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车刀刃磨装置的结构设计(三)
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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。用砂轮的棱面精磨车刀前角磨出刀尖圆弧及修光刃。以砂轮的端面磨出主切削刃上的倒棱。
(四)工厂中车刀刃磨的方法
(1)手工刃磨,该方法工人需要有丰富的工作经验,和车刀刃磨知识。该方法是:工人师傅手拿车刀刀柄部分在磨削机上进行磨削该方法又称研磨,俗称“背刀”,也是车工在刀具方面必须掌握的技术之一。具体方法如下;
首先刃磨过的车刀或使用后的车刀有轻微磨损现象,可用油石或研磨板研磨刀面。由于一般砂轮机上的砂轮没有经过严格的平衡,存在较大的振动偏摆,同时砂轮表面也不够平整,刃磨过程中用双手握着车刀稳定性又较差,因此在刃磨时砂轮与车刀有微量冲击现象,刃磨出的刀具切削刃通常不够平滑光洁,表面粗糙度较差。这样的车刀不仅直接影响被加工零件的表面粗糙度,而且还降低了车刀的使用寿命。对于硬质合金车刀,在车削时还容易产生掉渣和崩刃现象,所以对车刀必须进行研磨。车刀研磨时,可用油石或研磨粉进行。研磨硬质合金车刀时用碳化硼;研磨高速钢车刀时用氧化铝。这里主要讲解用油石研磨车刀的方法。用油石研磨刀具时,手持油石要平稳,如下图所示。油石与刀具接触的被研磨表面,要贴平前后刃面沿水平方向平稳移动,推时用力,回来时不用力。不要上下方向移动,如图所示,这样容易将刀尖磨钝,影响切削刃的锋利。研磨后的车刀将消除刃磨的残留痕迹,降低刃面的表面粗糙度值1 级-2 级。这种方法可以减少车刀磨削成本而且可以当场进行非常方便。
(2)使用工具磨床进行研磨
该方法研磨精度高于手工磨削并且不需要工作经验非常丰富的工人。使用M6020工具磨床进行磨削,用三向钳夹紧车刀,利用分度盘对车刀角度进行调节。其刃磨步骤为:
1)把车刀的前.后.副后面及底面的焊渣磨掉.2)磨前.后面的刀杆部为,角度比刀片大2~3度3)粗磨主后角.副后角及前刀面.4)精磨前刀面及断削槽5)精磨主.副后刀面为:
第三部分 常用车刀的尺寸大小及角度参数
(1)车刀的种类和用途
车刀种类很多,具体可按用途和结构分类。
1.按用途分类 车刀可分为:外圆车刀、内孔车刀、端面车刀、切断车刀、螺纹车刀等。
图2.6 常用的几种车刀
a)直头外圆车刀 b)弯头外圆车刀 c)90°外圆车刀 d)宽刃精车外圆车刀
e)内孔车刀 f)端面车刀 g)切断车刀 h)螺纹车刀
按结构分类 车刀按其结构可分为:整体车刀、焊接车刀、机夹车刀和可转位车刀。
(2)焊接车刀
1. 车刀刀杆截面形状及选择 车刀刀杆截面形状有矩形、方形和圆形三种。一般用矩形,切削力较大时采用方形,圆形多用于内孔车刀。刀杆高度H可按车床中心高选择。
2. 刀槽形状及选择 刀槽形状应根据车刀类型、刀片型号选择。表1.1所列为常用车刀刀槽形状。 刀槽形状的选择原则应该是:在保证焊接强度前提下,尽量减少焊接面数及焊接面积两种。目前在于尽量减小焊接应力。
表2.1 焊接车刀常用刀槽形状
名称
简 图
特点
适用刀具
配用刀片
开口槽
制造简单,焊接面最少,刀具应力小
外圆刀、弯头刀、切槽刀
A1、C3、C4、B1、B2
半封闭槽
夹持刀片较牢固,焊接面大,容易产生焊接应力
外圆车刀
A2、A3、A4、A5、A6、B3、D1
封闭槽
夹持刀片牢固,焊接应力大,易产生裂纹
螺纹刀
C1
嵌入槽
用于底面积较小的刀片,增加焊接面,提高结合强度
切断刀
切刀槽刀
A1 C3
V形槽
燕尾槽
3.硬质合金刀片及选择
(1)刀片牌号 指车刀切削部分的刀具材料。一般根据工件材料选择刀片牌号。
