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机械毕业设计394冰刀研磨机设计,机械毕业设计论文
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毕业设计说明书 题 目： 冰刀研磨机设计 专 业： 机械设计制造及其自动化 学 号： 姓 名： 指导教师： 完成日期： 2014 年 5 月 28 日 nts 目 录 摘 要 .1 ABSTRACT.2 1 绪论 .3 1.1 研究的背景、目的和现实意义 .3 1.2 冰刀研磨技术概述 .4 1.3 国内外研究状况 .6 1.4 主要内容 .6 2 冰刀研磨机总体结构 .8 2.1 冰刀研磨机的主要指标 .8 2.2 冰刀研磨机的基本要求 .8 2.3 冰刀研磨机总体布局 .8 2.4 主要部件的设计和选择 . 10 2.5 磨削力的计算 .12 2.6 冰刀的裝夹技术 . 12 2.7 本章小结 . 15 3 冰刀研磨的数控加工工艺 . 16 3.1 数控研磨的特点 . 16 3.2 影响冰刀研磨质量的因素 . 16 3.3 磨料的选择 . 18 3.4 砂轮的结构 . .19 3.5 冰刀与砂轮位置关系 .19 3.6 砂轮的修整 . 20 3.7 本章小结 .22 4 冰刀研磨机控制系统方案 .23 4.1 系统的硬件结构 . 23 4.2 研磨的运动控制分析 . 23 4.3 砂轮恒线速度的控制 . 24 4.4 本章小结 .25 5 冰刀研磨机机械结 构的几何建模 .26 5.1 SOLID Edge 软件简介 .26 5.2 冰刀研磨机机械结构实体建模过程 .26 5.3 本章小结 .27 6 总结与展望 . 32 7 参考文献 .33 nts 1 冰刀研磨机设计 摘 要 冰上运动的发展对冰刀质量提出了更高的要求，可是冰刀的手工研磨自动化程度低，研磨质量和效率难以得到保证。在国内，本文首次将数控方法应用到冰刀研磨当中去。冰刀的数控研磨需满足设备便携、工艺简单、控制精确、研磨精度高等方面的 要求。本文结合国家体育总局冬奥会攻关项目“便携式数控冰刀测量与研磨机的研制”，围绕上述要求进行了系统的深入研究，具体内容如下： 首先，冰刀数控研磨机的便携性主要体现在其设备本身的质量和体积上。本文针对 影响冰刀研磨设备便携性的因素，提出了两点实现设备便携性的方法。 确定了冰刀研磨机的总体布局和关键元部件的选取，冰刀采取立式，工作台采取卧式， 尽量缩小设备的尺寸。 PC 机通过打印机接口直接连接冰刀研磨设备，实现 PC 机直接数控，从而去掉了传统数控设备中的工控机，以满足冰刀研磨机便携性的要求。 其次，本文分析了影响 冰刀加工质量的因素。结合这些因素，制定了冰刀研磨的加工工艺。冰刀采取粗磨、精磨、抛光磨三级研磨，控制系统根据研磨总量自动生成研磨工艺。研究设计了冰刀研磨的专用砂轮，同时根据砂轮的磨损机理，提出了砂轮修整方法。 最后，在基于华中开放数控平台的基础上，开发了冰刀研磨的系统控制软件。设计了冰刀研磨砂轮的特殊运动方式采用 CNC-PLC 模拟量单元的数据及信号处理环节，用变频器来实现对砂轮主轴电机的控制从而保证砂轮以恒定的线速度进行研磨加工。将面向对象编程技术应用到冰刀的数控编程中，使数控编程变得简单易懂。系统软件 提供了友好的人机界面，使人机交互变得容易，更适合于运动员操作使用，同时，系统还提供了加工在线仿真功能，使研磨加工过程变得形象而具体。 关键词 ： 冰刀 数控研磨机 便携式 砂轮修整 面向对象编程 nts 2 Abstract The development of ice-sports brings more demands to the quality of skates. Aiming at the disadvantages of skates hand-whetting which are poor quality, low automation and efficiency, skates numerical control whetting is proposed in this thesis. Combining with the project of “Development and