（机械工程专业论文）可转位刀片异形面磨削加工关键技术的研究.pdf

摘要 摘要 伴随产品制造精度和效率的要求越来越高，金属切削技术得到了快速发展。 可转化刀具可转位刀片作为现代切削刀具中具有时代特征的一种先进刀具，在 余属l 刀削加工中扮演着苇要的角色。在制造可转位刀j 的过程中，磨削刀片的 周边刃足其中一个季要和关键的工序，它影响着可转位刀片的切削。h 冶皂、寿命 及被加1 二1 1 ：件的质量。圄内柔性的、高性能刀片周边刃工具磨床及几何成形软 件都从囝外进口，其核心的技术不对外开放。虽然我国在研究、制造和推广可 转化刀片已经几十年，但是与世界技术相比差距还很大。为此，本文围绕着可 转化刀片周边磨削这一主题，研究了可转位刀片的周边刃磨削工艺及技术。 论义j i 要包括以下几个方面的内容： 1 祚：总结和归纳可转位刀片研究现状的基础上，基于数控加工理论与磨削 技术，结合课题组设汁的工具磨床的结构特点，研究了可转位刀片的磨削加_ 丁：艺。 2 通过包络法原理与d h 理论，研究了可转位刀片刀位轨迹的生成方法， 并给出了数学模型：分析了课题组设计的机床的空间结构，给出了工具磨床的 运动链。 3 基于刀刃成形的主动控制理论，开发了自动生成磨削可转位刀片的n c 代码软件系统。 4 搭建了虚拟磨削加工平台，并进行了磨削仿真实验，最后根据软件提供 的分析模块，分析了仿真结果，证明了推导的数学模犁，编制的软件系统的正 确盹。 关键词：可转位刀片；几何成形：磨削加工：虚拟仿真 b s i r a c t a b s t r a c t a i o n gw i t ht h ed e m a n df o rm o r ea n dm o r em a c h i n i n gp r e c i s i o na n de f n c i e n c y ， m e l a ic u i i i n gt e c h n o l o g yh a sb e e ne x p e r i e n c i n gr a p i dd e v e l o p m e n t t - h ec u t t i n gt 0 0 1 w j t hi n d e x a b l ei n s e r t sw h i c hh a st h ed i s t i n c te p o c hc h a r a c t e r i s t j ci sa d v a n c e dc u t l e r a n dp l a y sm o r ei m p o r t a n tr o l ei nm e t a lc u t t j n ga s p e c t i nt h ec o u r s eo fp r o d u c i n g i n d e x a b l ei n s e r t s ，g r i n d i n gt h ep e r i p h e d ，o ft h ei n s e n si so n eo f i n l p o r t a l l tt e c h n i q u e s t h eg r j n d e dq u a l j t yo fi n s e r t sh a sas i g n i 厅c a n ti m p a c to nc u t t i n ge d g ep e r f o r m a n c e ， l j r e s p a no fi n s e r t sa n dt h es u r f a c eq u a l j t yo fw o r k p i e c e r e c e n t l y ，a j t h o u g ht h e r ea r e m a n yk i n d s o fc n ce q u i p m e n t sa n dc o m p u t e r - a i d e ds o r 、 ，a r e f o r p f o d u c i n g i n d e x a b i ei n s e r t s ，t h ek e yt e c h n o l o g i e sf b rt h a ta r ek e p ts e c r e tc o m p j e t e l y i nc h i n a ， ich a sl a k e ns e v e r a ld e c a d e st ol s e a r c ht h ei n d e x a b l ei n s e r t s ，b u tt h et e c h n o l o g yg a p b e t 、v e e nc h i n e s ea n do t h e r s ，e s p e c i a l i yt h ei n d u s t r i a l i z e dc o u n t “e s ，i sw i