45°外圆车刀刃磨位姿及刃磨参数研究

陕西理工学院毕业设计论文45 度外圆车刀刃磨位姿及刃磨参数研究指导老师： 摘要本文主要阐述了车刀的种类及其分类方法；建立了常用车刀的三维零件模型；并确定了车刀刃磨的参数；对车刀角度及车刀角度对切削加工的影响作了研究和分析；详细阐述了刀具各个角度的刃磨方法；研究车刀不同位姿，建立其数学模型并采用相应的夹具，以实现对车刀的刃磨。关键词车刀角度 刃磨参数 三维建模 数学模型 陕西理工学院毕业设计论文引 言在机械加工中，金属切削刀具的几何参数的合理选择及高质量的刃磨直接影响到机械加工的质量、刀具耐用度、生产效率和加工成本。因此机械加工中，正确的选择刀具角度以及如何获得所选角度的大小，尤其显得重要。俗话说：“三分工艺，七分刀具”，这充分说明了刀具和车刀刃磨技术在机械加工中的突出地位。一把好的刀具切削性能的好坏主要取决于制造刀具的材料、刀具的结构、刀具切削部分的几何参数。其中刀具材料固然重要，但当刀具材料和刀具结构确定之后，刀具切削部分的集合参数对切削性能的影响就成为十分重要的因素，如何刃磨这些参数使其达到加工中的要求，是一项非常重要的工作。例如：在数控加工中，由于刀头结构和刀具切削部分形状选择不合理，本来用一把刀具可以完成所有面的加工，且需要多把刀具来完成，造成加工效率低下，也没有完全发挥数控加工的优越性，在生产实践中，这类现象很多。刀具在整个加工制造成本中，看似只占很小的比例。但在整个加工效率方面，恰恰是刀具起举足轻重的作用。随着对加工精度的提高，对刀具的要求也更高，相对刀具的成本也在增加，所以刀具的重新修磨就显得尤为重要！以往的刀具刃磨仅仅只限于人工在砂轮上修磨，或者由刀具厂家回收修磨，这些方式就谈不上效率可言了。现在，加工中心的技术工人们，不可能在工作初期，用大量的时间来修磨刀具。刀具的精度、使用寿命和刀具结构越来越成为影响加工能力和生产效率的关键因素，昂贵的刀具成为生产成本的重要组成部分。因此，用于刀具修磨的刃磨机行业就越来越受到加工制造业的认可。在实际加工中，要保证加工出合格的产品，首先必须根据加工的实际情况，合理选择刀具的材料、刀具的几何参数等，然后按照具体要求来获得刀具合理的几何参数，对于焊接车刀而言，这些几何参数往往要经过刃磨达到要求。因而，对于刀具刃磨参数的研究就显得非常重要。本次毕业设计就以 45 度外圆车刀为例对刀具刃磨参数进行详细探讨。研究在不同的切削条件下，刀具几何角度对切削加工的影响以及刀具刃磨参数的合理选择。详细阐述了刀具各个角度的刃磨方法，并建立刀具的数学模型。陕西理工学院毕业设计论文1. 车刀刃磨参数研究1.1 车刀的基础知识1.1.1 车刀的组成车刀是由刀头（或刀片）和刀柄两大部分组成。刀头部分担负切削工作，所以又称切削部分。刀柄用来夹持车刀。车刀的刀头由以下部分组成：（1）前刀面 :又称为前面，是指切削工件时，切屑流经的刀面。A（2）后刀面 ：又称为后面，是指切削工件时与工件上加工表面相对的刀面。（3）副后刀面 ：又称为副后面，是指切削工件时与工件上已加工表面相对的刀面。（4）主切削刃 ：又称为主刀刃，是指前刀面和后刀面的交线，切削工件时担任S主要切除金属层的工作。（5）副切削刃 ：又称为副刀刃，是指前刀面和副后刀面的交线，配合主切削刃完成切削工作，也担任很少一部分切削工作。