Research of Portable Numerical Control Skates Muller” from National P.H general bureau, systemic research on the portability and precision and whetting process of skates is madden in this thesis. Firstly, portability is a very important key demand of skates muller, it is mainly embodied in its equipment. After the analysis of effect factors of portability, two methods are put forward according to equipment portability. The general layout of skates muller and its key parts are brought out. Skates are equipped upright, workbench is mounted horizontally， shorten the size of equipment as possible as can. Through the self-made circuit board that connected with the print port, skates muller is treated as peripheral equipment and is controlled by PC directly. Special skates clamp is developed in order to ensure the fastness rigidity. Secondly, the factors that influence the precision of skates, are analyzed. Based on these analyses and general amounts of skates, the process of whetting can be created automatically by control system. The whetting can be carved off three steps: rough whetting, accurate whetting, and polishing whetting. the researches on the grade whet of skates, the structure of grinding wheel are given. The adjustment method of grinding wheel is given based on the research of wear and tear mechanism. Finally, on the basis of hardware system of HNC ( Numerical Control ), the control system of whetting of skates is brought out. the special motion of grinding wheel is proposed. Through CNC-PLC data and tache of signal disposals of simulation unit, principal axis AC motors is controlled by transducer. hence, the constant thread speed of grinding wheel combining with the principal axis motor is gained. the object-oriented programming is used in the mullers control system, which provides