机械设计毕业论文：非接触刀具磨损测量装置设计.doc

1、本科毕业论文（20 届）非接触刀具磨损测量装置设计所在学院 专业班级 机械设计制造及自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 本科生毕业论文- I -摘要刀具在切削过程中因为摩擦作用将逐渐磨损。当磨损量达到一定的程度时，切削力加大，切削温度升高，切屑颜色变化，甚至产生振动。同时，工件尺寸可能发生变化，已加工的表面也明显恶化，此时必须磨刀具或者更新刀具。有时，刀具也可能在切削过程中突然损坏而失效，造成刀具破损。刀具的磨损，破损及其使用寿命对加工的质量，生产效率和成本的影响很大，因此它是切削过程中极为重要的问题之一。在刀具的使用过程中，不可避免的会使刀具发生磨损，而平时当我们用肉眼

2、观察时，无法测出刀具的磨损情况。因为在有些情况下，刀具即使发生了磨损。但是很微小的磨损的话，我们就无法通过肉眼观测。因此，我们应用非接触刀具磨损测量装置。此装置是通过进行切削后的刀具固定在载物台上，使用高倍数的摄像头拍摄下接触面的刀具的图片，而将图片输送至电脑上，对图片中刀具的变形进行分析。非接触式刀具磨损测量装置可以帮助我们测量刀具在具体的切削中对前后刀面所产生的具体的变形。而通过这些变形的测量，方便我们更加具体的了解刀具的性能，以及在什么的切削条件下，使用什么样的刀具是最为合理的。关键词：刀具磨损；切削；测量装置本科生毕业论文- II -AbstractTool is gradually

3、worn during the cutting process due to the action of friction. When abrasion loss reaches a certain extent, the cutting force is strengthened, the temperature is higher, the color changes and even vibration happens. Meanwhile the physical dimension of components may happen change, which leads to the

4、 machined surface being exacerbated. Therefore, it is necessary to replace the worn cutlery. Sometimes, tool may become broken because of sudden invalidation in the process of cutting. the abrasion and service life of tool make a great influence on the quality of product processing, production effic

5、iency and cost of production. Therefore, the abrasion of tool is a key question during cutting process.Tool inevitably would be worn during cutting process, while people can not measure the wear rate by naked eye. Because in some cases, even if the tool wear occurred. However, if the wear is small,

6、we can not observer by the naked eye. However, a Non-contact tool wear measuring device can do it. The device will take pictures of the interface of tool in application of high multiple cameras, and then transmit the pictures to computers which will further analyze the wear rate of tool. The Non-con

7、tact tool wear measuring device can be applied in the measuring of tool abrasion. Subsequently, it is beneficial for us to make a better understanding of functions of different tool and make a reasonable use of them.Key words: tool wear; cutting; measuring device本科生毕业论文- III -目 录前言 .1第一章 绪论 .2第二章 金属

8、切削原理基础理论 .42.1 切削运动 .42.2 刀具的几何角度 .42.3 金属切削过程 .52.4 切削力 .82.5 刀具磨损 .9第三章 非接触测量装置的总体方案 .113.1 非接触测量装置的示意机构和工作原理图 .113.2 测量装置设计要求 .123.3 测量装置工艺要求 .133.4 控制系统的组成 .13第四章 底座的设计和选择 .144.1 底座的形状的选择 .144.2 测量装置底座的材料的选择 .14第五章 立柱竖直方向上移动的设计 .165.1 立柱的材料的选择 .165.2 装置在不同高度的测量 .165.3 测量装置的仪器臂的形状的设计 .17结 论 .19致