（6）刀尖：是指主切削刃与副切削刃的交点。为了提高刀尖强度，很多刀具都在刀尖处磨出圆弧型或直线型过渡刃。圆弧过渡刃又称刀尖圆弧。一般硬质合金车刀的刀尖圆弧半径 =0.51mm。er图 1.1 车刀的切削部分陕西理工学院毕业设计论文1.1.2 车刀的基本角度和主要作用刀具角度是指刀具工作图上需要标出的角度。刀具的制造、刃磨和测量就是按照这种角度进行的。谈刀具角度时，并未把刀具同工件和切削运动联系起来，刀具本身还处于尚未使用的静止状态。对于车刀，为了便于测量，在建立刀具静止参考是，特作如下三点假设：（1）不考虑进给运动的影响；（2）安装车刀时应使刀尖与工件中心等高，且车刀刀杆中心线与工件轴心线垂直；（3）主切削刃上选定点与工件中心等高。根据上述三点假设建立三个刀具静止参考系，分别是正交平面参考系、法平面参考系背平面和假定工作平面参考系。这里着重介绍一下正交平面参考系及几个要用到的以下几个平面：基 面 ：切削刃上选定点并垂直于改点切削速度的向量 的平面。通常，基rP cV面平是行于刀具上便于制造、刃磨和测量的某一安装平面。对于普通车刀来说，它的基面总是平行于刀杆的底面。切削平面 ：过切削刃上选定点作切削刃切线，此切线与改点的切削速度向量s所组成的平面。cV正交平面 ：过切屑刃上的选定点，同时垂直于该点的基面 和切削平面 的平oP rPsP面。对于切削刃上某一选定点，该点的正交平面 Po、基面 Pr 和切削平面 Ps 构成了一个两两相互垂直的空间直角坐标系，将此坐标系称为正交平面参考系。如图 1-2 所示，由图可知，正交平面垂直于主切屑刃或其其切线在基面上的投影。图 1.2 正交平面参考系陕西理工学院毕业设计论文车刀切削部分共有六个独立的基本角度：前角（ ） 、主后角（ ） 、副后角（oo） 、主偏角（ ） 、副偏角（ ） 、刃倾角（ ） 。orrs（1）前角（ ） 前刀面与基面之间的夹角，在正交平面中测量。前角影响刃口o的锋利和强度、影响切削变形和切削力。增大前角能使车刀刃口锋利，减少切削变形，可使切削省力，并使切屑容易排出。（2）后角（ ） 后刀面与切削平面之间的夹角，在正交平面中测量。副后面与o切削平面间的夹角则为副后角（ ） ，后角的作用主要是减少后刀面与工件之间的摩o擦。（3）主偏角（ ）：主切削平面与假定工作平面间的夹角，在基面中测量。主偏r角的主要作用是可以改变主切削刃和刀头的受力情况和散热条件。（4）副偏角（ ）：副切削平面与假定工作平面间的夹角在基面中测量。副偏r角的主要作用是减少副切削刃与工件加工表面之间的摩擦。（5）刃倾角（ ）：主切削刃与基面之间的夹角，在主切削平面中测量。刃倾s角的主要作用是可以控制切屑的排出方向；当刃倾角为负值时，还可增加刀头强度和当车刀受冲击时保护刀尖。刃倾角有正值、负值和零度三种。当刀尖是主切削刃的最高点时，刃倾角为正值。切削时，切屑排向工作待加工表面，车出的工件表面粗糙度较细，但刀尖强度较差。当刀尖是主切削刃的最低点时，刀倾角为负值。切削时，切屑排向工件已加工表面，容易擦毛已加工表面，但刀尖强度好，在车削有冲击工件是，冲击点先接触在远离刀尖的切削刃处，从而保护了刀尖，每当主切削刃与基面平行时，刃倾角等于零度。切削时，切屑基本上垂直于主切削刃方向排除。