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刀具 角度 测量 装置 设计 车刀 PDF 图纸 CAD 制图 文档

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黑龙江科技学院毕业设计任务书学生姓名： 黄文涛 任务下达日期：2011 年 12 月 19 日设计开题日期：2012 年 4 月 13 日设计开始日期：2012 年 4 月 16 日中期检查日期：2012 年 5 月 18 日设计完成日期：2012 年 6 月 4 日一、设计题目：刀具角度测量装置设计二、设计的主要内容：综合运用知识，全面考虑有关科学的、经济的及社会的情况，进行多种方案比较，确定最优方案。设计计算这是设计过程中工作量最大的阶段， 它包括设计计算与工程图绘制和技术文件的编制。已知车刀正交平面内前角、后角为（），完成刀具角度测量装置的机构设计，其中1张图必须徒手画。按照工程技术规范要求，整理好技术资料，编写设计说明书。三、设计目标： 通过方案确定、设计计算，完成刀具角度测量装置的主要结构设计。按照工程技术规范要求，整理好技术资料，编写出设计说明书。指 导 教 师： 张文生 院（系）主管领导： 2011 年 12 月19日本科毕业设计开题报告 题 目： 刀具角度测量装置设计 院 （系）： 机械工程学院 班 级： 机制08-3班 姓 名： 黄文涛 学 号： 080514020421 指导教师： 张文生 教师职称： 教授 黑龙江科技学院本科毕业设计开题报告题 目刀具角度测量装置设计来源工程实际1、研究目的和意义在金属切削加工中，车刀是一种广泛使用的刀具，在车床上使用各种车刀，可完成工件的外圆、端面、车槽或切断，以及车孔和车内外螺纹等加工工艺。为了满足机器制造、金属加工及其他部门对金属切削刀具的需求，首先必须提高其生产速度，其次，要显著提高刀具质量，最后，要改进刀具的使用。其中，提高金属切削刀具的质量乃是达到最大限度满足对切削刀具需求的基本方法。通过对刀具几何角度测量装置的设计，有利于巩固和综合应用本专业基础理论和专业知识，在结构设计和工艺设计方面都得到训练和提高。选题具有一定的实际意义。在现代机械制造工业中，加工机器零件的方法有很多种，如铸造、锻造、焊接、切削加工以及各种特种加工，其中切削加工是将金属毛坯加工成具有一定精度、尺寸和表面质量的主要加工方法。在加工精密零件时，目前主要依靠切削加工来达到所需的加工精度。随着科学技术的高速发展，机械制造工业也在飞速发展。相辅相成，科学技术的发展对机械制造工业也提出了越来越高的要求。许多的设备零件所需达到的形位精度和表面质量逐年提高。这不光是对机床的制造、改进是一大挑战，而且对刀具也提出了更高的要求。为了延长刀具寿命，提高刀具的使用效率，满足加工零件所需的形位精度和表面质量需要，除了在设计刀具时正确决定刀具的几何形状，合理地选用刀具材料，规定必要的热处理以外，在制造过程中对刀具进行严格的检验也不容忽视。所以，对刀具进行严格、精确的测量越来越被人们重视，为了能精确地测量出各种刀具的几何角度，人们已经设计出了各种各样的专用的刀具测量装置。刀具的角度是刀具在选择使用的一个重要依据，角度测量的准确程度对刀具在切削过程中的性能要求和使用寿命起着关键的作用，对实际加工要求达到的切削性能和工艺要求都有一定影响。通过对刀具角度测量装置的设计，能增强对刀具切削部分几何特征参数的感性认识，理解切削加工中的切削机理，掌握金属切削理论基础概念。有利于巩固和综合应用本专业基础理论和专业知识，在结构设计和工艺设计方面都得到训练和提高。选题具有一定的实际意义。2、国内外发展情况(文献综述)目前，英国、美国、德国、同本等国都有多种型号的刀具预调测量仪产品，如德国的Zoller和美国的EXCELL公司的产品，不仅能够迅速对刀具进行瞄准测量，而且能够用微机刀具库进行管理，测量时采用光电自动瞄准，对刀具的进给速度无特别要求。我国的大部分类似的刀具测量系统仍停留在机械光学式，依靠人眼通过影屏将刀具放大后进行瞄准测量，容易带来主观误差，同时测量速度低近来我国科研人员也开发一些新型的刀具测量系统和测量方法，例如采用解调测量法的计算机视觉二维刀具检测仪、基于CCD图像处理的刀具测量仪以及原子力显微镜（AFM）测量法。下面主要介绍几种典型的刀具测量方法。（1）：机械式测量法;机械式测量法是指人工用卡尺测量或将量尺规固定于机床上测量。文献刘浏.用于卧式加工中心的简易对刀测量装置M.工具技术.2003.介绍了一种用于卧式加工中心，可测量刀具悬伸长度和刀具半径的简易对刀测量装置。该测量装置主要由千分表、测量杆、弹簧和测量座构成，能够达到的极限误差为39m。（2）：光学投影法；光学投影法师是指将刀具的光学影像通过光路放大变换，显示在投影屏上，然后人工瞄准测量。文献袁圣军.1610型刀具预调测量仪的研制M.工具技术.介绍了利用光学投影的方法来测量刀具的坐标位置和刀尖角度、圆角。该装置将刀具放入定位主轴中，并用投影屏瞄准定位，即可在光栅显表上显示出刀具的坐标值，同时可测量出其他几何参数。（3）：解调测量法；解调测量法是利用硬件或软件，将光电脉冲幅度表示的视频信号恢支承螺钉进行工件队中。该中心架具有刚性好，回转精度高，找正方便等优点，但工件的装夹不如局部策动式中心架方便、需要移动中心架。（4）：测头测量法;测头测量法是指将坐标机测量技术应用于数控加工中，利用控制测头对刀具表面形状进行测量。文献周永麟.用于车削中心的刀具自动测量系统M.工具技术.1999.介绍了一种数控测量系统，由反馈型测头、数控系统和测量控制软件组成。控制测头与被测刀具表面接触，感应被测件形状的变化，并把位移量转变成模拟量以正弦波的形式输出，再经过A/D变化输入计算机处理。在测量中可利用波形细分技术来提高测量精度。（5）；原子力显微镜测量法。