刀具角度教学（精选六篇）
刀具角度教学 篇1
首先介绍最简单的内容:车刀的组成, 车刀由刀头和刀柄组成, 刀头则用于切削, 是刀具的切削部分。刀具的切削部分包括:前刀面、主后刀面、副后刀面、主切削刃、副切削刃和刀尖。这部分内容借助于图片很容易讲解, 学生很容易理解。
刀具的几何角度是把刀具放在相应坐标系里并在规定的截面里测量的角度值, 其值因坐标系或截面的不同而变化。由此引出刀具角度参考系:刀具静止参考系和刀具工作参考系。简单介绍了这两种参考系后再讲解组成参考系的平面:基面、切削平面、正交平面、法平面、假定工作平面和背平面。
以上四个测量坐标平面可根据需要任选一个, 然后与另两个坐标平面共三个平面组成相应的参考系。如由正交平面与基面、切削平面组成的参考系称为正交平面参考系;由法平面与基面、切削平面组成的参考系称为法平面参考系;另外由假定工作平面、背平面与基面组成的参考系称为假定工作平面与背平面参考系。
讲清参考系后就该讲刀具角度了。我们以正交平面参考系为例来说明刀具的标注角度。
刀具的标注角度是指在刀具工作图中要标出的几何角度, 即在静止坐标参考系中的几何角度。
(1) 基面内的角度
主偏角:过切削刃上选定点, 主切削平面与假定工作平面间的夹角, 记为Kr;
副偏角:过切削刃上选定点, 副切削平面与假定工作平面间的夹角, 记为Kr'。
(2) 切削平面内的角度
刃倾角:过切削刃上选定点, 主切削刃与基面间的夹角, 记为λs。
(3) 正交平面内的角度
前角:过切削刃上选定点, 前 (刀) 面与基面间的夹角, 记为γo。
后角:过切削刃上选定点后 (刀) 面与切削平面间的夹角, 记为αo。
(4) 副刃正交平面内的角度
副 (刃) 后角——过副切削刃上选定点, 副后面与副切削平面间的夹角, 记为αo',
以上六个角度Kr、λs、γo、αo、Kr'、αo'为车刀的基本标注角度。它们用来确定刀具的切削部分的空间方位。表示空间任意平面方位的定向角度只需要两个, 刀刃需要标注的独立角度数量是刀面数量的二倍, 即四个。
上述刀具角度是在静止参考系中的标注角度, 是忽略进给运动条件时给出的。实际上在刀具使用中, 应考虑刀具切削刃上选定点的合成运动速度, 刀尖安装不一定对准机床中心高度、背平面不一定平行于侧安装面等因素。这时的坐标平面参考系与静止坐标参考系不再相同, 实际的参考平面偏离了定义的静止坐标参考平面, 称工作坐标参考系, 在其内的刀具角度称为刀具工作角度。
以正交平面参考系来加以说明:
(1) 考虑横向进给运动的影响 (横车)
不考虑进给运动时——考虑进给运动时
切削刃上选定点A的运动轨迹圆——阿基米德螺旋线
A点的切削平面圆的切平面 (竖直) Ps——阿氏螺线的切平面 (倾斜) Pse
A点的基面径向平面 (水平) Pr——与Pse垂直的平面Pre (倾斜) Pre
前角γo——γoe=γo+η
后角αo——αoe=αo-η
(2) 考虑纵向进给运动的影响 (车螺纹)
不考虑进给运动时——考虑进给运动时
切削刃上选定点A的运动轨迹圆——螺旋线
A点的切削平面圆的切平面 (竖直) Ps——螺纹的切平面 (倾斜) Pse
A点的基面与Ps垂直 (水平) Pr——与Pse垂直的平面Pre (倾斜) Pre
前角γf——γfe=γf+μf
后角αf——αfe=αf-μf
(3) 考虑刀尖位置高低的影响
刀尖在机床中心高度上——刀尖高于机床中心高度
切削速度方向垂直向下——切线方向
基面径向平面 (水平) Pr——径向平面Pre (倾斜) Pre
切削平面圆的切平面 (竖直) Ps——切向平面 (倾斜) Pse
前角γp——γpe=γp+θp
后角αp——αpe=αp-θp
经过对这部分知识由浅入深、层层递进的梳理, 相信学生对刀具角度会有更加全面和深入的理解, 会大大提高学生学习《金属切削原理与刀具》这门课的兴趣。
参考文献
[1]韩荣第.金属切削原理与刀具[M].哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社.