the friendly interface that causes the alternations between machine and operator to become easier, and suits for athletes. And system also provides online simulation of machining process which makes the whetting process more visually. Keywords: Skates NC muller Portable Adjustment of grinding wheel Object-Oriented Programming nts 3 1 绪 论 1.1 研究的背景、目的和意义 本次研究课题来源于国家体育总局 2006 年冬奥会攻关项目“便携式数控冰刀 测量与研磨机的研制”，项目编号 03038，本文属于项目中的冰刀数控研磨机部分。滑冰运动起源于荷兰。 13 世纪中叶 ,荷兰出现铁制冰刀。 冰刀是冰上运动鞋下面的块刀片，它是冰上运动的基础。如图 1.1 图 1.1 冰刀外形示意图 和 1.2 所示，冰刀的刀刃线一般是由几段半径（ 8 10 米）很大的圆弧线组成，刀刃 一般厚 2 毫米。 到了 17 世纪 ,溜冰逐渐发展成为一种运动项目。冰刀是冰上运 动的基础。今天 ,运动员和滑冰运动爱好者取得了越来越好的成绩 .冰刀的质量是一个决定性的因素。然而 ,冰刀使用一段时间后 ,其刃口会变钝 ,这时需要对其重新研磨 ,使其恢复原来的形状。因此 .冰刀的正确研磨对于保障冰刀的滑行质量和提高运动员的运动成绩起着至关重要的作用。 冰刀的研磨分为手工研磨和数控研磨。从研磨质量上说，数控研磨的加工质 图 1.2 两段圆弧的冰刀刀刃线 量要比手工研磨的要高得多。目前，国外已经有商品化的数控冰刀研磨机，而国内目前 在冰刀研磨机领域的研究和开发则比较落后 ,只有少数厂家能生产简nts 4 易磨刀架和磨 刀机。产品技术含量低 ,自动化程度不高 ,冰刀的研磨质量完全取决于操作者的熟练程度 ,严重影响冰刀研磨的效率和质量 ,商品化的手工冰刀研磨机则尚属空白 ,更谈不上全自动的数控冰刀研磨机了 ,这对我国冰上运动的发展是一个极大的制约。因此 ,开发具有自主知识产权的国产数控冰刀研磨机势在必行。 本文目的是解决我国冰刀研磨行业的共性技术问题，开发具有自主知识产权的数控冰刀研磨机，使冰刀由手工研磨过渡到全自动研磨，在冰刀研磨技术上产生质的飞跃，提高冰刀研磨的质量和效率，促进滑冰运动的体育器材技术升级，提升我国滑冰运动员的运动成绩。 本文的开展，对提高我国滑冰运动训练科学化水平和综合实力，促进我国体育器材新产品的开发及科技成果的转化，营造体育科技产业化环境，提高冰刀研磨技术，促进体育产品结构的调整，提高运动员备战奥运会的运动成绩都将具有非常重要的意义。 本文研究的数控技术及其在冰刀研磨领域的应用，对于提高我国体育装 备水平和实力、提 冰上项目竞争能力、促进社会生产率的发展等方面都具有很好的社会效益和经济效益 。 1.2 冰刀研磨技术概述 冰刀在冰面上滑行产生磨损，其磨损量小，冰刀的研磨加工是一种磨削量小，精度要求高的加工方式。 目前，冰刀的 研磨方法主要有两种，手工研磨和数控研磨 1.2.1 冰刀的 手工研磨 手工研磨 是使用多级目数的 精细磨料对工件表面进行多次的磨削加工。先将较粗的磨料 混合猪油和煤油，在利用附着体（如铸铁）对零件表面给予一定的压力，进行圆周运动，经过多级的研磨，达到表面要求。 如图 1.3 图 1.3 手工研磨冰刀方法 但是 手工研磨存在 一些严重 的问题 ， 主要有 nts 5 （ 1）手工研磨时的作用力不易控制，在研磨的过程中容易出现各种问题，如图 1.4 所示，当手压磨具作用力过大，就会出现切屑向刀刃处堆积形成卷刃；若研磨冰刀用力不均还将造成偏刃和脊刃，如图 1.5 所示。 （ 2）用油石在冰刀侧面研磨冰刀的卷刃时，手控制油石的平稳度不够，易产生偏斜，用力程度也难以控制到最佳状态，常出现油石在刃侧面滑掉，直接伤及刀刃造成局部钝刀，如图 1.6 所示； （ 3）现阶段用的油石磨料粒度受限制，无法加工出最低粗糙度的冰刀锋刃； （ 4）油石不易修平，平面度差的油石难以保证被研磨冰刀表面的几何形状； （ 5）手工研磨，冰刀的轮廓曲线难以与设计值吻合，这将影响冰刀的滑行质量； （ 6）手工研磨精度不高、生产效率低，劳动强度大。 