内锥面钻头刃磨机机械部分设计毕业设计说明书

陕西理工学院毕业设计 - I - 目 录 1. 绪论 . 1 1.1 研究目的及其意义 . 1 1 2国内外发展状况及趋势 . 2 1.2.1 刃磨设各发展与现状 . 2 1 2 2发展趋势 . 4 1 3存在的主要问题 . 4 1 4课题来源与主要研究内容 . 4 1 5创新点 . 5 2. 麻花钻刃磨的理论分析 . 6 2 1钻头 几何特征 . 6 2 2 钻头刃磨原理 . 7 2.3 内锥面刃磨参数的确定 . 7 2.3.1 优化优化刃磨参数 . 7 2.3.2 刃磨参数的确定 . 8 2.3.3 刃磨参数调整方案 . 9 2.4 内锥面钻头刃磨机设计 . 10 2.4.1 刃磨机工作原理设计 . 10 2.4.2 砂轮主轴转速计算 . 10 2.4.3 砂轮选择与安装 . 11 2.4.4 麻花钻的夹具 . 11 2.4.5 磨削散热 . 11 陕西理工学院 毕业设计 - II - 2.5 修磨内锥面及试磨 . 12 2.6 内锥面刃磨机的特点及应用 . 12 2.6.1 内锥面刃磨机的特点 . 12 2.6.2 内锥面刃磨机的应用范围 . 12 2.7 本章小结 . 12 3. 钻头刃磨装置的机械系统设计 . 14 3 1伺服驱动系统的设计计算 . 14 3.1.1 脉冲当量的计算 . 14 3 1 2步进电机的选型与计算 . 16 3.2 刃磨装置的总体方案 . 22 3.3 刃磨机工作原理设计 . 24 3.4 刃磨运动特性分析 . 25 3.5 刃磨工作流程 . 25 3 6 本章小结 . 26 致 谢 . 27 参考文献 . 28 陕西理工学院毕业设计 第 1 页 共 28 页 1. 绪论 1.1研究目的及其意义 钻孔是金属 加工工艺系统的重要组成部分，是实现零件加工成形的主要工具，其性能和质量直接影响机械加工的质量、效 率和成本。为保证零件的加工质量，提高生产效率 ，降低加工成本，麻花钻 在用钝后或根据加工工件的不同需要重磨 (重新刃磨 )然后才能继续使用。麻花钻刃磨是麻花钻制造中最终成形的加工阶段，麻花钻 的形状、尺寸、各刀面及几何角度等，都是 由刀具刃磨来完成的。因此，麻花钻刃磨是麻花钻制造工艺过程的一个重要工序，其质量好坏对麻花钻 的切削性能和使用寿命起着关键的作用。 随着机械制造技术向集成化、智能化等方向发展，其对刀具的材料及制造也提出了更高的要求。如何实现 麻花钻 高精度、高效率、高可靠性和专用化，已成为未来机械领域研究 的主要课题之一。 钻头是机械制造中常用的刀具之一，用来 加工各种孔。钻头在机械加工中起着非常重要的作用 ，消耗数量也较 多。麻花钻 和其他刀具一样，切削一段时间就会变钝，此时必须进行刃磨后使用，否则， 钻头 一旦报废，只能再买新的，大大提高了制造成本。目前国内大部分厂家的 钻头 是在砂轮机上手工刃磨或在万能工具磨床上刃磨。手工刃磨主要依靠于工人师傅的技能，刃磨质量取决于工人技术水平，刃磨精度难以保证；在工具磨床上利用调整三向钳来刃磨，此种方法由于调整比较复杂，刃磨效率低下，实际应用较少。所以，这两种刃磨方法有很大的弊端，急需要改进。 近些年来，数控机床、加工中心以及柔性制造单 元在加工领域中得到迅速普及，而这些先进的加工装备也只有依靠先进、精密的切削刀具才能充分发挥其加工性能。数控机床对刀具的几何形状精度、表面质量等要求很高，国内由于长期对工具技术重视程度不 够，麻花钻 的加工水平与国外产品相比具有很大的差距，导致在引进国外先进数控设备的 同时也不得不引进配套麻花钻 及刃磨设备。目前，国内还缺少专门刃磨麻花钻 的经济型数控车刀刃磨机。 基于以上因素，最终确定了本课题的研究方向 “依靠数控技术，开发出经济可行 的刃磨设备。”研究目的就是要提高 钻头 的刃磨质量，降低制造成本，提高生产效率；通过对 钻头 刃磨的数控研究，实现对 钻头 的自动刃磨，减少工人的工作强度，满足生产的需求。本课题主要对 钻头的几何结构和刃磨方法进行分析，建立了钻头 各刀面的数学方程和运动 方程；设计出一种经济可行的刃磨装置并运用单片机控制技术来实现钻头 后陕西理工学院毕业设计 第 2 页 共 28 页 刀面的自 动刃磨。 1 2国内外发展状况及趋势 1.2.1刃磨设各发展与现状 在麻花钻 刃磨以及其它形状刀具刃磨技术和数控研究方面，近些年来国内外专家作了不 少的研究工作，也开发出一些较先进刀具刃磨设备 目前国外的工具磨床生产均采用数控万能工具磨床和 CNC磨削加工技术，其主要优点有： 一次装夹、定位，即可完成刀具所有加工表面的加工，能够很好的保证刀具精度； 数控万能工具磨床具有复杂运动控制能力，可以满足复杂形状刀具的加工要求； 通过改变加工程序就可以实现对不同类型、不同规格刀具的加工； 采用先进的自动检测装置和方法，有效的保证刀具的定位精度和加工精度； 数控万能工具磨床一般采用标准砂轮进行刀具的加工，降低修磨成型砂轮的成本，提高了加工效率 25-26。 