刀具角度教学 篇2
一、刀具的安装
车刀安装得是否正确，直接影响切削能否顺利进行和工件的加工质量。即使刃磨出合理的车刀角度，如果安装得不正确，车刀切削时的工作角度也会发生变化。所以,安装车刀时，必须注意以下几点（图1）：
第一，在进行刀具安装时，将固定螺栓均匀拧紧，但螺栓不应拧得太紧，否则会导致车刀安装不正确。
第二，刀头伸出刀架的长度应尽量小，伸出过长时（L＞H）就会引起刀具振动，从而损坏合金刀片，此外，还会降低切削质量。
第三，车削外圆时，刀尖应对正中心线，而镗削时，更应准确地对正中心。安装车刀时，使用一块厚的刀垫较几片薄刀垫好。因为，刀垫之间有间隙，在加工过程中会产生振动，从而导致硬质合金刀片崩刃。车削铸块、青铜及黄铜时，刀尖应对正中心线，而车削钢材时，可略低于中心线1～2mm。
第四，安装车刀时，应使刀杆中心线与走刀方向垂直，否则会使主偏角和副偏角的数值发生变化。
二、刀具角度的选择
1.前角
（1）在一般情况下，选择前角应考虑“锐中有圆”的原则。即在保证车刀有足够强度的前提下，刀求锋利，在使刀刃锋利的同时，设法强化刀尖和刀刃。
（2）工件材料的强度、硬度低时可选取较大前角，反之，应取较小前角。加工特别硬的工件时，前角应很小甚至取负值。
（3）加工塑性材料时，尤其是冷作硬化严重的材料应取较大的前角。加工脆性材料，可取较小前角。
（4）粗加工，特别是断续切削，承受冲击性能载荷，或对有硬皮的铸锻件粗切时，为了保证刀具有足够的强度，应适当减小前角。但在采取某些强化切削刃如磨出适当的倒棱，在刀尖上采取磨出过渡刃的措施之后，也可增大前角至合理数值。
（5）成型刀具可在保證切削刃成形精度的前提下，设法增大前角（如螺纹车刀）。
（6）工艺系统刚性差和机床功率不足时，应取较大的前角（表1和图2）。
表1
2.后角
（1）粗加工强力切削时，要求切削刃有足够强度，应取较小的后角。精加工时，刀具磨损主要发生在切削刃区和后刀面上，增大后角可延长刀具使用寿命和提高已加工表面质量。
（2）工件材料硬度、强度较高时，为保证切削刃强度，宜取较小后角。工件材料软，塑性较大或易加工工件时，应适当加大后角。加工脆性材料，切削力集中在刃区附近，宜取较小后角。但加工特别硬的材质，在采用负前角的情况下，必须加大后角才能造成切削刃切入的条件。
（3）各种有尺寸精度要求的刀具，为了限制重磨后刀具尺寸的变化，宜取较小后角。
（4）工艺系统刚性差时，应适当加大后角（图3）。
3.主偏角
（1）影响刀具耐用度，主偏角直接影响主刀刃参加切削的长度和单位长度刀刃上的负荷。在走刀量S和吃刀深度ap相同情况下，增大主偏角时，切削厚度a增大，切削宽度b减小，主刀刃单位长度上的负荷随之增大。主偏角还决定刀尖角的大小，直接影响散热体积和刀尖处的强度。
（2）影响切削分力的大小和比例，改变主偏角可以改变径向力Py和轴向力Px的比例。以适应工艺系统（机床—工件—刀具—夹具）的刚性，避免振动和减小工件精度误差，并可适应车床走刀机构的强度。
（3）粗加工和半精加工，一般选用较大的主偏角，以利于减小振动，延长刀具耐用度、断屑和采用圈套的切削深度。
（4）加工很硬的材质应送取较小的主偏角，可减轻切削刃上的载荷，改善散热条件。
（5）工艺系统刚性较好时，减小主偏角可延长刀具使用寿命。刚性不足时，应取较大的主偏角，甚至取φ≥90°，以减小切削抗力，减小振动。车阶梯轴则需用φ=90°的偏刀（图4）。
4.副偏角
（1）一般刀具的副偏角，在不引起振动的情况下可选取较小的数值，φ =5°～10°。
（2）精加工刀具的副偏角，应取得更小一些，必要时应磨出修光刃。
（3）加工高强度、高硬度材料或断续切削时，应取较小的副偏角（φ =4°～6°）以提高刀尖强度。
5.刃倾角
（1）加工一般钢料和灰铸铁，粗车时取λ =0°～-5°；精车时取λ =0°～+5°；有冲击载荷时λ =-5°～-15°。
（2）车削淬硬钢时取λ =-5°～-12°或者负数的绝对值更大一些。
（3）工艺系统刚度不足时尽量不用负刃倾角。
（4）强力刨削时取λ =-10°～-20°。微量精车外圆，精车孔和精刨平面时，可采用大刃倾角刃具，λ =45°～75°以上。
三、刀具使用中的注意事项
在加工过程中，应定期检查刀具和工件的固定情况。在加工时，如机床突然停车，不得使工件反转，这会使刀具损坏。为了保护刀具应先从后面螺栓开始，依次旋松，以便使松开的车刀切削部分沿工件表面向下活动，离开切屑。
刀具最初切入工件时，应手动慢慢进刀，吃到工件后，才能机动进刀。进刀和退刀，只能在刀具或工件旋转的情况下进行。只有在刀具退出工件后，才能停车。