d e o nt h e b a s i so rt h eb a c k g r o u n d ，t h ep a p e rf b c u s e so nt h et h e m eg r i n d i n gt h ep e r i p h e 呵o f i n d e x a b i ei n s e r t s ，a n ds t u d i e st h em a c h i n i n gt e c h n i q u ea n d g r i n d i n gt e c h n o l o g y t h em a i nc o n t e n t so ft h ep 印e ra r es h o w na sf o i i o w s ： i t h ep a p e rs u m m a r i z e st h ed e v e l o p m e n ts i t u a t i o no ft h ei n d e x a b l ei n s e r t s ， a n do nt h eb a s i so ft h ec n c m a c h i n i n gt h e o 叮，g r i n d i n gt e c h n o l o g ya n ds t r u c t u r eo f t h eg r in d i n gm a c h i n et o o lw h i c hi sd e s i g n e db yt h et e a m ，p r o p o s e st h em a c h i n i n g t e c h n i q u ef 0 rg r i n d i n gi n d e x a b l ei n s e r t s 2 e n v e l o p em a c h i n i n gp r i n c i p i ea n dd ht h e o 哆a r eu s e dt or e s e a r c ht h e m e i h o df o rp r o d u c i n gc u t t e rl o c a t i o na n de s t a b l i s h i n gm a t h e m a t i cm o d e l s o nc h e b a s i so fa n a l y z i n gt h es p a t i a ls t r u c t u r eo ft h eg r i n d i n gm a c h i n et o o l ，t h ek i n e m a t i c c h a i l lo f i ti sg i v e n 3 o nt h eb a s i so fa c t i v ec o n t r o lt h e o 呵f o rg r i n d i n gc u t t i n ge d g e ，t h et e a m d e v e i o p sas o n w a r ew h i c hc a nb eu s e dt oc r e a t ea u i o m a t i c a l l yn cc o d e st og r i n d i n g i n d e x a b l ei n s e n s 4 t h ep a p e re s t a b l i s h e sav j n u a l g r i n d i n gp l a t f o r m ，a n dc o n d u c t ss e v e r a l s i m u i a l i o ne x p e r i m e n t st h r o u g hi t f i n a l l y ，a na n a j y s i sr e s u j ti sg i v e n ，w h i c hp r o v e s t h a tt h em a t h e m a l i cm o d e l s ，a n dt h es o r w a r ea r ec o m p j e t e l yr i g h t k e y w o r d s ： f n d e x a b i ei n s e r t s ； g e o m e t “cs h a p e ； g r i n d i n gt e c h n o l o g y ；v i r t u a i s i m u l a l i o n 图表索引 图表索引 图1 1 可转位刀片与可转位刀具1 图2 1 标准可转位刀片的几何形状7 图2 2 标冶；刀片主要参数示意图8 图2 32 m z k 7 l5 01 具磨床9 图2 4 工具磨床的结构简图1 0 图2 5 可转位刀片周边磨削工艺1 5 图2 6 刀尖为圆弧过渡曲面的正三角形可转位刀片正视图和侧视图1 