近几届的国际机床展览会上美国、德国、瑞典、瑞士等国都展出的多轴 (五轴及五轴以上 )联 动数控万能工具磨床都可以用来制造和刃磨各种刀具。 德国 Walter27公司的 HELITRONIC POWER PRODUCTION CNC工具磨床是一台生 产型(PRODUCTl0N)五轴 CNCI具磨床，可用于制造各种金属切削刀具。机床配有测量定位系统，将测头固定安装在磨头上，用于实现刀具定位，可缩短磨削周期。该机床采用 Walter公司自己开发的专用数控系统 HMC500及其软件。除了能提供各种通用刀具磨削软件外，它还开发了一种新的“灵活编程”软件，通过该软件可以设计刀具。 瑞士 SCHNEEBERGERl公 司的 GEMINI CNC工具磨床是一台五轴 CNCI具磨床，它 主要用于生产和修磨各种不同形状的 小尺寸刀具 。机床采用立柱移动式布局结构，刚性好，结构紧凑，精度高，同时配有自动测量系统，方便刀具的安装及磨削，它采用一个固定安装的三维测头，既可用于测定刀具毛坯几何形状，在刀具修磨前测量又可用来保证刀具磨 削质量，它适合于磨削各类刀具。 还包括有日本 (株 )宇都宫制作所开发生产的 SGR 003A型全自动小直径刀具磨床，五轴五联动的 JUNGNER560cNC工具磨床，美国 HUFFMAN公司的 HS 87R型数控工具磨床，日本 牧野公司的 NX 40型十轴数控工具磨床等都是技术先进，性能优越的数控机床。 陕西理工学院毕业设计 第 3 页 共 28 页 我国在过去的几十年里，由于对工具技术重视不够，导致在引进国外先进数控设备的同时，由于国内刀具质量不过关 (材料和刃磨技术都有很大差距 )，不得不同时进口刀具及刃磨设备，其几个相当昂贵，而且仅配有限的刃磨软件，如需刃磨各种刀具，真正实现机床的价值、充分发挥其优势还需另购其软件，生产成本更高了。这些厂家为了保持技术垄断，其系统往往是封闭的，用户想自行开发应用软件是非常困难的。万能数控磨床价格远远高于普通的加工中心，由此可见其技术含量较高。 国内在数控工具磨床的研究、开发方面起步较晚，可以说是从 80年代中期开始的，其研究、开发还处于样机或单台极少量试生产阶段。近些年，我国已有几家在研制数控工具磨床，取得了一些成就。武汉机床厂的 MK6025 3数控万能工具磨床是最近研制成功的新一代工具磨床。该机床采用了华中 I型数控系统，实现三轴联动，并且配有华中理工大学各种刀具加工软件，能自动完成各类普通及复杂刀具的加工或刀具的刃磨，解决了普通工具磨床需要附件才能解决的复杂磨削问题。该机床还配备测量系统，在数控系统测量软件支持下，将被磨刀具 的有关几何参数 (如螺 旋角或导程 )及安装位置 (如起始点位置 )等参数自动输入计算机系统，自检测系统可以自动判断加工刀具的起始点，自动生成加工程序并实现整个加工过 程的自动磨削。 湖南大学研制的 MK6340 3数控群钻刃磨机床。该机床五轴数控，交流伺服驱动，液压夹紧， TVGA彩显，中文操作界面，固化一组标准群钻刃磨程序，使用这些程序时用户只需输入钻头的特征参数即可进行刃磨。用户可用标准数控语言进行编程，自行开发新钻型刃磨程序。可刃磨群钻、螺旋面钻、双平面钻及其它钻头。目前己有产品。 陕西理工学院研制的“内锥面钻头刃磨机 项目通过了陕西省 科技厅技术成果鉴定，结论为“属国内首创，居国内领先水平 ， 2003年获陕西省科学技术三等奖，并获国家专利。该成果已在生产实际中推广应用，取得了明显的社会经济效益。现在还在研究与开发“智能铣刀刃磨机 和“智能车刀刃磨机”等项目。 此外，北京航空航天大学从七十年代开始，在刀具刃磨方面开展了一系列的工作，先后研制开发了四代数控刀具刃磨机床。四代刃磨机都采用步进电机作为驱动单元，控制系统依次为单板机、单片机及微机。第一代为六轴数控刃磨机，第二代为七轴数控群钻刃磨机，它们的控制机采用 TP841单板机，上位机采用 APPLE II微机。第二代的改进型为单片机控制系统。第三代刃磨机采用美国 HUFFMAN工具磨的结构，控制系统采用工业 PC机为上位机，单片机为控制机。第四代采用六杆结构，在世界上率先将虚轴的结构引 进到刃磨机上。 