在粗加工时应注意使切屑宽度不大于切削刃长度的75%。当在加工塑性钢材时，为了改善切屑的形成，可采用卷屑器，或在前面上磨一个月牙洼，而在需要断屑时，可在前面上作一台阶，进行断屑。
1.冷却
采用硬质合金刀具加工时，必须采用充足而连续的切削液或者完全不使用切削液。因切削液不充足或断续冷却，会使硬质合金刀片出现裂纹。切削液可采用乳化液。切削液用泵不断地供给加工面，其供给量不应少于8～10L/min。
2.刀具重磨
不许用钝刀具加工，刀具使用达到正常磨钝后，必须进行重磨，而刃磨后的刀具，一定要进行研磨。加工时使用未经研磨的刀具，其寿命会降低2/3。
总之，合理地选择刀具，正确地使用硬质合金刀具，可保证刀具使用寿命长，生产效率高、加工成本低。对提高学生磨刀能力，节省学校开支，保证产品质量和经济效益有着重要意义。
基于图像处理的刀具角度测量系统 篇3
随着工业生产自动化程度的提高,为使零件加工质量得到保证,刀具磨损量就要得到很好地自动测量与控制。刀具磨损受材料(刀具自身材料和加工零件材料)、工作环境、机床、人为干预等因素的影响,磨损量过大会造成零件加工质量的下降甚至报废。因此,加工过程中需要由系统对刀具的磨损情况进行自动判断并且及时换刀,以确保零件的加工精度。
判断刀具磨损情况的方法有很多,根据零件的加工特征(零件的形状位置精度、表面纹理[1,2]、粗糙度等)来判断刀具磨损情况,这种方法需要人直接参与测量过程,未能实现刀具状态的实时在线测量;应用影像测量法对刀具角度进行测量,进而判别刀具磨损情况,这种方法的测量结果容易带来主观误差。采用基于图像处理的测量技术,可实现对测量对象的实时、在线、非接触测量,克服了人为误差[3]。
本研究主要探讨了基于图像处理的车刀角度测量技术,以Matlab作为处理平台,借助图像灰度转换、二值化处理、轮廓生成、边缘提取等技术手段来获取车刀边缘轮廓,进一步用最小二乘法将轮廓拟合,获得测量车刀角度的关键参数,最终求出车刀角度。此方法具有非接触式在线测量、高速度、刀具几何信息丰富等诸多优点。
1 系统总体方案
系统实验装置如图1所示。主要由CCD摄像头、图像采集电路、PC机3个部分组成。摄像头采用东芝公司生产的TCD132D线阵CCD,其内部包含驱动电路及信号前放,易于驱动而且信号处理也非常简单,在应用中十分方便可靠;图像采集电路以80C51单片机为核心,将摄像头获得的图像进行部分处理并输入到PC机;PC机主要完成软件层工作,包括图像采集、图像处理、图像测量3个模块。
系统硬件电路框图如图2所示。首先由单片机驱动CCD芯片,输出的CCD信号经过信号处理电路及二值化处理电路,将模拟信号转化成数字信号,然后将此信号送入单片机,通过数据存储器保存图像信息,读完一幅图像,经串口通信(RS232通信协议)将图像信息传至计算机,最后由计算机系统的前面板操作,实现车刀角度的自动测量,结果由显示器输出。
硬件电路由线阵CCD驱动系统、图像采集系统、信号处理系统、数据存储器扩展系统和通信系统组成。各组成部分功能如下:
(1) CCD驱动系统。CCD必须在合适脉冲的驱动下才能正常工作,考虑到单片机是硬件电路的核心元件,拥有丰富的硬件与软件资源,本研究利用单片机的P1口来驱动CCD传感器。P1.0口经74HC04反相器,一路驱动ΦM,获得ΦM脉冲信号;另一路经过4分频电路驱动ΦCCD,获得ΦCCD脉冲信号。同时P1.1口经过74HC04反相器驱动ΦSH,获得ΦSH脉冲信号,从而得到CCD的3路输入脉冲信号。
(2) 图像采集系统。CCD图像传感器是图像采集系统的核心部件,本研究采用型号为TCD132D的线阵CCD芯片来接收光信号,并将光信号转换成电信号,即CCD模拟图像信号。
(3) 信号处理系统。本研究采用的信号处理电路包括:LM393运放作为电压跟随器、LM358构成的两级反相比例运算放大电路、LM339构成滞回比较电路,对CCD输出信号进行二值化处理。滞回比较电路引入了正反馈,具有一定的抗干扰能力,能有效地将CCD信号中车刀的位置参数与背景分离成二值电平[4]。
(4) 数据存储器扩展系统。CCD输出的信号经过处理后,图像信息由模拟图像转换成了数字图像。由于图像采集系统的信息量比较大,单片机片内数据存储器已不够用,单片机数据存储器需要扩展。本研究采用全译码法来扩展单片机数据存储器,单片机通过74138译码器为4片6264数据存储器分配惟一的地址空间,用来缓存采集到的图像数据。