6 图2 7 带修光刃和倒角的正方形可转位刀片的正视图和侧视图1 7 图2 8 带倒棱的正方形可转位刀片正视图和侧视图1 9 图3 1 等步长插补节点数值计算2 2 图3 2 可转位刀片磨削原理与坐标系的建立2 3 图3 3 砂轮磨削可转位刀片瞬时图2 4 图3 4 小平面逼近曲面2 4 图3 5 切削刃存前刀面一l 的轮廓图2 5 图3 6 小甲i 酊的法式2 6 图3 7 刀尖过渡刃为修光刃刀片的主要参数和切削刃轮廓图2 8 图3 8 刀尖过渡刃为修光刃的3 d 模型2 8 图3 9 机j 未运动链3 2 图3 1 0 砂轮与r c s 的位置关系与砂轮外形尺寸3 4 图4 1 自动编程流程图4 0 图4 2 可转位刀片软件功能结构图4 2 图4 3 _ j 转化刀片几何成形软件系统4 3 图4 4 机床模块的j i 要参数4 4 图4 5 软件系统机床模块界面4 4 图4 6 砂轮几何参数及加工参数输入模块4 5 图4 7 砂轮几何参数及加工参数输入对话框4 6 图4 8 刀片参数分类结构图4 6 i x 可转化刀片异肜嘶磨削加t 又键j 支术的研究 图4 9 基本参数框图4 7 图4 1 0 刀片基本参数设置界面一4 7 图4 1 1 刀片类型与参数框图”4 8 图4 1 2 刀尖类型参数输入对话框一4 8 图4 13 刃口形：伏”4 9 图4 1 4 刀片切削刃类型框图”4 9 图4 15 切削刃类型参数输入对话框”5 0 图5 1 数控加工仿真系统结构5 3 图5 2n c s i m u l 仿真加 ：流程图5 5 图5 3 可转位刀片工具磨床结构图5 7 图5 4 工作项目树结构图“5 7 图5 。5 最轴二l ：具磨床n c s i m u l 项目树的构建5 8 图5 6 带修光刃正方形刀片参数图5 9 图5 7 带修光刃正方形刀片磨削过程与结果6 0 图5 8 不等边不等角刀片参数图6 0 一 图5 9 不等边不等角7 片磨削过程与结果6 l 图5 1 0 被加工零件与理论模型比较的结果6 2 图5 1l 加工过量与材料过剩测量结果6 2 表2 1l 认g o r8 0 7 0 系统的基本特性l l 表2 2 磨床的主要技术规格和参数1 2 表2 3 刀片参数表- 1 6 表2 4 刀尖为圆弧过渡曲面的正三角形刀片磨削工艺流程1 6 表2 5 刀片几何参数表1 7 表2 6 带修光刃和倒角的正方形刀片磨削工艺流程1 8 表2 7 刀片参数表1 8 表2 8 带倒棱的正方形可转位刀片磨削工艺流程1 9 表5 1 带修光刃正方形刀片参数5 9 表5 2 不等边不等角刀片参数6 0 x 符号 ， 刀 d d ：，z 】 ( ，丘) d 名 占， q ， d 渺 s 6 q ， t 万 盯 以 【q ；工；，k i ，互i 】 【怫；x ，】 符号 切削刃长度 刀尖位置 法矢 坐标原点 机床举标系 单位矢量 刀片内切圆直径 刀尖半径 刀尖角 法后角 砂轮直径 砂轮带宽 刀片厚度 倒棱角度 倒棱宽度 修光刃法后角 主偏角 允许误差 偏置 修光刃长度 砂轮坐标系 工件举标系 x i 【q ；置，巧，乙】 过渡坐标系 常用缩写表示 c a d c o m p u c e r a i d e dd e s i g n讨。算：机辅助设记 c a m c a e c n c m c s r c s w c s m f c a p i c o m p u t e ra i d e dm a n u f a c t u r i n g 计算机辅助制造 c o m p u t e ra i d e de n g i n e e r i n g 计算机辅助工程 c o m p u t e rn u m e r i c a l c o n t r o l计算机数字控制 m a c h i n ec 0 0 r d i n a i es y s t e m机殊坐标系 r e f e r e n c ec o o r d i n a t es y s t e m参考坐标系 w o r k p i e c ec o o r d i n a t es y s t e m 工件牮标系 m i c r o s o l 、tf o u n d a t i o nc l a s s e s微软越础类库 a p p l i c a t i o np r o g r a m m i n g i n t e r f a c e应用程序编程接l x i i 第审绪沦 第一章绪论 进入2 1t j ：纪，激烈的市场竞争推动着以先进制造技术以前所未有的速度向 f j ，发展。花汁算机技术j 信息技术等高新拽术的带动- 1 、，机械加1 ：技术进入了 “商效、离j 速、智能、环保”的发展阶段，出现了高速高效l 刀削、柔悄：加 ：、复 合j j l l1i 机未、绿色制造等新的制造技术及其装备，为制造、i p 开发新的产品、提高 加17 徽牢和加f ：质晕：、降低制造成水发挥了重耍的作用。