还有华中理工大学研制了 MK6026六轴五联动数控刃磨机，咸阳机床厂开发陕西理工学院毕业设计 第 4 页 共 28 页 的 MK6025 3数控万能工具磨床，营口冠华机床厂的 M6025K万能工具磨床和武汉机床附件厂的 GW 1万能磨刀机，均为普通型工具刃磨机床。 1 2 2发展趋势 通过以上刃磨设备的发展状况，不难看出数控刃磨是未来的发展方向。机械式刃磨机，它 的刃磨运动由齿轮和凸轮来实现，要在一个刃磨机上实现多品种多规格的工具的刃磨，机床机构复杂，同时需要附带许多配件，即使这样也只能刃磨系列的产品，而不能刃磨用户随意要求的刀具。数控刃磨机的刃磨运动由数控轴运动合成，理论上可以实现各种刃磨，调整简便，功能扩展容易。随着数控技术的日益发展，数控系统成本的下降，可靠性增强， 开发、使用和维护越来越简单，其性能价格比将远远高于机械式自动刃磨机，而且它更能适应未来市场小批量多品种多样化的需求，更有利于计算机集成制造。 1 3存在的主要问题 国内大部分厂家的对 麻花钻 的刃磨， 还停留在由技术工人手工刃磨阶段，而手工刃磨主要依靠工人的技能，刃磨质量受操作者技术水平的影响。工人劳动强度大， 麻花钻几何角度不易控制，一致性差，随意性大，自动化程度低，刃磨效率低下，刃磨质量无法保证。 在麻花钻 数控刃磨技术研究方面，国内起步较晚，相关的设备和数控系统主要依赖于进口，因此，刀具的数控刃磨技术受到了很大的局限性。 国外对于刀具的数控刃磨的研究较早，开发的设备主要是三轴、多轴联动的大型数控工具磨床或磨削加工中心，它们的价格昂贵，对于普通的车刀刃磨来讲，进口的成本过高， 不合乎国情。 1 4课题来源与 主要研究内容 本课题是内 锥面钻头刃磨机机械部分设计 课题 的主要内容为： (1)分析 麻花钻 的本结构参数、几何角度和刃磨方法，建立车刀各刀面的方程和刃磨装置的数 基 学模型。 (2)设计一种新的 麻花钻 自动刃磨装置，分析其刃磨参数和刃磨运动。 (3)采用 AT89C51单片机作为控制核心，以步进电机作为驱动单元，根据系统功能，扩展了外部 EPROM、 RAM、键盘显示、信号采集等硬件，并进行主控部分和外部接口电 路陕西理工学院毕业设计 第 5 页 共 28 页 设计。 (4)采用模块化程序设计方法，对刃磨控制系统进行软件设计。整个系统软件分为监控主程序模块、键盘输入和显示模 块、数据采集模块、步进电机控制模块、故障诊断模块等，整个软件采用 Keil C语言编写，以 uVision2作为开发环境。 (5)单片机硬件和软件系统抗干扰设计，保证整个系统在运行过程中的稳定性和可靠性。 其中（ 3）、（ 4）、（ 5）由我们一组的做内 锥面钻头刃磨机控制部分设计的同学完成。 1 5创新点 (1)本课题根据国内 麻花钻刃磨现状，设计一台麻花钻刃磨角度自动调整的经济型数控装置，能提高麻花钻 刃磨效率，减少工人劳动强度。 (2)系统 采用单片机控制技术组成开环伺服系统，实现对刃磨的运动控制，提高麻花钻 刃磨的精度 。 陕西理工学院毕业设计 第 6 页 共 28 页 2. 麻花钻刃磨 的理论分析 麻花钻 是金属切削加工中使用最广泛刀具，它可以在各种零件加工中使用，其种类较多，由于它的作用不同，因此，它的形状、尺寸、结 构等也就不同。本章只研究普通外 麻花钻 的几何特征以及参数，以下对钻头进行分析。 2 1钻头几何特征 图 2.1 陕西理工学院毕业设计 第 7 页 共 28 页 图 2.2 2 2 钻头刃磨原理 麻花钻是一种常用的孔加工刀具 ,制造和刃磨麻 花钻常采用内 锥面法刃磨。内锥面刃磨法是刃磨麻花钻的一种新方法 ,刃磨原理如图 1 所示 ,砂轮修 成内锥面 ,钻头放在砂轮的内锥面上磨削 ,形成麻花钻的圆锥面后刀面。刃磨钻头时 ,通过修整砂轮半锥角 ,调整轴间角 、锥顶距 A 、偏距 e 、附加旋转角 ,可使钻头得到所需的后角 ,横刃斜角 和顶角 2 。根据参考文献 ,为使钻头刃磨后得到合理的主切削刃外缘后角 ,横刃斜角 和顶角 2 。 图 2.3 2.3 内 锥面刃磨参数的确定 2.3.1 优化 优化刃磨参数 根据参考文献 , 为使钻头刃磨后得到合理的主切削刃外缘后角 ,横刃斜角 和顶角 2 ,建立锥面与钻头几何角度的理论计算公式 ,考虑到砂轮的结构及刃磨中钻 头与陕西理工学院毕业设计 第 8 页 共 28 页 砂轮不得干涉等约束条件 ,对半锥角 ,轴间角 、锥顶距 A 、偏距 e 、附加旋转角 五个刃磨参数进行优化 , 就可得到麻花钻的优化刃磨参数 , 即 :每一直径的麻花钻在要求的刃磨角度下对应着几组刃磨参数。考虑到砂轮的结构及刃磨中钻头与砂轮不得干涉等约束条件 , 对刃磨参数进行了优化 ,表 2. 1列出了0d = 3 20mm 范围内部分麻花钻的优化刃磨参数。 