对于超精密加工，测量精度要求达到亚微米级、纳米级。传统上采用扫描电子显微镜量法可达到亚微米级。文献孙涛,谭久彬，董申.基于原子力显微镜扫描的金刚石刀具纳米刃口轮廓测量方法研究.仪器仪表学报J.2000，（2）：35-46.介绍了原子力显微镜测量法。该测量法利用AFM的弹性微悬臂的探针与被测样品相互接近。产生可以根据微悬臂的弹簧刚度实现微弱力的测量，从而得到被测样品的表面形象，测量精度可达到纳米段。（6）图像测量法。图像测量法是指利用CCD图像传感器摄取刀具的对刀图像，传输到计算机电子科技大学硕士研究生毕业论文中经过数字图像算法处理，得到刀具几何参数的测量结果。图像测量法具有非接触、高精度、高效率等许多优点。文献王建民，浦昭邦，晏磊等.二维图像测量机系统的研究J.仪器仪表学报，2001.介绍了一种二维图像测量机系统，可以用来测量工件、刀具的坐标位置和尺寸参数，获得很高的精度。切削加工追求的目标是高精度、高效率、低成本、绿色环保。近年来，切削加工技术在高速切削、硬态切削、微雾润滑切削、干式切削、复合切削等领域迅速发展，这些切削加工技术是实现以最小限度生产设备高效率、低成本加工零件的生产方式的核心，到目前为止，切削加工技术发展的最大标志就是高速切削加工的发展。由于长期习惯于仿制国外产品，我国的仪器仪表工业缺乏创新能力，跟不上科学研究和工程建设的需要。我国仪器科学与技术研究领域积累了大量科研成果，许多成果处于国际领先水平，有待筛选。提高和转化，但产业化程度很低，没有形成具有国际竞争力的完整产业。（1）发展方向与科学前沿。数控设备的主要误差来源可分为几何误差和热误差。对于重复出现的系统误差，可采用软件修正；对于随机误差较大的情况，要采用实时修正方法。对于热误差，一般要通过温度测量进行修正。我国机床行业市场萎缩同时又大量进口国外设备的原因之一就是因为这方面的技术没有得到推广应用。为此需要高速多通道激光干涉仪：其测量速度达60m/min以上，以适应热误差和几何误差测量的需要。其测量结果和长度测量结果可同步输入计算机。（2）运行和制造过程的监控和在线监测技术。综合运用图像、频谱、光谱、光纤以及其它光与物质相互作用原理的传感器具有非接触、高灵敏度、高柔性、应用范围广的优点。在这个领域综合创新的天地十分广阔，如振动、粗糙度、污染物、含水量、加工尺寸及相互位置等。（3）配合信息产业和生产科学的技术创新。为了在开放环境下求得生存空间，没有自主创新技术是没有出路的。因此应该根据有专利权、有技术含量、有市场等原则选择一些项目予以支持。根据当前发展现状，信息、生命医学、环保、农业等领域需要的产品应给予优先支持。如医用中介入治疗的精密仪器设备、电子工业中的超分辨光刻和清洁方法和机理研究等。3、研究/设计的目标：(1）主要设计参数：综合运用知识，全面考虑有关科学的、经济的及社会的情况，设计刀具角度仪装置。可实现自动测量刀具的前角、后角、主偏角、副偏角、副后角、刃倾角。(2）完成总工作量如下：2.1）测量仪总装配图(A1图纸3张)；2.2）零件图纸（手绘图纸1张）。(3）设计说明书一本（1.5万2万字）。4、设计方案（研究/设计方法、理论分析、计算、实验方法和步骤等）：总体结构设计通过理论学习与毕业实习对题目进行分析可知该装置由两部分组成, 夹持装置与角度测量装置。夹持装置用于刀具的夹紧与定位，角度测量装置用于测量刀具的几何角度，只要包括：前角、后角、主偏角、副偏角、副后角、刃倾角。(1) 外圆车刀在正交平面参考系的正交平面上测得的基本角度： 1)前角 在过切削刃上选定点的正交平面内前刀面与基面之间的夹角。 2)后角 在过切削刃上选定点的正交平面内，后刀面与切削平面之间的夹角。 在正交平面内，前角和后角分别决定了前刀面和后刀面的位置。前刀面和后刀面之间所夹的角度称为楔角o，它可以由前角和后角派生而来。 (2) 外圆车刀在正交平面参考系的基面内测得的基本角度 1)主偏角 在过主切削刃上选定点的基面内，主切削刃和进给运动方向的夹角。 2)副偏角 在过副切削刃上选定点的基面内，副切削刃与进给运动方向的夹角。 3)副后角 在副切削刃上选定点的副正交平面内，副后角与副切削平面之间的夹角。 4)刃倾角 s 在过切削刃上选定点的切削平面内，主切削刃与基面的夹角称作刃倾角。 刃倾角与主偏角共同确定了主切削刃的空间位置。 对于前刀面为平面的普通外圆车刀，由上述6个角度就可以确定其切削部分的几何形状，这个角度是普通外圆车刀的基本角度。5、方案的可行性分析：通过机械设计、机械原理和金属切削原理等课程中的相关知识的学习，结合工程实训和毕业实习对相关装置的了解与认识，各部分结构符合理论要求和实际要求，能达到设计要求。6、该设计的创新之处 测量装置与自动换位调角装置组合使用，可对多种刀具进行各个角度的测量，且测量过程只需一次装夹、定位，即可完成刀具的所有角度的加工，操作简便，容易上手。7、设计产品的主要用途和应用领域：车刀测量装置结构简单，操作方便，比手工刃磨的效率高，比较如以保证精度。而刀具是机械加工中重要的组成部分，是实现零件加工成形的主要工具。根据当前发展状态，信息、生命医学、环保农业等领域需要的产品。而使用车刀测量装置就只需调节X、Y，Z三轴的角度就可以对有不同角度要求的车刀进行刃磨，并能较容易的保证精度。8、时间进程3月12日-3月25日 收集资料、进行毕业实习3月26日-4月8日 整理实习日记、撰写实习总结和开题报告4月9日-4月28日 设计计算、总体结构草图设计5月1日-5月15日 总体图和部件图设计5月16日-5月29日 零件图设计5月30日-6月10日 整理、撰写毕业设计说明书和设计图纸9、参考文献：1 刘浏.用于卧式加工中心的简易对刀测量装置M.工具技术.2003.2 袁圣军.1610型刀具预调测量仪的研制M.工具技术.3 林玉池，孙旭东.计算机视觉二维刀形检测及刀具预调仪系统的研究.电子测量 与仪器学报J.1998,(4):62-674 周永麟.