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  智能车刀刃磨机机械结构设计 【摘 要】该论文主要研究了车刀刃磨机的设计以及操控方法。主要论述了车刀几何参数和刃磨 参数之间的关系和求解方法，建立并描述车刀位姿调整的数学模型。论文论述了车刀刃磨 的数学模型，根据模型，求解了车刀的几何参数和刃磨参数之间的关系。由于车刀刃磨 数决定刃磨时车刀和砂轮间的角度调整。为了确定车刀刃磨机床参数，首先是根据刀具刃磨 时活动空间的分析，设计了实现方案，选取控制管理系统结构，根据刃磨运动方程控制角度， 最终采用单片机对三台步进电机控制，从而控制机床产生相应的运动，实现车刀的各个面 刃磨。 【关键词】刃磨机 位姿调整 卸荷结构 单片机控制 The intelligent edge mill machine of lathe tool is deve loped Tianweijun (Guide teacher) 【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. 【Keyword 】 Edge mill machine Pose adjusts Unload lotus structure Single-chip microcontrol 1 目 第一章 绪 论 …………………………………………3 §1.1 本课题国内外研究现状……………………4 §1.2 课题的提出…………………………………5 §1.3 课题主要研究内容…………………………5 §1.4 本章小结……………………………………5 第二章 方案设计及论证 ………………………………5 §2.1 方案提出……………………………………5 §2.2 方案论证……………………………………8 第三章 方案实施 ………………………………………9 §3.1 数学模型建立………………………………9 §3.2 机械部分设计………………………………14 §3.2.1 刃磨门槛……………………14 §3.2.2 磨削力估算………………………18 §3.2.3 机械结构设计……………………20 §3.2.4 失电制动器选择…………………22 §3.2.5砂轮架升降机构设计 ……………25 §3.3 控制部分设计………………………………26 §3.3.1控制方案设计 ……………………26 §3.3.2硬件电路设计 ……………………26 §3.3.3软件设计 …………………………37 §3.3.4驱动电源 …………………………45 第四章 使用说明书 ……………………………………47 第五章 结论 ……………………………………………50 致谢词 …………………………………………………51 参考文献 ………………………………………………52 附件 §1 英文翻译 2 §2 开题报告 3 第一章 绪 论 §1.1 本课题领域国内外发展现状 工欲善其事，必先利其器。刀具在切削加工中占有举足轻重的地位。在机械加工中， 刀具的费用虽然仅为生产费用的2- 5%,但它却对整个生产的效益有重大的影响。刀具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加工质量、效率和成本。 工业发达国家的经验表明，选用高效的切削刀具，可以使生产所带来的成本降低10- 20%。随着现代化机械加工技术朝着高效率、高精度、高自动化、高柔性化以及网络化的方 向发展，切削刀具也正朝着精密化、复杂化的方向发展。 一般刀具制造和刃磨是采用普通的工具磨床来加工，小批量的生产采用万能工具磨 床，而大批量的刀具生产则采取了专用的工具磨床，比如沟槽磨床、立铣刀磨床等。然而随 着技术的持续不断的发展，这种刀具的生产方式越来越不能适应现代刀具技术发展的要求。主要 表现:(1)一把刀具的生产需要几台机床，多次装夹，多次定位，不仅工艺装备复杂，而且刀 具的精度很难得以保证;(2)普通的工具磨床的运动控制能力有限，对于一些复杂的刀具只能 采用近似的方法加工;(3)万能工具磨床在加工能力和加工范围上，远超于普通的工具磨床 ，但是仍然不能适应现代刀具的多品种、小批量、短周期要求。目前国外的工具磨床生产 厂家均采用数控万能工具磨床和CNC磨削加工技术，这也是普通刀具和复杂刀具制造刃磨 的主要途径和方法。国内车刀刃磨机械主要是在复杂刀具刃磨功能的基础上带有车刀的刃 磨，台湾佳群机电公司是台湾专业CNC专用机床磨刀机生产厂商， JD- 30A型第三代万能磨刀机配有刃磨车刀、钻头、铣刀的功能和装置。可以针对不一样的加工设 备和刀具对象，对刀具进行修磨。