1、 90 度外圆车刀刃磨位姿及刃磨参数研究 作者 :e 所在单位 :（ e2001） 指导教师 :e 摘要 刀具是机械加工中重要的组成部分，是实现零件加工成形的主要工具。刀具刃磨是刀具制造或刀具用钝后的重磨，其质量好坏对刀具的切削性能和使用寿命起着关键的作用。目前国内大部分厂家的车刀是在砂轮机上手工刃磨，这种方法主要依靠技术工人的技能，刃磨质量取决于工人的技术水平，刃磨精度难以保证。基于此，本课题旨在研究一台自动控制的刃磨装置来实现车刀的自动刃磨。 本文分析研究了外圆车刀的结构和几何参数，阐述了其刃磨方法，建 立车刀各刀面的方程和刃磨装置的数学模型。在此基础上，研究开发一种五自由度控制的车刀自动
2、刃磨装置，分析其刃磨运动特性，对此进行设计。实现五轴移动或者旋转，完成所需的刃磨运动。 本文研究的目的就是要提高车刀的刃磨质量，降低制造成本，提高生产效率。通过对车刀自动刃磨技术和数控研究，设计的刃磨装置能够实现对车刀的自动刃磨和重磨，以提高车刀的刃磨精度和刃磨效率，减少工人的工作强度，满足现代生产对车刀刃磨的要求。 关键词 ：外圆车刀；刃磨 Abstract The cutter plays important function during mechanical working,it is the main tool of forming the parts processing .The
3、 grinding of cutter is the manufacture of cutter or reface blunt tool.Its quality plays a key role of cutting s performance and using life.at present ,cutter mostly works on hand grinding quality depends on the level of technical workers,it is difficult to guarantee precision of grinding.based on th
4、is,the article wants to study a grinding equipment controled by single chip to achieve automatic grinding of common lathe tool. Taken common cylindrical lathe tool for exemple,analyzing and researching configuration and geometry parameter of lathe tool.Introducing grinding method ,established the fl
5、ank of the equation and grinding equipments matheatic model.On this basis, researching and developing a automatic grinding equipment of three free-degree control lathe tool,analyzing its characteristic of grinding movement,the electric control system is designed and developed,which controls base on
6、single-chip.The system includes hardware design ,software design,reliability design,System Debugging and so on.single-chip servo system uses open-control loop system and with driving components of hybrid step-motor driven grinding device to do rotational movement.single-chip servo control system use
7、s sequential control algorithm to achieve three-axis rotation and completes the required grinding movement. The article proposes grinding precept,provided theoretical basis for developing grinding equipment.the purpose of the study is to improve grinding quality of lathe tool,reduce manufacturing co