图 1.4 冰刀的卷刃 图 1.5 冰刀的偏刃和脊刃 图 1.6 冰刀的局部钝刀 1.2.2 冰刀的数控研磨技术 冰刀的数控研磨，是数控技术应用到冰刀研磨当中去。与手工冰刀研磨相比，数控冰刀研磨具有质的飞跃，使得冰刀的研磨加工质量更稳定，效率更高，更可靠。数控冰刀研磨机，从本质意义上讲和一台普通的数控磨床没有什么区别，产品加工都要经过数控编程、刀补、插补、最后控制运动轴加工的过程。所不同的是，冰刀数控研磨机床是一个非常专业化的数控机床。冰刀本身的结构小巧，研磨机是在体育项目中使用，要求能够经常随运动队携带，这决定了冰刀的数控研磨机 应该是便携式的 体积小、重量轻 利用数控的编程技术可以编出任何平面的冰刀刀刃线。数控系统可控制 X、Y、 Z 轴实现冰刀的测量、研磨、砂轮修整。利用工艺卡编程，可控制机床对冰刀进行粗、精、抛光 3 级研磨。粗磨完成主要的轮廓加工，精磨、抛光磨主要是提高精度和表面光洁度。利用以上数控技术，数控冰刀研磨机床具有很强的灵活性，能适应任何一把冰刀的研磨。 手工冰刀研磨的精度主要取决于操作人的经验程度。而冰刀的数控研磨其精度则取决于控制系统的质量和机床的机械传动精度。 nts 6 1.3 国内外研究状况 有关研磨冰刀的机器，在国外 已有手工和数控两种商品化的产品 例如美国的 WISSOTA 公司就是生产手工冰刀研磨机的著名厂家，图 1.7是该公司手工冰刀研磨机产品。 Cag One 公司也提供一系列手工和数控冰刀研磨机，其产品如图 1.8 所示。 图 1.7 WISSOTA 公司的手工冰刀研磨机 图 1.8 Cag One 公司冰刀研磨机 我国在冰刀研磨机领域的研究和开发则比较落后，只有少数厂家能生产简易磨刀架和磨刀机，如图 1.9 所示 图 1.9 国产手工冰刀磨刀机 我国手工冰刀磨刀机 产品技术含量低，自动化程度不 高，冰刀的研磨质量完全取决于 作者的熟练程度，严重影响冰刀研磨的效率和质量，商品化的手工冰刀研磨机则尚属空白，更谈不上全自动的数控冰刀研磨机了，这对我国冰上运动的发展是一个极大的制约。因此，开发具有自主知识产权的国产数控冰刀研磨机势在必行。 1.4 主要内容 （ 1）针对数控冰刀研磨机便携式、刚度、精度的要求，本文确定了冰刀研磨nts 7 机床的总体布局和关键部件的选取；通过打印机接口外接自行设计的板卡把冰刀研磨机作为通用 PC 机的一个外设，从而实现 PC 直接数控，满足了冰刀研磨机便携式的要求；同时研制了适合冰刀研磨加 工的专用夹具。 （ 2）冰刀的手工研磨，刀刃线形状、研磨量、研磨的分级、控制过程全依赖操作员的手感和经验程度，难以达到形状精度和表面精度的要求。本文分析了影响冰刀精度的各种因素，并针对研磨刀刃线的控制和工艺特点，对冰刀的分级研磨和砂轮的结构和运动进行了研究。数控系统根据研磨量，自动生成冰刀研磨的加工工艺卡。 （ 3）本文结合了砂轮的磨损机理，提出了控制砂轮修整、补偿的方法。 （ 4）在华中数控系统硬件体系的基础上，详细分析了冰刀研磨加工的控制过程，设计了研磨砂轮的特殊运动方法，采取了半闭环的伺服位置控制方案，采取CNC-PLC 模拟量单元的数据及信号处理环节，用变频器来实现对砂轮主轴电机的控制，从而保砂轮以恒定的线速度进行研磨加工。 （ 5）本文对基于华中开放式数控平台的专用机床控制软件开发进行了的研究和探讨，研制了冰刀研磨控制软件，将面向对象编程技术应用到冰刀的数控编程中去。数控系统具备友好的人机界面和加工过程的在线仿真功能。 nts 8 2. 冰刀研磨机总体结构 本文研究的数控冰刀研磨机是集机械、电气、计算机和控制技术于一体的机械加工设备。其中，机械部分是冰刀研磨机的重要组成部分。机械部分的布局、结构设 计、裝夹技术将对加工精度、系统可靠性和设备的便携性具有十分重要的意义。 2.1 冰刀研磨机的主要指标 冰刀的数控研磨有其行业特点。首先，由于每个冰刀的磨损程度不同，其轮廓形状位置是未知的。其次，冰刀数控研磨属于成形加工，不但要将刀刃磨出来，还必须将冰刀轮廓形状修复成规定的形状。再次，冰刀的刀刃面要求有较低的粗糙度。