武汉机床厂生产的M6245车刀刃磨机，（如图1- 1所示）天津市北闸门口仪表机床厂刃磨机CDM32 （如图1- 2所示）。M6245车刀刃磨机主要技术规格： 最大车刀宽度45mm ，最大车刀厚度45mm ；砂轮架最大往复行程50mm砂轮架往复速度 (无级变速)5- 25mm/分，砂轮轴转速2100转/分，当用φ200mm砂轮时砂轮线米/秒，砂轮数量可装 数量4 ，常用数量2 ；刀架纵向最大移动量550mm刀架横向最大移动量80mm，刀架微调范围 4 20mm ，微进给手轮一格移动量0.01mm ，刀架在水平面内旋 转角度360 °，刀架在纵向平面内旋转角度±20 °刀架在横向平面内旋转角度±20 °，虎钳 钳口旋转角度±90 °液压泵流量*压力2.5升/分*25公斤/厘米，系统工作所承受的压力 8- 10公斤/厘米，电动机主传动电动机1.5kw。 天津市北闸门口仪表机床厂刃磨机CDM32技术参数： 夹持刀具的最大截面尺寸32×32mm 。 主Main worktable 1 ﹑工作台面积 340×170mm 2 ﹑上下移动量 70mm 3﹑左右移动量 70mm 4 ﹑上下移动刻度盘每格移动量 0.02mm 5﹑工作台绕水平轴旋转 -30°～+20° Motor of spindle 1 ﹑绕垂直轴旋转 15 2 ﹑输出功率 550W 3﹑转速 2980r.p.m. Vice-wordtable 1 ﹑工作台面积 276×150mm 2 ﹑工作台绕水平轴旋转 -30°～+30° Main tool holder 1 ﹑前后移动量 100mm 2 ﹑前后移动刻度盘每格移动量 0.02mm 3﹑刀夹绕垂直轴旋转 360° 机床净重 140kg 5 图1-1 图1-2 6 §1.2 课题的提出 随着我们国家工业迅猛发展，企业的经营管理模式的改变，以前的师徒关系以不是很明显 ，企业对人的要求是技术工人上岗就要立即能上手操作，作为新的学徒和刚上岗的技术工 人没有数年的工作经验，要想通过手工刃磨一把刀具则相当困难，得不到合理几何角度的 刀具，势必影响到生产质量和效率。所以刀具的刃磨技术在减少相关成本、提高加工量中显得 尤为重要。针对这种情况设计一种既经济又便于操作的刃磨机就显得很必要。 本次设计就是为了解决生产当中企业和工人的实际问题。首先对车刀的刃磨展开研究 ，通过调研、分析、类比、论证。最终设计一种智能化、自动化的刃磨机械，以满足实际 生产需要。 §1.3 课题主要研究内容 通过本次设计，首先，分析研究车刀几何参数和刃磨参数之间的关系和求解方法，建 立并描述车刀位姿调整的数学模型。根据模型，求解车刀的几何参数和刃磨参数之间的关 系。根据刀具刃磨时活动空间位置，分析刃磨运动控制角度，设计机械系统和控制系统， 实现车刀的各个面刃磨，最终完成车刀刃磨机床整体设计。通过本次设计，一方面可以满 足和解决生产当中的实际基本问题，另一方面，也可以为我们研究其他刀具的刃磨奠定理 论基础，使刃磨机械最终形成系列化、市场化产品。 §1.4 本章小结 通过本章的学习了解，我们初步了解了智能车道刃磨机的发展状况，以及它在机械加 工中所占的重要作用。在21世纪现代化高速发展的今天，生产力决定一切，我们要创造生 产力，提高生产效率。机械加工方面我们更应该改善技术与生产力，对传统的加工刃磨技 术进行改善与提高，使加工智能化自动化。 第二章 方案设计及论证 我国工具行业，长期处在低水平数量型发展轨道，加上目前正处在国家深化改革，产 业结构调整，客观和主观都造成我国的工具行业难以适应当今飞速发展的市场变化。我国 刀具制造同先进国家的差距进一步拉大。为了降低成本，提高刃磨质量和效率，特别的重要 。车刀的刃磨就是最基础的。 而长期以来车刀的刃磨，主要由车床工人用手工刃磨，凭目测控制刃磨角度，这种刃 7 磨方式，刃磨的角度不太正确，效率也较低，所以开发高效可靠、功能强大、成本低廉的 经济型数控车刀刃磨机具有现实的经济意义和深远的社会意义。 §2.1 方案提出 【方案1】 8 车刀刃磨实现上也就是针对车刀的主后刀面、副后刀面、前刀面三个面进行磨削，从而 保证六个基本角度。如图所示2-1所示： A ——主后刀面 α / A ——副后刀面 α A ——前刀面 γ K ——主偏角 r λ——刃倾角 s γ——前角 o α——后角 o K ＇——副偏角 r α ＇——副后角 o 图2-1 空间应该有三个自由度才能保证三个面和六个基本角度，而在我们常用的夹具里，万 能虎钳就是最常见的能实现三个自由度的辅助夹具，所以我们可以借鉴，从而实现刃磨。 工作原理： （1） 后刀面的刃磨 首先把车刀紧固在虎钳1上，将转体5相对于底座6转动（绕Y轴线）-- 车刀的主偏角K ，使刀刃与纵向进给方向平行，角度值可从刻度盘7读出，再将虎钳相对于3 r 转动（绕Z轴线）-- 车刀的轴向后角。