(5) 通信系统。通过串口通信,单片机将保存在6264 RAM中的车刀图像上传给PC机。在PC机上,利用Matlab图像处理工具箱提供的函数,完成图像的灰度转换、二值化处理、边缘提取以及车刀角度的测量。
2 图像处理
2.1 图像灰度转换
进行灰度转换的目的是为了实现图像的增强。灰度转换主要针对独立的像素点进行处理,可对原始图像中的光照不均进行补偿,使得待识别图像遵循同一或相似的灰度分布,在视觉上得到良好的改变。
本研究采用灰度均值方差标准算法。该算法是将图像的灰度均值和方差调整到给定值,可以统一图像的亮度和对比度,实现灰度归一。具体做法如下:令大小为W×H像素的图像的灰度分布矩阵为I=[x,y],0<x<W-1,0<y<H-1,则该图像的灰度均值和方差分别为:
为了将图像的灰度均值和方差调整到给定的值μ0和σ0(μ0和σ0可来源于标准图像),对每个像素点灰度值进行如下变换:
2.2 图像二值化
图像二值化处理是将灰度图像变换成0,1取值的二值图像过程。它设定一个阈值,当点的灰度值大于阈值时,将该点设为1,灰度值小于阈值时将该点设为0。这样就将整幅图像转化为由0和1组成的二值图像。即:
其中,T为阈值。因此,选择一个合适的阈值,对图像二值化处理尤为重要。
本研究采用直方图法进行图像二值化处理。首先扫描图像所有像素点统计相应灰度值的像素点个数,再根据灰度直方图中不同灰度值像素点个数多少以及相邻灰度值的像素点个数的变化情况,找到图像二值化阈值T,最后将阈值T代入公式(3),以完成图像的二值化。经过处理后的车刀源图像、灰度图像、二值化图像如图3所示。
2.3 图像的边缘检测
图像中灰度值或色彩急剧变化之处,即为物体的边缘。在灰度值变化比较剧烈之处进行微分运算,就可以得出区别于其他处的较大数值。因此,可以利用各种微分运算进行边缘检测。
图像边缘检测算子有很多种,每种算子都有其优点和缺点,具体选用何种算子要根据实际情况和需要进行具体分析。本研究通过对图像处理效果的比较,最终确定采用LoG边缘检测算子。
该算子先用高斯算子对图像进行平滑以降低噪声,然后采用拉普拉斯算子的二阶微分零交叉点来检测图像边缘[5,6]。LoG算子对图像f(x,y)进行边缘检测,输出图像h(x,y)是通过卷积运算得到的,即:
本研究使用3种不同的边缘检测算子进行了车刀边缘检测实验,处理后的车刀边缘提取图像如图4所示。可以看出,Roberts算子边缘的连续性较差;Sobel算子存在边界断裂不连续的现象;LoG算子检测到的边缘不仅连续性好,而且轮廓清晰可见,便于图像的后续处理。在本工作情况下LoG算子的边缘检测相对较好。
3 边缘直线拟合
从车刀边缘提取图像中可以看出,车刀边缘直线的连续性较差,若直接计算车刀角度会有较大误差。为了保证车刀角度测量的精度,需要对车刀边缘直线进行线性拟合。本研究采用最小二乘法[7,8,9]拟合车刀边缘直线。最小二乘法考虑的是已知数据点到拟合函数的距离平方和为最小。直线拟合时为一次多项式(直线方程)。通过最小二乘法可以将车刀边缘不连续的直线拟合成便于分析的直线。
4 实验与分析
本研究的车刀角度测量原理图如图5所示。通过对车刀边缘直线的拟合,车刀边缘轮廓近似于一个封闭的五边形,这将有利于车刀角度参数以及车刀角度值的测量。
设点A、B、C在图5中的坐标值分别为A(x1,y1),B(x2,y2),C(x3,y3),设∠BAC=θ,∠BAD=θ1,∠CAE=θ2,其中坐标值为对应点在这幅图像中的像素点位置,x1-x2为两点在横轴上的像素点之差,y1-y2为两点在纵轴上的像素点之差。根据下式:
可以得到车刀的角度值为:
基于以上测量公式,可测得车刀角度的最佳估计值。实验结果如表1所示(其中的角度参考值通过附加实验机构测得)。
从表1可以看出,本研究采用的车刀角度测量方法能将角度误差值控制在1°范围之内,能较好地测量车刀的角度值。因此,本研究适用于零件自动加工场合[10],根据测得的车刀角度,可以自动判断刀具的磨损情况并及时换刀,从而避免零件加工质量的下降以及其他损失。
5 结束语
本研究提出了一种基于图像处理的车刀角度测量系统。实验证明,采用本研究所述方法测量车刀角度是可行的,且本研究提出的方法在图像数据不大、图像处理实时性要求不高的场合比较适合。随着实时图像处理的发展趋势,工业上对图像处理的要求越来越高。因此,本设计方案还可以作进一步的改进,如采用更高分辨率的CCD相机,选择运算速度更快的器件等,从而更好地提高测量精度。
参考文献
[1]郑秀莲,徐振浩,张利.基于纹理的刀具状态检测技术[J].机电工程,2009,26(8):27-29.