9、谢 .21参考文献 .22本科生毕业论文1前言切 削 加 工 是 机 械 制 造 中 主 要 的 加 工 方 法 。 随 着 机 床 和 刀 具 不 断 发 展 ， 切 削 加 工 的 精度 、 效 率 和 自 动 化 程 度 不 断 提 高 ， 应 用 范 围 也 日 益 扩 大 ， 从 而 促 进 了 现 代 机 械 制 造 业的 发 展 。 任 何 切 削 加 工 都 必 须 具 备 3 个 基 本 条 件 :切 削 工 具 、 切 削 工 件 和 切 削 运 动 。切 削 工 具 应 有 刃 口 ， 其 材 质 必 须 比 工 件 坚 硬 ， 否 则 在 切 削 加 工 的 过 程 中

10、 ， 会 出 现 刀 具 断裂 或 者 严 重 磨 损 的 情 况 。在刀具进行切削运动中，尽管切削热是促使切削温度上升的根源，但直接影响切削过程的是切削温度，切削温度一般是指刀具的前刀面与切削接触区域的平均温度。根据理论分析和大量的实验研究知，切削温度主要受切削用量、刀具几何参数、工件材料等因素影响。切削温度高是导致刀具磨损的主要原因，它将限制生产率的提高.切削温度还会使加工精度降低，使已加工表面产生残余应力以及其它的缺陷。因此在刀具的切削过程中，一定要控制好切削温度。切削加工过程中，刀具一定会和被加工件发生接触，这样也会使刀具发生磨损，所以在金属切削过程中，因尽量避免工件和刀具发生磨损，因

11、为工件在和刀具发生摩擦的过程中，会使得刀具受到的磨损更加严重。从而影响刀具的使用寿命和加工精度。因此，在切削加工过程中，控制刀具和工件之间的摩擦也是极为重要的。在金属切削过程中，始终存在着刀具切削工件和工件材料抵抗切削的矛盾，从而产生一系列物理现象，如切削变形、切削力、切削热与切削温度以及有关刀具的磨损，从而使刀具受到磨损而发生形变，进而降低刀具的使用寿命。但是在刀具进行切削运动中，会不可避免的产生刀具磨损。本科生毕业论文2第一章 绪论在进行金属切削的过程中，刀具的磨损和磨损状态直接影响着机械加工的精度、效率及经济效益，因此刀具磨损状态的监控越来越引起人们的重视。在机械加工过程中，刀具磨损是一

12、个不容忽视的问题，因为刀具磨损的状态会直接影响到被加工零件的尺寸精度和表面质量。如果对已经发生磨损的切削刀具不及时的进行处理的话，有可能会导致工件报废，严重的话，可能会损坏机床。在传统的切削加工过程中，都是人为的通过辨别切削的颜色，或者通过分辨加工过程中的噪音来判断刀具的磨损状态。但是，随着加工的自动化程度的不断提高，由人工判别刀具磨损情况，已经慢慢的成为自动化加工过程中的一个薄弱环节。现在加工现场还存在一种较普遍的现象，他们是根据实际加工时间或者已加工的工件数目来判断刀具的受损情况，进而决定是否换刀，而不检测刀具的实际磨损情况。而这样往往也会因为刀具没有达到加工需要的要求而带来不必要的浪费。

13、同时，可能因为没有及时解决加工过程中的偶然现象而使工件报废或损坏机床。因此在刀具进行切削运动中，能够随时并且方便的了解刀具的磨损情况就成为一个亟需解决的问题。对刀具磨损进行检测，目前采用的各种方法可以概括为两大类，一类是直接检测法，另一类是间接检测法。直接检测法采用各种传感器（包括接触式和非接触式，机械式、电气式、光学式和 光电式等）直接检测刀具表面状态；间接检测法则是采用各种传感器拾取加工过程中的各种与刀具状况有关的信号，如应变、力、温度、震动、电流、功率等，通过对这些信号的提取与处理，分析出刀具的磨损状况。应对此次毕业论文的要求，因此选择第一类间接检测法中的非接触式测量来检测刀具在进行切削