最后，研磨冰刀时，在保证质量的前提下，应尽量考虑冰刀的使用寿命，每把冰刀的研磨量设定要合理。综合上述冰刀研磨的特点后，确定冰刀研磨机的主要指标为： 1能够按特定参数和仿形自动研磨 300 450mm，拱高 10mm 的速滑、短道速滑冰刀的任意弧度。通过 X 、 Y、 Z 三个轴的伺服电机控制三维运动平台和研磨运动。 2冰刀研磨过程分粗磨、精磨、抛光三级研磨，磨轮驱动为变频、低噪、小功率电机。冰刀刃平面粗糙度达到 Ra0.05 0.025， 90边刃角直接打磨。一次研磨时间为 3 5 分钟。 3采用弧度采集器、线阵 CCD 与 A/D 转换卡、单片机进行接口通讯，能检测冰刀弧度、刀刃磨损量；接收、运算采样数据；显示研磨过程图形、进行数据对比和按弧度检测数据分级研磨。 2.2 冰刀研磨机的基本要求 （ 1）该设备是用于运动员研磨冰刀，设备应简单、可靠、易操作、精度高； （ 2）为了保障冰刀的形状精度，机械夹持部分应具有良好的刚性和精度； （ 3）设备的布局、功能应适应不同种类冰刀研磨的要求。 2.3 冰刀研磨机总体布局 研磨机的总体布局是设计研磨机时影响全局性的决策部署。在总体布局确定后，才能确定部件之间的相对位置及运动关系，进一步具体设计研磨机。总体布局的影响因素是多方面的，其中，工件的表面形成方法，即冰刀与砂轮怎么做相对运动来加工刀刃是设计研磨机时首先要决定的。表面形成的方法确定后，研磨机的布局、传动、结 构及外形等就可初步决定。为了减少或消除研磨机的振动及热变形，应特别注意主轴变速箱、电动机等的布局。此外，被加工工件的尺寸、nts 9 重量和技术要求与研磨机的布局有密切关系。总体布局还必须考虑人的因素，能够满足操作要求，必须有利于减轻操作者的劳动强度，以提高工作效率，并应注意留出必要的维修空间。 数控冰刀研磨机机械部分的总体布局如图 2.1 所示，此冰刀研磨机采用立式设计，主要由 X 向进给装置、 Y 向进给装置、 Z 向进给装置、夹具、砂轮装置五部分组成。由于冰刀的长度在 300450mm 之间， Y 向运动行程为 60mm， Z 向运动行程只要 20mm，所以整个机床的尺寸可以设计成：长 850mm，宽300mm，高 565mm。 冰刀的研磨过程主要有 X 向冰刀磨削运动， Y 向进给运动和 Z 向调节砂轮运动，通过这三个运动来实现对任意弧度冰刀的研磨。本文研究的数控冰刀研磨机体积、质量较小，转动惯量小，所以可将电机与丝杠直接相连。如图 2.2所示，冰刀固定在夹具 11 上； X 轴电机 9 带动丝杠 2 旋转，使滑板 8 沿 X方向移动，从而带动冰刀实现 X 方向的运动，行程为 550mm，磨削刀刃表面和 90边刃角；同理， Y 轴电机 5 带动丝杠 6 旋转，使滑板 3 沿 Y 方向移动，从而带动冰刀实现 Y 方向的运动，行程为 60mm，磨削冰刀的拱高， X 轴和 Y 轴的联动可实现砂轮的磨削运动；手轮 13（为了减轻重量，用手轮代替 Z 向电机）带动丝杠 12 旋转，实现砂轮 16 的上升下降即 Z 方向的运动。砂轮安装在砂轮架 15 上，由砂轮电机 14 带动砂轮 16 转动。 1 X 轴支撑架 2 X 轴丝杠 3 Y 轴滑板 4 底座 nts 10 5 Y 轴电机 6 Y 轴丝杠 7 X 轴导轨 8 X 轴滑板 9 X 轴电机 10 夹具导轨 11 夹具 12 Z 轴丝杠 13 手轮 14 砂轮电机 15 砂轮架 16 砂轮 图 2.1 数控冰刀研磨机的总体布局 2.4 主要部件的设计和选择 对主要部件的设计和选择要能满足冰刀研磨机的精度、刚度等性能上的要求。 2.4.1 进给轴的行程和尺寸 冰刀的长度为 300 450mm，工作台的实际加工行程就是所加工冰刀的长度，即工作台的实际加工行程为 300 450mm。但在加工开始和结束时，工作台要有一段加速行程和减速行程，所以将 X 轴的总行程设定为 550mm；再加上工作台本身的长度（ 500mm）和装夹尺寸，得出 X 轴的总尺寸为 828mm。 图 2.2 冰刀加工尺寸示意图 刀刃可加工厚度不超过 30mm，如图 2.2 所示，要给工作台留出一段加、减速行程，所以 Y 轴的行程为 60mm；再加上工作台本身的宽度（ 200mm）和装夹尺寸，得出 Y 轴的总尺寸为 318mm。冰刀厚 2mm，砂轮厚 8mm；加上刀具的加、减速行程， Z 轴的行程设定 为 20mm。