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[4]张国雄.测控电路[M].北京:机械工业出版社,2008.
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[6]曾欢,王浩.图像边缘检测算法的性能比较与分析[J].现代电子技术,2006,29(1):255-258.
[7]邱英.Matlab在线性参数最小二乘法处理中的应用[J].科技广场,2007,15(5):165-166.
[8]李建跃,杨丰.螺旋锥齿轮齿面接触区边缘提取算法研究[J].机械,2007,34(1):57-59.
[9]严慧敏,何炳蔚.机械零件二维几何尺寸和形状检测系统研究与开发[J].机械,2008,35(10):70-72.
刀具角度教学 篇4
1 道具与轴的受力分析
在对细长轴进行车削时, 对于金属的各种摩擦阻力和变形抗力, 刀具应该能够予以克服, 这些力的作用点为工件和刀具, 且方向相反、大小相等, 切削力便为这些力的总和, 为了使计算和分析过程更加简便, 通常使用三个相互垂直的分力来表示切削力, 如图1所示。
图中各个力的名称为:总切削力 (Fr) 为合力、主切削力 (Fc) 、背向力或径向力 (Fp) 、进给抗力 (Ff) , 其余均为分力, 合力与分力的关系式为:
在切削过程中, 径向力 (Fp) 不存在功率消耗, 但是会使工件发生振动和弯曲变形, 对工件加工质量带来严重影响, 在此基础上, 可以对工艺系统刚度基于验算。在对细长轴进行加工时, 应该依据精车和粗车的不同特点, 对径向力的大小进行合理选择。且这些大小不同的力与刀具角度密切相关, 由此可见, 刀具角度的合理选择对细长轴的加工起着关键性作用。
2 基于刀具角度分析
2.1 刀具标注角度
在正交平面中, 刀具角度主要包括主偏角 (kr) 、前角 (γ0) 、刃斜角 (λs) 、后角 (ao) , 如图2所示, 在细长轴的加工过程中, 这些角度存在显著影响。
2.2 粗车刀具角度的选择
在粗车过程中, 存在较大的加工余量, 由于切削力比较大, 致使细长轴加工时存在较大弯曲变形和振动, 所以以减小径向力为主, 从公式中可以看出, 当径向力 (Fp) 为0, 主偏角 (kr) 为90º时, 此时径向力对细长轴没有影响, 可以最大限度降低弯曲变形, 如果将工件压在跟刀架上, 一旦工件被甩动, 主偏角也会随之变化, 最合适的角度为75º~88º, 可以使细长轴的弯曲变形和振动得到最大限度降低。当刀尖圆弧半径为0.15~0.25mm、刃磨副偏角为8º~12º时, 可以大大降低径向分力[1]。
2.3 精车刀具角度的选择
在精车加工中, 加工余量比较小, 因此径向力也比较小, 此时对表面粗糙度具有更高要求[2]:1) 选择宽刃弹簧车刀, 在加工期间, 弹性刀杆的使用, 可以确保加工振动的一致性;2) 具有较小的主偏角, 约为3º~5º, 可以确保人口较为锋利, 进而使切削层更薄, 充分满足表面粗糙度的相关要求;3) 刀具刀刃宽度必须超过两倍进给量, 确保光车细长轴可以充分的发挥作用, 进而符合表面粗糙度的相关要求;4) 刃磨大前角的范围为25º~30º, 再加上后角10º~15º, 且刀前面的断屑槽为1100~1150, 这样在进行切削时, 不仅使切削工作更加轻松, 还会使排屑工作变得更加容易, 有效避免对已加工面造成的划伤。
3 实践和评价
在加工中, 采用的刀具材质为硬质合金, 选择上述刀具角度, 应用CA6140型机床车, 加工细长轴 (F10×400) 50件, 各部分参数为0.80mm表面粗糙度Ra、0.03mm直线度、0.01mm圆柱度、0.05mm圆度, 如表1所示为切削用量表, 其中合格的细长轴有47件, 合格率为94%, 显著提高产品加工质量和加工效率。
4 结束语
总之, 实践摸索显示, 采用CA6140型机床车生产削细长轴时, 想要获得较高的产品加工质量和加工效率, 不断降低废品率, 完全满足现代化的生产需要, 此工装设计方案和工艺设计方案必须具有完整性和合理性, 在加工过程中, 运用合理刃磨的刀具角度和较高的加工速度, 可以促进切削力的降低, 这样在工艺系统中可以很好地避开振动频率, 使加工中的振动得以最大化减小, 运用合理的冷却液, 可以显著提高加工效果, 在实际生产中值得推广与应用。
参考文献
[1]苏志雄.数控机床刀具正确选用[J].机电技术, 2008, (1) :36-38.
