基于教學(xué)使用數(shù)控車刀刃磨裝置分度機(jī)構(gòu)的研究與設(shè)計(jì)

趙汝勝

車刀刃磨方式基本可分為兩種：一種是手工刃磨，另外一種則是用磨刀機(jī)刃磨。手工磨刀的難度很大，要求操作者具備專業(yè)的知識(shí)和多年的經(jīng)驗(yàn)。而用磨刀機(jī)刃磨刀具，則可以減小刀具加工誤差，并且提高刃磨效率。本設(shè)計(jì)的磨刀機(jī)是仿真人工磨削的方法設(shè)計(jì)的，是一種仿形設(shè)計(jì)，但它在精度和力度的控制上都高于手工。

一、車刀刃磨裝置分度機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)仿形的設(shè)計(jì)理念，設(shè)想一個(gè)可以實(shí)現(xiàn)可繞自軸、Z軸旋轉(zhuǎn)的分度機(jī)構(gòu)，并且在繞自軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，不干涉Z軸的運(yùn)動(dòng)。該分度機(jī)構(gòu)與三維工作臺(tái)的工具磨床組合可實(shí)現(xiàn)5個(gè)自由度，5個(gè)自由度分別為X軸的轉(zhuǎn)動(dòng)和移動(dòng)、Y軸的移動(dòng)、Z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)和移動(dòng)。最初設(shè)想利用球角控制刀架角度變化，但是在磨削過程中，該機(jī)構(gòu)無法承受磨削力，出現(xiàn)偏移，使磨削精度下降。于是，又設(shè)想出改造三向鉗，但是設(shè)計(jì)出結(jié)構(gòu)尺寸過大不符合設(shè)計(jì)要求。因此，以上兩種機(jī)構(gòu)都不符合要求。

綜合以上的設(shè)想，最終設(shè)計(jì)出分度裝置的結(jié)構(gòu)，來實(shí)現(xiàn)夾持被刃磨刀具繞自軸的旋轉(zhuǎn)，以及繞Z軸的旋轉(zhuǎn)。如圖1-1所示。

1-底座；2-底盤；3-夾頭；4-夾套；5-中心軸;6-座體；7-緊定螺釘；8-手輪；9-鍵；10-螺釘

圖1-1 分度裝置結(jié)構(gòu)圖

車刀的前角具有一定的角度，為了方便磨削到合適的前角，必須設(shè)計(jì)分度機(jī)構(gòu)，通過調(diào)整分度機(jī)構(gòu)得到合適的前角，為下一步的磨削準(zhǔn)備好條件，提高磨削的精度。分度機(jī)構(gòu)一般由底座、底盤、分度裝置、夾緊裝置組成。

對(duì)于分度機(jī)構(gòu)，主要是用于調(diào)整車刀刃磨的角度，以及刃磨的位置。分度機(jī)構(gòu)主要由底座、底盤、夾頭（刀架）、中心軸、手輪、座體等構(gòu)成。首先把車刀裝進(jìn)夾頭上，然后轉(zhuǎn)動(dòng)中心軸，把車刀壓緊及定位，底盤、座體上面有精確的刻度，在調(diào)整車刀的刃磨角度時(shí)，分別調(diào)整底盤、座體，按照底盤、座體上面的刻度，可以任意調(diào)整出精確的角度值。

1.分度底座

分度底座：分度底座主要負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)的功能是使工件在Z軸上的旋轉(zhuǎn)，同時(shí)在旋轉(zhuǎn)到所需要的刻度時(shí)，可以鎖定。這個(gè)分度底盤借鑒了虎鉗的分度底座，它的特點(diǎn)是在保證精度的前提下結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)性好。分度底座的組成：底座和帶有刻度的底盤。

2.刀具轉(zhuǎn)動(dòng)部分

圖1-2 套筒座以及其該軸轉(zhuǎn)動(dòng)部分

刀具轉(zhuǎn)動(dòng)部分：主要實(shí)現(xiàn)兩個(gè)功能，一個(gè)是被刃磨刀具的夾緊；另一個(gè)就是實(shí)現(xiàn)被刃磨刀具在該軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)以及鎖緊。如圖1-2所示。