用于车削中心的刀具自动测量系统M.工具技术.1999.5 孙涛,谭久彬，董申.基于原子力显微镜扫描的金刚石刀具纳米刃口轮廓测量方法 研究.仪器仪表学报J.2000，（2）：35-46.6 王建民，浦昭邦，晏磊等.二维图像测量机系统的研究J.仪器仪表学报，2001.7 翁心钧，刀具的检验M.机械工业出版社，1958.8 陈日耀金属切削原理M北京：机械工业出版社，2002.9 许洪基现代机械传动手册 M 北京：机械工业出版社，2002.10 上海机床厂“七二一”工人大学.磨床设计制造M.上海人民出版社，1972.11 成大先机械设计手册（轴承）M 北京：化学工业出版社，2010.12 李维荣标准紧固件实用手册M 北京：中国标准化出版社，2006.13 机床设计手册编写组.机床设计手册1M.机械工业出版社，1978.14 任金泉.机械设计课程设计M.西安交通大学出版社，2002.15 大连理工大学工程画教研室.机械制图M.高等教育出版社，2003.16 东北重型机械学院，洛阳农业机械学院.机床夹具设计手册M.上海科学技术出 版社，1979.17 熊良山.机械制造技术基础M.武汉：华中科技大学出版社，2007.18 乐总谦.金属切削刀具M.北京：机械工业出版社，1993.19 孙东明，陈君若，李珊，等。虚拟产品设计在金属切削刀具几何角度在研究中 的应用J.机械设计与制造，2005，（2）：25-35.20 陈明，刘新字，黄卫，等.刀具角度分析与计算的矢量方法J.华北航天工业学 院学报，2000，(8)：15-23.21 魏红玲.简论铰刀角度测量装置J.机械报，2001，（9）：64-70.22 吴佳佳，黄云战，宋晓玲.切削刀具几何角度计算与测量方法的研究J.机床 与液压，2008，（8）：25-37.23邹雯.台虎钳夹紧机构的改进设计度J.机械研究与应用，2009，（6）：25-51.指导教师意见教师签字：年 月 日开题答辩小组意见：组长签字： 成员签字：年 月 日毕业设计领导小组意见: 组长签字：年 月 日摘 要本文是关于刀具角度测量装置的设计过程及使用说明，重点介绍了刀具装夹机构，横、纵向移动机构和垂直进给机构的设计。刀具装夹机构在虎钳的基础上进行改进设计，具有三个自由度，使其具有自锁功能；对横、纵向移动机构和垂直进给机构，采用滑动丝杆螺母副传动机构，其中包括了轴承类型和尺寸的选择；还有对导轨类型和尺寸的选择与计算，使导轨的导向性和工艺性更好；最后通过这些计算和选择设计出了测量装置，此装置能够更准确、方便的测出刀具的角度。关键词：刀具角度 测量装置 进给机构AbstractThis article is about the tool angle measuring device in the design process and instructions, important to introduce a specific folder, horizontal, vertical moving mechanism and the vertical feed mechanism design. The specific design of the clip is mainly aimed at improvement of three DOF vice design combined with self-locking function ; on the horizontal ,vertical moving mechanism and the vertical feed mechanism design is a spiral slide helix and the choice between rolling through. The contrast between their determined drive with a sliding screw nut pairs to design feeding mechanism, including the choice of bearing type and size; also guide the type and size on the selection and calculation, to guide the direction of and the process of better; Finally, these calculations and chose to produce the type of measurement with a mechanical hand device so the device can be more accurate, convenient measure the angle of the tool. Keywords: cutting tool angle ; measuremengt device ; feeding meehanism 目 录摘 要1Abstract2第1章 绪论41.1 刀具角度测量装置的研究意义51.2 国内外发展状况及趋势5第2章 车刀角度测量的理论分析82.1 基本定义82.2 车刀的几何参数92.2.1 刀具切削部分的表面与刀刃92.2.2 确定刀具切削角度的参考平面122.3 刀具几何角度的计算13第3章 车刀角度测量的装置的机械系统设计153.1 测量装置的总体方案选定153.2 传动系统的总体设计163.3 传动系统中的丝杠螺母副的设计计算163.3.1 横纵向进给机构的选择163.3.2 横纵向进给机构的设计计算183.3.3 垂直进给机构的选择233.3.4 垂直进给机构的设计计算243.4 导轨的选择283.4.1 导轨的类型选择283.4.2 导轨的尺寸选择29第4章 装夹、分度和刻度装置的设计334.1 