由于工作台本身的高度（ 220mm）度、砂轮架的高度（ 110mm）和装夹尺寸，所以将 Z 轴的总尺寸设定为 400mm。 2.4.2 丝杠的选取 在本设计中，采用滚珠丝杠，梯形螺纹。丝杠的刚度与直径大小直接相关，直径大、刚度好，但直径太大转动惯量也大，考虑到研磨机属于小型加工设备，取滚珠丝杠的直径为 20mm，所以选择公称直径 20mm，公称导程 6mm，丝杠外径 20.3mm 的滚珠丝杠副。 根据机床运动轴的行程，确定丝杠的有效螺纹长度分别为 X 轴 600mm， Y 轴 90mm， Z 轴 48mm。 2.4.3 砂轮架的设计 砂轮架（磨具、磨头）是磨床上用来带动砂轮作高速旋转的关键部件，图nts 11 2.3 是冰刀研磨机的砂轮架结构。经过静平衡的砂轮紧固在主轴上，主轴支撑在轴承上。整个砂轮架与 Z 轴丝杠相连，实现 Z 方向的运动。 1 端盖 2 轴承 3 砂轮 4 支撑架 5 主轴 图 2.3 砂轮架结构 其中，主轴与轴承是砂轮架的关键部分，主轴轴承系统刚性好，会提高磨削生产率、加工精度和工件表面光洁度。磨床的砂轮主轴多数采用两点支承，主轴刚度的计算简图见图 2.4，根据材料力学， 式中 I 主轴支撑之间那一段的当量惯性矩， ),(05.0 44 dDI dD, 主轴支撑之间那一段的当量外径和孔径。当 d / D 0.5 时，孔对刚度的影响可以忽略，则405.0 DI ，这里 D = 20mm。主轴的刚度为 在本设计中，我们选择单列向心球轴承，其简化后的支点在轴承中部；通常，主轴前端的悬伸长度 a 由构造决定，根据冰刀研磨机的整体尺 寸，取 a = 20mm；一般情况下 I= (3 5)a，大型磨床取下限，中小型磨床取上限，故取 I= 60mm。将各个参数带入式（ 3.2）中，得主轴刚度 K = 1.15 610 N /mm，其中 E = 200GPa。 nts 12 图 2.4 受弯主轴计算简图 2.5 冰刀的裝夹技术 加工冰刀时，为了保证冰刀良好的定位和冰刀的加工刚度，就必须有适合冰刀的夹具来裝夹冰刀。冰刀的裝夹设备对加工质量有重要影响。 根据对机床夹具的分析： （ 1）冰刀研磨机是一台专门用来加工冰刀的 机床； （ 2）运动队员使用冰刀的加工数量不大； （ 3）冰刀小巧，形状有自身特色，长度尺寸不一样，长度方向具备一定的弯度。通用夹具对其难以胜任。根据以上分析，设计一套性能稳定、结构紧凑、操作迅速方便的冰刀专用夹具是必须的也是可行的冰刀的裝夹质量会对冰刀后续的加工质量产生重要影响， 本文采取两点定位的裝夹方法，不会影响冰刀的长度方向的弯度。可调节的夹爪和顶端，可以适合加工不同长度型号的冰刀。两套紧固螺杆，操作方便，能起到有效的紧固定位作用。 总之，本文冰刀夹具操作方便、使用安全、定位精度好、结构性好、能满足工艺的条件。 2.6 磨削力的计算 磨削力是工件与砂轮接触后引起的弹性变形、塑性变形、切屑形成以及磨粒和接合剂与工件表面之间的摩擦作用。磨削力可以分为相互垂直的切向磨削力tF，沿砂轮径向的法向磨削力 nF ，以及沿砂轮轴向的轴向磨削力 aF 。一般磨削中，轴向磨削力 aF 较小，可以忽略不计。由于砂轮磨粒具有较大的负前 角，所以法向磨削力 nF 大于切向磨削力 tF ，通常情况下 nF / tF 在 1.5 3 范围内（称nF / tF 为磨削比），需要指出的一点，磨削比不但与砂轮的锐利程度有关，而且随被加工材料特性的不同而不同。磨削普通钢料时， nF / tF 1.5 3。 nts 13 磨粒开始接触工件后，即刻受到工件的抗力作用，图 2.5 所示为磨粒以平均磨粒切深ga切入工件表面时的受力情况。在不考虑摩擦作用的情况下，切削力xdF垂直作用于磨粒锥面上。其分布范围如图 2.5c 中的虚线范围。从图 2.5a 可以看出，xdF作用力分解为法向推力 dFnx 和侧向推力txdF。两侧推力ndF相互抵消而法向推力ndF则叠加起来使整个磨粒所受的法向磨削力明显增大，所以无论是滑擦、耕犁或切削状态下磨粒所受法向磨削力都大于切向磨削力。 图 2.5 磨粒上的作用力 根据图 2.5，在 X X截面内作用在磨粒上的切削力xdF可按下式求得： co sco sdsFdF px 式中，pF单位磨削力（ N/2mm ）； ds 接触面积； 磨粒半顶锥角； 切削力方向与 x 方向的夹角。 