（1）帶有刻度的套筒座：與鎖緊套筒間隙配合，實(shí)現(xiàn)鎖緊套筒在X軸上的精確轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)還能保證鎖緊套筒與套筒座之間的軸向定位。

（2）帶有內(nèi)螺紋的彈簧夾頭：夾頭安裝在鎖緊套筒內(nèi)，通過與螺桿的配合，在螺桿配合旋轉(zhuǎn)的過程中，螺釘?shù)穆菽概c鎖緊套筒之間沒有間隙，所以螺釘在軸向上是沒有位移的，這時(shí)只能是夾頭相對(duì)向后移動(dòng)，在夾頭向后移動(dòng)的過程中，夾頭的錐度部分就會(huì)慢慢收緊，這樣就實(shí)現(xiàn)了夾緊刀具的作用。

由于平時(shí)所夾持的焊接車刀的刀柄大部分是方形的，這就需要對(duì)市場(chǎng)上常見的夾頭進(jìn)行改造。初步的設(shè)計(jì)方案里面，車刀的刀柄部分與方孔的圓形套筒之間是過盈配合，只有這樣才能保證磨削時(shí)的穩(wěn)定。過盈配合之間的裝卸是很困難的，同時(shí)還有可能在裝卸的過程中，損壞刀具。結(jié)合這些問題，設(shè)計(jì)又做了進(jìn)一步改進(jìn)，得出了最終的方形彈簧夾頭。如圖1-3所示。

圖1-3 方形彈簧夾頭

二、分度裝置的受力分析

1.彈簧夾頭與長(zhǎng)桿的螺栓之間螺旋配合螺栓直徑為M6，查閱相關(guān)手冊(cè)，單個(gè)螺栓的軸向拉力計(jì)算公式

WO=QL/r′tanφ1+rZtan（α+φ′2）

（1-1）

Q——原始作用力；

L——作用力臂；

r′——螺桿端部與工件間的當(dāng)兩摩擦半徑；

φ1——螺桿端部與工件間的摩擦角；

rZ——螺紋中徑之半；

α——螺紋升角 ；

φ′2——螺旋當(dāng)量摩擦角。

現(xiàn)在估算，取Q=45N，L=200mm，r′=2.3，φ1=45，rZ=4.513，α=3.02，φ′2=9.83將各值帶入上式得：

WO=45×200/2.3tan45+4.513tan（3.02+9.83）=2703N

2.根據(jù)這個(gè)結(jié)果，計(jì)算彈簧夾頭的夾緊力

彈簧夾頭的夾緊力公式：

Q=P/tan（α+1）+tan2

（1-2）

P——對(duì)彈簧夾頭所加的拉力；

1，2——夾頭與夾具體 及夾頭與工件之間的磨擦角；

α——卡簧圓錐角的一半；

軸向拉力P=W=2703N，α=29，1=1，2=0將各值帶入上式得

Q=2703/tan（29+1）+tan0=4685N

3.砂輪上單個(gè)磨粒的切削厚度固然很小，但是大量的磨粒同時(shí)對(duì)被磨金屬層進(jìn)行擠壓、刻劃和滑擦，加之磨粒的工作角度又很不合理，因此總的磨削力很大。為便于測(cè)量和計(jì)算，將總磨削力分解為三個(gè)相互垂直的分力 Fx （軸向磨削力）、 Fy （徑向磨削力）、 Fz （切向磨削力），和切削力相比，磨削力有如下特征：徑向磨削力Fy最大。

