gòu)。所以選擇精度等級為10級：
相鄰螺距允差為50 螺距積累允差140
由文獻[10]表3-24得：
中徑橢圓度公差22，外徑跳動公差320，外徑公差，絲杠的齒面表面粗糙度外徑表面粗糙度以及內(nèi)徑表面粗糙度均為1.6。
由文獻[10]表3-25得：
中徑上偏差+360，用作工藝基準時的內(nèi)徑公差,螺母的齒面表面粗糙度外徑表面粗糙度以及內(nèi)徑表面粗糙度均為3.2。
由文獻[10]表3-26得：
外徑下偏差-250，內(nèi)徑下偏差-565，中徑上偏差-52，中徑下偏差-462，內(nèi)徑上偏差+250。
(11) 軸承的類型
根據(jù)軸承中摩擦性質(zhì)的不同，可把軸承分為滑動軸承和滾動軸承兩大類。滾動軸承由于摩擦系數(shù)小，起動阻力小，而且它已標準化，選用、潤滑、維護都很方便，因此一般機器中應(yīng)用廣泛。
按照滾動體的形狀，滾動軸承可分為球軸承和滾子軸承。常用的滾子有圓柱滾子、圓錐滾子、球面滾子和滾針等（如圖3-4）。
圖3-4 滾動軸承常用的滾動體
圓錐滾子軸承的特點：可同時承受以徑向載荷為主的徑向與軸向載荷，不宜用來承受純軸向載荷。當成時使用，可承受純徑向載荷，可調(diào)整徑向、軸向游隙。
推力球軸承的特點：只承受一個方向的軸向載荷，可限制軸一個方向的軸向位移。
滾動軸承可以概括地分為向心軸承、推力軸承和向心推力軸承三大類。由于用于橫縱向進給機構(gòu)的軸承既承受軸向載荷又受徑向載荷，所以采用圓錐滾子軸承，外圈可分離，安裝時可調(diào)整軸承游隙，一般成對使用。
(12) 軸承的選擇
由文獻[11]表6-2-79：
選用mm 軸承代號為30302的單列圓錐滾子軸承。
表3-1 梯形螺紋牙型參數(shù)
（mm）
名 稱
符 號
計算公式
結(jié) 果
外螺紋公稱直徑
d
——
22
螺距
P
——
5
牙頂間隙
ac
——
0.25
基本牙型高度
H1
H1=
2.5
外螺紋牙高
h3
h3= H1+ ac
2.75
內(nèi)螺紋牙高
H4
H4= H1+ ac
2.75
牙頂高
Z
Z=
1.25
外螺紋中徑
d2
d2=
19.5
內(nèi)螺紋中徑
D2
D2=
19.5
外螺紋小徑
d3
d3=h3
16.5
內(nèi)螺紋小徑
D1
D1=
17
內(nèi)螺紋大徑
D4
D4=d+2 ac
22.5
外螺紋牙頂圓角
R1
R1max=0.5 ac
0.125
內(nèi)、外螺紋牙低圓角
R2
R2max= ac
0.25
給螺母定位的襯套尺寸由文獻[13]表4.4-2得出
軸承端蓋的選擇參考文獻[14]表6-6：
由軸承外徑?jīng)Q定螺栓為M12，螺栓數(shù)目為4.
對于固定軸承端蓋的螺栓，具體參數(shù)參看文獻[12]表11-2畫法參考文獻[15]7-3。
（13） 手輪直徑的確定
式中
軸向力N
螺紋升角：
由文獻[09]表6.1-12當量摩擦角：
取
N·mm
所以取=100mm =390.69N
關(guān)于此進給手輪所在軸以及軸上零件的繪制：
此軸上的兩個軸承選用單列圓錐滾子軸承，尺寸由文獻[11]表6-2-79得出。
軸承的軸向定位采用軸用彈性擋圈，其尺寸由文獻[12]表20-10查出。
此軸上另一個軸承的軸向定位采用軸用彈性擋圈以及軸套，其尺寸由文獻[12]表20-10以及文獻[13]表4.4-2分別得出。
此進給上的手輪以及分度盤的選?。?
小手輪的具體參數(shù)由文獻[13]表4.3-33查得（JB1352-73）。
在此處選擇A型小手輪。
分度盤的軸向定位采用六角薄螺母，其具體參數(shù)參考文獻[12]表13-9（GB/T6172.1-2000）。
小手輪中的嵌套由文獻[12]表13-9（GB/T6172.1-2000）.