装夹分度装置的基本原理334.2 指针与刻度盘的选择35结 论37致 谢38参考文献39CONTENTSAbstract1Chapter 1 Introduction41.1 Tool measurement device for significance51.2 Developmental Status and Measurement Tool5Chapter 2 Theoretical Analysis of Measurement Tool82.1 Basic definition82.2 Tool geometry92.2.1 Tool cutting edge part of the surface92.2.2 To determine the angle of the cutting tool reference plane122.3 Calculation of tool geometry13Chapter 3 Tool measurement device for mechanical system design153.1 General scheme of measurement device selected153. 2 Transmission System Design163.3 Transmission Design and calculation of screw nut pairs163.3.1 Horizontal and vertical feed mechanism of choice163.3.2 Horizontal and vertical feed mechanism design calculation183.3.3 The choice of the vertical feed mechanism233.3.4 Vertical feed mechanism design calculation243.4 Selection Guide283.4.1 Select the type of rail283.4.2 Size Selection Guide29Chapter 4 Clamping and indexing Device334.1 The basic principles of clamping device334.2 The choice of indexing device35Conclusion37Thanks38References39第1章 绪论1.1 刀具角度测量装置的研究意义在金属切削加工中，车刀是一种广泛使用的刀具，在车床上使用各种车刀，可完成工件的外圆、端面、车槽或切断，以及车孔和车内外螺纹等加工工艺。为了满足机器制造、金属加工及其他部门对金属切削刀具的需求，首先必须提高其生产速度，其次，要显著提高刀具质量，最后，要改进刀具的使用。其中，提高金属切削刀具的质量乃是达到最大限度满足对切削刀具需求的基本方法。通过对刀具几何角度测量装置的设计，有利于巩固和综合应用本专业基础理论和专业知识，在结构设计和工艺设计方面都得到训练和提高。选题具有一定的实际意义。在现代机械制造工业中，加工机器零件的方法有很多种，如铸造、锻造、焊接、切削加工以及各种特种加工，其中切削加工是将金属毛坯加工成具有一定精度、尺寸和表面质量的主要加工方法。在加工精密零件时，目前主要依靠切削加工来达到所需的加工精度。随着科学技术的高速发展，机械制造工业也在飞速发展。相辅相成，科学技术的发展对机械制造工业也提出了越来越高的要求。许多的设备零件所需达到的形位精度和表面质量逐年提高。这不光是对机床的制造、改进是一大挑战，而且对刀具也提出了更高的要求。为了延长刀具寿命，提高刀具的使用效率，满足加工零件所需的形位精度和表面质量需要，除了在设计刀具时正确决定刀具的几何形状，合理地选用刀具材料，规定必要的热处理以外，在制造过程中对刀具进行严格的检验也不容忽视。所以，对刀具进行严格、精确的测量越来越被人们重视，为了能精确地测量出各种刀具的几何角度，人们已经设计出了各种各样的专用的刀具测量装置。1.2 国内外发展状况及趋势目前，英国、美国、德国、同本等国都有多种型号的刀具预调测量仪产品，如德国的Zoller和美国的EXCELL公司的产品，不仅能够迅速对刀具进行瞄准测量，而且能够用微机刀具库进行管理，测量时采用光电自动瞄准，对刀具的进给速度无特别要求。我国的大部分类似的刀具测量系统仍停留在机械光学式，依靠人眼通过影屏将刀具放大后进行瞄准测量，容易带来主观误差，同时测量速度低近来我国科研人员也开发一些新型的刀具测量系统和测量方法，例如采用解调测量法的计算机视觉二维刀具检测仪、基于CCD图像处理的刀具测量仪以及原子力显微镜（AFM）测量法。下面主要介绍几种典型的刀具测量方法。（1）：机械式测量法;机械式测量法是指人工用卡尺测量或将量尺规固定于机床上测量。文献1介绍了一种用于卧式加工中心，可测量刀具悬伸长度和刀具半径的简易对刀测量装置。该测量装置主要由千分表、测量杆、弹簧和测量座构成，能够达到的极限误差为39m。（2）：光学投影法；光学投影法师是指将刀具的光学影像通过光路放大变换，显示在投影屏上，然后人工瞄准测量。文献2介绍了利用光学投影的方法来测量刀具的坐标位置和刀尖角度、圆角。该装置将刀具放入定位主轴中，并用投影屏瞄准定位，即可在光栅显表上显示出刀具的坐标值，同时可测量出其他几何参数。（3）：解调测量法；解调测量法是利用硬件或软件，将光电脉冲幅度表示的视频信号恢支承螺钉进行工件队中。该中心架具有刚性好，回转精度高，找正方便等优点，但工件的装夹不如局部策动式中心架方便、需要移动中心架。（4）：测头测量法;测头测量法是指将坐标机测量技术应用于数控加工中，利用控制测头对刀具表面形状进行测量。文献4介绍了一种数控测量系统，由反馈型测头、数控系统和测量控制软件组成。