刀具角度教学 篇5
1 立铣刀具角度对加工的影响及加工效率的提高
1.1 斜角Rake Angle
斜角的改变可由正值变化到负值, 如图1所示。以切削力与所需之动力来看, 正斜角所形成的刀尖角度较小, 刀具能够轻易切入工件, 而且切屑流出排除顺畅, 可减少切削压力, 所以, 切削效率较大。但太大的正斜角形成尖锐的刀尖, 故刀口较脆弱易于磨耗或崩裂。负斜角则反之具有较强之切刃, 刀口强度较大适合切削高强度的材料。
1.2 间隙角Relief Angle
又称之为离隙角, 均为正值。其作用为刀具切入工件时, 避免刀腹与工件表面产生摩擦或物理现象之干扰现象, 如图2所示。小的间隙角给予切刃有较大的支撑, 一般用于有高强度机械性质的工件材料。大的间隙角可使刀刃尖锐, 但刀口强度减低, 易于磨耗或崩裂, 适合较软或低强度的工件材料。
1.3 螺旋角Helix Angle
此为铣刀之刀槽成螺旋状, 可分为左螺旋和右螺旋两种, 如图3所示。在切削时当刀刃进入工件时, 图中切削力F会瞬间增至最大, 当刀刃离开工件时, 切削力急速降低, 此为造成切削时发生震动的原因。螺旋角此时的作用可避免切削力过于集中某个方向, 让切削力分散于其他两个方向:水平分力FH和垂直分力FV。当螺旋角γ越小时, 水平分力FH会变大, 造成切削时刀具摆动;螺旋角γ越大时, 垂直分力FV会变大, 在切削时要是挟持刀具的力量不够时, 刀具可能会从刀把中脱离, 当刀具在高速旋转时这是非常危险的。常见的螺旋角有30°、38°、45°、60°。
立铣刀之外缘及底面均有铣齿以构成切刃, 所以, 可以用来铣削工件之垂直面以及平行面。立铣刀之刀形变化非常复杂, 适用于各类加工, 如, 铣平面、沟槽或轮廓面等, 可说是被运用最为广泛的一种铣刀。一般来说立铣刀非常适用于2D形状的工件, 但是应用于3D形状的模具加工时, 就不是那么适用。
1.4 立铣刀侧刃的刃长、形状对不同工件加工有其不同的刃长要求
当刃长低于总铣削深度时, 每刀的下刀量满足刀具铣削要求时, 虽可进行正常的铣削。当立铣刀具下刀一定深度时候, 没有切削能力的部分理论上此时与工件表面不发生干涉。从下端由刃口旋转排屑上来的屑料此时与无切削能力部分发生挤压, 已加工表面工件发生挤压变形。在切削工程中局部存在高温, 此时在已加工表面还存在热挤压变形, 无法达到实际加工表面粗糙度要求。此时, 需要自制刀具, 将刀具无切削能力部分进行磨刀, 磨至需要应用的大于总铣削深度长度要求。刀具刃磨要求, 直径至少小于刀具直径0.5 mm。其目的在于利于排屑。
立铣刀铣削过程中, 侧刃的形状, 也决定了立铣刀的铣削能力。除一般螺旋线的立铣刀外, 现也采用螺旋线为波浪线的立铣刀, 其切削能力可大大提高数倍之多。
2 结语
目前实际加工中大多依据长期积累的资料和经验初步选择立铣刀的刀具材料, 以及对刀具角度的使用。根据情况适当调整刀具角度的要求有必要自制刀具, 调整实际的切削用量, 最终确定综合合理的可靠度值, 使其在数控加工过程中提高生产效率。
参考文献
[1]赵建中.机械制造基础[M].北京理工大学出版社, 2014.