角度值可从刻度盘2读出，此时，车刀的整个后刀面都出于切削平面内， 当万能虎钳随工作台作纵向往复直线运动时，即可刃磨出车刀的后刀面。副后刀面刃磨基 本相同。 (原理如图2-3所示) (2) 前刀面的刃磨 车刀在虎钳上紧固后，将转体5相对于底座6转动（绕Y轴线），-- 车刀的主偏角Kr，角度值可从刻度盘7读出，将虎钳1相对于转体3转动（绕Z轴线）-- 车刀的轴向前角，角度值可从刻度盘2读出。在将转体3相对于转体5转动（绕X轴线）-- 刃倾角λs，角度值可从刻度盘4读出（如果λs=0，则不需转动转体3），这样车刀的整个 前刀面（经刃磨后的）都出于水平位置，当万能虎钳岁工作台作作纵向直线 动，即可刃磨前刀面。 1一虎钳; 2、4、7一刻度盘; 3、5一转体； 6一底座 图2-3 【方案2】 由于空间需要三个旋转自由度，才能保证三个面和六个基本角度，可以借鉴机器人的腕 关节，实现刃磨。机器人执行机构即机器人本体，其臂部一般采用空间开链连杆机构，其 中的运动副（转动副或移动副）常称为关节，关节个数通常即为机器人的自由度数。驱动 装置是驱使执行机构运动的机构，按照控制系统发出的指令信号，借助于动力元件使机器 人进行动作。它输入的是电信号，输出的是线、角位移量。机器人使用的驱动装置主要是 电力驱动装置，如步进电机、伺服电机等驱动装置。如图2-4所示。 1、关节1 2、关节2 3、关节3 图2-4 10 利用该种结构，用三台伺服电机进行输入，就可实现空间的三个角度的旋转输出，这 三条传动路线－齿轮Z /Z －齿轮Z /Z －θ 实现X轴的旋转; 1 2 3 4 2 电机2 －齿轮Z /Z －θ 实现Z轴的旋转; 5 6 1 电机3 －齿轮Z /Z －θ 实现Y轴的旋转; 7 8 3 车刀刀具可以装夹在托板上，实现主后刀面、副后刀面、前刀面的刃磨，角度的调整 ，可以通过控制伺服电机的旋转，位姿的调整由控制软件按照位姿调整的数学模型进行控 制。从而可以实现刀具的数控化刃磨。 §2.2 方案论证 方案一，由上述分析可知万能虎钳调整时需将三个坐标轴都进行调整，但由于X 、Y 、 Z三轴是连动的。当夹具体绕X轴转动时，Y轴方向随着转动，但Z轴方向不变。绕Y轴转动 时，X 、Z轴方位不变。绕Z轴旋转时，X 、Y 方位随着变动。因此当夹具绕X或Z轴旋转时，同时会带动其它轴旋转，我们知道在刃磨刀 具的几个刀面时，刃磨的先后顺序不同，刃磨的几何角度也不同，因此在使用时，调整的 几何角度并不是独立的刀具角度，而是对几何角度在空间进行分析后得到的角度。这样就 会在刃磨时，带来计算的麻烦，势必影响到刃磨的效率，且万能虎钳的调整是通过目测， 由工人用手调整，这样刃磨的质量也很难保证。因此在磨床上利用万能虎钳来进行车刀的 刃磨其缺点是很明显的。 方案二，未解决万能虎钳三轴转动时，带来的联动调整问题以及计算时的麻烦，我 提出第二种实现方案。由刃磨要求可知，在刃磨时要通过夹具体的回转使刀具的被刃磨面 回转到与磨轮工作面平行的方位。因此，当夹具回转则需要三个旋转的自由度以保证刃磨 时所要求的角度，由以上对万能虎钳的分析知，该夹具的三个方向的回转自由度并不是独 立的，在旋转时角度是很难控制的，因此为了方便而准确的控制三个方向的自由度，我们 将这些自由度的生成关系独立开来，我们采取第二个实施方案。该结构由三部分组成，一 部分有一个自由度，并且三部分的轴线交于一个平面。三部分的实现由三台步进电机控制 ，则三个方向的旋转自由度就可实现，并且是独立的存在，不会有干涉的现象，再采用丝 杠螺母机构来实现两个方向的进给运动，这样在刃磨车刀时，要使刀具待磨面与磨轮工作 面平行，我们只需要分别控制三台电机来实现 11 三个轴的旋转，三个轴的旋转由数学建模关系控制，就可轻易的实现人为控制，得到我们 所需的角度。 在三个自由度的实现上，有两种方案能轻松实现，第一种就是三台电机同时布置在一个机 体内，第二种可以使进给方向有两个自由度的旋转，然后再利用砂轮的旋转，提供第三个 自由度，这样也能轻松实现三个自由度的控制，在整个设计当中，我们对这两个方案也进行 了论证，最后在实现控制上，我们发现，第一、数学模型的建立，都是以刀具的旋转为研 究对象的；第二、考虑到设计的结构的紧凑性，我们最终考虑采用了第二种方案中的2 ，利 用三台步进电机实现对刀具的控制，从而得到要磨的刃磨角度。 图2- 4方案能轻松实现三个回转轴线相交于一点，这样三个轴的运动彼此不会产生诱导运动，三个 电机的运动相互独立，这样控制算法上 比较简单容易实现，但在结构上体现的 相对复杂，为此，我们在这个基础上对 这个方案部分结构进一步进行改型，从 而力求得到比较合理的适合于刀具刃磨 的结构。 