控制测头与被测刀具表面接触，感应被测件形状的变化，并把位移量转变成模拟量以正弦波的形式输出，再经过A/D变化输入计算机处理。在测量中可利用波形细分技术来提高测量精度。（5）；原子力显微镜测量法。对于超精密加工，测量精度要求达到亚微米级、纳米级。传统上采用扫描电子显微镜量法可达到亚微米级。文献5介绍了原子力显微镜测量法。该测量法利用AFM的弹性微悬臂的探针与被测样品相互接近。产生可以根据微悬臂的弹簧刚度实现微弱力的测量，从而得到被测样品的表面形象，测量精度可达到纳米段。（6）图像测量法。图像测量法是指利用CCD图像传感器摄取刀具的对刀图像，传输到计算机电子科技大学硕士研究生毕业论文中经过数字图像算法处理，得到刀具几何参数的测量结果。图像测量法具有非接触、高精度、高效率等许多优点。文献6介绍了一种二维图像测量机系统，可以用来测量工件、刀具的坐标位置和尺寸参数，获得很高的精度。切削加工追求的目标是高精度、高效率、低成本、绿色环保。近年来，切削加工技术在高速切削、硬态切削、微雾润滑切削、干式切削、复合切削等领域迅速发展，这些切削加工技术是实现以最小限度生产设备高效率、低成本加工零件的生产方式的核心，到目前为止，切削加工技术发展的最大标志就是高速切削加工的发展。由于长期习惯于仿制国外产品，我国的仪器仪表工业缺乏创新能力，跟不上科学研究和工程建设的需要。我国仪器科学与技术研究领域积累了大量科研成果，许多成果处于国际领先水平，有待筛选。提高和转化，但产业化程度很低，没有形成具有国际竞争力的完整产业。（1）发展方向与科学前沿。数控设备的主要误差来源可分为几何误差和热误差。对于重复出现的系统误差，可采用软件修正；对于随机误差较大的情况，要采用实时修正方法。对于热误差，一般要通过温度测量进行修正。我国机床行业市场萎缩同时又大量进口国外设备的原因之一就是因为这方面的技术没有得到推广应用。为此需要高速多通道激光干涉仪：其测量速度达60m/min以上，以适应热误差和几何误差测量的需要。其测量结果和长度测量结果可同步输入计算机。（2）运行和制造过程的监控和在线监测技术。综合运用图像、频谱、光谱、光纤以及其它光与物质相互作用原理的传感器具有非接触、高灵敏度、高柔性、应用范围广的优点。在这个领域综合创新的天地十分广阔，如振动、粗糙度、污染物、含水量、加工尺寸及相互位置等。（3）配合信息产业和生产科学的技术创新。为了在开放环境下求得生存空间，没有自主创新技术是没有出路的。因此应该根据有专利权、有技术含量、有市场等原则选择一些项目予以支持。根据当前发展现状，信息、生命医学、环保、农业等领域需要的产品应给予优先支持。如医用中介入治疗的精密仪器设备、电子工业中的超分辨光刻和清洁方法和机理研究等。第2章 车刀角度测量的理论分析2.1 基本定义切削运动：直接切除金属层，使之转变为切削的运动称为切削的运动。主运动：使工件与刀具产生相对运动以进行切削的最基本的运动。这个运动的速度最高，消耗功率最大。例如，外圆车削时的工件旋转运动和平面刨削时的刀具直线往复运动，都是主运动。其他切削加工方法中的主运动也同样是由工件和刀具来完成的，其形式可以是旋转运动和直线运动，但每种切削加工方法的主运动通常只有一个。进给运动：使主运动能够继续切除工件上多余的金属，以便形成工件表面所需的运动，称为进给运动。例如外圆车削时车刀的纵向连续直线进给运动，和平面刨削时工件的间歇直线进给运动。其它切削加工方法中也是由工件或由刀具来完成进给运动的，但进给运动可能不止一个。它的运动形式可以是直线运动、旋转运动或者两者的组合，但无论哪种形式的进给运动，它消耗的功率都比主运动要有效。总之，任何切削加工方法都必须有一个主运动，可以有一个或几个进给运动。主运动和进给运动可以由工件或刀具分别完成，也可以由刀具单独完成（例如在钻床上钻孔或铰空）。待加工表面：它是工件上即将被切去的表面，随着切削过程的进行，它将逐渐减小，直至全部切去。已加工表面：它是刀具切削后在工件上形成的新表面，并随着切削的继续进行而逐渐扩大。过渡表面：它是刀刃正切削着的表面，并且是切削过程中不断改变着的表面，但它总是处在待加工表面与已加工表面之间。切削用量：所谓切削用量是指切削速度、进给量和背吃刀量三者的总称。切削速度V:它是切削加工时，刀刃上选定点相对于工件的主运动的速度。刀刃上各点的切削速度可能是不同的。当主运动为旋转运动时，刀具或工件最大直径处的切削速度由下式确定： m/s或m/min式中完成主运动的刀具或工件的最大直径mm； 主运动的转速r/s或r/min。进给量：它是工件或刀具的主运动每转或每一行程时，工件和刀具两者在进给运动方向上的相对位移量。例如外圆车削时的进给量是工件每转一转是车刀相对于工件在进给运动方向上的相对位移量，其单位为mm/r；又如在牛头刨床上刨削平面时，则进给量是刨刀每往复一次，工件在进给运动方向上相对于刨刀的位移量，其单位为mm/双行程。在切削加工中，也有用进给速度来表示进给运动的。所谓进给运动是刀刃上选定点相对于工件的进给运动的速度，其单位为mm/s。若进给运动为直线运动，则进给速度在刀刃上各点是相同的。背吃刀量：对外圆车削和平面刨削而言，背吃刀量等于工件已加工表面与待加工表面间的垂直距离；其中外圆车削的背吃刀量 mm式中工件待加工表面的直径mm。 工件已加工表面的直径mm。2.2 车刀的几何参数2.2.1 刀具切削部分的表面与刀刃如图2-1所示是外圆车刀的切削部分，它具有下述表面和刀刃：前刀面 ()副切削刃 ()副后刀面()刀尖主后刀面 ()主切削刃 ()图2-1 外圆车刀切削部分前刀面（）：切下的切屑沿其流出的表面。主后刀面（）：与工件上过渡表面相对的表面。副后刀面（）：与工件上已加工表面相对的表面。主切削刃（）：前刀面与主后刀面相交而得到的边锋，用以形成工件的过渡表面，它完成主要的金属切除工作。副切削刃（）：前刀面与副后刀面相交而得到的边锋，它协同主切削刃完成金属切除工作，以最终形成工件的已加工表面。