8、sts,improve production efficiency .Through the research on automatic grinding technology and numerical control,the device can be realized on the grinding automatic tool grinding and regrinding,grinding equipment has designed can realized can realize automatic grinding and regrinding of lathe tool,it
9、 can improve grinding precision and grinding efficiency,reduce the intensity of workers ,satisfy modern production requirements of grinding for lathe tool. Key Words:lathe tool;grinding 目 录 0 引言 . 5 0.1研究目的及意义 . 5 0.2国内外发展状况及趋势 . 6 0.2.1 刃磨设备发展与现状 . 6 0.2.2 发展趋势 . 6 0.3存在的主要问题 . 6 1车刀几何特征 . 7 1.1车刀的
10、组成 . 7 1.2车刀的基本角度和主要作用 . 7 2车刀几何角度的合理选择 . 错误 !未定义书签。 2.1前角的功用及选择 . 错误 !未定义书签。 2.1.1前角的功用 . 错误 !未定义书签。 2.1.2 前角的合理选择 . 错误 !未定义书签。 2.2后角功用及选择 . 错误 !未定义书签。 2.2.1 后角的功用 . 错误 !未定义书签。 2.2.2后角的合理选择 . 错误 !未定义书签。 2.3主偏角的功用及选择 . 错误 !未定义书签。 2.3.1 主偏角对切削过程的影响 . 错误 !未定义书签。 2.4副偏角的功用及选择 . 错误 !未定义书签。 2.5刃倾角的功用及选择
11、. 错误 !未定义书签。 2.5.2 刃倾角的选择 . 错误 !未定义书签。 3常用车刀的种类和用途 . 错误 !未定义书签。 4 刀具材料的合理选择 . 错误 !未定义书签。 4.1 刀具材料应具备的性能及刀具材料的种类 . 错误 !未定义书签。 4.2 刀具材料的性能与选用 . 错误 !未定义书签。 5车刀刀面形式与选择 . 错误 !未定义书签。 5.1 车刀前刀面的形状选择 . 错误 !未定义书签。 5.2 车刀切削刃的形状选择 . 错误 !未定义书签。 5.3 车刀刀杆截面形式与尺寸的选择 . 错误 !未定义书签。 6 砂轮的特性与选择 . 错误 !未定义书签。 6.1 磨料 . 错误
12、 !未定义书签。 6.2 粒度 . 错误 !未定义书签。 6.3硬度 . 错误 !未定义书签。 6.4组织 . 错误 !未定义书签。 6.5砂轮形状 . 错误 !未定义书签。 6.6砂轮的型号 与选择 . 错误 !未定义书签。 7刃磨装置的总体方案的选择 . 错误 !未定义书签。 8 刀具参数建模 . 错误 !未定义书签。 8.1车刀坐标系 . 错误 !未定义书签。 8.2 建立刀面方程 . 错误 !未定义书签。 8.2.1 主后刀面方程 . 错误 !未定义书签。 8.2.2 副后刀面方程式 . 错误 !未定义书签。 8.2.3 前刀面方程 . 错误 !未定义书签。 9 刀具角度换算 . 错误
13、 !未定义书签。 9.1 法剖面和主剖面角度的换算 . 错误 !未定义书签。 9.2 垂直于基面的任意剖面与主剖面之间的角度换算 . 错误 !未定义书签。 9.2.1 假定进给、切深剖面与主剖面之间角度的换算 . 错误 !未定义书签。 9.2.2 副切削刃上副前角 o 和副刃倾角 s 与主剖面之间角度的换算 错误 !未定义书签。 9.2.3 最大前角 max 和最小后角 min 的计算 . 错误 !未定义书签。 10 外圆车刀位姿调整 . 错误 !未定义书签。 10.1主后刀面 . 错误 !未定义书签。 10.2副后刀面 . 错误 !未定义书签。 10.3前刀面 . 错误 !未定义书签。 11
14、 车刀的三维建模 . 错误 !未定义书签。 0 引言 0.1 研究目的及意义 刀具是金属切削加工工艺系统的重要组成部分，是实现零件加工成形的主要工具，其性能和质量直接影响机械加工的质量、效率和成本。 为保证零件的加工质量，提高生产效率，降低加工成本，刀具在用钝后或根据加工工件的不同需要重磨然后才能继续使用。刀具刃磨是刀具制造中最终成形的加工阶段，刀具的形状、尺寸、各刀面及几 何角度等，都是由刀具刃磨来完成的。因此，刀具刃磨是刀具制造工艺过程的一个重要工序，其质量好坏对刀具的切削性能和使用寿命起着关键的作用。 随着机械制造技术向集成化、智能化等方向发展，其对刀具的材料及制造也提出了更高的要求。如