Z轴方向布置一台步进电机，可以实 现垂直水平面的旋转运动，平行于水平 面布置一台步进电机能轻松实现绕X轴的 旋转运动，水平面内垂直于X轴布置一 台步进电机，从而就可实现绕Y轴的旋 转运动。总体结构方案如图2-5所示，为此 图2-5 在次方案的基础上我们仅需做到合理的结构设计和控制的设计，就可实现我们的设计的基本要求 。 第三章 方案实施 §3.1 数学模型建立 12 §3.1.1常见车刀 车刀是应用最广的一种单刃刀具。也是学习、分析各类刀具的基础。车刀用在所有车 床上，加工外圆、内孔、端面、螺纹、车槽等。车刀按结构可分为整体车刀、焊接车刀、 机夹车刀、可转位车刀和成型车刀。 13 图 3.1 车刀的种 图3-1 常用车刀 类 a)外圆车刀 b) 外圆车刀 d) 内孔车刀 f)螺纹车刀 e) 圆弧车刀 c)切断刀 §3.1.2车刀几何角度分析 图3-2车刀几何角度投影 14 §3.1.3数学模型建立 车刀刀面方程建立 1、建立坐标系 1.1 车刀坐标系 d d 以外圆车刀的刀尖0为坐标原点，负进给方向为x 轴方向，吃刀运动方向为Y d d d 轴方向，按右手法则建立车刀坐标系。O-x y z ，并与车刀“固结”。 1.2机床坐标系 d d 以车刀坐标系的原点0为坐标原点，x 轴方向为x轴方向，Y轴方向为y轴方向，按右手法则建 立机床坐标系。O-xyz，并与机床“固结”。 2、建立刀面方程式 设车刀的三个刀面为平面，并设主偏角为k、，副偏角为k ：，主后角为a 、法向主后角为a r r’ 0 n 进给剖面主后a ,切深剖面主后角为a ,主前角为γ ,法向前角为γ ,进给剖面前角为γ ,切深 f p 0 n f 剖面前角为γ ,刃倾角为λ ,副后角为α ＇,进给剖面副后角为α ＇。 p s o p 2.1主后刀面方程式 过刀尖o做主后刀面的单位法线可知，该单位的法线的方向数（即Na在x 、y 、z 轴上的坐标分量）p ，q ，r 分别为 a a a p =-cos α ×sink a o r q = cos α ×cosk a o r r =-sin α a o 于是，主后面的方程式可表示为： x -cos α ·sink T xd d o r p q r y = cos α ·cosk yd =0 (1) a a a · d o r z -sin α zd d o 2.2 副后刀面方程式 15 过刀尖O作副后刀面的单位法线可知，该单位法线的方向数 (即Na’在X 、Y 、z 轴上的坐标分量p 、q 、r ： a’ a’ a’ 分别为： 16 图3-3 刀具角度投影关系图 ’ p =-cos α ×sink a’ o r ’ ’ q = cos α ×cosk a’ o r r =-sin α’ a’ o 于是，副后刀面方程式为: ’ ’ d x -cos α ·sink T x d o r ’ ’ d p q r y = cos α ·cosk y =0 (2) a’ a ‘ a ‘ · d o r z -sin α’ zd d o 2.3 前刀面方程式 d d 过刀尖O作前刀面的单位法线Nr，由上图可知，该单位法线的方向数(即Nr,在X 、Y d 、z 轴上的坐标分量)p 、q 、r ： 分别为： r r r p =sin γ ·sink - cos γ ·sinλ ·cosk r n r n s r q =-sin γ ·cosk - cos γ ·sinλ ·sink r n r n s r r = cos γ ·cosλ r n s 17 于是前刀面的方程式可表示为： x sin γ ·sink - cos γ ·sinλ ·cosk xd d n r n s r p 、q 、r · y = -sin γ ·cosk - cos γ ·sinλ ·sink yd =0 r r r d n r n s r (3) z cos γ ·cosλ zd d n s 车刀的位姿调整 1、建立砂轮的磨削平面方程 设磨刀砂轮的轴线与机床坐标 系。O- XYZ的x轴平行．并以砂轮的端平面 刃磨车刀的各表面，那么砂轮的磨 削平面方程可描述为： x 1 0 0 ·y = 0 z 2、车刀的位姿调整要求： (1)能实现任意一个被刃磨 刀面与砂轮的磨削平面重合； (2)能实现沿磨刀砂轮轴线)能保证磨削在砂轮的轮沿附近进行； 3、车刀的姿态调整 图 3 - 4 姿态调整的理论依照是坐标旋转，任意一个被刃磨刀面经过坐标旋转以后应能够与 砂轮的磨削平面重合或平行、车刀坐标系的起始位置与机床坐标系重合。