刀尖：主、副切削刃的交点。多数刀具将此处磨成圆弧或一小段直线。车刀的几何角度主要有前角o、主偏角r、副偏角r、后角o、副后角o、刃倾角s，车刀主要几何角度如图2-2所示。前角o：在主切削刃上选定点的正交平面Po内，前刀面与基面之间的夹角。前角影响切屑变形、切削力的大小，切削温度的高低及刀具寿命和工件表面的质量好坏。主偏角r：主切削刃在基面上的投影与进给方向之间的夹角，在基面Pr上测量。主偏角影响刀头强度、散热和切削层断面形状。副偏角r：副切削刃在基面上的投影于进给方向之间的夹角，它在Pr内测量。副偏角影响刀头强度、散热和已加工表面的粗糙度。后角o：在同一正交平面Po内，后刀面与切削平面Ps之间的夹角。后角能防止和减少刀具主后刀面于加工表面摩擦，使刀刃锋利。副后角o：在副切削刃上选定点的副正交平面Po内，副后到面与副切削平面之间的夹角。刃倾角s：主切削刃与基面Pr的夹角，在切削平面Ps中测量。当刀尖在主切削刃上为最低点时，s为负值：反之，当刀尖在主切削刃上为最高点时，s为正值。已加工表面加工表面待加工表面图2-2 车刀的几何角度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(前刀面、主后刀面、副后刀面)、两刃(主切削刃、副切削刃)、一尖的空间位置就确定下来了。2.2.2 确定刀具切削角度的参考平面刀具角度是指在刀具工作图上需要标出的角度，它是在静止参考系下描述的。刀具的制造和测量就是按照这种角度进行的。为了便于车刀在制造和测量，在建立刀具静止参考时，做如下三点假设：(1) 不考虑进给运动影响；(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线垂直；(3) 主切削刃上任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，要用到以下几个平面：基面(Pr)：过切削刃上选定点并垂直于该点切削速度的向量vc的平面。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(Ps)：过切削刃上选定点作切削刃的切线，此线与该点的切削速度向量vc所组成的平面。正交平面(Po)：过切削刃上的选定点，同时垂直于该点的基面Pr和切削平面Ps的平面。对于切削刃上的某一选定点，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，将此坐标系称之为正交平面参考系，如图2-3所示，由此图可知，正交平面垂至于主切削刃或其切线在基面上的投影。图2-3 正交平面参考系2.3 刀具几何角度的计算刀具是切削加工必备工具，它直接影响切削加工的质量，确定刀具的几何角度，是刀具影响切削加工的重要因素。刀具角度的计算与测量一直是刀具设计制造中的难题，通常的方法有几何法矢量法。几何法是利用坐标系根据各个角度在坐标系中的位置关系，通过解析几何法求得；矢量法就是把刀具线面用矢量表如图2-4坐标变换图达到，通过建立矢量表达式来求得。随着计算机技术、虚拟技术的发展，利用计算机来确定刀具角度越来越成熟，通过三维参数化设计，建立参数模型，利用计算机绘图程序构建刀具模型，测量出所需的几何角度。 图2-4 坐标变换图第3章 车刀角度测量的装置的机械系统设计3.1 测量装置的总体方案选定如图3-1所示，它水平设计一个导轨，导轨上装有一个可以作直线滑动的滑座，导轨与滑座之间通过滚动轴承来实现滑动。滑座的上部装有能前后向直线滑动的滑块，滑块上设有与导轨垂直的水平向滑槽，滑座的4个角上向上设有4个支座，支座上开有竖向滑槽，滑块装在4个支座之间，水平向滑槽与竖向滑槽通过销轴串联，销轴与水平向滑槽之间、销轴与竖向滑槽之间分别通过滚动轴承实现滑块，在滑块上向上装有分度装置，分度装置上面装有夹持装置，分度装置包括两个垂直相接的分度头。刀柄可以直接固定在夹持装置上。 图3-1 车刀角度测量装装置的夹持装置及导轨简图设计中夹持装置和上面一样都是采用三向旋转虎钳固定和旋转，传动机构采用丝杠螺母副和锥齿轮副，由手轮驱动。驱动系统采用三个手轮分别控制三个轴向的运动，一个控制丝杠螺母副使刻度装置沿Z-Z轴导轨运动；一个控制丝杠螺母副使工作台沿X-X轴导轨直线运动；最后一个控制丝杠螺母副使工作台沿Y-Y轴导轨直线运动这样就组成了一个完整的传动工作系统。 图3-2 三向钳结构示意图3.2 传动系统的总体设计本设计需要刀具在转动角度测量的同时也需要轴向进给运动，所以设计起来有一定难度，要保证进给的准确性就需要用精确的传动系统。丝杠螺母副的传动平稳精确，可用于本设计的传动系统中，由于设计的机器要求精度较高尺寸较小，所以X、Y、Z轴传动采用滑动丝杠螺母传动。用手轮带动丝杠螺母副定位可以在保证精度的同时方便操作。3.3 传动系统中的丝杠螺母副的设计计算3.3.1 横纵向进给机构的选择横纵向机构采用螺旋传动。螺旋传动是利用螺杆和螺母组成的螺旋副来实现传动要求的。它主要用于将回转运动转变为直线运动，同时传递运动和动力。根据螺杆和螺母的相对运动关系，螺旋传动的常用运动形式，主要有2种，第一种是螺杆转动，螺母移动，多用于机床的进给机构中；另一种是螺母移动，螺杆转动并移动，多用于螺旋起重器或螺旋压力机种。本设计采用第一种运动形式。螺旋传动按其螺旋副的摩擦性质不同，又分为滑动螺旋、滚动螺旋和静压螺旋。滑动螺旋结构简单，便于制造，易于自锁。 1. 滑动螺旋传动的特点 （1） 降速传动比大螺杆（或螺母）转动一转，螺母（或螺杆）移动一个螺距（单头螺纹）。因为螺距一般很小，所以在转角很大的情况下，能获得很小的直线位移量，可以大大缩短机构的传动链，因而螺旋传统结构简单、紧凑，传动精度高，工作平稳。（2） 具有增力作用只要给主动件一个较小的转矩，从动件即能得到较大的轴向力。（3） 能自锁当螺旋线升角小于摩擦角时，螺旋传动具有自锁作用。