在i ：述新加 ：t 艺及装 备中，切削 ：的新技术及刀具因其币要的基础地位、应用面“、见效快、成效 f 纠渺等特点，研究进展尤其突出，成为当今先进制造技术叶j 的亮点，对制造业的 发展和制造技术的进步起到了十分重要的作用1 2 l o 1 1 论文研究的背景和意义 什随切削加_ 1 ：技术的发展，对高精度、切削性能好目 吏用寿命k 的可转化刀 具可转化刀”f q 侑皂耍求越来越高，可转位刀具的利料、几何形状参数、刃磨质 昂自接影响被7 j i l l ： ：件的质量和刀具耐用度。可转位刀具是使用可转f 移刀，；作为 切削部分的机夹， 具l3 l 。这种刀具由刀片、刀挚、7 f r 及夹紧元件四部分构成。 刀j 足多边形的，尿制囱。断屑槽型或装灾孔。刀，；通过标泞化的刀挚由火紧7 c 件 以机械灾阎的方式被灾紧在刀体的刀槽里。当刀j 的一个切削刃用钝后，刁i 需要 更换夕j _ ；，可将灾。紧元件松开使刀j 转一个角度，利用另外一个切削刃加1 ：_ ： 什，盘l l 图1 1 所示。当所有的切削刃今部用饨后，只需要更换同规格的新刀片， 刚可继续j j | i ：，无需更换刀休。 图1 1 可转位刀片与可转位刀具 可转i ? ，j 具孑其他类季! 刀具相比有以下优点1 4 ，5 i ： 司转化州h 异形面培削加t 关键 支术的研究 1 刀具酬用度高 采用焊接的方式把硬质合金刀片固定在刀杆上使用的刀具称为焊接刀具。硬 质合金刀片加热后其硬度值将显著降低。而可转位刀具足用机械方式把馒质合金 刀片夹固在刀杆- l 使用的，刀片不经加热，其硬度值不下降，切削性能不降低， 刀具耐用度高。 2 劳动生产率高 可转位刀具能保证刀片材料的原有切削性能，具有先进的几伺参数，断屑效 果好，可采用较大的切削用量；当刀刃损坏或用钝时，可迅速转位，更换切削刃 的辅助时间短，具有较高的劳动生产：率。 3 刀具成本低 可转位刀具的使用寿命比焊接刀具的使用寿命长很多倍。经测算，可转位刀 具的成本约为焊接刀具的4 0 。简化了刀具的管理，刀具可以标准化集中生产， 降低了刀具的制造成本，可转位刀具的刀杆可重复使用，能节约大量的优顾钢材， 使成本进一步降低。 4 促进了新型刀具利料的发展 科技进步使越来越多的新材料在牛产中得到了应用。为了加1 ：这些材料，又 对新型刀具材料的发展提出了更高的要求。经过长期的努力，科学家开发出了许 多新型的涂层可转位刀片和陶瓷可转位刀片，以满足对不同新材料的j j l l _ l ：需要， 促进了刀具材料的发展。 5 改善了劳动条件 使用可转位刀具后，操作人员不必自己刃磨刀具，可减少因刃磨刀具而造成 的粉尘污染或工伤事故，改善了工人的劳动条件，有利于安全生产。 6 充分发挥机床的作用 各种数控机床、新型的加工中心及其自动化生产线，其特点足加 ：效率高和 加工质量稳定，工作时间长，辅助时间极少。因此对切削刀具提出了新的更高的 要求，集中表现在：高可靠度、高精度、高耐用度、断屑好、可快速换刀片等方 面。可转位刀具技术的推广应用，不仪其自身所固有的刀具特性与上述自动化加 工机床相匹配，而且反过来促进切削加工自动化技术的发展。 综合所述，可转位刀具具有焊接刀具不可比拟的优越性。因此，在国外得到 了广泛的应用。目前，发达国家可转位刀具使用量约占金属切削刀具总量的9 0 。 第章绪论 我闸的数控化也有很大的提高，机械加工的数控化对可转位刀具的品种和质量提 出了越来越高的要求，可转位刀具已经成为衡量一个围家的刀具生产和机械加工 水甲的一个黍要方面1 6 j 。 立足于围家巾长期科学和技术发展规划纲要，顺应于市场需求的导向，课题 组一亩将刀具的复杂曲面成形及其数控加工技术作为研究方向。并得到同家最大 专项 女关课题“五轴联动高速、精密可转位刀片周边和双端面刃磨数控下具磨床 ( 项目号：2 0 1 0 z x 0 4 0 0 1 1 6 2 ) 的支持。 木课题研究的书要目标是：结合当前围内对可转位刀片日益增长的需求，以 实现可转f 眵刀片的高效率、高精度、高智能及其低成本的生产为目标，研究可转 化刀片的数控磨削工艺和部分关键技术。并结合具体的应用实例，理论与实践相 结合，捕；导了加工可转位刀片周边刃时，砂轮的刀位轨迹数学模型，并开发了具 有自丰知识产权的可转位刀n c 代码自动生成软件系统，以满足用户的需求。 1 2 可转位刀具技术的发展现状 为了满足机械制造、l p 高效、高精度、智能化的发展要求，国外工具产品的性 能和 ：具行、l k 的，抚品结构发生了质的转变【 。存近代世界的切削刀具发展史上， 一些工、l k 发达闸家存硬质合金刀具方面发生了两次革命，第一次是1 9 5 3 年美国 开发 j 可转他刀片结构的初型，把焊接刀片变革为可转位刀片；第二次为六十年 代，一些西欧围家存研究出可转位刀片的基础上，用化学气象沉积方法或物理涂 层法，在硬质合金刀片上进行涂层处理，提高可转位刀具的切削陀能，这次变革 把可转位刀具技术提高到了一个新的阶段i 引。