半锥角 29 轴间角 30 （ 20 35） 直径 (mm) ( ) e(mm) A(mm) 后角 （） 横刃斜角 （） =3 25 0.6 2.7 13.91062 54.17435 =4 25 0.8 3.6 13.91061 54.17435 =5 25 1 4.5 13.9106 54.17428 =10 25 2 9 13.9106 54.17428 =15 25 2.3 10 11.9906 53.07282 =20 25 3.1 14 11.93252 54.28738 表 2.1 2.3.2 刃磨参数的确定 轴间角 : = 标准麻花钻 2 = 118 , 0 即 : 59 图 2.4所示 ,砂轮半锥角 较小时 ,钻头柄部及装夹钻头夹具与砂轮锥面发生干涉。 图 2.4 陕西理工学院毕业设计 第 9 页 共 28 页 刃磨标准麻花钻时 , 当 = 29. 5 钻头柄部与砂轮锥面母线相平行 ,可利用较 多地锥面来磨削钻头。 为使钻头刃磨方法简单 ,便于调整 , 刃磨参数易优化 , 轴间角 、砂轮半锥角 取为定值。取 = 30 ,则 = 29 。 当刃磨 钻头顶角 2 不是标准值时 ,轴间角、砂轮半锥角取 : = = / 2 。 锥顶距 A 是钻尖中心点到内锥面顶点的距离 , A 的大小随钻头直径变化 , 直径越小 , A 值越小。 刃磨钻头 , A 值较大时 ,钻头靠近砂轮外口处 ,观察操作方便便于刃磨 ,确定刃磨参数应选取 A 值较大优化刃磨参数组。 偏距是钻头中心低于砂轮锥面中心的距离 ,钻头附加转动角度是被磨削的主切削刃水平安装后再附加转动一个角度。 2.3.3 刃磨参数调整方案 （ 1） 砂轮半锥角、轴间角调整 内锥面是通过金刚笔修磨出来的 ,将钻头换为金刚笔 , 当金刚 笔沿着锥面母线方向直线移动 ,沿着自身轴线方向进给 ,就可修磨出半锥角为 的内锥面。 修磨内锥面和刃磨钻头一样 ,需要满足 : = + 关系。当砂轮轴线位置确定时 ,钻头夹具应调整 角度 ,同时钻头夹具体调整成能够沿锥面母线方向运动。 （ 2） 锥顶距的调整 （ 3） 图 2.5所示 , O 为锥面顶点 ,调整锥顶距大小时 ,可使钻头沿 EF 方向或 EO 方向移动 , 为了调整简单 ,同时可修磨砂轮内锥面 ,选择钻头沿 EO 方向移 动调整锥顶距 A 的大小 ,但 A 的大小很难测量 ,无 法保证精度要求。 图 2.5 修磨砂轮内锥面后 ,可测量出砂轮口径 D ,刃磨时以 E 点为基准 ,沿 EO 方向进给 L 时 , 陕西理工学院毕业设计 第 10 页 共 28 页 A 值的计算公式为 : A =Dsin 2sin - L sin -d0/2。 （ 4） 偏距、附加转动调整 初始位置砂轮中心与钻头夹具中心调整为同高 , 通过升高砂轮调整偏距 e 值。装夹钻头的夹具能够调整转动角度 且调整后能够锁紧。同时 ,当一切削刃磨完后 ,夹具转动180 刃磨另一切削刃 ,起到分度作用 ,保证了两切削刃的对称性。 2.4 内锥面钻头刃磨机设计 2.4.1 刃磨机工作原理设计 设计刃磨标准麻花钻的刃磨机 ,砂轮半锥角、轴间角参数成为定值 ,所以选取 = 30 , = 29 。刃磨不同直径的钻头 ,半锥角、轴间角参数是定值 ,需调整的刃磨参数只有 :锥顶距 A 、偏距 e 、附加转动角 三个参数。 A 、 e 、 三个刃磨参数对不同直径的钻头其大小不同。为了准确调整 A 、 e 、 的大小 ,采用步进电机驱动 ,单片机控制。 装上金刚笔 ,通过手动驱动水平丝杠使金刚笔沿砂轮锥面母线往复移动和轴向进给丝杠修磨内锥面。刃磨麻花钻 , 将切削刃调整为水平位置安装在夹头上输入刃磨钻头直径 ,机床自动选择优化刃磨参数调整 A 、 e 、 值 ,然后手动轴向进给刃磨 ,得到合理的钻头几何角度。 2.4.2 砂轮主轴转速计算 砂轮转速为 n ,麻花钻切削刃外缘 B 点对应的砂轮口径 DB ,图 3 示 , DB 的 计 算公式 :DB =2sin ( A + d0/ 2)/sin (mm) B 点的切削速度 : VB =n DB/60000(m/s) 砂轮转速 : n =60000VB/ DB(rpm) 若刃磨 20钻头 ,砂轮口径 DB =26.76 ,切削速度选取 VB =15(m/s) ,砂轮转速 n = 10 710 (rpm)。 表 5 列出了主轴转速 : n=15000(rpm) 时 ,麻花钻切削刃外缘点的切削速度。可以看出 ,切削速度随着钻头直径的减小 , DB 减小 , V B 减小 ；磨削小钻头时切削速度 V B 较低 ,钻心处的切削速度更低。切削速度较低时导致砂轮磨削切削不锋利 ,磨削效率低 ,且砂轮易磨损。