(2)刀片型号 指刀片形状和规格尺寸。刀片型号由一个字母和三位数字组成。字母和第一位数字表示刀片形状的型号,后两位数字代表刀片主要尺寸参数。
我国目前将刀片分A、B、C、D、E、F六种型式,各式又有多种形状。其中A、B、C型主要用制造各种车刀,D、E用于制造铣刀、钻头和绞刀,F型用于制造工具。
表2.2为国家标准(GB5244-85、GB5245-85)中部分硬质合金刀片的常用型号
型号
刀片简图
主要尺寸 /mm
用途举例
A1
L=6~70
К1<90°的外圆车刀和内孔车刀、宽刃光刀
A2
L=8~25
端面车刀、不通孔车刀
A3
L=10~40
90°外圆车刀、端面车刀
A4
L=6~50
端面车刀、直头外圆车刀、内孔车刀
C1
B=4~12
螺纹车刀
C3
B=3.5~16.5
切断刀、切槽刀
(3)可转位车刀
1.可转位车刀特点 可转位车刀由刀杆、刀片和夹紧元件组成(图1.7)。正多边形刀
片上压制出卷屑槽并经过精磨,可以转位使用,几条切削刃全用钝后,可更换相同规格的刀片,使用起来很方便。
图2.7 可转位车刀的组成
1—刀杆 2—刀垫 3—刀片 4—夹紧元件
可转位车刀的几何角度完全由刀片和刀槽的几何角度组合而成。切削性能稳定,适合于大批量生产。
2.硬质合金可转位刀片 刀片形状很多,常用的有三角形、偏8°三角形、凸三角形、
正方形、五角形和圆形等。
3.转位车刀刀片夹紧结构 对夹紧结构的要求是:夹紧可靠,重复定位精确,操作
方便,结构简单,制造容易,而且夹紧元件不应防碍切屑流出。常用的夹紧机构有偏心式,杠销式、杠杆式、楔销式和上压式。
4. 转位车刀与焊接式的刀具比较,有以下优点:
(1) 因刀片不经焊接、刃磨,可避免热应力和裂纹,硬质合金材料保持了原有的机械性能、切削性能、硬度、抗弯强度,提高了刀具的耐用度。
可以工业大生产的方式,提供了先进的、合理的刀具几何参数。
(3) 只有这种可转位式的车刀才能采用先进的涂层刀片。
(4) 刀片转位迅速、准确,更换方便,效率提高,在数控、加工中心、自动线上尤为重要。
(5) 有利于标准化设计和大量生产,保证质量。
(6) 刀杆长期使用,节省大量钢材;省却刃磨工序,减少硬质合金的额外消耗,刀具费用降低。
(4)车刀角度的换算
在设计和制造刀具时,需要对不同参考系之间的角度进行换算。
1.法平面与正交平面角度的换算 当车刀刃倾角较大时,常需要标注出法平面内角
度。可转位车刀刀片本身角度是法平面给出的,但安装到刀槽就需计算出正交平面内的角度。
图2.8 给出了刃倾角λs≠0°车刀主切削刃上选定点在正交平面、法平面内的各标注角度。
图2.8 正交平面与法平面的角度换算
图中Mb为正交平面Po与前刀面Ar的交线,MC为法平面Pn与前刀面Ar的交线,Ma为正交平面Po、法平面Pn与基面Pr三者的交线。则有:
tanγn=tanγoCosλs
Cotαn=CotαoCosλs
2.垂直于基面的各平面角度与正交平面角度的换算 ,一般在已知γo、αo、Кr、λs的情况下,可计算出γf、αf和 γp、αp。
以上为机加车刀与普通车刀不同该车刀大多部分为一次性刀头,但是该车刀刃磨装置用于普通外圆车刀,可减少加工成本,一个车刀可多次使用因此使用。因此该装置可应用于大多数普通机加工厂。
2刀具刃磨参数
由于刀具加工材料的不同,对刀具的各项参数要求也不尽相同。故为了满足加工需求,必须选出合理的刀具参数。
如表2.3所示为刀具加工不同材料所常用的一些刀具角度。
(1) 高速钢车刀
工件材料
前角
后角
钢和铸钢
(400~500)Mp
20~25
8~12
(700~1000)MP
5~10
5~8
镍铬钢和铬钢 (700~800)MP
5~15
5~7
灰铸钢
(160~180) HBS
12
6~8
(220~260)HBS
6
6~8
可缎铸钢
(140~160)HBS
15
6~8
(170~190) HBS
12
6~8
