智能车刀刃磨机机械结构设计(四)

 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。
 §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Fα。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/Ft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。
    

3-6  磨削分力
 
 由于在车刀刃磨过程当中，磨削力主要为切向力，而且其非常小，故通常采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
工件材料 Vs（m/s） Vw（m/min） Ftc（N） Fnc（N） Ftc/ Fnc μ
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
钨铬钴合金 31.75 2.44 － － － 0.15
 
 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砂轮·n砂轮
 ν砂轮=π·D砂轮·n砂轮/60×1000（m/s） ………公式2
     ν砂轮………砂轮圆周速度（m/s）
   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，砂轮最大工作线速度不应超过表2-3的规定。其中，粒度为36。及更粗而硬度为R。及更软的砂轮，最大工作线速度应低于表2-3中规定的20％，橡胶结合剂柔软抛光砂轮，工作线速度不得大于35m/s，用于高速磨削的砂轮，其最大工作线速度见表2-3。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砂轮=20m/s，由于在本次设计当中，砂轮和电机直接固联，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砂轮=60×1000×ν砂轮/（π·n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#-150#，硬度为R1-R3，氧化铝砂轮适用于高速钢车刀、粒度为180#-220#，硬度为R1-R3，结合剂为陶瓷。
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，使用寿命长，但硬质合金硬度高，脆性大，导热系数小，加工中容易产生裂纹，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，可以得到较好的刃磨表面，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：
 砂轮电动机通常采用三相异步电动机，其可分为笼式和绕线式两种。笼式转子的异步电动机结构简单、运行可靠、重量轻、价格便宜，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、外形美观、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，造成电机轴必须承受弯矩的情况，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。具有结构简单、刚性好、承载能力强、旋转精度高、并可在轴内走线的特点。关节2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：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。
  
 图3-7  机械结构图1
  
 
 图3-8  机械接构图 2
 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，结构紧凑，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；根据其空间的安装位置、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。因此该产品特别适用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。如图3-9所示。
 2、应用范围
 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。
 

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