考虑到设计的机 械结构和刃磨时主要利用砂轮的端面刃磨，为了更好的提高刃磨效率和提高刃磨质量，所以需确 定刃磨的先后顺序。考虑上述因素，我们确定了如下刃磨顺序。 3.1主后刀面刃磨 要想让主后刀面调整到与机床坐标系的yoz平面相平行的位置需要经过两次旋转变 换。第一次让刀具连同坐标系。让步进电机绕Z轴沿顺时针方向转k 。如 图 r 3 - 4 所 示 ，然后让X向步进电机绕X轴选转一个后角，则主后刀面就可实现预期的刃磨。 18 3.2副后刀面刃磨 19 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转方向有所不 同，首先应该逆时针旋转一个副偏角，副后角同样需要X方向步进电机调整。 3.3 前刀面的刃磨 前刀面的刃磨时，首先旋转一个主偏角，然后再旋转一个轴向前角，最后旋转一个刃倾 角。这样需要三次旋转才可实现前刀面的刃磨，电机的旋转顺序为Z向步进电机- Y向步进电机-X向步进电机。 §3.2 机械部分设计 §3.2.1刃磨门槛 车刀的材料 常用车刀材料一般有高速钢(High-speed steel)和硬质合金 (Horniness metal)两类。 （1）高速钢车刀 高速钢是一种加了较多的钨、钼、铬、钒等合金元素的高速工具钢，特点是较高的热 稳定性，且学温度达500～600摄氏度，与碳素工具钢，合金工具钢相比，切削速度提高1～ 3倍，耐用度提高10～40倍。 （2）硬质合金车刀 硬质合金是以钨的碳化物（WC）钛的碳化物（TiC）的粉末为基础，以钴为粘结剂，用 粉末冶金法，经高温烧结而成，硬质合金的红硬性为W80～1000摄氏度，它的切削速度为高 速钢的4～10倍，常温时，硬质合金较脆，怕冲击和振动，不能制成复杂刀具，用其制成整 体式的较少，大多为刀片。 刀具的磨损形式 刀具的磨损按其发生部位主要有以下形式:如图3-5所示 1、刀面磨损 磨损主要发生在刀具的后刀面上,后刀面磨损后,形成后角等于零的小棱面,磨损程度以棱面 高度h 表示。 后 2、前刀面的磨损 磨损部位主要发生在刀具的前刀面上，在主切削刃的后方产生一个月牙洼，磨损程度与月 牙洼的深度h 表示。 前 3、前刀面与后刀面同时磨损 20 这种磨损是指刀具前刀面的月牙洼与后刀面上的棱面同时产生 一般，刀具在切削工件的过程中，其后刀面都有磨损，h 的大小直接影响工件的加 后 工精度、表面的光洁度和生产效率，同时h 测量方便，故生产实践中常以h 的大小表示刀 后 后 具磨损程度。 图3- 5 刀具磨损形式 砂轮选取 （1） 材料选取 砂轮是由磨料加结合剂用制造陶瓷的工艺方法制作而成的。砂轮的特性由下列五个因素来决 定：磨料、粒度、结合剂、硬度和组织。常用的磨料有氧化物系、碳化物系、高硬磨料系 三类。如表1-1所示。 选用原则 刃磨刀具的砂轮应使刃磨后的刀具具有锋利的切削刃和一定的光洁度，并且刀面无退火 烧伤现象。选择砂轮是主要是根据刀具材料的性质、磨削性质、图纸要求等，选择砂轮的磨 料、粒度、硬度、结合剂、形状和尺寸。具体有一些根本原则： 1.工件硬度工件越硬，砂轮硬度应选得软些，使磨钝了的磨粒快点脱落，以便砂轮经 常保持有锐利的磨粒在工作，避免工件因磨削温度过高而烧伤。 工件材料越软，砂轮的硬 度应选得硬些，使磨粒脱落得慢些，以便充分的发挥磨粒的切削作用。 2.砂轮与工件的接触面积大时，应选用软砂轮，使磨粒脱落快些，以免工件因磨屑堵塞砂 轮表面而引起表面烧伤。内圆磨削和端面平磨时，砂轮硬度应比外圆磨削的砂轮硬度低。 磨削薄壁零件及导热性差的工件时，砂轮硬度也应选得低些。 3.精磨和成型磨精磨和成型 磨削时，应选用硬一些的砂轮，以保持砂轮必要的形状精度。4. 21 砂轮粒度大砂轮的粒度号越大时，其硬度应选低一些的，以避免砂轮表面组织被磨屑堵塞 。5.工件材料磨削有色金属、橡胶、树脂等软材料，应选用较软的砂轮，以免砂轮表面被 磨屑堵 22 塞。 根据上述理论对于车刀的刃磨应分别选取砂轮材料 ① 氧化铝砂轮适用于高速钢车刀 ② 碳化硅砂轮适用于硬质合金车刀 磨料名称 代号 特 点 适 用 范 国 磨削碳素钢、一般合金钢，可锻铸铁，硬青 有足够的硬度，韧性大，抗弯强度高 棕刚玉 GZ 铜等。特剐适于墨未淬硬钢和调质钢以及粗 ，价格实惠公道 磨工序 白刚玉 GB 比棕刚玉硬而脆，自锐性好，磨削力和 磨削淬硬钢，高速钢，高碳钢，螺纹，齿轮 磨削热量较小，价格比棕刚玉高 ，薄壁．薄片零件以及刃磨刀具等 可磨削合金钢，高速钢，锰钢等高强度材料以 铬刚玉 GG 硬度与白刚玉相近而韧性较好 及光洁度要求比较高的工序。