（4） 效率低、磨损快由于螺旋工作面为滑动摩擦，致使其传动效率低。相反，滚动螺旋和静压螺旋摩擦阻力小，传动效率低高，但是结构复杂,造价比较高，所以本设计采用滑动螺旋传动。2. 滑动螺旋传动主要有以下两种基本型式（1） 螺母固定，螺杆转动并移动（如图3-3a）这种传动型式的螺母本身就起着支承作用，从而简化了结构，消除了螺杆与轴承之间可能产生的轴向窜动，容易获得较高的传动精度。缺点是所占轴向尺寸较大（螺杆行程的两倍加上螺母高度），刚性较差。因此仅适用于行程短的情况。（2） 螺杆转动，螺母移动（如图3-3b）这种传动型式的特点是结构紧凑（所占轴向尺寸取决于螺母高度及行程大小），刚度较大。适用于工作行程较长的情况。本设计中采用第一种运动基本形式。 图3-3 滑动螺旋传动的基本形式3.3.2 横纵向进给机构的设计计算1. X、Y轴滑动螺旋传动的设计计算滑动螺旋工作时，主要承受转矩及轴向拉力的作用，同时在螺杆和螺母的旋合螺纹间有较大的相对滑动。滑动螺旋副的主要失效形式是磨损，因此滑动螺旋的基本尺寸（螺杆的直径和螺母的高度）通常是按耐磨性计算确定的。（1） 螺杆中经类比法：类比CA6140上刀架丝杠。可知此螺杆大径（公称直径） =22mm螺杆中径 =19.5mm（2） 公称直径 =22mm（3） 螺距公称直径为22mm，选择螺距为5mm =5mm（4） 螺纹导程取螺纹线数=1 =5mm（5） 螺母旋合长度 = =1.519.5=29.25mm（6） 旋合圈数 （7） 螺纹工作高度 mm（8） 螺纹表面工作强度由文献9表6-5查得 式中螺纹形式系数，梯形螺纹螺母长度与螺杆中径之比，整体式螺母=1.2-1.5 取许用压强由文献13表6.1-14选取材料选用：螺母螺杆皆用钢， 所以=7.5-13取=10MP （9） 验算自锁螺纹升角： 由文献9表6.1-12 得当量摩擦角： 取 所以丝杠反行程自锁。因为此装置丝杠转速慢，受力不大且不受冲击和受压，因此不需对螺杆螺母的危险截面强度、稳定性及临界转速进行校核。而且此测量装置只负责简单测量，精度不高，所以不用对丝杠螺母副进行刚度校核。丝杠具体参数见表3-1。(10) 丝杠有关公差选择由文献10表3-23得：因为此装置为普通机床进给机构。所以选择精度等级为10级：相邻螺距允差为50 螺距积累允差140由文献10表3-24得：中径椭圆度公差22，外径跳动公差320，外径公差，丝杠的齿面表面粗糙度外径表面粗糙度以及内径表面粗糙度均为1.6。由文献10表3-25得：中径上偏差+360，用作工艺基准时的内径公差,螺母的齿面表面粗糙度外径表面粗糙度以及内径表面粗糙度均为3.2。由文献10表3-26得：外径下偏差-250，内径下偏差-565，中径上偏差-52，中径下偏差-462，内径上偏差+250。(11) 轴承的类型根据轴承中摩擦性质的不同，可把轴承分为滑动轴承和滚动轴承两大类。滚动轴承由于摩擦系数小，起动阻力小，而且它已标准化，选用、润滑、维护都很方便，因此一般机器中应用广泛。按照滚动体的形状，滚动轴承可分为球轴承和滚子轴承。常用的滚子有圆柱滚子、圆锥滚子、球面滚子和滚针等（如图3-4）。 图3-4 滚动轴承常用的滚动体圆锥滚子轴承的特点：可同时承受以径向载荷为主的径向与轴向载荷，不宜用来承受纯轴向载荷。当成时使用，可承受纯径向载荷，可调整径向、轴向游隙。推力球轴承的特点：只承受一个方向的轴向载荷，可限制轴一个方向的轴向位移。滚动轴承可以概括地分为向心轴承、推力轴承和向心推力轴承三大类。由于用于横纵向进给机构的轴承既承受轴向载荷又受径向载荷，所以采用圆锥滚子轴承，外圈可分离，安装时可调整轴承游隙，一般成对使用。(12) 轴承的选择由文献11表6-2-79：选用mm 轴承代号为30302的单列圆锥滚子轴承。表3-1 梯形螺纹牙型参数 （mm）名 称符 号计算公式结 果外螺纹公称直径d22螺距P5牙顶间隙ac0.25基本牙型高度H1H1=2.5外螺纹牙高h3h3= H1+ ac2.75内螺纹牙高H4H4= H1+ ac2.75牙顶高ZZ=1.25外螺纹中径d2d2=19.5内螺纹中径D2D2=19.5外螺纹小径d3d3=h316.5内螺纹小径D1D1=17内螺纹大径D4D4=d+2 ac22.5外螺纹牙顶圆角R1R1max=0.5 ac0.125内、外螺纹牙低圆角R2R2max= ac0.25给螺母定位的衬套尺寸由文献13表4.4-2得出轴承端盖的选择参考文献14表6-6：由轴承外径决定螺栓为M12，螺栓数目为4.对于固定轴承端盖的螺栓，具体参数参看文献12表11-2画法参考文献157-3。（13） 手轮直径的确定 式中轴向力N螺纹升角： 由文献09表6.1-12当量摩擦角： 取 Nmm所以取=100mm =390.69N关于此进给手轮所在轴以及轴上零件的绘制：此轴上的两个轴承选用单列圆锥滚子轴承，尺寸由文献11表6-2-79得出。轴承的轴向定位采用轴用弹性挡圈，其尺寸由文献12表20-10查出。此轴上另一个轴承的轴向定位采用轴用弹性挡圈以及轴套，其尺寸由文献12表20-10以及文献13表4.4-2分别得出。此进给上的手轮以及分度盘的选取：小手轮的具体参数由文献13表4.3-33查得（JB1352-73）。在此处选择A型小手轮。分度盘的轴向定位采用六角薄螺母，其具体参数参考文献12表13-9（GB/T6172.1-2000）。小手轮中的嵌套由文献12表13-9（GB/T6172.1-2000）.（横纵向进给手轮及分度盘形式相同）。3.3.3 垂直进给机构的选择垂直进给机构也采用螺旋传动。螺旋传动是利用螺杆和螺母组成的螺旋副来实现传动要求的。它主要用于将回转运动转变为直线运动，同时传递运动和动力。根据螺杆和螺母的相对运动关系，螺旋传动的常用运动形式，主要有2种，第一种是螺杆转动，螺母移动，多用于机床的进给机构中；另一种是螺母移动，螺杆转动并移动，多用于螺旋起重器或螺旋压力机种。