车刀刃磨装置的结构设计设计

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
毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明
原创性声明
本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。

尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。

对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。

作者签名：日期：
指导教师签名：日期：
使用授权说明
本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。

作者签名：日期：
指导教师评阅书
评阅教师评阅书
教研室（或答辩小组）及教学系意见
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。

(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1924～1926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）。

1938～1940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
○
1刀面 a.前刀面⎪⎪⎭
⎫ ⎝⎛r A 新切屑流出的表面。

b.后刀面⎪⎪⎭
⎫ ⎝⎛a A 与加工表面相对的表面。

c.副后刀面()
a A ' 与工件已加工表面相对的表面。

○2刀刃
a.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。

○3刀尖
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。

○1切削平面通过切削刃某选定点，切与加工表面的平面。

○2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。

○3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。

○4副切削刃正交平面垂直与副切削刃在基面上的投影。

2）刀具标注角度
○1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()t P通过切削刃上选定点M，平面与刀杆底面的平面；
切削平面()s p通过切削刃上选定点M，与主切削刃相切并垂直于基面的平面
Po通过切削刃上选定点M，垂直于主切削刃在基面上投影正交平面()
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
㎝
○2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，刀具角
度有以下几个。

A ．正交平面()Po 中测量的角度；
前角a r 前刀面与基面之间的夹角；
后角o a 后刀面与切削平面之间的夹角；
楔角前o β刀面与后刀面之间的夹角。

有
090()o
o o r a β=-+
B ． 副正交平面'P 。

中测量的角度；
副后角'o a 副后刀面与副切削平面之间的夹角。

C ． 基面r p 中测量的角度；
主偏角()r k 。

进给方向与主切削刃在基面上的投影之间的夹角。

负偏角（'r k ）进给方向与副切削刃在基面上的投影之间的夹角。

刀尖角（r ε）主切削刃与副切削刃在基面上投影之间的夹角。

有
0'180()
r r r k k ε=-+
D ． 切削平面s p 中测量的角度；
刃倾角（s λ）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a r ，后角o a ，主
偏角r k ，刃倾角s λ4个角度就可以确定。

其中，a r 于s λ确定了前刀
面的方位，r k 和o a 确定了后刀面的方位，r k 与s λ确定了主切削刃的
方位。

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κ刃倾角 S 、副偏角κ 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10°～15°；在切削铬锰钢或淬火钢时取 -2°～-10°。

一般情况下后角取 6°～10°主偏角κ根据工艺系统的刚性条件而定,一般取30°～75°,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κ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。

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
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
(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。

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。