（橫縱向進給手輪及分度盤形式相同）。
3.3.3 垂直進給機構(gòu)的選擇
垂直進給機構(gòu)也采用螺旋傳動。螺旋傳動是利用螺桿和螺母組成的螺旋副來實現(xiàn)傳動要求的。它主要用于將回轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運動，同時傳遞運動和動力。根據(jù)螺桿和螺母的相對運動關(guān)系，螺旋傳動的常用運動形式，主要有2種，第一種是螺桿轉(zhuǎn)動，螺母移動，多用于機床的進給機構(gòu)中；另一種是螺母移動，螺桿轉(zhuǎn)動并移動，多用于螺旋起重器或螺旋壓力機種。本設(shè)計采用第一種運動形式。
螺旋傳動按其螺旋副的摩擦性質(zhì)不同，又分為滑動螺旋、滾動螺旋和靜壓螺旋?；瑒勇菪Y(jié)構(gòu)簡單，便于制造，易于自鎖。相反，滾動螺旋和靜壓螺旋摩擦阻力小，傳動效率高，但是結(jié)構(gòu)復雜，造價比較高，所以本設(shè)計采用滑動螺旋傳動。
絲杠螺母機構(gòu)分為滑動絲杠螺母機構(gòu)、滾動絲杠螺母機構(gòu)和靜壓絲杠螺母機構(gòu)。因為靜壓螺旋需要供油系統(tǒng)，所以本設(shè)計不采用；滾動絲杠螺母機構(gòu)造價比較高，不宜采用。所以本設(shè)計采用滑動絲杠螺母機構(gòu)。
3.3.4 垂直進給機構(gòu)的設(shè)計計算
1. Z軸滑動螺旋傳動的設(shè)計計算
滑動螺旋副的主要失效形式是磨損，故螺桿的直徑和螺母的高度通常是按耐磨性計算確定的。
（1） 螺桿中經(jīng)
類比法：類比MM7132A精密臥軸矩臺平面磨床的垂直進給。
可知此螺桿大徑（公稱直徑） =30mm
螺桿中徑 =28.5mm
（2） 公稱直徑
=30mm
（3） 螺距
公稱直徑為30mm，選擇螺距為3mm
=3mm
（4） 螺紋導程
取螺紋線數(shù)=1
=3mm
（5） 螺母旋合長度
=
整體螺母取 在此設(shè)計中選用整體式螺母 取
=1.528.5=42.75mm
（6） 旋合圈數(shù)
（7） 螺紋工作高度
mm
（8） 螺紋表面工作強度
參照文獻[9]表6-5,，—螺紋形式系數(shù)，梯形螺紋
—螺母長度與螺桿中徑之比，整體式螺母=1.2-1.5，取
—許用壓強由文獻[9]表6.1-14選取材料選用：螺母螺桿皆用鋼，所
以=7.5-13MP 取=10MP
（9） 驗算自鎖
螺紋升角：
由文獻[9]表6.1-12 得當量摩擦角：
取
所以絲杠反行程自鎖。
因為此裝置絲杠轉(zhuǎn)速慢，受力不大且不受沖擊和受壓，因此不需對螺桿螺母的危險截面強度、穩(wěn)定性及臨界轉(zhuǎn)速進行校核。而且此測量裝置只負責簡單測量，精度不高，所以不用對絲杠螺母副進行剛度校核。
表3-2梯形螺紋牙型參數(shù)
（mm）
名 稱
符 號
計算公式
結(jié) 果
外螺紋公稱直徑
d
——
30
螺距
P
——
3
牙頂間隙
ac
——
0.25
基本牙型高度
H1
H1=
1.5
外螺紋牙高
h3
h3= H1+ ac
1.75
內(nèi)螺紋牙高
H4
H4= H1+ ac
1.75
牙頂高
Z
Z=
0.75
外螺紋中徑
d2
d2=
28.5
內(nèi)螺紋中徑
D2
D2=
28.5
外螺紋小徑
d3
d3=h3
26.5
內(nèi)螺紋小徑
D1
D1=
27
內(nèi)螺紋大徑
D4
D4=d+2 ac
30.5
外螺紋牙頂圓角
R1
R1max=0.5 ac
0.125
內(nèi)、外螺紋牙低圓角
R2
R2max= ac
0.25
(10) 絲杠有關(guān)公差的選擇
由文獻[10]表3-23得：
因為此裝置為普通機床進給機構(gòu)。所以選擇精度等級為10級：
相鄰螺距允差為50 螺距積累允差140