14、运动之后的磨损状态。在对刀具进行磨损测量的过程中，多年来，我们对刀具的磨损的情况可凭借以下几个方面来判断。第一是看：即通过我们的眼睛观察工件表面的粗糙度的变化。比如，当其他的条件不变的情况下，当发现生产出的零件表面粗糙度与之前生产的产品具有明显不同时，则可认为刀具达到了磨损的限度。另外，我们也能通过在进行切削加工之后，观察切削后的切屑形态的变化来判断，比如在开始加工生产所产生的切屑均匀的卷曲排出，而现在所产生的切屑是断断续续的，同时又是粗糙程度，大小不一的，那就可以断定刀具的磨损达到了磨损的限度。第二是通过声音来判断，在刚刚开始进行切削过程中，刀具发出的声音与慢慢的加工之后，刀具发出的声音变成

15、是尖锐刺耳等的情况下，可以判断刀具到了磨损极限。第三是通过切削时所产生的温度的高度来判断。比如在拆卸零件时，比较一下所接触的零件的温度和刚刚开始生产零件的温度区别，则可判断刀具的磨损状况。刀具磨损问题无论是在切削加工理论还是在生产实践中都是国内外十分重视的课题。尤其是随着科学技术的不断发展，各种新的刀具材料和新的工件材料不断的涌现。对于这些新的材料，在切削过程中的刀具磨损特性是必须加以研究的。在研究刀具磨损时，首先应该确认怎样合理选择刀具磨损的测量部位和测量基准。在对这个问题的探究上，学者得出：（1）在研究刀具磨损的问题时，应该科学、实用、方便、准确的选择刀具磨损的测量部位和测量基准。其出发点

16、应考虑到磨损对切削过程，已加工表面质量、刀具管理和重磨工作量的实际影响作用。（2）建议以刀尖圆角附件的最大磨损量代替平均磨损量作为衡量后刀面磨损的标准。因本科生毕业论文3为在测量时有定位误差和均值测定误差。（3）在计算刀具的前刀面的磨损时，建议以影响刀刃强度的最小唇宽作为主要的磨钝标准。（4）各磨损量的测量基准应选择为实际切削刃，不应该选择为磨损后得到的，而实际并不存在的原始刀刃。（5）在研究刀具磨损时，应给出各刀面磨损的全形貌图，以便纵观刀具的磨损特性。本科生毕业论文4第二章 金属切削原理基础理论2.1 切削运动切削运动：金属切削时，刀具和工件间发生相对切削运动，按其作用可分为主运动和进给运

17、动。（1）主运动：切削时最主要的运动称为主运动。这个运动的速度最高，消耗功率最大。外圆车削时工件的旋转运动就是主运动。主运动速度即切削速度 Vc（单位为 m/min）。（2）进给运动：使新的金属层不断投入切削，以便切除工件表面上全部余量的运动称为进给进给运动。用进给速度 Vf（单位为 mm/min,mm/s）或进给量 f（单位为 mm/r）表示。（3）合成切削运动：切削时，主运动与进给运动同时进行。这时，刀具切削刃上一点相对于工件的合成运动为合成切削运动，可用合成切削运动方向 Ve 表示。即 Ve=Vc+Vf。 图 1.1 切削过程中三个变化的表面图在切削过程中，工件上有以下三个变化着的表面，

18、如图 1.1 中所示。（1）待加工表面：加工时即将被切除的表面。（2）已加工表面：已被切去多余金属而形成的工件新表面。（3）过渡表面：加工时由刀具正在切削的那个表面，它是待加工表面和已加工表面之间的那个表面。2.2 刀具的几何角度尽管金属切削刀具的种类繁多，但其切削部分的几何形状与参数都有共性，即不论刀具结构如何复杂，其切削部分的形状总是近似地以外圆车刀切削部分的形状为基本形态。因此，在确定刀具的切削部分几何形状的一般术语时，常以车刀切削部分为基础。刀具的切削部分的结构要素如图 1.2 所示，其定义如下：本科生毕业论文5（1）前刀面：切屑沿其流出的刀具表面。（2）主后刀面：刀具上与工件过渡表面

