基于教學使用數控車刀刃磨裝置分度機構的研究與設計

文/佛山市順德區陳村職業技術學校 趙汝勝

車刀刃磨方式基本可分為兩種：一種是手工刃磨，另外一種則是用磨刀機刃磨。手工磨刀的難度很大，要求操作者具備專業的知識和多年的經驗。而用磨刀機刃磨刀具，則可以減小刀具加工誤差，并且提高刃磨效率。本設計的磨刀機是仿真人工磨削的方法設計的，是一種仿形設計，但它在精度和力度的控制上都高于手工。

一、車刀刃磨裝置分度機構的結構設計

根據仿形的設計理念，設想一個可以實現可繞自軸、Z軸旋轉的分度機構，并且在繞自軸旋轉時，不干涉Z軸的運動。該分度機構與三維工作臺的工具磨床組合可實現5個自由度，5個自由度分別為X軸的轉動和移動、Y軸的移動、Z軸的轉動和移動。最初設想利用球角控制刀架角度變化,但是在磨削過程中，該機構無法承受磨削力，出現偏移，使磨削精度下降。于是，又設想出改造三向鉗，但是設計出結構尺寸過大不符合設計要求。因此，以上兩種機構都不符合要求。

綜合以上的設想，最終設計出分度裝置的結構，來實現夾持被刃磨刀具繞自軸的旋轉，以及繞Z軸的旋轉。如圖1-1所示。

1-底座；2-底盤；3-夾頭；4-夾套；5-中心軸;6-座體；7-緊定螺釘；8-手輪；9-鍵；10-螺釘

車刀的前角具有一定的角度，為了方便磨削到合適的前角，必須設計分度機構，通過調整分度機構得到合適的前角，為下一步的磨削準備好條件，提高磨削的精度。分度機構一般由底座、底盤、分度裝置、夾緊裝置組成。

對于分度機構，主要是用于調整車刀刃磨的角度，以及刃磨的位置。分度機構主要由底座、底盤、夾頭(刀架)、中心軸、手輪、座體等構成。首先把車刀裝進夾頭上，然后轉動中心軸，把車刀壓緊及定位，底盤、座體上面有精確的刻度，在調整車刀的刃磨角度時，分別調整底盤、座體，按照底盤、座體上面的刻度，可以任意調整出精確的角度值。

1.分度底座

分度底座：分度底座主要負責實現的功能是使工件在Z軸上的旋轉，同時在旋轉到所需要的刻度時，可以鎖定。這個分度底盤借鑒了虎鉗的分度底座，它的特點是在保證精度的前提下結構簡單、經濟性好。分度底座的組成：底座和帶有刻度的底盤。

2.刀具轉動部分

刀具轉動部分：主要實現兩個功能，一個是被刃磨刀具的夾緊；另一個就是實現被刃磨刀具在該軸上的轉動以及鎖緊。如圖1-2所示。

圖1-2 套筒座以及其該軸轉動部分

(1)帶有刻度的套筒座：與鎖緊套筒間隙配合，實現鎖緊套筒在X軸上的精確轉動，同時還能保證鎖緊套筒與套筒座之間的軸向定位。

(2)帶有內螺紋的彈簧夾頭:夾頭安裝在鎖緊套筒內，通過與螺桿的配合，在螺桿配合旋轉的過程中，螺釘的螺母與鎖緊套筒之間沒有間隙，所以螺釘在軸向上是沒有位移的，這時只能是夾頭相對向后移動，在夾頭向后移動的過程中，夾頭的錐度部分就會慢慢收緊，這樣就實現了夾緊刀具的作用。

由于平時所夾持的焊接車刀的刀柄大部分是方形的，這就需要對市場上常見的夾頭進行改造。初步的設計方案里面，車刀的刀柄部分與方孔的圓形套筒之間是過盈配合，只有這樣才能保證磨削時的穩定。過盈配合之間的裝卸是很困難的，同時還有可能在裝卸的過程中，損壞刀具。結合這些問題，設計又做了進一步改進，得出了最終的方形彈簧夾頭。如圖1-3所示。

圖1-3 方形彈簧夾頭

二、分度裝置的受力分析

1.彈簧夾頭與長桿的螺栓之間螺旋配合螺栓直徑為M6，查閱相關手冊，單個螺栓的軸向拉力計算公式

(1-1)

Q——原始作用力；

L——作用力臂；

r′——螺桿端部與工件間的當兩摩擦半徑；

φ1——螺桿端部與工件間的摩擦角；

rZ——螺紋中徑之半；

α——螺紋升角 ；

WO=45×200/2.3tan45+4.513tan(3.02+9.83)=2703N

2.根據這個結果，計算彈簧夾頭的夾緊力

彈簧夾頭的夾緊力公式：

Q=P/tan(α+φ1)+tanφ2

(1-2)