目前，在刀具总量中，硬质合金刀 具占7 0 8 0 ；其巾可转位刀具的比例达8 0 9 0 ，而涂层硬质合金刀片占可 转f 谚刀片的比例达4 0 ( 铣刀片) 和7 0 ( 车刀片) 以上。近几十年的发展， = 、i k 发达同家摹本上完成了硬质合金刀具向可转位化的过渡，可转位刀具已经进 入了成熟期f9 1 。可转位刀具的品种覆盖了大部分刀具产品，且不断增加，制造精 度越来越高，几何参数更趋优化，切削性能不断提高。 我围自五十年代末开始研究可转位刀具，七十年代初在围家范围内j f j ：广应用 可转化刀具f 3 i 。经过了四十多年的发展，我囝硬质合金可转位刀具生产已经具有 相当规模。但神! 刀片精化的能力方面蒡距较大，跟不上发展的需要。存刀具摊j 可转化刀片异彤面路削加 j 关键披术的训f 究 应用方面。可转位刀片在国内些大型先进企业得到较好的应用，比女i ll ：海机床 j ，上海大众汽车制造等几乎伞部采用可转 移刀具。但是从总体水平来看，普 及鹿用的水平仍然较低，与国外工业化国家的差距还很大佟j 。 我国在研究和使用可转位刀片与国外有比较大的差距，为了减小这利差距， 国内很多专家学者积极开展了可转位刀具的研究 i 作。黄国权【i o i 采用有限元法， 进行了金属陶瓷可转位刀具的抗弯强度和抗压强度的校核，为金属陶瓷可转位刀 具的设汁提供给理论基础：倪兰i 从切削用量、断屑槽几何参数及工件材料。卜i 泊邑 方面讨沦了诸因素对可转位刀片断屑性能的影响及其规律，并总结了碳钢用刀片 槽骂! 的设计特点；吴明阳1 1 2 1 针对可转位铣刀片的温度场和应力场进行了理沦分析 和实验研究，开发了波形刃铣刀片模糊综合评判系统，并研究了槽型重构技术等； 邵明忠1 1 3j 通过对可转位刀具的数控工艺规程的分析，确定了白关可转位刀具设计 和加 ：参数之间的关系。 1 3 本论文主要研究内容 针对国内外可转位刀片的研究与生产现状，考虑剑可转位刀片的设计、数控 加工与仿真技术的发展趋势，围绕着“高效率、高精度、高可靠。f l i 、专业化”的 发展特点，以可转位刀片为研究对象，研究可转位刀片周边磨削加工关键技术。 整篇论文皆以此主题展开讨论。 1 3 1 主要工作内容 论文的主要研究内容包括如下几个方面： 第一章绪论。介绍了论文的研究背景和研究的意义，从分析可转位刀具的优 点和j f i i 广意义出发，分析了可转位刀具的围内外发展现状，我国在可转位刀具 可转化刀片研究与应用方面与国外仍然存在一定的差距。 第二章可转位刀片及周边磨削加t 工艺。从可转位刀片的结构特点出发，依 据国标对可转位刀片的结构参数的定义，详细介绍了主要参数对刀片结构和刀片 的切削性能的影响。最后钊对可转位刀片的特点，结合课题组设计的五轴联动可 转位刀片刃磨工具磨床，给出了详细的磨削加工工艺图。并结合此工艺流程图， 给出了三种不同类型刀片的详细加工流程。 第章绍论 第i 章可转付刀片磨削加工轨迹的研究。本章j ：要以理论研究为摹础，计算 砂轮的刀位轨迹。首先从研究插补算法为出发点，根据可转位刀片的结构特点， 选择了等弦长插补算法：其次利用等弦长插补算法，分别给出了刀尖切削刃为圆 弧的可转他刀片和刀尖带修光刃的可转位刀片的数学描述：最后根据上述的数学 模犁，利用后霄处理技术，计算出在机床举标系下各轴的运动状态。为第p n q 章软 件开发提 j ! 了数学模犁。 第p n q 章可转位刀片磨削软件系统的开发。结合第：三章的研究内容，基于模块 化和自动编程技术的思想，将软件系统分为三个部分，然后根据每部分的参数特 点，利用v i s u a ic + + 的m f c 平台，搭建了自动生成磨削可转位刀片的n c 代码 的软件系统。 第五章可转位刀片磨削加_ 丁仿真技术。首先简述了仿真技术在数控加工巾的 应用，介绍了仿真系统的结构；其次引入了n c s l m u l 系统软件，并给出了 n c s i m u l 的虚拟加t 过程图；最后依据课题幺h 设计的工具磨床，结合运动学研 究了机床各组件间的运动关系，利用n c s i m u l 建立完整的无轴联动数控加 j 验 i 订i 系统，并存此平台上利用所开发的软件系统生成的n c 代码进行了可转他刀片 的磨削仿真，最后列仿真结果进行了相关的分析。 第六章总结与展望。对伞文的研究下作给出了总结，根据围内外的研究进展 和课题组的研究内容，提出了进一步的研究方向。 1 3 2 论文创新之处 论义的= j 要创新点归纳如下： 皋于数扮加1 二弹论和切削与磨削原理，结合课题组设计的工具磨床的结构特 点，提出了可转刀片的磨削 ：艺，并对其进行了详细的分析：在现有的数控加t 瑚论的基础i 二，给出了磨削可转刀片时，砂轮轨迹的数学模型；结合工具磨床的 结构，分析了机床的宅间结构，给出了此工具磨脒的运动链；开发了自动爿：成可 转位刀片n c 代码的软件系统。 