也适于成型磨削，刃 磨刀具等 单晶刚玉 GD 磨削不锈钢和高钒高速钢等韧性大、硬度高的 硬度和韧性都比白刚玉高 材料 微晶刚玉 GW 强度高，韧性和自锐性好 磨削不锈钢，轴承钢和特种球墨俦铁等 黑碳化硅 TH 磨削铸铁，黄铜、软青铜以及橡皮，塑科等 硬度比白刚玉高，但脆性大 非金属材料 绿碳化硅 TL 硬度与黑碳化硅相近而脆性更大 磨削硬质合金、光学玻璃等 金刚石 JR 硬度最高，磨削性能好，价格昂贵 磨削硬质合金、光学玻璃等高硬度材料 JT 砂轮 刀具材料 加工情况 磨料 粒度 硬度 结合剂 # # 46 -60 ZR -ZR 粗 磨 棕刚玉 1 2 陶瓷 碳素工具钢 精 磨 棕刚玉 # # 瓷陶 80 -120 ZR -ZR 1 2 # # 粗 磨 白刚玉 46 -60 R3-ZR1 瓷陶 # # 高速钢及合金钢 精 磨 白刚玉 80 -120 R3-ZR1 瓷陶 精 磨 碳化硅 # # 树脂或橡胶 120 -180 ZR -ZR 1 2 # # 60 -80 R1- R3 瓷陶 粗 磨 碳化硅 # # 精 磨 碳化硅 100 -150 R2- R3 瓷陶 硬质合金 粗 磨 人造金刚石 80# 100-150% 金属结合剂 半精磨 人造金刚石 # # 150 -180 50-75% 金属结合剂 精 磨 人造金刚石 # # 180 -280 50% 树脂结合剂 （2）砂轮形状及尺寸选取 1、砂轮形状选择 砂轮的粒度、硬度组织和材料的选择不同，都会对被磨工件表层金属的塑性变形产生 影响，进而影响表面粗糙度。砂轮的速度越高，单位时间内通过被磨表面的磨粒 23 数就越多，因而工件表面的粗糙度值就越小。砂轮粒度和砂轮修整对表面粗糙度的影 响。 对于车刀的刃磨主要是氧化铝砂轮和碳化硅砂轮，根据如表3- 1所示砂轮结构和设计刃磨机结构安装尺寸和车刀角度刃磨时空间位置，可以对砂轮进行外 形选择。 表3-1砂轮类型 砂轮类型 断面简图 代号 直径 (mm) 厚度(mm) 孔径 (mm) 平型砂轮 P 6-600 5-200 2-305 双斜边一号砂轮 PSX1 100-350 10-32 20-127 单斜边二号砂轮 PDX2 150-350 10-25 25-127 单面凹砂轮 PDA 30-600 25-75 10-305 双面凹砂轮 PSA 200-600 25-75 25-203 薄片砂轮 PB 100-400 1-5 20-32 筒形砂轮 N 150-400 50-200 100-350 杯形砂轮 B 50-250 40-200 13-150 碗形砂轮 BW 50-175 25-63 13-32 碟形砂轮 D 100-300 13-25 13-32 磨量规砂轮 JL 150-250 10-32 32-75 磨针砂轮 JZ 400-450 150-200 100-150 通常，用碗形 (或杯形)砂轮刃磨刀具的后刀面，在刃磨过程中，由于杯形砂轮的直径 不变，因而更适用于无变速装置的磨床。目前碗形(杯形)砂轮的直径都较小，砂轮圆周速 度低，磨粒易变钝，刀具表面光洁度差，故实际当中为了更好的提高砂轮圆周速度，选用直径较 大的平形砂轮，经适当调整，用来刃磨后刀面。刃磨前刀面一般用碟形砂轮。在本次设计 当中为了更好的提高刃磨效率和简化刃磨机床结构，采用了平行砂轮进行刀具各个面的刃磨。 24 §3.2.2磨削力估算 磨削力F可分解为互相垂直的三个分力，即沿砂轮径向的法向磨削力Fn，沿砂轮切向的 切向磨削力Ft；以及沿砂轮回转轴线方向的轴向磨削力F α。轴向分力F。较小，可不计， 如图3- 6所示。由于砂轮磨粒具有较大的负前角，所以法向磨削力Fn大于切向磨削力Ft，通常Fn/F t在1.5～3范围内。Fn和Ft的比值与砂轮锐利程度有关，砂轮钝化，Fn ／Ft值增大。另外， Fn与Ft的比值也随被磨材料而异，例如，磨削普通钢料时，Fn/Ft=1.6～1.8；磨削淬硬钢 时Fn/Ft=1.9～2.6；磨削铸铁时Fn/Ft=2.7～3.2；Fn与Ft的比值还与磨削方式有关。 图3-6 磨削分力 由于在车刀刃磨过程中，磨削力主要为切向力，而且其非常小，故一般会用经验公 式进行计算，根据公式可得到下列表中数据：如表3-2所示 表3-2所示 磨削时磨削力F 、摩擦系数 Vw （m/min 工件材料 V （m/s ） F （N ） F （N ） F / F μ s tc nc tc nc ） 20钢 31.75 2.44 5.78 5.92 0.98 0.61 GGr15 31.75 2.44 6.89 14.10 0.49 0.31 W18Cr4V 31.75 2.44 5.96 20.11 0.30 0.21 钛 31.75 2.44 7.12 27.89 0.26 0.66 铌 31.75 2.44 10.41 5.36 1.84 0.46 钼 