本设计采用第一种运动形式。螺旋传动按其螺旋副的摩擦性质不同，又分为滑动螺旋、滚动螺旋和静压螺旋。滑动螺旋结构简单，便于制造，易于自锁。相反，滚动螺旋和静压螺旋摩擦阻力小，传动效率高，但是结构复杂，造价比较高，所以本设计采用滑动螺旋传动。丝杠螺母机构分为滑动丝杠螺母机构、滚动丝杠螺母机构和静压丝杠螺母机构。因为静压螺旋需要供油系统，所以本设计不采用；滚动丝杠螺母机构造价比较高，不宜采用。所以本设计采用滑动丝杠螺母机构。3.3.4 垂直进给机构的设计计算1. Z轴滑动螺旋传动的设计计算 滑动螺旋副的主要失效形式是磨损，故螺杆的直径和螺母的高度通常是按耐磨性计算确定的。（1） 螺杆中经类比法：类比MM7132A精密卧轴矩台平面磨床的垂直进给。可知此螺杆大径（公称直径） =30mm螺杆中径 =28.5mm（2） 公称直径 =30mm（3） 螺距公称直径为30mm，选择螺距为3mm =3mm（4） 螺纹导程取螺纹线数=1 =3mm（5） 螺母旋合长度 = 整体螺母取 在此设计中选用整体式螺母 取 =1.528.5=42.75mm（6） 旋合圈数 （7） 螺纹工作高度 mm（8） 螺纹表面工作强度 参照文献9表6-5,，螺纹形式系数，梯形螺纹螺母长度与螺杆中径之比，整体式螺母=1.2-1.5，取许用压强由文献9表6.1-14选取材料选用：螺母螺杆皆用钢，所以=7.5-13MP 取=10MP （9） 验算自锁螺纹升角： 由文献9表6.1-12 得当量摩擦角： 取 所以丝杠反行程自锁。因为此装置丝杠转速慢，受力不大且不受冲击和受压，因此不需对螺杆螺母的危险截面强度、稳定性及临界转速进行校核。而且此测量装置只负责简单测量，精度不高，所以不用对丝杠螺母副进行刚度校核。 表3-2梯形螺纹牙型参数 （mm）名 称符 号计算公式结 果外螺纹公称直径d30螺距P3牙顶间隙ac0.25基本牙型高度H1H1=1.5外螺纹牙高h3h3= H1+ ac1.75内螺纹牙高H4H4= H1+ ac1.75牙顶高ZZ=0.75外螺纹中径d2d2=28.5内螺纹中径D2D2=28.5外螺纹小径d3d3=h326.5内螺纹小径D1D1=27内螺纹大径D4D4=d+2 ac30.5外螺纹牙顶圆角R1R1max=0.5 ac0.125内、外螺纹牙低圆角R2R2max= ac0.25(10) 丝杠有关公差的选择由文献10表3-23得：因为此装置为普通机床进给机构。所以选择精度等级为10级：相邻螺距允差为50 螺距积累允差140由文献10表3-24得：中径椭圆度公差22，外径跳动公差320，外径公差，丝杠的齿面表面粗糙度外径表面粗糙度以及内径表面粗糙度均为1.6。由文献10表3-25得：中径上偏差+360，用作工艺基准时的内径公差,螺母的齿面表面粗糙度外径表面粗糙度以及内径表面粗糙度均为3.2。由文献10表3-26得：外径下偏差-150，内径下偏差-465，中径上偏差-37，中径下偏差-392，内径上偏差+150。(11) 轴承的类型根据轴承中摩擦性质的不同，可把轴承分为滑动轴承和滚动轴承两大类。滚动轴承由于摩擦系数小，起动阻力小，而且它已标准化，选用、润滑、维护都很方便，因此一般机器中应用广泛。滚动轴承可以概括地分为向心轴承、推力轴承和向心推力轴承三大类。其中推力球轴承只能承受轴向载荷，所以在垂直进给下端轴承选用时采用圆锥滚子轴承和推力球轴承。具体选择横、纵向进给丝杠所选择的轴承类型相同。（12) 轴承的选择由文献11表6-2-80：垂直进给下端轴承选用mm 轴承代号为32004的圆锥滚子轴承和推力球轴承51204配合的形式。圆锥滚子轴承关于推力球轴承的轴向定位采用轴套，用圆锥滚子轴承的外圈定位采用孔用弹性挡圈其具体参数分别由文献12表4.4-2以及文献11表20-8查得垂直进给上端轴承由文献11表6-2-79：选用mm 轴承代号为32905的单列圆锥滚子轴承轴承端盖的选择参看文献17表6-6：由轴承外径决定螺栓为M12，螺栓数目为4。对于固定轴承端盖的螺栓，具体参数参看文献11表11-2。画法参看文献15表7-3。（13） 手轮直径的确定 式中轴向力N螺纹升角： 由文献09表6.1-12当量摩擦角： 取 Nmm所以取 =160mm =593.04N3.4 导轨的选择3.4.1 导轨的类型选择导轨是保证各部件的安装装置和相互运动的导向面，它除了满足以上的要求外，还必须选择合理的导轨截面形状。常见的导轨截面形状有V形，矩形、燕尾形、圆形等四种（图3-5）。 图3-5导轨的截面形状导向原理：从定位原理可知，一个刚体在空间有六个自由度，即沿x、y、z轴移动和绕x、y、z轴转动（图3-6）。使它在空间定位，必须限制这六个自由度。对于直线运动的导轨，为了使运动部件只沿一个方向运动，必须限制运动部件绕x、y、z轴线转动和两个方向的移动。V形导轨是由两个窄长平面组成，它限制了x方向和y方向的移动及绕x轴和y轴的转动，即限制四个自由度。由于导轨面窄，不能限制绕z轴的转动，所以大多数机床床身都采用两根导轨，即棱平、V平组合，来限制z轴的转动。 图3-6导向原理本设计中采用滑动导轨。滑动导轨的组合形式是V平组合，由于V形导轨能自行补偿间隙，导向性好；而平导轨的工艺性好，因此机床床身导轨多用V平组合，V形导轨一般夹角为；对于重型机床，为了增加承载面积，减小比压，在导轨高度不变的条件下，有采用大于的；有些精密机床，为进一步提高导向性，也可采用小于；本设计中采用夹角的V形导轨。3.4.2 导轨的尺寸选择(1) 截面形状：V形导轨选择凹形对称，顶角；矩形导轨（平导轨）选择凹形(2) 结构尺寸的确定：导轨尺寸主要指导轨宽度、中心距（）等等如图3-7所示。 图3-7工作台导轨工作台导轨尺寸除比大25mm。X轴进给方向：由文献13表9.3-5查得： 由文献13表9.3-7查得： 具体尺寸见图3-8 图3-8 X轴向导轨参数Y轴进给方向：由文献13表9