内锥面刃磨 ,砂轮口径受到刃磨参数的制约 ,砂轮的径向尺寸小 ,只能通过提高砂轮的转速来提高线速度。刃磨机刃磨钻头直径范围与砂轮转速选取 : 陕西理工学院毕业设计 第 11 页 共 28 页 钻头直径0d（ mm） 砂轮口径BD（ mm） 切削速度Bv（ m/s） 5 8.73 6.9 10 15.37 12.1 15 19.53 15.3 20 26.76 21 表 2.2 砂轮的切削速度 d0 20时 ,砂轮转速取 :n =8000(rpm)。 2.4.3 砂轮选择与安装 由于砂轮的 外锥面 锥面结构 ,切屑不易排除 ,造成砂轮堵塞 ,使砂轮变钝。在选择砂轮时 ,应注意考虑 外 锥面磨削不易排屑 ,外锥面的修磨及修磨后应有较长的使用时间等因素。外 锥面刃磨砂轮应比一般刃磨刀具砂轮 硬度大、粒度大、组织松。选择专用外 锥面金刚石砂轮 ,不需要修磨内锥面且切削性能好。 砂轮与主轴连接 ,刃磨钻头直径 d0 10 时 ,砂轮外径较大 ,砂轮内孔也大 ,砂轮可采用螺钉压紧连接在主轴上。当刃磨钻头直径 d0 10 时 ,砂轮直径较小 ,砂轮内孔也小 ,可用磷酸和氧化铜把砂轮粘结在主轴上。 2.4.4 麻花钻的夹具 刃磨麻花钻时 ,为了保证钻头具有一定的刚度 , 防止振动 , 钻头伸出不能太长 , 所以不能夹持在柄部 ,应夹持在钻头的杆部。麻花钻的杆部由两条螺旋刃带组成 ,为使钻头定位可靠 ,采用长爪型四爪夹头 ,保证对称四点定位夹紧。 2.4.5 磨削散热 外 锥面刃磨麻花钻是由砂轮的锥面形成钻头的后刀面 , 属于成型磨削。钻头与砂轮面接触 , 摩擦大 ,磨削发热大 ,干磨削钻头易烧伤。采用乳化液喷射冷却磨削 ,可有效解陕西理工学院毕业设计 第 12 页 共 28 页 决磨削散热问题 ,刃磨出合格的钻头 ,同时喷射的冷却液有利于切屑的排除。 2.5 修磨内锥面及试磨 在三爪卡盘上装夹金刚笔 ,启动砂轮横向刀 ,纵向往复进给修磨内锥面 ,通过测量内锥面大端口径 D 控制内锥面的大小。修完内锥面 ,将 砂轮主轴轴线相对三爪卡盘轴线升高偏距 e 。麻花钻主切削刃处于水平位置时装夹在三爪卡盘上 ,为保证装夹定位可靠 ,先将麻花钻装在弹性套内。调整分度头使麻花钻附加转动角度 后锁紧 ,主切削刃外 缘点对在砂轮端面上 ,纵向移动工作台调整 L 值保证锥顶距 A 。 D、 、 A 、 L 、 、 d0 之间的关系如下 : A=Dsin /2sin -Lsin -d0/2 启动砂轮 ,横向进给刃磨后刀面 ,当磨完一个后刀面 ,记下刻度值退刀 ,麻花钻转动 180后锁紧 ,磨削另一后刀面进给至上次刻度值 ,退刀磨削完毕。 2.6 内 锥面 刃磨机的特点及应用 2.6.1 内 锥面刃磨机的特点 内锥面钻头刃磨机由砂轮的内 锥面形成麻花钻的后刀面 ,无须摆动夹具 ,因而机床结构紧凑 ,尺寸较小 ；采用优化刃磨参数 ,计算机控制自动调整刃 磨参数 ,刃磨的钻头几何角度精确且两切削刃对称性好 ,特别适合刃磨使用要求较高的钻头 ,如数控机床用麻花钻 ；内 锥面钻头刃磨机 ,只需输入钻头直径 ,机床自动调整 ,可以精确刃磨不同直径的钻头 ,机床操作简单 ,适用于一般机械制造厂的工具车间或磨刀站。 2.6.2 内 锥面刃磨机的应用范围 内锥面钻头刃磨机适合刃磨 3 20 直径尺寸范围的钻头。钻头直径较小时 , A 值较小 ,刃磨口径较小 ,砂轮转速受到主轴结构、润滑、传动件精度等限制 ,很难满足切削速度的要求 ；钻头直径较大时 ,接触面积大 ,磨削面积大 ,磨削效率低 ,发热大 ,易烧伤钻 头 ；内 锥面法刃磨应注意砂轮的选择和冷却液的使用。 2.7 本章小结 陕西理工学院毕业设计 第 13 页 共 28 页 本章分析了麻花钻的几何特征，阐述了刃磨原理以及刃磨方法，为下面的刃磨装置的机械系统设计和控制系统硬件和软件提供了理论依据。 陕西理工学院毕业设计 第 14 页 共 28 页 3. 钻 头刃磨装置的机械系统设计 目前，在我国大部分厂机械制造厂家对于车刀用钝后的重磨主要是在砂轮机上手工刃磨，或者是在万能工具磨床及其变形、改进型设备上借助附件手工操作完成。这样不仅加工效率低、成本高、劳动强度大，而且刃磨的质量难以保证。对 于越来越要求高精度、高效率的现代机械加工是远远不能满足的，因此迫切需要对车刀等刀具常规的刃磨工艺及普通刃磨机床必须进行变革 。 3 1伺服驱动系统的设计计算 车刀刃磨装置的机械系统设计包括伺服驱动系统的设计计算，丝杠螺母副的设计计算。伺服驱动系统的设计计算包括脉冲当量的计算、减速蜗轮蜗杆副的选择、角度的换算和步进电机选型。