由文獻[10]表3-24得：
中徑橢圓度公差22，外徑跳動公差320，外徑公差，絲杠的齒面表面粗糙度外徑表面粗糙度以及內(nèi)徑表面粗糙度均為1.6。
由文獻[10]表3-25得：
中徑上偏差+360，用作工藝基準時的內(nèi)徑公差,螺母的齒面表面粗糙度外徑表面粗糙度以及內(nèi)徑表面粗糙度均為3.2。
由文獻[10]表3-26得：
外徑下偏差-150，內(nèi)徑下偏差-465，中徑上偏差-37，中徑下偏差-392，內(nèi)徑上偏差+150。
(11) 軸承的類型
根據(jù)軸承中摩擦性質(zhì)的不同，可把軸承分為滑動軸承和滾動軸承兩大類。滾動軸承由于摩擦系數(shù)小，起動阻力小，而且它已標準化，選用、潤滑、維護都很方便，因此一般機器中應(yīng)用廣泛。
滾動軸承可以概括地分為向心軸承、推力軸承和向心推力軸承三大類。其中推力球軸承只能承受軸向載荷，所以在垂直進給下端軸承選用時采用圓錐滾子軸承和推力球軸承。
具體選擇橫、縱向進給絲杠所選擇的軸承類型相同。
（12) 軸承的選擇
由文獻[11]表6-2-80：
垂直進給下端軸承選用mm 軸承代號為32004的圓錐滾子軸承和推力球軸承51204配合的形式。圓錐滾子軸承關(guān)于推力球軸承的軸向定位采用軸套，用圓錐滾子軸承的外圈定位采用孔用彈性擋圈
其具體參數(shù)分別由文獻[12]表4.4-2以及文獻[11]表20-8查得
垂直進給上端軸承由文獻[11]表6-2-79：
選用mm 軸承代號為32905的單列圓錐滾子軸承
軸承端蓋的選擇參看文獻[17]表6-6：由軸承外徑?jīng)Q定螺栓為M12，螺栓數(shù)目為4。
對于固定軸承端蓋的螺栓，具體參數(shù)參看文獻[11]表11-2。畫法參看文獻[15]表7-3。
（13） 手輪直徑的確定
式中
軸向力N
螺紋升角：
由文獻[09]表6.1-12當量摩擦角：
取
N·mm
所以取 =160mm =593.04N
3.4 導軌的選擇
3.4.1 導軌的類型選擇
導軌是保證各部件的安裝裝置和相互運動的導向面，它除了滿足以上的要求外，還必須選擇合理的導軌截面形狀。常見的導軌截面形狀有V形，矩形、燕尾形、圓形等四種（圖3-5）。
圖3-5導軌的截面形狀
導向原理：從定位原理可知，一個剛體在空間有六個自由度，即沿x、y、z軸移動和繞x、y、z軸轉(zhuǎn)動（圖3-6）。使它在空間定位，必須限制這六個自由度。對于直線運動的導軌，為了使運動部件只沿一個方向運動，必須限制運動部件繞x、y、z軸線轉(zhuǎn)動和兩個方向的移動。V形導軌是由兩個窄長平面組成，它限制了x方向和y方向的移動及繞x軸和y軸的轉(zhuǎn)動，即限制四個自由度。由于導軌面窄，不能限制繞z軸的轉(zhuǎn)動，所以大多數(shù)機床床身都采用兩根導軌，即棱—平、V—平組合，來限制z軸的轉(zhuǎn)動。
圖3-6導向原理
本設(shè)計中采用滑動導軌。滑動導軌的組合形式是V—平組合，由于V形導軌能自行補償間隙，導向性好；而平導軌的工藝性好，因此機床床身導軌多用V—平組合，V形導軌一般夾角為；對于重型機床，為了增加承載面積，減小比壓，在導軌高度不變的條件下，有采用大于的；有些精密機床，為進一步提高導向性，也可采用小于；本設(shè)計中采用夾角的V形導軌。
3.4.2 導軌的尺寸選擇
(1) 截面形狀：
V形導軌選擇凹形對稱，頂角；矩形導軌（平導軌）選擇凹形
(2) 結(jié)構(gòu)尺寸的確定：
導軌尺寸主要指導軌寬度、中心距（）等等如圖3-7所示。
圖3-7工作臺導軌
工作臺導軌尺寸除比大2—5mm。
X軸進給方向：
由文獻[13]表9.3-5查得：
由文獻[13]表9.3-7查得：
具體尺寸見圖3-8
圖3-8 X軸向?qū)к墔?shù)
Y軸進給方向：
由文獻[13]表9.3-5查得：