31.75 2.44 9.47 12.90 0.73 0.57 25 钨铬钴合金 31.75 2.44 － － － 0.15 26 砂轮的选取 砂轮的圆周速度，即砂轮外圆表面上任意一点在单位时间内所走过的距离，若知道砂轮 的直径D，当砂轮转一转时，在砂轮外圆表面上上任意一点所走过的距离等于砂轮圆周 长，即 圆周长(毫米)= π·D，假设砂轮每分钟转n转，则砂轮表面上任意一点在每分钟内所走过的 距离，即每分钟所走过的距离（毫米）= π·D ·n 砂轮 砂轮 ν = π·D ·n /60×1000 （m/s） ………公式2 砂轮 砂轮 砂轮 ν ………砂轮圆周速度（m/s） 砂轮 D砂轮………砂轮直径（mm） n砂轮 ………砂轮转速r/min 砂轮的安全圆周速度，就是砂轮最大的工作线速度，它表示砂轮在回转情况下的回转 强度，即在离心力作用下不致破坏的程度。也就是说，砂轮在等于或小于安全圆周速度下 磨削时，砂轮不会破碎，工作安全，如果大于砂轮的安全圆周速度时，其离心力会超过结 合剂的粘结能力，砂轮便发生破碎。所以，磨削加工时，为了安全起见，砂轮最大工作线。及更粗而硬度为R。及更软的砂轮，最大工作线％，橡胶结合剂柔软抛光砂轮，工作线m/s，用于高速磨削的 砂轮，其最大工作线。在磨削工作中，砂轮的安全圆周速度已给定，从上述公式可知，根据砂轮直径，能够求 出砂轮的转速，其换算公式为 根据刃磨经验，通常取砂轮圆周速度ν =20m/s，由于在本次设计当中，砂轮和电机 砂轮 直接固联，砂轮电动机统常采用三相异步电动机，由于固联，所以最高转速为3000r/min。 根据计算公式2 D =60×1000× ν / （π·n ） 砂轮 砂轮 砂轮 代入数据： =60×1000×20/ （π·3000） =127.4mm 根据砂轮参数表：可以选取砂轮为D=150mm 由上述知碳化硅砂轮适用于硬质合金车刀，进一步选区砂轮的粒度为60#- 27 150#，硬度为R -R ，氧化铝砂轮适用于高速钢车刀、粒度为180#-220#，硬度为R - 1 3 1 R ，结合剂为陶瓷。 3 硬质合金刀具磨削方式：硬质合金刀具可以成倍的提高切削速度，其耐磨性好，常规使用的寿命 长，但硬质合金硬度高，脆性大，导热系数小，加工中易产生裂纹，崩缺现象，实际反 复试验，在碳化硅砂轮工作面开一定的数量的沟槽，用于加工硬质合金，能够获得较好的 刃磨表面，砂轮上由于开了槽，磨钝脱落的磨粒、碎裂的磨粒可纳入槽内，砂轮不易堵塞 ，易于保持锋利，刀具不易划伤工作表面，从而改善工作条件。 砂轮电动机的选取： 砂轮电动机一般会用三相异步电动机，其可分为笼式和绕线式两种。笼式转子的异步 电动机结构相对比较简单、运行可靠、重量轻、价格实惠公道，得到了广泛的应用，其中Y系列三相异步 电动机，做为一般用途全封闭(或防护式)三相鼠笼型、自扇冷三相异步电动机,是国内中小型 电机的基本系列。Y系列电机具有效率高、起动转矩大、体积小、重量轻、噪音低、振动小 、外形好看、标准化程度高等优点。 根据实际的转速要求和刃磨时刀具所需的实际扭矩情况，砂轮电动机可以选则Y系列当 中的电机：参数如下 型号Y801-2 额定功率 0.75千瓦 同步转速3000转/分钟 额定转矩 2.2N·m §3.2.3机械结构设计 由于本次设计当中为了简化设计结构，所以采用三台电机布置在同一个安装平面的结 构形式，这势必要考虑相互之间的连接问题，为了尽最大可能避免由于电机的重量、刀架和刀具的质 量过重对电机轴产生附加径向力，造成电机轴一定要承受弯矩的情况，本次设计当中，有三 处采用了空心轴的联结，利用空心轴和轴承形成卸荷结构，把附加弯矩转化的机体上，从 而解决了实际结构存在的问题。 关节1采用圆桶型空心轴（如图3- 7所示），用二个圆锥滚子轴承支承，轴承间隙可调。具有结构相对比较简单、刚性好、承载能力强 、旋转精度高、并可在轴内走线采用两端支承的空心轴结构（如图3- 8所示），使电机组的一部分能插入空心轴里，缩短了电机外露长度，减小整机尺寸，外观 形状好。同时，还具有支承刚度高、结构相对比较简单、运动轻巧灵活的特点。关节3与其机架壳体 组合成一个整体，整个电机组安装在机架壳体内。关节驱动输出轴设计有卸荷结构，即： 28 将与之连接的其刀架和部件自重产生的重力矩不作用到驱动输出轴上去，而是利用二个轴 承传到机架壳体上，由机架壳体去承担，驱动轴只承受扭矩，不承受弯矩。这样的结构刚 性好、运动灵活可靠、运动精度高；而且结构整体性好，并且有模块式特点，部件之间装 拆方便，有利于各部件单独调试和维修。 这个机械部分，通过空心轴减小了安装尺寸，在结构实现了最小化，由于两个轴的轴心 相交于一点，有力于控制算法的实现。 