基于教学使用数控车刀刃磨装置分度机构的研究与设计

赵汝胜

车刀刃磨方式基本可分为两种：一种是手工刃磨，另外一种则是用磨刀机刃磨。手工磨刀的难度很大，要求操作者具备专业的知识和多年的经验。而用磨刀机刃磨刀具，则可以减小刀具加工误差，并且提高刃磨效率。本设计的磨刀机是仿真人工磨削的方法设计的，是一种仿形设计，但它在精度和力度的控制上都高于手工。

一、车刀刃磨装置分度机构的结构设计

根据仿形的设计理念，设想一个可以实现可绕自轴、Z轴旋转的分度机构，并且在绕自轴旋转时，不干涉Z轴的运动。该分度机构与三维工作台的工具磨床组合可实现5个自由度，5个自由度分别为X轴的转动和移动、Y轴的移动、Z轴的转动和移动。最初设想利用球角控制刀架角度变化，但是在磨削过程中，该机构无法承受磨削力，出现偏移，使磨削精度下降。于是，又设想出改造三向钳，但是设计出结构尺寸过大不符合设计要求。因此，以上两种机构都不符合要求。

综合以上的设想，最终设计出分度装置的结构，来实现夹持被刃磨刀具绕自轴的旋转，以及绕Z轴的旋转。如图1-1所示。

1-底座；2-底盘；3-夹头；4-夹套；5-中心轴;6-座体；7-紧定螺钉；8-手轮；9-键；10-螺钉

图1-1 分度装置结构图

车刀的前角具有一定的角度，为了方便磨削到合适的前角，必须设计分度机构，通过调整分度机构得到合适的前角，为下一步的磨削准备好条件，提高磨削的精度。分度机构一般由底座、底盘、分度装置、夹紧装置组成。

对于分度机构，主要是用于调整车刀刃磨的角度，以及刃磨的位置。分度机构主要由底座、底盘、夹头（刀架）、中心轴、手轮、座体等构成。首先把车刀装进夹头上，然后转动中心轴，把车刀压紧及定位，底盘、座体上面有精确的刻度，在调整车刀的刃磨角度时，分别调整底盘、座体，按照底盘、座体上面的刻度，可以任意调整出精确的角度值。

1.分度底座

分度底座：分度底座主要负责实现的功能是使工件在Z轴上的旋转，同时在旋转到所需要的刻度时，可以锁定。这个分度底盘借鉴了虎钳的分度底座，它的特点是在保证精度的前提下结构简单、经济性好。分度底座的组成：底座和带有刻度的底盘。

2.刀具转动部分

图1-2 套筒座以及其该轴转动部分

刀具转动部分：主要实现两个功能，一个是被刃磨刀具的夹紧；另一个就是实现被刃磨刀具在该轴上的转动以及锁紧。如图1-2所示。

（1）带有刻度的套筒座：与锁紧套筒间隙配合，实现锁紧套筒在X轴上的精确转动，同时还能保证锁紧套筒与套筒座之间的轴向定位。

（2）带有内螺纹的弹簧夹头：夹头安装在锁紧套筒内，通过与螺杆的配合，在螺杆配合旋转的过程中，螺钉的螺母与锁紧套筒之间没有间隙，所以螺钉在轴向上是没有位移的，这时只能是夹头相对向后移动，在夹头向后移动的过程中，夹头的锥度部分就会慢慢收紧，这样就实现了夹紧刀具的作用。

由于平时所夹持的焊接车刀的刀柄大部分是方形的，这就需要对市场上常见的夹头进行改造。初步的设计方案里面，车刀的刀柄部分与方孔的圆形套筒之间是过盈配合，只有这样才能保证磨削时的稳定。过盈配合之间的装卸是很困难的，同时还有可能在装卸的过程中，损坏刀具。结合这些问题，设计又做了进一步改进，得出了最终的方形弹簧夹头。如图1-3所示。