15、何实现刀具高精度、高效率、高可靠性和专用化，已成为未来机械领域研究的主要课题之一。 车刀是机械制造中常用的刀具之一，用它在车床上加工外圆、端面、倒角等，在各种刀具中占比例最大，消耗数量也最多。车刀一旦报废，只能再买新的，大大提高了制造成本。 目前国内大部分厂家的车刀 是在砂轮机上手工刃磨或在万能工具磨床上刃磨。手工刃磨主要依靠于工人师傅的技能，刃磨质量取决于工人技师水平，刃比较复杂，刃磨效率低下，实际磨精度难以保证；在工具磨床上利用调整三向钳来刃磨，此种方法由于调整应用较少。所以，这两种刃磨方法有很大的弊端，急需要改进。 近些年来，数控机床、加工中心以及柔性制造单元在加工领域中得到迅速普及，而
16、这些先进的加工装备也只有依靠先进、精密的切削刀具才能充分发挥其加工性能。数控机床对刀具的几何形状精度、表面质量等要求很高，国内由于长期对工具技术重视程度不够，刀具质量、刀具 的加工水平与国外产品相比具有很大的差距，导致在引进国外先进数控设备的同时也不得不引进配套刀具及刃磨设备。目前，国内还缺少专门刃磨车刀的经济型数控车刀刃磨机。 基于以上因素，最终确定了本课题的研究方向“依靠数控技术，开发出经济可行的刃磨设备。”研究目的就是要提高车刀的刃磨质量，降低制造成本，提高生产效率；通过对车刀刃磨的数控研究，实现对车刀的自动刃磨，减少工人的工作强度，满足生产的需求。本课题主要对车刀的几何结构和刃磨方法进
17、行分析，建立了车刀各刀面的数学方程和运动方程；设计出一种经济可行的刃磨装置来实 现车刀各刀面的自动刃磨。 0.2 国内外发展状况及趋势 0.2.1 刃磨设备发展与现状 在车刀刃磨以及其它形状刀具刃磨技术和数控研究方面，近些年来国内外专家作了不少的研究工作，也开发出一些较先进刀具刃磨设备。 目前国外的工具磨床生产均采用数控万能工具磨床和 CNC 磨削加工技术，其主要优点有： 1 一次装夹、定位，即可完成刀具所有加工表面的加工，能够很好的保证刀具精度； 2 数控万能工具磨床具有复杂运动控制能力可以满足复杂形状刀具的加工要求； 3通过改变加工程序就可以实现对不同类型、不同规格刀具的加工； 4 采 用
18、先进的自动检测装置和方法，有效的宝座刀具的定位精度和加工精度； 5 数控万能工具磨床一般采用标准砂轮进行刀具的加工，降低修磨程序砂轮的成本，提高了加工效率。 0.2.2 发展趋势 通过以上人设备的发展状况，不难看出数控刃磨是未来的发展方向。机械式刃磨机，它的刃磨运动由齿轮和凸轮来实现，要在一个刃磨机上实现多品种多规格的工具的刃磨，机床机构复杂，同时需要附带许多配件，即使这样也只能刃磨系列的产品，而不能刃磨用户随意要求的刀具。数控刃磨机的刃磨运动由数控轴运动合成，理论上可以实现各种刃磨，调整简便，功能 扩展容易。随着数控技术的日益发展，数控系统成本的下降，可靠性增强，开发、使用和维护越来越简单，
19、其性能价格比将远远高于机械式自动刃磨机，而且它更能适应未来市场小批量多品种多样化的需求，更有利于计算机集成制造。 0.3 存在的主要问题 国内大部分厂家的对车刀的刃磨，还停留在由技术工人手工刃磨阶段，而手工刃磨主要依靠工人的技能，刃磨质量受操作者技术水平的影响。工人劳动强度大，刀具几何角度不易控制，一致性差，随意性大，自动化程度低，刃磨效率低下，刃磨质量无法保证。 在刀具数控刃磨技术研究方面，国内起步 较晚，相关的设备和数控系统主要依赖于进口，因此，刀具的数控刃磨技术受到了很大的局限性。国外对于刀具的数控刃磨的研究较早，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，它们的价格昂
20、贵，对于普通的车刀刃磨来讲，进口成本过高不合乎国情。 1 车刀几何特征 1.1 车刀的组成 车刀是由刀头（或刀片）和刀柄两大部分组成。刀头部分担负切削工作，所以又称切削部分。刀柄用来夹持车刀。 车刀的刀头由以下部分组成： （ 1）前刀面 A :又称 为前面，是指切削工件时，切屑流经的刀面。 （ 2）后刀面 A ：又称为后面，是指切削工件时与工件上加工表面相对的刀面。 （ 3）副后刀面 A ：又称为副后面，是指切削工件时与工件上已加工表面相对的刀面。 （ 4）主切削刃 S ：又称为主刀刃，是指前刀面和后刀面的交线，切削工件时担任主要切除金属层的工作。 （ 5）副 切削刃 S ：又称为副刀刃，是指
21、前刀面和副后刀面的交线，配合主切削刃完成切削工作，也担任很少一部分切削工作。 （ 6）刀尖：是指主切削刃与副切削刃的交点。为了提高刀尖强度，很多刀具都在刀尖处磨出圆弧型或直线型过渡刃。圆弧过渡刃又称刀尖圆弧。一般硬质合金车刀的刀尖圆弧半径 er =0.5 1mm。 图 1-1车刀的切削部分 1.2 车刀的基本角度和主 要作用 刀具角度是指刀具工作图上需要标出的角度。刀具的制造、刃磨和测量就是按照这种角度进行的。谈刀具角度时，并未把刀具同工件和切削运动联系起来，刀具本身还处于尚未使用的静止状态。 对于车刀，为了便于测量，在建立刀具静止参考是，特作如下三点假设： （ 1） 不考虑进给运动的影响；