[2]钟启茂.高速数控铣削机床刀具及编程技术[J].机电产品开发与创新, 2007, 20 (3) :161-162.
刀具角度教学 篇6
车削凸轮时, 刀具根据凸轮轮廓的变化作高速往复移动的同时还要摆动一定的角度以修正补偿刀具工作角度变化, 使车削过程中刀具的工作角度保持恒定值, 如图1 所示。切削过程中凸轮随主轴转动, 刀具往复移动的同时绕回转中心摆动 α 角, 在切削凸轮轮廓曲线的不同部位时, 车刀切削点的法线始终通过刀具的回转中心, 确保车刀刀尖的切削点与刀具回转中心的连线在切削点的法线n-n上, 因而使车削过程中刀具工作角度恒定不变, 使凸轮始终在合理状态下切削[3]。
由车削时刀具与凸轮的几何位置关系可以得出, 刀具相对于被加工凸轮的运动轨迹相当于滚子对心从动件平面凸轮机构运动状态, 如图2 所示[3]。图2 中凸轮的滚子中心可假设成刀具回转中心, 刀具回转中心点即为滚子对心从动件的理论廓线上一点, B点为滚子与凸轮的切点, 为凸轮实际廓线上的一点, 也即刀具的切削点, 刀具的回转半径相当于滚子半径。图2 中O为凸轮的回转中心, ∠OO1B为凸轮的瞬时压力角。经图1 与图2 比较, 凸轮的瞬时压力角与刀具摆动补偿角度值相等, 即与刀具实时摆动角度 α 相等。
车削时根据凸轮轮廓实时计算切削点的刀具摆动角度值, 此值作为控制信号控制伺服电机转动对应的角度, 从而控制刀具的转角以达到车削时刀具保持恒定前、后角的目的。
1 刀具实时摆动角度的计算分析
车削凸轮时刀具工作角度保持不变, 其刀尖绕回转中心回转而摆动相应的角度。刀具摆动的角度相当于凸轮的瞬时压力角, 与∠OO1B相等, 因此可根据图2 来计算。图2 中滚子中心O1点的坐标计算式为[1]:x= (s0+s) ·sinφ;y= (s0+s) cosφ 。式中:x、y为滚子中心点坐标;s0为凸轮的基圆半径;s为凸轮的行程距离;φ 为凸轮的转角。
B点直角坐标计算式为:x'=x-rccosβ;y'=y -rcsinβ。 式中:x'、y'为B点的坐标;rc为滚子半径, 相当于刀具切削点到回转中心的距离R;β 为法线n-n与水平线的夹角。
根据曲线上任一点的法线斜率与该点的切线斜率互为倒数的关系, 可将B点坐标计算式变换为:x'=x+Rv/τ;y'=y-Ru/τ。式中:u=dx/dφ, v=dy/dφ,
令∠OO1B=α, 则刀具摆动角度计算式为
其中:OB2=x2+y2, OO12=x'2+y'2。
2 刀具摆动角度实时计算的数控系统变量选择
从刀具摆动角度计算式推导过程可知实时摆动角度值 α 与凸轮的转角即主轴的转角 φ 成函数关系, 所以需要获得主轴的实时转角来计算刀具的摆动角度值, 为此选用数控系统的系统变量来实时获得主轴转角信息, 通过宏程序来实现实时计算。
数控系统变量能够获取包含在机床处理器或NC内存中的只读或读/写信息, 包括与机床处理器有关的交换参数、机床状态参数、加工参数等系统信息[2]。实现凸轮的数控车削加工, 通过宏程序利用数控系统旋转轴功能来控制伺服电机转动来控制刀具的摆动角度, 同时加工中要实时读取主轴位置信息, 需要选用带三轴、四轴功能的数控系统的数控车床。由于选用的机床具有伺服电机主轴功能, 因而可以利用主轴位置信息数控系统变量直接读取主轴位置信息。 如FANUC0i -TD数控系统, 根据FANUC 0i -D系统变量的设定, 位置信息中当前指令位置机床坐标系下的系统变量为#5021~#5025, #5021、#5022 对应第一轴、第二轴, 即2 个基本轴X、Z轴系统变量, #5023 则对应为主轴当前位置的系统变量, 应用#5203 变量就能直接得到凸轮的实时转角 φ 值。
3 宏程序编程分析
刀具摆动角度计算除与凸轮的转角 φ有函数关系外, 还与凸轮行程s有函数关系, 而凸轮的行程也与凸轮的转角有函数关系。因此根据上述公式计算刀具摆动角度值时, 首先要根据凸轮从动件运动规律方程式来计算s值[1]。对于不同的凸轮轮廓只要改变从动件运动方程式, 运用基本相同的宏程序即可实现刀具实时摆动角度的计算和摆角指令控制信号的输出。
3.1 刀具实时摆动角度宏程序编程的变量定义
宏程序的相关变量的确定是依据计算刀具摆动角度的公式来定义, 如刀具的摆动角度、凸轮回转角度即主轴转动角度、凸轮从动件行程等, 具体变量参数如表1 所示。