xdF分布如图 2.5c 中虚线范围所示，设图中磨粒是具有一定锥角的圆锥，中心线指向砂轮的半径，且圆锥母线长度为 ，则接触面积 nts 14 dds sin21 将式 代入得 因为 将式（ 3.5）代入（ 3.6）则得 因此，可求得作用于整个磨粒上的磨削力如下： 于是可得到磨削力的计算式 blNN std ， dN为动态有效磨刃数， tN为砂轮表面上的单位长度静态有效刃数， sl为砂轮与工件的接触弧长度， b 为磨削宽度； 当 mma g 005.0 时，将 20.8,5,9 4 2 7 0 dp NNF ，代入式 中， 可得 : NFNFnt 75,25 ， 当 mma g 002.0 时， 将 66.15,5,2 8 2 8 2 0 dp NNF 代入式中， nts 15 可得 : NFNFnt 288,96 2.7 本章小结 本章首先介绍了冰刀研磨机的主要技术指标；接着在深入分析了冰刀研磨运动的特点及研磨过程中对各个运动的不同要求的基础上，确定了冰刀研磨机机械部分的总体布局；并对主要部件进行了设计和选则，包括 进给轴的行程和尺寸、丝杠的选取和砂轮架的设计；计算了磨削力的大小；最后确定出研磨机的整体尺寸为：长 850mm，宽 400mm，高 440mm。 nts 16 3 冰刀研磨的数控加工工艺 为了保障冰刀研磨的质量、效率和可靠性，就必须对冰刀研磨工艺进行研究。本章结合冰刀数控研磨的特点，从砂轮磨料的选取，研磨量的确定，砂轮转速，进给速度和砂轮的结构、位置、修整等对冰刀研磨工艺方面展开了深入的研究，并介绍了自动生成研磨工艺卡的方法。 3.1 数控研磨的特点 与冰刀的手工研磨相比，冰刀的数控研磨 在控制过程、加工工艺、加工设备都有手工研磨具有明显的不同。本节主要从加工工艺方面，来说明冰刀数控研磨加工的特点如下： （ 1）手工研磨是人工搓动砂轮或条砂轮，数控加工时，主轴带动砂轮做高速旋转，转速达到 8000r/min，加工线速度达到 30 60m/min。 （ 2）加工进给时，手工加工是断续的，一段一段的推。冰刀的数控进给加工是均匀的、连续的、稳定的、可靠的，速度一般高于手工加工的速度。 （ 3）手工加工靠操作员的手感，分级加工不明显，加工过程由人工来控制。数控加工分级加工非常明显，每一级的加工量和加工次数 都很精确具体；由程序控制加工过程，所以数控加工稳定性强，可靠性高。 （ 4）手工加工产热低，数控加工产热相对较大。 （ 5）手工加工速度慢，效率低，加工时间长，精度低。数控加工速度快，效率高，完成一把刀的加工时间只要 3 5 分钟，加工精度高。 3.2 影响冰刀研磨质量的因素 1）磨料 数控研磨加工时，会产生较大的热量和压力，加工材料也研磨材料微观分子将十分活跃，出产生复杂物理作用，机械作用，化学作用。这些作用都会明显地影响加工的效果和质量，只有在正确选取能与 工件材料相匹配的研磨材料时，才会得到好的研磨质量。在 本章下一小 中，会专门介绍本文冰刀磨料选择的方法和选择结果。 2）单次磨削量 机床控制砂轮对冰刀进行加工时，在单次的加工过程中，砂轮对冰刀的纵向的研磨量为单次研磨量。单从精度角度而言，单次研磨量越小，得到冰刀的研磨精度会越高，但这样研磨效率会很低，所以，单次研磨量要根据研磨精度，研磨效率和研磨级别三重因素来综合确定。不同的研磨级别，单次研磨量是会不相同的。在 本文冰刀研磨过程中，粗磨时，单次研磨 为 10 20 微米；精磨时，单次研磨量为 5 10 微米；抛光磨时，只进行表面抛光处理，基本上不设定加工量。 nts 17 3）主轴 转速 在一定范围内，提高主轴的转速会提高冰刀的研磨质量，但高到一定值时，其研磨质量却会下降。是因为，在一定的研磨量时，主轴转速越大，产生的热就越大，磨料的微粒活性增大，离心的作用力也越大，起切削作用的微粒研磨砂粒就容易被摔落，所以研磨的质量会下降，如图 3.1 所示，横坐标和纵坐标箭头方向分别表示主轴速度增大，研磨精度增高的方向。同样，主轴的转速根据不同的研磨级别会不同。一般而言研磨级别越高转速会越大。在本文冰刀研磨过程中，粗磨时，主轴转速为 8000 10000r/min；精磨时，主轴转速为 1000012000r/min；抛光磨时，主轴转速为 12000 18000r/min。 