P——對彈簧夾頭所加的拉力；

φ1，φ2——夾頭與夾具體 及夾頭與工件之間的磨擦角；

α——卡簧圓錐角的一半；

軸向拉力P=W=2703N,α=29,φ1=1,φ2=0將各值帶入上式得

Q=2703/tan(29+1)+tan0=4685N

3.砂輪上單個磨粒的切削厚度固然很小，但是大量的磨粒同時對被磨金屬層進行擠壓、刻劃和滑擦，加之磨粒的工作角度又很不合理，因此總的磨削力很大。為便于測量和計算，將總磨削力分解為三個相互垂直的分力Fx(軸向磨削力)、Fy(徑向磨削力)、Fz(切向磨削力)，和切削力相比，磨削力有如下特征：徑向磨削力Fy最大。

磨削力的計算公式如下：

(1-3)

Fz，Fy——分別為切向和徑向磨削力(N)；

vw，v—— 分別為工件和砂輪的速度( m/s )；

fr—— 徑向進給量( mm )；

B—— 磨削寬度( mm )；

α——假設磨粒為圓錐時的錐頂半角；

CF—— 切除單位體積的切屑所需的能( KJ/mm2)；

μ——工件和砂輪間的摩擦系數。

得出的數值足夠保持刀具磨削時的穩定性。

三、砂輪的選擇

根據車刀的材料(主要由高速鋼和硬質合金鋼)，所以選擇CBN(立方氮化硼)碗型砂輪。為什么要選擇立方氮化硼？主要因為車刀的材料(主要有高速鋼車刀和硬質合金車刀)，而立方氮化硼的硬度高，能達到HV8000，另外可以耐1300-1500℃的高溫，切削速度比硬質合金高5倍，這是一般材料難以達到的速度，而在磨削時，磨削速度高，而CBN(立方氮化硼)能夠滿足要求。為什么要選擇碗型砂輪？碗型砂輪，主要用于磨削刀具，對于車刀，可以刃磨刀具的前刀面、后刀面、副后刀面等，可刃磨多種角度的刀具。選用CBN(立方氮化硼)碗型砂輪的結構參數為：外徑125mm厚度50mm、內32mm。

四、車刀刃磨裝置的使用

本裝置是車刀刃磨的專用工具，現有技術中，車刀刃磨方法是由專門的刃磨機床來實現的，這種刃磨機床結構極為復雜、成本高，通常僅在刃具量具廠中使用。本裝置采用下述方案實現。

本裝置構思巧妙、設計合理，主體實現三移動、兩轉動，可靈活方便地調整刀頭刃部角度，保證車刀正確的幾何角度，達到精度高的目的；且被加工車刀耐用度都能得到保證。而且本裝置結構簡單、制造輕巧、還由操作方便、快捷等優點。其使用方法為：

1.各參數的調整

刃磨前檢查分度底座是否為0°，如果偏離0°，那么就要對此角進行調整。調整時先松開轉盤壓緊螺釘，轉動轉盤，觀察其上的刻度，當等于0°時，再擰緊螺釘。再根據所要磨削的刀具的前角調整分度底座的角度 ，這個角度與所要磨削的車刀前角角度一致。例如車刀的前角是90°，那么這個角度也調整成90°。Z軸上轉動軸的角度在磨削前角是保持0°。

2.車刀的裝夾

車刀裝入夾具體時，位置必須正確，正確的裝夾包括兩個方面：車斗的伸出夾具體的長度；主刀刃位置，車刀插入夾持體后，旋轉夾套讓其主刀刃與對刀刻度線平行(憑眼睛觀察)再將車刀夾緊。

3.車刀的刃磨

在完成前期裝夾調整后，開始磨削車刀并嚴格按照下面順序操作。

(1)停機狀態將夾具裝入帶有刻度的套筒，鎖緊螺釘軸向定位；

(2)調節三維工作臺，使車刀接近砂輪并處于合理磨削位置；

(3)啟動電機，然后給鉆頭一個Z向的微量持續的進給，進行刃磨，根據情況，可以再微量進給一點，繼續刃磨。刃磨完前刀面后，Z向反向退刀，遠離砂輪，松開套筒上的鎖緊螺釘，調整角度，夾緊后開始像上一步一樣磨削后刀面。在刃磨時，進刀不要太快太猛，以免燒壞車刀或發生安全事故。