下面详细阐述一下设计计算的内容。 3.1.1 脉冲当量的计算 参照普通工具磨床的参数，其定位精度一般在 O.Olmm O.005mm，根据设计结构的要求，刃磨装置对定位精度要求不高， 可选脉冲当量 p=0.01mm/step。 确定刃磨装置的基本参数为： 1. 刃磨钻头直径范围： 3mm 20mm 2. 砂轮 砂轮规格：外径宽度孔径 = 125 30 40（ mm） 砂轮线速度： 18m/s 3.纵向溜板移动机构 最大行程： 200mm 手轮转一格移动量 ： 0.05mm 手轮转一圈移动量： 4mm 4.横向溜板移动机构 最大行程： 120mm 手轮转一格移动量： 0.05mm 手轮转一圈移动量： 4mm 陕西理工学院毕业设计 第 15 页 共 28 页 5.钻头主轴机构 主轴内移动套莫氏锥度：莫氏 3号 莫氏锥套移动量： 110mm 主轴刻度盘刻线单位 :度 主轴座最大升高量： 20mm 6.电气系统 电源： 380V、 50Hz；电机功率： 0.55KW；电机转速： 2800r/min 7.机床外形尺寸：长宽高 750 700 600（ mm） 8.机床 净重： 100Kg 丝杠螺母副的选择： 选用单螺母内循环式丝杠螺母副，如上图所示，具体结构如下： 陕西理工学院毕业设计 第 16 页 共 28 页 初步选用型号为 FF1204 3公称直径为 16、公称导程为 4的单螺母内循环式丝杠螺母副。 初选步进电机的步距角为： Ob=0.9 ，步进电机每发一个脉冲 (0.9 )，丝杠螺母移动的距离为： p=0.9 4 1/360=0.01mm 因此，步进电机和丝杠螺母副之间无需加减速装置，脉冲当量 p。可以满足 所需精度。 3 1 2步进电机的选型与计算 步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度 (称为“步距角” )，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。步进电机可以作为一种控制用的特种电机，利用其没有积累误差的特点，广泛应 用于各种开环控制。 1） 步进电机的性能指标是： （ 1） 步距角b 指每给一个电脉冲信号，电动机转子所应转过角度的理论值，可有下列公式来计算： b=mkz360 陕西理工学院毕业设计 第 17 页 共 28 页 式中， m为电动机相数； z为转子齿数； k为通电方式系数，当采用单三拍或双通电方式时， k=1；而采用三相六拍通电方式时， k=2。 (2)精度 通常步进电机的精度有两种表示方法：一种用步距误差的最大值来表示；一 种用步距累积误差最大值表示。前者是指电动机旋转一圈内相邻两步之间最大步距和理想步距的差值，用理想步距的百分数表示；后者是指任意位置开始经过任意步之后，角位移误差的最 大值。 (3)转矩 保持转矩 (或定位转矩 )，是指绕组不通电时电磁转矩的最大值，或转角不超过一定值时的转矩值。通常反应式步进电机的保持转矩为零，而若干类型的永磁式步进电机具有 一定的保持转矩。 静转矩是指不改变控制绕组通电状态，即转子不转情况下的电磁转矩。它是绕组内的电流及失调角 (转子偏离空载时的初始稳定平衡位置的电角度 )的函数。当绕组内 的电流值不变时，静转矩与失调角的关系称为矩角特性。对应于某一失调角时，静转矩的值为最大，称之为最大静转矩 (Tk)，它的值取决于通电状态及绕组内电流的值。动转矩是指转 子转动情况下的最大输出转矩值，它与运行频率有关。 (4)响应频率 在某一个频率范围内，步进电机可以任意运行而不丢步，则这一最大频率称为响应频率。通常用启动频率后作为衡量指标。它是指在一定负载下直接起动而不丢步的极限频率。 (5)运行频率和矩频特性 运行频率是指频率连续上升时，电动机能不失步运行的极限频率。它的值也与负载的大小有关。在相同负载情况 下，连续频率尼的值高于响应频率或起动频率后的值。运行矩频特性是指在负载惯量不变时，运行频率与负载转矩之间的关系，称之为运行矩频特性。起动矩频特性是指在给定的驱动条件下，负载惯量一定时，起动频率与负载转矩之间的关系称为起动矩频特性。它们之间的关系典型曲线如图 3.2所示，起动矩频特性是牵入转矩与频率之间的关系曲线，运行矩频特性是失步转矩与频率之间的关系曲线。 陕西理工学院毕业设计 第 18 页 共 28 页 图 3.2 起动矩频特性与运行矩频特性曲线图 图中当工作在 I区范围内，步进电机可以直接停止和再起动，或者反向转动，而不会失步。步进电机在 I区的工作速度上所产生的最大力矩坐标位于起动矩频特性曲线上，起 动矩频特性曲线与纵坐标的交点为最大静力矩，与横坐标的交点为最大起动频率。 