19、相对的表面。（3）副后刀面:刀具上与以加工表面相对的表面。（4）主切削刃：前刀面与主后刀面的交线，它完成主要的切削工作，也称为主刀刃。（5）副切削刃:前刀面与副后刀面的交线，它配合主切削刃完成切削工作，并最终形成已加工表面，也成为副刀刃。（6）刀尖:主切削刃和副切削刃的连接点，它可以是短的直线或者是弧线。在刀具标注角度参考系中的确定的切削刃和各刀面的方位角度，称为刀具标注角度。由于刀具角度的标注沿切削刃各点可能是变化的，故所定义的刀具角度均应指明是切削刃上的某一指定点的角度。 前角：在正交平面内测量的前面与基面之间的夹角；前角表示前面的倾斜程度，有正、负之分。 后角：正交平面内测量的主后面与切

20、削平面之间的夹角，后角表示主后面的倾斜程度，一般为正值。 主偏角：在基面内测量的主切削刃在基面上的投影与进给运动方向的夹角，主偏角一般为正值。 副偏角：在基面内测量的副切削刃在基面上的投影与进给运动反方向的夹角，副偏角一般为正值。 刃倾角：在切削平面内测量的主切削刃与基面之间的夹角。图 1.2 车刀切削部分的结构要素2.3 金属切削过程金属切削过程实质是被切削金属层在刀具挤压作用下产生剪切滑移的塑性变形过程。塑性金属的切削过程一般要经过弹性变形、塑性变形、挤裂、切离四个阶段。在切削塑性金属的过程中，被切金属层在前刀面的推力作用下产生切应力，当切应力达到并超过工件材料的屈服强度时，被切金属层将沿

21、着某一方向剪切滑移变形而逐渐累积在前刀面上，随着切削运动的进行，这层累积物将连续不断地沿前刀面流出，从而形成了切屑。本科生毕业论文6图 1.3 第一变形区金属的滑移在切削过程中会形成切削变形区，切削层金属的变形大致可划分为三个变形区。第一变形区：被切削金属层在刀具前刀面的挤压作用下，首先产生弹性变形。当最大切应力达到材料的屈服极限时，则沿图中的 OA 曲线发生剪切滑移。随着刀具前刀面的逐渐趋近，塑性变形逐渐增大，并伴随着变形强化，直至 OM 曲线滑移终止，被切削金属与母体脱离成为切屑，沿前刀面流出。AOM 区域就是第一变形区。第一变形区的主要特点就是沿滑移线的剪切变形，以及随之产生的加工硬化。

22、在一般的切削速度范围内，第一变形区的宽度约为 0.020.2mm，切削速度越高，其宽度越小。因此可以把第一变形区看作一个剪切平面。第一变形区是金属切削过程中主要的变形区，消耗大部分功率并产生大量的切屑热。第二变形区：切屑沿刀具前面排出时会进一步受到前刀面的挤压和摩擦，使底层金属再一次产生塑性变形，使靠近前刀面处的金属发生纤维化，基本上和前刀面平行，造成切屑底边长度增加，切屑向外卷曲，该区域是切屑与前刀面的摩擦变形区。剧烈的挤压和摩擦所引起的切屑底层金属的剧烈变形和刀、屑界面温度的升高是第二变形区的特点，对积屑瘤的形成和刀具前刀面的磨损有直接影响。第三变形区：在已加工表面与刀具后刀面之间，已加工表面受到切削刃钝圆部分和后刀面的挤压与摩擦，产生变形与回弹，造成纤维化与加工硬化称为第三变形区。这个区域的状况对工件表面质量以及刀具后刀面的磨损有很大影响。一般情况下，由于有后角存在，这一区域的变形较小，但当刀具钝化后也会产生较大的变形。切削变形程度的表示方法：剪切角 ，剪切角 剪切面积变形程度切削力。