可转 寸刀h 异形面赌削加1 ：关键披术的研究 第二章可转位刀片及其周边磨削加工工艺 可转位刀片的件能直接影响着被加工 ：件表面的质量。刀刃磨钝后，只需转 位或更换的是可转位刀片，就可保证加工零件的致性和加工的切削效果的连续 件。因此，可转位刀片的结构设汁、几何尺寸、制造精度及选用等，都是针对可 转位刀具的特性来设计1 1 4 l 。可转位刀片几何参数，表面粗糙度，位置精度等的选 择，将直接影响整个刀具的 刀削一降能和使用寿命，对提高加工q i 产效率、保i 订：加 工质量、降低加1 ：成本等具有重要的意义l 屿j 。本章介绍可转位刀片的结构特点、 围家标准规定的可转位刀片的形状和j i 要几何参数，以及钊对磨削可转位刀片周 边的磨削加1 ：工艺。 2 1 可转位刀片的结构特点 按照困家标准g b t2 0 7 6 2 0 0 7 的规定，不同用途的可转位刀片，型弓的表 示有所不同。 通常按可转位刀片在刀杆或刀体上的安装方法不同，把可转位刀片分为如下 几类1 9 1 ： ( 1 ) 无孑l 可转位刀片：这种刀片是最早出现的形式，采用l 压式结构将刀 片夹紧。 ( 2 ) 圆孔可转位刀片：刀片中间有一圆柱形孔，用来将刀片安装火紧在刀 杆上。 ( 3 ) 沉孔可转位刀片：刀片夹紧时，用一沉头螺钉穿入孔内直接将刀片夹 紧在刀杆或刀体上，简化了刀具的夹紧结构。 2 2 可转位刀片的形状和主要几何参数 按照设计可转位刀片结构的要求，把可转位刀片设计成多边形或圆形，在需 要加长切削刃时，可设计成菱形或矩形。边数愈多，刀尖角大，耐冲击，可供转 位刀片使用的切削刃也愈多，刀尖强度也愈好，但是切削力将增大，切削刃较短， 工艺适应性差，同时刀尖、刀刃位置的重复性也差。因此按照客户的要求和用途， 6 第幸可转化夕j 片及周边磨削加1 ：1 ：艺 可以选择不同形：i 犬的可转位刀片1 1 6 l 。 2 2 1 可转位刀片的形状 根据切削刀具用可转位刀片型号表示规则( g b t2 0 7 6 2 0 0 7 ) ，按照形状 类别分为5 个大类，分别是等边等角可转位刀片，等边f i 等角可转位刀片，等角 不等边可转位刀片，不等边不等角可转位刀片，圆形可转位刀片。按照规则的定 义，可以再细分成1 1 种刀片类型。 标准可转位刀片的形状如图2 1 所示 平行四边形 正方形 等边不等角 矩形 菱形 i 角形 八边形 不等边不等角 圆形 正八边形 图2 1 标准可转位刀片的几何形状 2 2 2 可转位刀片的主要几何参数 可转f ：刀”的j i 要参数包括： 五边形 叮转f 、- ，刀片异形由培削加t 关键技术的 l f 究 d 刀片的内切圆直径：此参数决定刀片的大小。 s 刀片厚度：刀片厚度的选择j i 要考虑刀片的强度，在满足强度的条件下， 尽鼠取小值。般根据切削深度与进给量来选择刀片厚度。 脚刀尖位置尺寸：此参数影响刀尖的位置重复精度，对刀片的径向跳动量 和端面跳动量有直接的影响，因此影响被加_ l ：零件的精度和表面粗糙度。 ，刀尖角度：卡艮据切削工艺选择此数值。大余量、粗加t ，_ 丁件刚度较高 时，应尽量采用刀尖角较大的刀片，反之，采用刀尖角较小的刀片f 17 i 。 矗。刀片法后角：主要功用足减少切削过程中刀具后刀面与力l i ：表面之间的 摩擦，以及降低刀面的磨损。 刀片切削刃长度：与内切圆直径成正比，决定可转f 讧刀片的切削刃的长 度。 图2 2 标准刀片主要参数示意图： 图2 2 标准刀片主要参数示意图 2 3 可转位刀片周边磨削加工工艺 要没汁制造一个满足用户要求的刀片，必须结合刀片本身的材料属性、刀片 几何结构和切削参数的要求，选用精度较高的制造设备，选择合适的砂轮类型， 合理的安排磨肖0 工艺以及可靠的检测手段【1 引。机床的精度很火程度上决定了加工 零件的力l i 工精度，砂轮的选择足确保产品质量的重要条件，而合理的磨削1 ：艺， 是提高生产效率的重要方式之一，也是降低成本的重要手段。 第亭川转化刀h 及冈边磨削加1 - 1 岂 2 3 i 数控工具磨床的结构及其数控系统 暴予科技币大项“高档数控机床与摹础制造装备”，课题组研发的孔轴联 ，力f 舒速、精密可转他刀片周边和双端面刃磨数控工具磨床2 m z k 7 l5 0 ，如图2 3 f 听永，二j 要门j 于摩削标准的可转何刀片和非标的可转化刀片。如果更换夹具可以 磨削芹形机必类刀j 1 引。 图2 32 m z k 7 15 0 工具磨床 了涌“联z 力数控】：具磨床整体结构由床身、卧式回转工作台、：式回转 ：作台、 头架、尼架、高精度两m 标直线_ 17 作台、砂轮架、修髂器、磨具等部件组成。j 未 身采用髂休式剥称结构设计，使机床具有高刚度、热稳定件和良好的抗震件等优 点：伺服伞闭研：控制：采 j 机械手点对点装卸 ：件，提高自动化水平：采j 1 j 旋转 双 t 头顶尖火具灾紧刀片；7 j 片磨削过程的舀：线测黄功能。