II区为 单向工作区，在此区电机不能直接启动，若电机不停止、起动和换向，在此区域内工作，电机不会失步。为了在 II区内工作，电机必须首先在 I区内工作，然后利用控制加速度斜坡，转变到 lI区。若达到不失步停止时，也要在限制加速度的条件下，由 II区转移到 I区，在减速时惯性反作用力矩为负，对电机有利。 III区为失步区域，在任何情况下都是不允许的。 (6)起动惯频特性 起 动惯频特性是指负载力矩一定时，起动频率与负载惯量之间的关系称为起动惯频特性或牵入惯频特性，如图 3 3所示。 陕西理工学院毕业设计 第 19 页 共 28 页 图 3.3 惯频特性曲线 上述各项是步进电机驱动系统的综合指标，是生产厂家产品出厂时提供的。这些指标是步进电机及其驱动器选用和静动态特性计算的重要依据。 2） 步进电机的选取原则 步进电机在工作中要求能严格跟随指令脉冲，不发生失频、振荡；能快速起动、停止、正反转和高效运转；能满足各项性能指标且具有良好的动态特性。步进电机在选用时首先必须保证步进电 机的输出功率大于负载所需的功率，使 电动机的矩频特性能满足机械负载并有一定余量以保证运行可靠，一般来说，大静转矩Tm缸大的电动机，负载转矩也大，通常取 Tm缸厂 r=0 2-0 5。 此外在选择步进电机时，应当估算机械负载的负载惯量和机床要求的启动频率，使之与步进电机的惯性频率特性相匹配还有一定的余量，使之最高速连续工作频率能满足机床快速移动的需要。 选择步进电机时，应使步距角和机械系统匹配，这样可以得到机床所需的脉冲当量。因此，步进电机的合理选择是保证电机安全、可靠、经济运行的重要环 节。 1.步进电机的选取计算 步进电机有步距角 (涉及到相数 )、静转矩和相电流三大要素组成。三大要素确定下来，步进电机的型号就能确定下来了。考虑到步进电机的步距角要小，且有较高的起动和运行频率。初步选用型号为 57BYGH203两向混合式步进电机，如图 3 4所示和 图 3.5： 陕西理工学院毕业设计 第 20 页 共 28 页 图 3.4 57BYGH203型混合式步进电机 图 3.5 SH-2024A型步进电机驱动器 57BYGH203型混合式步进电机的优点是步距角较小，有较高的起动和运行频率，消耗功率小，有 定位力矩，兼有永磁式和反应式两种步进电动机的优点，结构复杂。同时还具有良好的内部阻尼特性，因而运行平稳，无明显的低频振荡区，噪音小，可靠性高。既可用于组建稳定、可靠的开环系统，也可用于组建闭环系统。其主要性能参数如表 3 1所 示 型号 相数 步距角 电压 电流 静转矩 定位转矩 转动惯量 重量 DEG V A Kg cm Kg cm 2cmKg Kg 57BYGH203 2 0.9/1.8 . 2.4 1.5 9 0.7 0.26 0.65 表 3.1 57BYGH203型步进电机主要参数表 根据以上对于步进电机的选取原则，结合系统的实际应用，对几项参数进行计算如下： 陕西理工学院毕业设计 第 21 页 共 28 页 a.负载转矩的估算 精确计算驱动系统的转矩是比较复杂的，习惯的做法是根据实际装置实测求取，在选抒步进电机时，常常使用近似的公式，先估算出负载的转矩，从而为选定步进电机提供 依掘。 根据设计要求，估算电机的负载转矩。 fl机械结构可知。电机驱动丝杠螺母剐再刘刀架，该直线运动系统换到电动 机轴的负载转矩 t一般由下式估算： LT=i2 DWF ）（ 式中 F-直线运动机械的轴向力， kg： D-丝杠螺母传动中的丝杠中径， cm； W 负载质量， kg； i 减速传动比； -驱动系统的效率； 滑动摩擦系统。 其中， 3.01.0 取 ， 950.085.0 ， D=1.6cm 由叫磨装置的参数，估算工作平台的总质量 (包括旋转步进电机、蜗轮、蜗杆、刀架等 )为 W=15kg，根据刀具刃磨载荷轻的特点，直线运动受到的轴向力可根据力矩平衡原理计算得出轴向力矩与切向磨削力 Fc的力矩相等，放有： FL1=FcL2 根据磨削手册查得计算切向磨削力 Fc的公式为： Fc=cV2 C F V W f r Btan 式中， Vc 砂轮速度， m s，一般取 Vc-35 m s； VW一工件 速度， m s，取 VW-0 2 m s； FC一切除单位体积的切屑所需的能， kg mm2 ， 查表 3 3取 Cv-1800 kg mm2 ； 一磨粒为圆锥形时的锥顶半角，一般取 =65。 ； rf 径向进给量， mm，取rf=0 01 mm； B 砂轮宽度， mm，取 B=25 mm： 表 3.2 各种工件材料的 CF值 陕西理工学院毕业设计 第 22 页 共 28 页 工具材料 花岗岩 硅 纯铁 铸铁 高速钢 FC（ kg/ 2mm ） 430 550 280 490 1800 故经计算得出切向磨削力 Fc值为： Fc =352 1800 0 01 0 2 25 tan65 =8 66 N已知 L1=90mm， L2=115mm，Fc=15 N，代入式得到轴向力 F=9011566.8 =11.07将以上数据代入 可得： LT = 56.119.02 153.08.9/07.11 ）（kg cm 3.2刃磨装置的总体方案 本毕业设计采用内锥面刃磨的方法对钻头进行刃磨。 麻花钻是孔加工刀具中应用最普遍的一种刀具 , 其后角值规定在圆柱剖面内测量 , 并要求刃磨时将主切削刃上各点的后角磨得大小不等 , 即外缘处后角较小 , 越接近钻芯后角越大。为了满足这一要求 , 制造和刃磨钻头时多采用内 锥面刃磨法 。 这样钻头的后面被砂轮磨成圆锥面 , 越靠近锥顶处半径越小 , 曲率越大 , 从而即可实现主切削刃上各点后角不等 , 越靠近钻芯处后角越大的要求。 用此法刃磨麻花钻可采用专用或改装设备 , 如 6315 型普通钻头磨床和经改装 的外圆磨床 (在床面上安装一个摆动夹具 )。由于砂轮的线速度高 , 又有充足的冷却润滑液 , 所以刃磨效率高 , 刃磨质量也好。但是 , 采用外锥面刃磨法也有不足之处 , 如专用或改装的设备比较大 ； 钻头的几何角度与刃磨参数之间没有定量的函数关系 , 刃磨参数的调整控制多凭操作工人的经验和技艺 , 难以保证刃磨质量的稳定性。 图 3.1为钻头刃磨机的总体设计图 陕西理工学院毕业设计 第 23 页 共 28 页 图 3.1 钻头刃磨机的总体设计图 其主视图大体分布为 本 内锥面钻头刃磨机，它是将刃磨机的磨轮改换成一个内锥面 磨轮， 由控制面板 、底座、垂直步进电机、垂直燕尾副、垂直丝杠螺母副、主电机、 砂轮、三爪自动定心夹头 10、主轴 11、主轴箱 12、旋转步进电机 13、 进刀燕尾副 14、进刀丝杠螺母副 15、进刀燕尾手柄 16、旋转副 17、水平燕尾副 18、水平丝杠螺母副 19、水平燕尾手柄 20、水平步进电机 21等组成。 陕西理工学院毕业设计 第 24 页 共 28 页 其特征在于：砂轮是一个内锥面磨轮，主电机在支架的上端，支架固接在垂直燕尾副的滑动燕尾上，内锥面砂轮通过砂轮接头连接在主电机的轴上，上述的三个步进电机即垂直步进电机、旋转步进电机 13和水平步进电机 21与一个根据五个优化的刃磨参数即 半锥角； 轴间角； 偏距； 锥顶距和钻头旋转角来控制三个步进电机运转的单片机电连接。刃磨机的三个步进电机即垂直步进电机、旋转步进电机和水平步进电机外接一个单片机，单片机根据五个刃磨参数： 半锥角； 轴间角； 偏距； 锥顶距和钻头旋转角来控制三个步进电机的运转。本实用新型的优点是它刃磨的麻花钻，其后角、横刃斜角精度高，并适合多品种、小批量、变化频繁的钻头刃磨，刃磨效率高。 3.3刃磨机工作原理设计 设计刃磨标准麻花钻的刃磨机 ,砂轮半锥角、轴间 角参数成为定值 ,所以选取 = 30 , = 29 。刃磨不同直径的钻头 ,半锥角、轴间角参数是定值 ,需调整的刃磨参数只有 :锥顶距 A 、偏距 e 、附加转动角 三个参数。 A 、 e 、 三个刃磨参数对不同直径的钻头其大小不同。为了准确调整 A 、 e 、 的大小 ,采用步进电机驱动 ,单片机控制。 图 4 为内锥面钻头刃磨机传动原理图 , X 步进电机驱动水平丝杠调整锥顶距 A 值 , Y 步进电机驱动钻头夹具转动调整附加转动 值和分度 ,Z 步进电机驱动垂直丝杠调整偏距 e 值。 装上金刚笔 ,通过手动驱动水平丝杠使金刚笔沿砂轮锥面 母线往复移动和轴向进给丝杠修磨内锥面。刃磨麻花钻 , 将切削刃调整为水平位置安装在夹头上 ,输入刃磨钻头直径 ,机床自动选择优化刃磨参数调整 A 、 e 、 值 ,然后手动轴向进给刃磨 ,得到合理的钻头几何角度。 陕西理工学院毕业设计 第 25 页 共 28 页 主电机z 3.4 刃磨运动特性分析 由第二章的 麻花钻 刃磨的理论分析和本章对刃磨装置的机械系统设计，对于 麻花钻的刃磨而言，其刃磨运动主要是通过刃磨装置实现刀架的三轴独立旋转运动。本控制系统主要通过三个步进电机分别控制三个轴的旋转运动来实现 麻花钻 的刃磨运动。 3.5 刃磨工作流程 在实际刃磨中，刃磨位置的调整工 作是由程序自动控制的，应尽可能减小空行程，刃磨的横向和纵向的进给运动还是靠手动来完成。且考虑到计算和程序编写简单，故拟定如下工工艺方案： (1)坯料准备：只需准备粗磨 钻头内锥面的坯料 即可。 (2)修整砂轮；