图1-3 方形弹簧夹头

二、分度装置的受力分析

1.弹簧夹头与长杆的螺栓之间螺旋配合螺栓直径为M6，查阅相关手册，单个螺栓的轴向拉力计算公式

WO=QL/r′tanφ1+rZtan（α+φ′2）

（1-1）

Q——原始作用力；

L——作用力臂；

r′——螺桿端部与工件间的当两摩擦半径；

φ1——螺杆端部与工件间的摩擦角；

rZ——螺纹中径之半；

α——螺纹升角 ；

φ′2——螺旋当量摩擦角。

现在估算，取Q=45N，L=200mm，r′=2.3，φ1=45，rZ=4.513，α=3.02，φ′2=9.83将各值带入上式得：

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

2.根据这个结果，计算弹簧夹头的夹紧力

弹簧夹头的夹紧力公式：

Q=P/tan（α+1）+tan2

（1-2）

P——对弹簧夹头所加的拉力；

1，2——夹头与夹具体 及夹头与工件之间的磨擦角；

α——卡簧圆锥角的一半；

轴向拉力P=W=2703N，α=29，1=1，2=0将各值带入上式得

Q=2703/tan（29+1）+tan0=4685N

3.砂轮上单个磨粒的切削厚度固然很小，但是大量的磨粒同时对被磨金属层进行挤压、刻划和滑擦，加之磨粒的工作角度又很不合理，因此总的磨削力很大。为便于测量和计算，将总磨削力分解为三个相互垂直的分力 Fx （轴向磨削力）、 Fy （径向磨削力）、 Fz （切向磨削力），和切削力相比，磨削力有如下特征：径向磨削力Fy最大。

磨削力的计算公式如下：

Fy=9.18CFΠ2（VW·FV·B/v）·tanα

（1-3）

Fz，Fy——分别为切向和径向磨削力（N）；

vw，v—— 分别为工件和砂轮的速度（ m/s ）；

fr—— 径向进给量（ mm ）；

B—— 磨削宽度（ mm ）；

α——假设磨粒为圆锥时的锥顶半角；

CF—— 切除单位体积的切屑所需的能（ KJ/mm 2 ）；

μ——工件和砂轮间的摩擦系数。

得出的数值足够保持刀具磨削时的稳定性。

三、砂轮的选择

根据车刀的材料（主要由高速钢和硬质合金钢），所以选择CBN（立方氮化硼）碗型砂轮。为什么要选择立方氮化硼？主要因为车刀的材料（主要有高速钢车刀和硬质合金车刀），而立方氮化硼的硬度高，能达到HV8000，另外可以耐1300-1500℃的高温，切削速度比硬质合金高5倍，这是一般材料难以达到的速度，而在磨削时，磨削速度高，而CBN（立方氮化硼）能够满足要求。为什么要选择碗型砂轮？碗型砂轮，主要用于磨削刀具，对于车刀，可以刃磨刀具的前刀面、后刀面、副后刀面等，可刃磨多种角度的刀具。选用CBN（立方氮化硼）碗型砂轮的结构参数为：外径125mm厚度50mm、内32mm。

四、车刀刃磨装置的使用

本装置是车刀刃磨的专用工具，现有技术中，车刀刃磨方法是由专门的刃磨机床来实现的，这种刃磨机床结构极为复杂、成本高，通常仅在刃具量具厂中使用。本装置采用下述方案实现。

本装置构思巧妙、设计合理，主体实现三移动、两转动，可灵活方便地调整刀头刃部角度，保证车刀正确的几何角度，达到精度高的目的；且被加工车刀耐用度都能得到保证。而且本装置结构简单、制造轻巧、还由操作方便、快捷等优点。其使用方法为：

1.各参数的调整

刃磨前检查分度底座是否为0°，如果偏离0°，那么就要对此角进行调整。调整时先松开转盘压紧螺钉，转动转盘，观察其上的刻度，当等于0°时，再拧紧螺钉。再根据所要磨削的刀具的前角调整分度底座的角度 ，这个角度与所要磨削的车刀前角角度一致。例如车刀的前角是90°，那么这个角度也調整成90°。Z轴上转动轴的角度在磨削前角是保持0°。

2.车刀的装夹

车刀装入夹具体时，位置必须正确，正确的装夹包括两个方面：车斗的伸出夹具体的长度；主刀刃位置，车刀插入夹持体后，旋转夹套让其主刀刃与对刀刻度线平行（凭眼睛观察）再将车刀夹紧。

3.车刀的刃磨

在完成前期装夹调整后，开始磨削车刀并严格按照下面顺序操作。

（1）停机状态将夹具装入带有刻度的套筒，锁紧螺钉轴向定位；

（2）调节三维工作台，使车刀接近砂轮并处于合理磨削位置；

（3）启动电机，然后给钻头一个Z向的微量持续的进给，进行刃磨，根据情况，可以再微量进给一点，继续刃磨。刃磨完前刀面后，Z向反向退刀，远离砂轮，松开套筒上的锁紧螺钉，调整角度，夹紧后开始像上一步一样磨削后刀面。在刃磨时，进刀不要太快太猛，以免烧坏车刀或发生安全事故。

责任编辑 朱守锂