29 图3-7 机械结构图1 图3-8 机械接构图 2 30 轴承的选取 由于滚动摩擦代替滑动摩擦，起动快，起动阻力矩小，效率高，对于同一尺寸的轴颈 滚动轴承的宽度小，可使机器轴向尺寸小，结构紧密相连，运转精度高，径向游隙比较小并可 用预紧完全消除，冷却、润滑装置结构相对比较简单、维护保养方便，不需要用有色金属，对轴的 材料和热处理要求不高，所以在刃磨机的空心轴上选用滚动轴承；根据其空间的安装的地方 、尺寸，受载荷不同，X方向选用深沟球轴承，只能承受径向力；由于Y方低转速、径向尺 寸受限制的装置中，选用滚针轴承，而Z方向承载能力较大，选用圆锥滚子轴承。（ 机械设计手册·第四卷 第二版 2000 ）选用型号如表3-3： 表3-3 轴承基本信息参数 类 型 型号 d D Cr Cor 极限转速 深沟球轴承 6020 100 150 64.5 56.2 3800 圆锥滚子轴承 33006 30 55 43.8 58.8 6300 滚针轴承 NA4900 10 22 8.6 9.2 15000 §3.2.4失电制动器选择（安全制动器） 由于三台电机是布置在空间位置，电机整个相当于一个悬臂梁，在电机失电的情况下 ，电机失去保持力矩，在惯性的作用下就会发生刀架和机体的回转，而不能保持原有位置 ，因此必须从结构上考虑解决方案。 而失电制动器其原理与通电制动的电磁制动器相反，即断电（失电）制动。该产品是 伴随着各类交直流电动机的发展，为保持与电机得电、失电状态的协调一致而发展起来的 。因此该产品非常适合于各类有制动功能的电机配套和断电后有保持制动要求的机械设备 ，如升降机械、传输机械等选用。 按形成制动扭矩的作用原理，失电制动器又可分为机械（压簧）式和永磁式两大类。随着 铁氧体、钕铁硼、钐钴等各种磁性材料的发展，永磁型失电制动器也随之发展。在上述各 类磁性材料，只要其各种磁性能系数对温度化的敏感性较低，均可用于在失电制动器中配 置。永磁型失电制动器从制造到使用和可靠性等诸多方面均有明显的优越性。 1、永磁失电制动器结构特点 电磁失电制动器是在失电(不通电)状态时由弹簧力将衔铁与摩擦片压紧产生摩擦力距 ，摩擦片通过联结与旋转轴相连，使旋转轴停止运动，而起制动作用。当制动器通电后， 电磁力克服弹簧力吸引衔铁，这样衔铁与摩擦片间的摩擦力消失，使旋转轴处于自由状态 31 。如图3-9所示。 2、应用场景范围 由于失电制动器在不通电状态下具有可靠的制动力矩，且其制动力矩的释放和产生的 时间短、频率高，对传动系统、输送系统的停止、保持以及安全等有独特的作用。可广泛 应用于微型减速电机中。 图3-9 失电制动器结构、安装说明示意图 失电制动器参数表3-4 32 参数 DDGZ -04 DDGZ -10 DDGZ -20 DDGZ -40 DDGZ -50 DDGZ -80 DDGZ -160 DDGZ -250 1 1 1 1 1 1 1 1 型号 摩擦 静 4.4 11 22 45 55 90 175 275 扭矩 动 4 10 20 40 50 80 160 250 激磁电压 24 U （DC-V ） 激磁功率 11 15 20 25 32 35 45 55 P20℃ （W ） 最高转速（rpm ） 8000 6000 5000 4000 3000 3000 2000 2000 型号 DDGZ -04 DDGZ -10 DDGZ -20 DDGZ -40 DDGZ -50 DDGZ -80 DDGZ -160 DDGZ -250 1 1 1 1 1 1 1 1 参数 D1 80 100 125 150 150 190 230 280 D2 72 90 112 137 137 175 215 260 D3 35 42 52 62 62 80 100 120 D4 46 60 76 95 95 120 150 185.5 D5 63 80 100 125 125 160 200 241 D6 26 31 41 49 70 65 83 100 D 15 15 20 25 40 30 45 55 h 17.3 17.3 22.8 28.3 43.3 33.3 48.8 59.3 b 5 5 6 8 12 8 14 16 L 22.5 24.5 28 31 36.9 35 41 48.5 L1 37.5 44.5 53 61 95.4 73 83 98.5 33 §3.2.5砂轮架升降机构设计 1、齿轮齿条传动结构其传动特点：齿轮与齿条直接啮合，将齿轮 的 旋转运动转化为齿条的直线运齿轮齿条方式传动的最大特点是刚性 大，

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