钢铝 巴氏合金
25~30
8~12
中硬青铜及黄铜
10
8
钨
20
15
铌
20~25
12~15
铜合金
30
10~12
镁合金
25~35
10~15
电木
0
10~12
纤维纸板
0
14~16
硬橡胶
-2~0
18~20
软橡皮
40~75
15~20
塑料和有机玻璃
20~25
30
表2.3 车刀的刀具角度
根据以上金属切削资料及刀具资料设计出车刀刃磨装置的机构和具体设计及零件设计。
第三章 装置的设计
第一部分 车刀刃磨装置的结构分析
根据以前的车刀刃磨大致可分为手动刃磨和用工具磨床进行刃磨。手动刃磨在前面已经讲过,利用工具磨床刃磨可减小加工误差,并且效率高于手工刃磨。磨床刃磨是利用三向钳进行进行夹紧和进行角度确定,但是磨削过程中需要多次装夹工件而且磨削精度不高(精度不一定高于手动磨削)。因此需要设计出一磨削精度高于其他磨削方法,磨削效率高,结构简单,成本低廉的自动化磨削装置。
根据以上磨削方法,我们设想一可以实现可绕X轴,Y轴,Z轴,旋转的机构并且在绕X轴时,不干涉Y轴的运动。该机构与工具磨床组合可实现6个自由度,该机构最初设想为利用球角控制刀架角度变化,但是该机构在磨削过程中不能承受磨削力,出现偏移,使磨削精度下降。同时我们又设想出改造三向钳,改造成步进电机控制,但是设计出结构尺寸过大不符合设计要求。因此以上两种机构都不符合要求。
根据以上的设想,我们设计出利用类似与十字轴的结构,来实现工作台绕X轴的旋转,以及绕Y轴的旋转。同时利用步进电机可实现联动。如图九所示。
当步进电机转动时带动丝杠转动,使螺母上下移动,当螺母上下移动时,使滑杆转轴抬高或降低,带动工作台面绕Y轴旋转,转动一定角度。同理底下步进电机带动丝杠螺母使工作台面绕X轴进行旋转。工作台面底下的电机带动蜗轮蜗杆机构使刀架绕Z轴旋转,因此实现车刀在磨前刀面,后到面,副前刀面及副后刀面,所转动的角度。但是一般磨削是用砂轮面去磨,因此在磨削后刀面时,X 轴
和Z轴是联动的,也可以先走绕X轴进行旋转,然后绕Z轴进行旋转,当前刀面与后刀面有一定角度时,X,Y,Z轴是联动的也可以分别转动,这些主要是控制方面做的,该机构是可以同时联动也可以分别转动各个轴,根据实验该机构不会出现自由度的约束。
这种机构,在设计时主要考虑到x轴和y轴的连接部分,也就是十字轴的初步设计,该机构十字轴与普通十字轴完全不同,它是由三根轴构成的,X滑杆转轴,Y滑杆转轴,和固定转轴,固定转轴要比其他两轴要粗,固定转轴在和其他两轴连接处是在中心线开了个槽子和孔,Y轴在连接处是削去两端圆弧部分使其插入固定转轴的槽中同时中间也打孔与固定转轴孔的轴线重合,使x轴插入该孔中,实现当工作台绕y轴转动时以y轴轴线为中心旋转,x轴也是一样的。
图3.1 车刀刃磨装置的结构图
1. 步进电机 2.. 丝杠 3. 螺母 4. x滑杆转轴 5. y滑杆转轴 6. 车刀 7. 蜗杆
8. 刀架 9. 蜗杆
Z轴是通过,蜗轮蜗杆机构实现传动的,整个装置所采用的传动部件都是具有自锁功能的,因此减少了装置的零件数目,把结构简单化了。如果在装置中不采用具有自锁功能的传动零件在整个切削过程中,刃磨装置所受磨削力是可以产生逆传动的,因此,我们采用的是非滚珠丝杠,就是在螺母中没有滚珠,虽然在传动过程中,使传动摩擦大,但是它具有自锁功能。而在z轴所采用的蜗轮蜗杆机构本身是具有自锁能力的,它们的具体细节将会在下一部分说明。
我们所设计的车刀刃磨装置,机构不仅可以用于刀具刃磨而且这种机构是可以用于其它机床加工复杂工件。我们在设计过程中,考虑到工作台面可绕x轴y轴各旋转正负30度的角度变换,而在z轴可进行完全旋转。这种机构的通用性强,使用方便,可以和多种机床进行组合。也可以把该种装置看成是一个数控夹具。
刀架板的设计
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