项目组研发的足集成 光、机、电、液j f l 川算机技术的1 体化高档7 i 轴联动高速、精密、数控 ：具磨j 未， 彳1 ：闭内机未 ：、l k 领域尚属窄白。通过自1 i 研发，为我围制造、i k 提供超硬材料可转 化刀”精密磨削设备，提升我同高档数控机床的制造水平。 为了扩火此一f ：具磨床的加1 ：范围，课题组设计了两种类型的刀片灾持系统， 即b l 和b 3 灾持系统。b l 夹描j 系统将 ：件装夹布：驱动杆和压紧杆之间，可以磨 削所白类驾! 的可转f 谚刀j “1 3 3 灾持系统将l ：什灾持确i 客户特殊定制的刀架l ， 川+ 转伯刀片异肜面瞎削自n 丁关键拽术的切究 可以磨削异形机夹类刀片。 如图2 4 所示，为可转位刀片数控丁具磨床的结构简图。该机床包含有 x ，】，爿，8 ，c 五个轴，其中x ，l ，是两个线性轴，彳，b ，c 足三个旋转轴。此h 轴联 动可加 ：任意形状的机夹类可转位刀片。如图所示，砂轮安装在x 轴匕，可以 随主轴箱沿着x 和y 轴方向平移。工件安装确：b 轴上，可以绕b 轴转动，可以与 灭具一起绕彳轴转动，也可以与转动底座一起绕c 轴转动f 2 0 - 2 。 图2 4 工具磨床的结构简图 通过读研，课题组确定可转位刀片工具磨床选用f a g o r8 0 7 0 数控系统。此 数控系统具有高降能、高速度、多通道、陆价比好等特点，完伞可以满足踏削可 转位刀片的要求。其主要的功能如下： 1 快速柔性的p l c ：8 0 7 0 数控系统的p l c 程序为模块化结构，其刁i 仅可以 采用语句编写，也可以集成c 语言程序或者采用梯形图的形式编写。它与数控 系统同步运行，在数控系统的采样周期内完成整个p l c 程序的扫描，这样可以 确保高速p i 。c 与数控系统同步。 2 分布式输入与输出模块：8 0 7 0 数控系统提供了远程的j o 模块，它们可 以被就近安装在分布于机床不同位置的被控设备i ；f j 近，并且通过c a n 总线十几互 通讯，所以此模式很容易实现数据的交互。 笫亭可转似刀片硬周边睹削细丁1 ：艺 3 允许集成第二三方软件：8 0 7 0 数摔系统提供了编制用户界面的工具，可以 更改每一个系统界面以便使其适应不同的心用要求，进而使工件的编稃和加工更 加方便。 4 多台数控系统问的网络通讯：8 0 7 0 数控系统可控制2 8 个进给轴和4 个主 轴，并日席f j 用其强人的高速数据交换命令，数摔系统之间的通讯及运行很方便地 实现。 5 商观的人机交互界面：8 0 7 0 数控系统采用了象形符号键定义各利，操作， 并日具育交瓦式图形数据输入方式和操作过程的图形仿真等功能，还具有自定义 的键盘和操作界面的功能，所以8 0 7 0 数控系统对用户开放竹彳艮强。 6 8 0 7 0 数控系统具有强大的功能和丰富的g 代码，对程序段的处理时间只 囱1 5 m s 。 暴予以i ：特点，课题纲选用f a g o r 数控系统，在此基础上对其进行了二次 开发，使其成为独特的应用于磨削的数控系统，以满足用户的特定化需求。如表 2 1f a ( j 0 r8 0 7 0 系统的基本特性。 表2 1f a g o r8 0 7 0 系统的基本特性 序弓名称特。h j w i n d o w sx p 操作系统 p 【。c 执行时间小于l 毫秒1 0 0 0 个程序段 l性能 2 5 6 m 随机存储器 2 g 闪存并可选2 0 g 硬盘 1 5 ”或1 0 4 ”彩色液晶显示器 可控2 8 个进给轴( 同时插补) 及3 个手轮 4 个主轴 2刚置4 个执行通道，进给轴和主轴可以分布其巾 可控4 个刀库 带数字- 量和模拟量接口，s e r c o s 及c a n 总线1 0 1 0 0 m h z 以太网接口 可配置多达1 0 2 4 个数宁输入点和1 0 2 4 个数宁输出点 3 远稃模块 可配置多达3 2 个模拟输入和3 2 个模拟输出 司转化刀片斤形【i f 】磨削加t 关键坎米的研究 2 3 2 数控工具磨床的主要参数 磨床的主要技术规格和参数如表2 2 所示： 表2 2 磨床的主要技术规格和参数 项目规格及参数 名称五轴联动可转化刀片周边磨床( 2 m z k 7 1 5 0 ) 加工工件周边长度2 0 0 m m x 轴1 6 0 m m y 轴5 4 0 m m 砂轮直径4 0 0 m m j ! 轴最高转速 6 0 0 0 r p m 砂轮线速度1 2 0 m s a 轴2 2 。到+ 2 8 。 b 轴 c 轴一1 0 0 。到+ 11 0 。 x 轴分辨率0 0 0 0 1m m y 轴分辨率 0 o o o l m m a 轴分辨率 0 0 0 0 2 。 b 轴分辨率0 0 0 0 2 。 c 轴分辨率0 0 0 0 2 。 