3.2 宏程序程序段设计
刀具摆动角度计算与凸轮的转角即主轴的转角有关, 凸轮转角 φ 的变量#12 由主轴位置信息系统变量#5023 来定义, 即#12=#5023。
3.2.1 凸轮从动件行程的程序段
根据凸轮从动件运动方程式, 如凸轮为等速直线运动, 升程时方程式为:
回程方程式为:
则升程位移程序段为:#17=#18*#12/#13;回程位移程序段为:#17=#18* (1-#12/#14) 。
3.2.2 刀具摆动角度计算相关坐标的程序段
滚子中心点坐标x坐标程序段为:#5= (#16+#17) *sin[#12]。
滚子中心点坐标y坐标程序段为:#6= (#16+#17) *cos[#12]。
刀具切削点B点直角坐标需要通过对滚子中心坐标求导才能求出, 计算如下:
1) 升程求导:
x = (s0+hφ/Φ1) sinφ, 则dx/dφ =s0cosφ + (hsinφ +hφcosφ) /Φ1;
y= (s0+hφ/Φ1) cosφ, 则dy/dφ=-s0sinφ+ (hcosφ-hφsinφ) /Φ1。
u变量#10的程序段为:#10=#16*cos[#12]+#18/#13*sin[#12]+#18*#12*cos[#12]]/#13。
υ变量#9的程序段为:#9=-#16*sin[#12]+#18/#13*cos[#12]-#18*#12*sin[#12]]/#13。
τ变量#11的程序段为:#11=SQRT[#9*#9+#10*#10]。
2) 回程求导:
x=s0+h (1-φ/Φ2!) "sinφ, 则dx/dφ= (s0+h) cosφ- (hsinφ-hφcosφ) /Φ2;
y=s0+h (1-φ/Φ2!) "cosφ, 则dy/dφ= (s0+h) sinφ- (hcosφ+hφsinφ) /Φ2。
u变量#10的程序段为:#10=#16*cos[#12]+#18/#13*sin[#12]+#18*#12*cos[#12]]/#13。
υ变量#9的程序段为:#9=-#16*sin[#12]+#18/#13*cos[#12]-#18*#12*sin[#12]]/#13。
τ变量#11的程序段为:#11=SQRT[#9*#9+#10*#10]。
3.2.3 摆角计算的宏程序段
摆角计算根据前面推导的公式计算, 式中:OB变量#3=SQRT (#5*#5+#6*#6) ;OO1变量#2=SQRT (#7*#7+#8*#8) 。
OO1变量的计算要先计算出x'、y' 的变量值:x' 的变量#7=#5+#4*#9/#11;y' 的变量#8=#6-#4*#10/#11。
则摆角计算变量#1 的宏程序段为:#1 =ACOS[#2*#2+#4*#4-#3*#3]/[2*#2*#4]。
4 刀具摆动角度的宏程序设计
计算刀具摆动角度的宏程序计算的变量可以分为已知量, 如凸轮运动方程中升距、停止角、升程角、降程角及基圆半径, 车削刀具刀尖到刀架回转中心的距离。对这些变量直接赋值。
以一个实际凸轮为例来编写宏程序。该凸轮顺时针转过180°时, 从动件上升50mm;当凸轮接着转过90°时, 从动件停歇不动;当凸轮转过剩余90°时, 从动件返回原处。
程序段中A为第四轴地址字, A#1 指令控制伺服电机转动对应的角度, 以实时控制刀具的工作角度, 使其保持恒定值。
5 结论
刀具工作角度要保持恒定值是数控车削凸轮时要解决的一个关键问题, 车削时刀具要绕刀架回转中心摆动一定的角度, 摆动值要随凸轮轮廓变化实时计算出来。选用高端数控系统如FANUC 0i-D的数控机床, 利用数控系统主轴位置信息系统变量实时读取主轴的转角, 通过宏程序实现刀具摆动角度的实时计算, 同时旋转轴指令作为控制信号控制伺服电机转动, 不仅解决了实时计算并能实时输出旋转角度指令A#1的难题, 还能实现不同的凸轮轮廓只要改变凸轮运动条件参数赋值均可采用宏程序进行实时计算输出控制指令A#1, 以实时控制刀具摆动的角度, 适应性强, 应用范围广。
参考文献
[1]申永胜.机械原理教程[M].北京:清华大学出版社, 2005.
[2]杨钢, 陈小安.宏程序在数控加工中的应用[J].现代制造工程, 2007 (12) :32-33.