磨削力的計(jì)算公式如下：

Fy=9.18CFΠ2（VW·FV·B/v）·tanα

（1-3）

Fz，F(xiàn)y——分別為切向和徑向磨削力（N）；

vw，v—— 分別為工件和砂輪的速度（ m/s ）；

fr—— 徑向進(jìn)給量（ mm ）；

B—— 磨削寬度（ mm ）；

α——假設(shè)磨粒為圓錐時(shí)的錐頂半角；

CF—— 切除單位體積的切屑所需的能（ KJ/mm 2 ）；

μ——工件和砂輪間的摩擦系數(shù)。

得出的數(shù)值足夠保持刀具磨削時(shí)的穩(wěn)定性。

三、砂輪的選擇

根據(jù)車刀的材料（主要由高速鋼和硬質(zhì)合金鋼），所以選擇CBN（立方氮化硼）碗型砂輪。為什么要選擇立方氮化硼？主要因?yàn)檐嚨兜牟牧希ㄖ饕懈咚黉撥嚨逗陀操|(zhì)合金車刀），而立方氮化硼的硬度高，能達(dá)到HV8000，另外可以耐1300-1500℃的高溫，切削速度比硬質(zhì)合金高5倍，這是一般材料難以達(dá)到的速度，而在磨削時(shí)，磨削速度高，而CBN（立方氮化硼）能夠滿足要求。為什么要選擇碗型砂輪？碗型砂輪，主要用于磨削刀具，對(duì)于車刀，可以刃磨刀具的前刀面、后刀面、副后刀面等，可刃磨多種角度的刀具。選用CBN（立方氮化硼）碗型砂輪的結(jié)構(gòu)參數(shù)為：外徑125mm厚度50mm、內(nèi)32mm。

四、車刀刃磨裝置的使用

本裝置是車刀刃磨的專用工具，現(xiàn)有技術(shù)中，車刀刃磨方法是由專門的刃磨機(jī)床來實(shí)現(xiàn)的，這種刃磨機(jī)床結(jié)構(gòu)極為復(fù)雜、成本高，通常僅在刃具量具廠中使用。本裝置采用下述方案實(shí)現(xiàn)。

本裝置構(gòu)思巧妙、設(shè)計(jì)合理，主體實(shí)現(xiàn)三移動(dòng)、兩轉(zhuǎn)動(dòng)，可靈活方便地調(diào)整刀頭刃部角度，保證車刀正確的幾何角度，達(dá)到精度高的目的；且被加工車刀耐用度都能得到保證。而且本裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造輕巧、還由操作方便、快捷等優(yōu)點(diǎn)。其使用方法為：

1.各參數(shù)的調(diào)整

刃磨前檢查分度底座是否為0°，如果偏離0°，那么就要對(duì)此角進(jìn)行調(diào)整。調(diào)整時(shí)先松開轉(zhuǎn)盤壓緊螺釘，轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)盤，觀察其上的刻度，當(dāng)?shù)扔?°時(shí)，再擰緊螺釘。再根據(jù)所要磨削的刀具的前角調(diào)整分度底座的角度 ，這個(gè)角度與所要磨削的車刀前角角度一致。例如車刀的前角是90°，那么這個(gè)角度也調(diào)整成90°。Z軸上轉(zhuǎn)動(dòng)軸的角度在磨削前角是保持0°。

2.車刀的裝夾

車刀裝入夾具體時(shí)，位置必須正確，正確的裝夾包括兩個(gè)方面：車斗的伸出夾具體的長(zhǎng)度；主刀刃位置，車刀插入夾持體后，旋轉(zhuǎn)夾套讓其主刀刃與對(duì)刀刻度線平行（憑眼睛觀察）再將車刀夾緊。

3.車刀的刃磨

在完成前期裝夾調(diào)整后，開始磨削車刀并嚴(yán)格按照下面順序操作。

（1）停機(jī)狀態(tài)將夾具裝入帶有刻度的套筒，鎖緊螺釘軸向定位；

（2）調(diào)節(jié)三維工作臺(tái)，使車刀接近砂輪并處于合理磨削位置；

（3）啟動(dòng)電機(jī)，然后給鉆頭一個(gè)Z向的微量持續(xù)的進(jìn)給，進(jìn)行刃磨，根據(jù)情況，可以再微量進(jìn)給一點(diǎn)，繼續(xù)刃磨。刃磨完前刀面后，Z向反向退刀，遠(yuǎn)離砂輪，松開套筒上的鎖緊螺釘，調(diào)整角度，夾緊后開始像上一步一樣磨削后刀面。在刃磨時(shí)，進(jìn)刀不要太快太猛，以免燒壞車刀或發(fā)生安全事故。

責(zé)任編輯 朱守鋰