由文獻[13]表9.3-7得：
具體尺寸圖見3-9：
圖3-8 Y軸向?qū)к墔?shù)
第4章 裝夾、分度和刻度裝置的設(shè)計
4.1 裝夾分度裝置的基本原理
本設(shè)計采用三向鉗來實現(xiàn)三個軸向的轉(zhuǎn)動，但考慮到三向鉗不能自動反向自鎖，在轉(zhuǎn)到所要角度之后鎖死時可能發(fā)生滑動現(xiàn)象導致定位不準確。針對上述的問題于是我將這種三向鉗進行了改進，在此我會把其改進后的原理簡要說明一下：原來的三向鉗就是單純地把兩個分度盤用銷釘連接，在定位之后，用螺栓進行緊固定位。這種結(jié)構(gòu)不但操作麻煩費時還會導致三向鉗的連接銷釘逐漸松懈最后甚至不能使用?，F(xiàn)在我將這種三向鉗的分度盤連接壁部分，做成一面凹陷一面凸出的結(jié)構(gòu)。在外凸一面的內(nèi)部側(cè)壁加工出分成360份的小齒（由于刀具測量是以“度”為單位），內(nèi)凹一面的內(nèi)部側(cè)壁設(shè)計一個有彈簧作用的杠桿機構(gòu)，讓其可以卡在另一個分度盤的小齒上。具體結(jié)構(gòu)可以看圖4-1和4-2。
圖4-1分度盤內(nèi)部結(jié)構(gòu)側(cè)視剖面圖
圖4-2反向自鎖裝置示意圖
兩個分度盤可以用螺栓連接，此結(jié)構(gòu)參照老式三向鉗，同時由于裝備需要，又在盤上加鉆螺紋孔。
類比臺式虎鉗鉗口設(shè)計，并進行相應(yīng)的結(jié)構(gòu)尺寸調(diào)整，最終成型。這種經(jīng)典樣式的設(shè)計不但裝夾方便，而且定位性好，車刀在測量時不會輕易改變位置，因為車刀被測量時不會太大的力，所以不需要夾太緊，只需固定住，定位好。
4.2 指針與刻度盤的選擇
首先指針要固定在刻度盤上可以來回轉(zhuǎn)動，并且具有三個平面，分別為側(cè)平面、大平面和低平面。指針和刻度盤之間的連接用圓柱銷連接。
其次大扇形刻度盤上有正負的刻度，用于測量車刀的前角、后角、刃傾角，通過指針指出角度值。指針和刻度盤的具體結(jié)構(gòu)如圖4-3和圖4-4。
圖4-3指針示意圖
圖4-4大扇形刻度盤示意圖
結(jié) 論
通過對絲桿螺母、軸承、滑動螺旋和導軌形式的了解，使這個裝置具有了橫縱向進給機構(gòu)和垂直進給機構(gòu)；主要對絲桿螺母、軸承和導軌進行了計算和選擇，并且對絲桿進行了自鎖驗證；針對軸向和徑向力的不同，對軸承的類型也加以選擇；接著仿照磨床的導軌形式，對此裝置的導軌也進行了計算與選擇；最后針對車刀的夾緊裝置，對三向自由度虎鉗進行了改進設(shè)計，使其可以進行三軸向旋轉(zhuǎn)外還具有的自鎖功能。
所以本裝置可以更方便、準且的測出刀具的前角、主偏角、副偏角、后角、刃傾角等基本幾何角度。
致 謝
在畢業(yè)設(shè)計期間中，我首先要感謝指導教師張文生教授，從畢業(yè)設(shè)計的選題、調(diào)研、設(shè)計、圖紙繪制和說明書的撰寫直到最后定稿，都是在張文生老師的悉心指導下完成的。張文生老師的治學態(tài)度、一絲不茍的敬業(yè)精神、誨人不倦的工作作風和平易近人的態(tài)度給我留下了深刻的印象。在四年的學習和生活中，他不但教會了我許多專業(yè)知識和做人道理，還培養(yǎng)了我勤奮、務(wù)實的治學態(tài)度。值此設(shè)計完成之際，謹向他表示崇高的敬意和衷心的感謝。
同時，還要感謝機械工程學院各位老師對我的關(guān)心和幫助，最后還要感謝幫助過我的同學，在課題研究、圖紙繪制和說明書寫作過程中給予我的極大幫助。
最后，再次向所有關(guān)心和幫助過我的師長、同學表示誠摯的謝意。
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