车刀除了上述六个基本角度外，还可以计算出两个常用的派生角度：（6）楔角（ ）：前面与后面间的夹角，在正交平面中测量。它影响刀头的强o度，楔角可用下式计算：=90-（ + ） （式 1.1）oo（7）刀尖角（ ）：主切削平面和副切削平面间的夹角，在基面中测量。它影响r刀尖强度和散热条件，刀尖角可以用下式计算：=180-（ + ） （式 1.2）rr以上是外圆车刀必须标出的六个基本角度。有了这六个基本角度，外圆车刀的三面（前面、主后面、副后面） 、两刀（主切削刃、副切削刃） 、一尖的空间位置就完全确定下来了。陕西理工学院毕业设计论文图 1.3 车刀的几何角度1.2 常用车刀的种类和用途在各类金属切削机床中，数量最多的是车床，因此，车刀是金属切削刀具中应用最广泛的刀具。车刀用于各种机床上，可加工外圆、内孔、端面、螺纹，也用于切槽和切断等。1.2.1 普通车刀的结构分类普通车刀按结构可分为整体式、焊接式、机夹式和可转位式四种形式。（1） 整体式车刀整体式车刀一般用高速钢制造，形状为长条形，截面为正方形、矩形和圆形，使用时可根据需要将切削部分刃磨成各种角度和形状。它有如下特点：a.用整体高速钢制造。b.刃口可磨得比较锋利。c.小型车刀加工有色金属。（2） 焊接式车刀焊接车刀是由一定形状的刀片和刀杆通过焊接连接而成。它有如下特点：a. 结构简单，制造方便，可以根据需要进行刃磨，使用灵活，硬质合金的应用较充分。b. 由于刀片和刀杆线膨胀系数不同，通过焊接和刃磨的高温作用，导致硬质合金刀片冷却后由于内应力而产生裂纹，使切削性能降低。陕西理工学院毕业设计论文c. 刀片磨完或崩坏后，刀杆会和刀片一起报废，造成浪费。d. 由于换刀和对刀的时间长，不适用自动机床、数控机床和机械加工自动线的需要与现代化生产不相适应。(3) 机夹式车刀机夹式车刀是将刀片用机械加固方法夹紧在车槽中。由于刀片未经高温焊接，排除了产生裂纹的可能。刀片和刀杆都可重复利用。机夹式车刀刀片的加固方式应适应刀片在重磨后能够调整尺寸的要求。在结构上要保证夹固可靠，结构简单，刀片便于调整。又是还要考虑断屑的要求。常用刀片夹固方式为上压式和侧压式。a. 上压式 一般采用螺钉和压板从上面压紧刀片，用调整螺钉调整刀片位置。上压式结构简单，夹固可靠，使用方便，是应用最多的机夹结构。此外，压板前端可镶焊硬质合金，起断屑作用。上压式机夹车刀一般可将刀片安装出所需的前角，重磨是仅磨后刀面，大大减少刃磨的工作量。b. 侧压式 一般多利用刀片本身的斜面由楔块和螺钉从刀片侧面夹紧刀片。侧压式机夹车刀一般要刃磨前刀面。(4) 可转位车刀可转位车刀是使用可转位刀片的机夹车刀。车刀的前后角靠刀片在刀杆槽中安装后获得。一条切削刃用钝后可迅速转位换成相邻的新切削刃，即可继续工作，直到刀片上所有的切削刃均用钝，刀片才报废回收。更换新刀片后，车刀可继续工作。与焊接车刀相比，可转位车刀有如下特点：a. 切削性能好，刀具寿命高。刀片不需要焊接和刃磨，避免了由于焊接产生的内应力和刃磨、重磨产生的缺陷，提高了刀片的寿命。相同型号的刀片几何参数一致，卷屑、断屑稳定。刀片转位或更换新刀片后，切削刃与工件相对位置改变很小，重复定位精度高，调刀容易，这对于自动线和数控机床尤为重要。b. 生产效率和经济效益高。