图 3.1 主轴转速和加工精度的关系 4）砂轮进给速度 在一定单次研磨量和主轴转速情况下，提高进给速度会使冰刀的研磨质量下降， 图 3.2，横坐标和纵坐标箭头方向分别表示进给速度增大，研磨精度增高的方向原因是，当进给速度低时，冰刀同一微表面积得到的研磨时间就越长，磨削质量就越好。但是考虑到研磨效率和产热因素，进给速度不能太低。因为，如果进给速度太低，一方面会降低加工效率；另一方面，会使摩擦热聚积，工件温度升高，造成工件烧结。 因此，应该根据不同的研磨级别，确定相应的进给速度。级别高时，研磨量较小，进给速度可以适当加大。在本文的冰刀研磨过程中，粗磨时，进给速度为 400mm/min；精磨时，进给速度为 600mm/min；抛光磨时，进给速度为 800mm/min。 nts 18 图 3.2 砂轮的进给速度和加工精度的关系 5）磨粒尺寸 在本文中，冰刀的研磨分三级，磨粒尺寸也相应分为三级，粗磨的磨粒尺寸大，精磨、抛光磨的磨粒尺寸小。在每一级的研磨中，只要能达到所在级别的研磨质量要求的前提下，可以尽量选择偏粗的磨粒，这样可以提高研磨的效率。所以本 文对冰刀磨粒的选择为：粗磨时，选择粒度号数为 40 80 的砂粒，磨粒的颗粒数一般选择在 200 400/cm2；精磨时，选择粒度号数为 100 200 的砂粒，磨粒的颗粒数一般选择在 400 600/cm2；抛光磨时，选择粒度号数为 200 W20 的砂粒，磨粒的颗粒数一般选择在 600 800/cm2。 6）砂轮补偿技术 砂轮补偿技术是保证冰刀研磨质量的重要因素。砂轮使用久了，会产生磨损，半径会缩小，表面平整下降，圆度也会下降。这些因素会对精度要求较高的冰刀研磨质量产生重大影响。这时，需要对砂轮进行修整 和半径补偿。在本章后续章节中会专门介绍冰刀研磨机砂轮的修整和补偿方法。 7）研磨机设备 任何数控机床本身具备一定的精度等级，例如普通精度的数控机床位移精度一般为 0.01 0.001mm，精密级数控机床位移精度可高达 0.1 m。机床重要组成元件如丝杠、导轨、电机、以及机床的刚度和裝夹技术会对机床精度产生重要的影响，从而对工件的加工质量产生重要影响。 3.3 磨料的选择 冰刀数控研磨加工和一般的手工研磨加工相比，最明显的特点是其加工速度快，产生热量大，压力高。加工材料微观分子将十分活跃，产生复杂物理作用，机 械作用，化学作用。这些作用都会明显地影响加工的效果和质量，其中对磨料的选择起决定意义的作用是加工材料和被加工材料的物理作用和化学作用。在一nts 19 定工艺方法前提下，只有在选定好与被加工材料能相匹配的研磨材料，才能得到理想的数控加工效果。本小节的研究目的就是：研究加工材料和被加工材料的研磨作用机理，选定好适合冰刀加工的研磨材料。 工业中，常用的磨料材料有四种：刚玉，碳化硅，立方氮化硼，金刚石。刚玉与金属材料的研磨时，粘附作用很明显，不适合做本项目的磨料；研磨产生热量时，碳化硅在容易和钢铁材料发生化学反应，所以也不适合 做本项目的磨料；金刚石虽然硬度大，也不粘附钢铁材料，也不和钢铁材料发生化学反应。但在研磨的高温下，金刚石容易和空气中的氧的亲和性大，而本文的研磨不使用研磨液，所以金刚石也不适合做冰刀的磨料。本文最终选择的磨料是立方氮化硼， 3.4 砂轮的结构 砂轮的结构有利于简化加工工艺。冰刀研磨分粗磨、精磨、抛光磨三级研磨，对应有粗磨、精磨、抛光磨三级砂轮。当从一种级别研磨向另一种级别转换时，就要更换砂轮。冰刀是小型工件，加工冰刀的砂轮也是小型砂轮（本文所选择是直径 40mm，厚 8mm 的砂轮），所以设计砂轮时，可以将三 块不同级别的砂轮合并成一块 ，更换砂轮时， Y 轴带动砂轮在 Y 轴进给一段位移，就可以转换砂轮 。 3.5 冰刀与砂轮位置关系 冰刀与砂轮的位置关系也会对冰刀刀刃的质量产生重要影响。冰刀手工研磨冰刀时，人工控制砂轮研磨冰刀，很难保证砂轮面和冰刀刀刃面始终平齐，很容易把刀刃面磨得不平整，产生偏刃。在冰刀的数控研磨时同样要注意这个问题。冰刀与砂轮的位置关系需要保证两点。 （ 1）冰刀要能落在砂轮的加工范围内，如图 3.3（ a）所示。 （ 2）砂轮的轴线 n1 与冰刀面的法线 n2（与冰刀面垂直的竖线）必须平行，否
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