x 轴定位精度 0 0 0 3 m m y 轴定位精度0 0 0 3 m m a 轴定位精度 10 ， b 轴定位精度 1 0 ， c 轴定位精度1 0 x 轴重复定位精度0 0 0 1 m m y 轴重复定位精度o 0 0 1 m m 篼牵可转化刀片及周边瞻削加t t 艺 a 轴承复定位精度 5 ， b 轴蕈复定化精度 5 ， c 轴晕复定化精度 5 ， 1 ：什磨削尺i j 精度0 0 0 5 m m 刀”侧衙乖卣度 0 0 0 5 m m 刀片切削角度误差0 5 。 切削轮廓误差o 0 l m m 表丽粗糙度r a 0 2 2 3 3 砂轮的特性及选择 根据磨料的不同而言，目前一般采用碳化硅磨料砂轮，立方氮化硼磨料砂轮 和金刚石磨料砂轮磨削硬质合金材料的刀具，其巾金刚石磨料和立方氮化硼磨料 被称为超硬磨料，适合磨削各种高硬、高脆、高强韧性材料。根据表2 2 可知， 磨削可转化刀片的砂轮的线速度可达到1 2 0 n 1 s ，磨削的线速度比较高，所以采 用超硬磨料的砂轮磨削可转位刀片的周边刃。此类磨料具有颗粒形状好、导热性 好、热膨胀系数低、磨削能力强以及优良的磨削件能等优点。同时其磨具自身磨 损小，形状、尺i j 变化缓慢，寿命长，有利于提高工件的精度和降低 ：件表面睾h 糙度f 2 2 。金刚石磨料的硬度、强度、研磨能力、导热系数和热膨胀系数均优于立 方氮化硼，因此适用于加工硬而脆的材料2 3 1 。课题组选用金刚石碗型砂轮磨削可 转能刀片的周边刃。 1 磨料粒度的选择：磨料粒度的选择主要考虑的因素有磨削效率和被加工 ：件表面籼糙度。要求工件加工表面的；i i l 糙度值较低应选用磨料粒度细的磨具： 磨削深度较大时，应选用术证度粗的磨料。为了提高效率，高速磨削时，磨料粒度 一般要l 匕普通磨粒偏细1 2 个粒度号。因为粒度较小，磨粒较尖锐，容易切入工 件巾。因此，选择砂轮的磨料粒度，要综合考虑各种加工因素对砂轮的影响。 2 磨具的硬度选择：为了获得良好的磨削效果，合理地选择磨具硬度足关 键。选择的暴7 i 【，= 原则是保证砂轮磨削过程中具有一定的自锐。降，避免砂轮磨损过 大，保i 订i 磨削时不产牛过商的磨削温度。一般选择磨具硬度的方法足，工件硬度 高，磨具的硬度要低：_ j 件硬度低，磨具的硬度就要高。 可转付刀片异彤砸i 磨削加t 关键坎术的研究 3 结合剂的选择：国产砂轮常用的结合剂有陶瓷结合剂、树脂结合剂、金 属结合剂等。结合剂的件能直接影响它与磨粒的反应能力以及它的强度。它们之 间的反戍能力越好，结合剂与磨粒的结合力就越强，磨粒就不容易从砂轮i ：脱溶 或者碎裂。结合剂的选择主要考虑的因素是磨削方法、砂轮的线速度以及对1 ：件 加工表面要求等。 4 砂轮的结构优化：普通磨削的过程中，砂轮的线速度般为3 0 n 1 s ，当：晦 线速度提到1 2 0 m s ，即线速度增加了4 倍，由于砂轮的应力与速度的平方成n i 比，因此，1 2 0 “s 的高速砂轮所需要的强度必须相当予普通砂轮强度的1 6 倍。 如果砂轮强度低于此值，磨削刀片时就可能导致砂轮的破裂。 2 3 4 可转位刀片周边的磨削加工工艺 磨削可转位刀片周边的加工工艺足一个综合性的问题，它包含机殊信息，砂 轮信息，磨削参数，磨削效率和加工成本等因素，且这些因素剥加1 = 工艺自+ 极为 重要的影响。机床的结构决定了加工工件的最大和最小尺、j 。，同时也定义各轴的 加- 1 ：范围，以免发生不必要的干涉。砂轮的磨削用量一般是根据砂轮线速度，进 给速度，磨削深度等综合因素决定的。为了得到较高的加工效率和比较满意的力 工质量，必须对磨削用量进行合理的控制。磨削可转位刀片周边的过程巾，磨削 用量的控制主要足对砂轮进给深度的控制和砂轮端面与刀片刀尖圆弧的接触面 积的控制1 1 4 】。 可转位刀具的精度一般足通过保证可转位刀片的精度和刀体( 刀盈) 的精度 来实现的。为了保证刀片转位后精度不变，就需要保证刀尖位置历值的精度1 2 4 。 朋值控制刀片修光刃的径向跳动，将刀片装在端铣刀盘中，可控制因聊值变换 所引起的端面跳动【2 5 2 剐。加工工艺对所值的精度有盲接的影响。当毛坯的余量均 匀月较小时，可以保持磨削力较小且均匀，就能得到较高的朋值精度。根据机械 加工的误差复映规律，刀片的加值的毛坯尺寸越大，加工后复映到产品一j ：的朋值 也越火1 2 7 j 。因此应选择余量较小且均匀的毛坯。 图2 5 给出了加工可转位刀片的磨削工艺流程。在加工刀片时，可以根据刁i 同的加 ：条件，如刀片材料、毛坏余量、砂轮特忾等对工艺进行局i ；1 j 的调整。如 图2 5 所示，将工件装夹在夹具上，系统驱动测量装置测量- 1 件装夹的化置足否 合理。如果装夹位置偏离毛坯的中心较大，机床不能加工出合格的刀片，必须卸 第：擎可转化刀j ；及周边膣削加t 1 j 艺 载1 ：件，苇新装夹t 件。反之。偏心距张：允许的范围内，系统驱动各轴开始加1 二 1 ：件。当 ：什加_ r ：完毕，系统再次驱动测蕈：装置，测革：被加1