由于机床操作工人不再磨刀，可大大减少停机换刀等辅助时间。实践证明，可转位车刀比焊接车刀可提高效率 0.51 倍。一把可转位车刀刀杆可使用 80200 个刀片，刀杆材料消耗仅为焊接车刀的 35%。c. 简化工具管理。由于刀杆可重复利用，因此储备量可大大减少，有利于刀具的的标准化、系列化。d. 有利于推广新技术、新工艺。可转位车刀有利于推广使用涂层、陶瓷等新型刀陕西理工学院毕业设计论文具材料。1.2.2 普通车刀的用途分类按用途可分为：外圆车刀、端面车刀、切断刀、螺纹车刀、成形车刀、镗孔车刀、切槽刀。（1）外圆车刀一般一主偏角大小命名，多为右切刀，用来加工外圆，少数可以用于倒角。常见结构：a、直头外圆车刀 只用来加工外圆表面，分左刃和右刃；b、弯头外圆车刀 用来车削工件的外圆、端面和倒角；c、90偏刀 加工细长轴的外圆表面和端平面以及车削阶梯轴；d、宽刃精车刀 大走刀量、小吃刀量条件下精车外圆表面。（2）端面车刀用于加工端面，常见结构：a、45弯头端面车刀 可从外向内进给和从内向外进给；b、普通端面车刀 主偏角大于 45，从外圆向中心进给。（3）切断刀用于切断工件或在工件上切出沟槽，常见结构及特点：a、宽度窄、刀头长 强度较差；b、一个主切削刃和两个副切削刃、两个刀尖，有两个主切削刃，一般情况下大部分切削刃未达到工件中心时就可切断工件。（4）螺纹车刀用于加工内外螺纹，常见结构及特点：a、外螺纹车刀 直头具多；b、内螺纹车刀 弯头具多尺寸较小、刚度差。（5）成形车刀用于加工内外成形面，有专门结构。（6）镗孔车刀用于加工孔，刀尺寸较小，切削工况差。（7）切槽刀用于加工切槽，类似成形车刀，但槽较窄。1.3 车刀角度对切削刃的影响陕西理工学院毕业设计论文1.3.1 前角的功用及选择（1）前角的功用前角影响切削过程中变形和摩擦，又影响刀具的强度。它的作用主要有以下几方面。a、影响切削区的变形程度。增大前角能减小切削变形，从而减小切削力及切削功率的消耗。b、影响刀具寿命。增大前角，可以减小切削力和切削热，使寿命提高。但是，如前角过大，会使刀头部分体积减少，强度降低，易使刀具崩刃，反而是寿命降低。c、影响切削形态和切屑效果。减小前角，切削变形程度增大，也就是说切屑变得又短又厚，容易断屑。d、影响已加工表面质量。增大前角，使切屑刃钝圆半径减小，切屑刃锋利，可以减少已加工表面的硬化程度，也可以一直切屑瘤和减小振动，使已加工表面质量提高。（2）前角的合理选择a、在刀具材料韧性好时，可选用大的前角，如高速钢刀具比硬质合金刀具的前角大 510。b、对于成形刀具来说，为减小刀具的截形误差，常用较小前角，甚至取前角为零度。c、加工塑性材料时，尤其是加工硬化严重的材料，应选用较大的前角，加工脆性材料时用较小前角。加工特硬材料时，可取负前角。d、粗加工，尤其是断续切削，为保证切削刃有足够强度，应选用较小前角，精加工应增大前角以提高已加工表面质量。e、工艺系统刚性差和机动功率不足时，应选用较大前角。表 1.1 硬质合金刀具刃磨前角时的角度参考值工件材料 粗车 精车低碳钢 2025 2530中碳钢 1015 1520合金钢 1015 1520淬火钢 -15-5不锈钢 1520 2025陕西理工学院毕业设计论文灰铸铁 1015 510铜及铜合金 1015 510铝及铝合金