22、（ 2） 安装车刀时应使刀尖与工件中心等高，且车刀刀杆中心线与工件轴心线垂直； （ 3）主切削刃上选定点与工件中心等高。 根据上述三点假设建立三个刀具静止参考系，分别是正交平面参考系、法平面参考系背平面和假定工作平面参考系。这里着重介绍一下正交平面参考系 及几个要用到的以下 几 个 平 面 ： 基 面 rP ：切削刃上选定点并垂直于改点切削速度的向量 cV 的平面。通常，基面平是行于刀具上便于制造、刃磨和测量的某一安装平面。对于普通车刀来说，它的基面总 是 平 行 于 刀 杆 的 底 面 。 切削平面 sP ：过切削刃上选定点作切削刃切线，此切线与改点的切削速度向量 cV 所组 成 的 平 面
23、 。 正交平面 oP ：过切削刃上的选定点，同时垂直于该点的基面 rP 和切削平面 sP 的平面。 对于切削刃上某一选定点，该点的正交平面 Po、基面 Pr 和切削平面 Ps 构成了一个两两相互垂直的空间直角坐标系，将此坐标系称为 正交平面参考系。如图 1-2 所示，由图可知，正交平面垂直于主切屑刃或其其切线在基面上的投影。 图 1-2 正交平面参考系 车刀切削部分共有六个独立的基本角度：前角（ o ）、主后角（ o ）、副后角（ o ）、主偏角（ r ）、副偏角（ r ）、刃倾角（ s ）。 （ 1）前角（ o ） 前刀面与基面之间的夹角，在正交平面中测量。前角影响刃口的锋利和强度、影响切削
24、变形和切削力。增大前角能使车刀刃口锋利，减少切削变形，可使切削省力，并使切屑容易排出。 （ 2）后角（ o ） 后刀面与切削平面之间的夹角，在正交平面中测量。副后面与切削平面间的夹角则为副后角（ o ），后角的作用主要是减少后刀面与工件之间的摩擦。 （ 3）主偏角（ r ）：主切削平面与假定工作平面间的夹角，在基面中测量。主偏角的主要作用是可以改变主切削刃和刀头的受力情况和散热条件。 （ 4）副偏角（ r ）：副切削平面与假定工作平面间的夹角在基面中测量。副偏角的主要作用是减少副切削刃与工件加工表面之间的摩擦。 （ 5）刃倾角（ s ）：主切削刃与基面之间的夹角，在主切削平面中测量。刃倾角的主
25、要作用是可以控制切屑的排出方向；当刃倾角为负值时，还可增加刀头强度和当车刀受冲击时保护刀尖。 刃倾角有正值、负值和零度三种。当刀尖是主切削刃的最高点时，刃倾角为正值。切削时，切屑排向工作待加工表面，车出的工件表面粗 糙度较细，但刀尖强度较差。当刀尖是主切削刃的最低点时，刀倾角为负值。切削时，切屑排向工件已加工表面，容易擦毛已加工表面，但刀尖强度好，在车削有冲击工件时，冲击点先接触在远离刀尖的切削刃处，从而保护了刀尖，每当主切削刃与基面平行时，刃倾角等于零度。切削时，切屑基本上垂直于主切削刃方向排除。 车刀除了上述六个基本角度外，还可以计算出两个常用的派生角度： （ 6）楔角（ o ）：前面与后
26、面间的夹角，在正交平面中测量。它影响刀头的强度，楔角可用下式计 算： o =90 -（ o + o ） （式 1.1） （ 7）刀尖角（ r ）：主切削平面和副切削平面间的夹角，在基面中测量。它影响刀尖强度和散热条件，刀尖角可以用下式计算： r =180 -（ r + r ） （式 1.2） 以上是外圆车刀必须标出的六个基本角度。有了这六个基本角度，外圆车刀的三面（前面、主后面、副后面）、两刀（主切削刃、副切削刃）、一尖的空间位置就完全确定下来了。 图 1-3 车刀的几何角度 2.电机选择 2.1 电动机选择 2.1.1 选择电动 机类型 2.1.2 选择电动机容量 电动机所需工作功率为： w
27、dPP ； 工作机所需功率 wP 为： 1000FvPw ； 传动装置的总效率为： 4321 ； 传动滚筒 96.01 滚动轴承效率 96.02 闭式齿轮传动效率 97.03 联轴器效率 99.04 代入数值得： 8.099.097.099.096.0 2244321 所需电动机功率为： kWkWFvP d 52.10601 0 0 08.0 401 0 0 0 01 0 0 0 dP 略大于 dP 即可。 选用同步转速 1460r/min ； 4 级 ；型号 Y160M-4.功率为 11kW 2.1.3 确定电动机转速 取滚筒直径 mmD 500 m i n/6.1 2 55 0 01 0 0 060 rvn w 1.分配传动比 （ 1）总传动比 62.116.1 2 51 4 6 0 wmnni (2)分配动装置各级传动比 取两级圆柱齿轮减速器高速级传动比 03.44.101 ii 则低速级的传动比 88.203.4 62.110112 iii 2.1.4 电机端盖组装 CAD 截图
