【文章內(nèi)容簡介】 切削部分的大小，便得到不同的槽形，論文研究了砂輪每轉(zhuǎn)過 5 度，在平面上的投影得到一系列投影曲線，并研究了轉(zhuǎn)過度數(shù)與曲線的關(guān)系，通過 MATLAB 擬合得到方程式。論文研究了銑刀數(shù)控加工的四大部分過程中砂輪的運(yùn)動(dòng)軌跡，因?yàn)闆Q定砂輪位置的矢量為砂輪軸線矢量和砂輪輪心點(diǎn)坐標(biāo)矢量，所以只要確定這兩個(gè)矢量的方程式，砂輪的位置就唯一確定了，加工不同部位砂輪的旋轉(zhuǎn)角度和平移距離也就隨之確定，從而得到砂輪運(yùn)動(dòng)軌跡的計(jì)算方法。 研究意義 隨著數(shù)控技術(shù)的廣泛應(yīng)用，在銑刀的生產(chǎn)加工行業(yè)，我國還處在比較落后的狀態(tài)，目前國內(nèi)使用的用來加工銑刀的數(shù)控磨床大多是從國外引進(jìn)的，數(shù)控加工的關(guān)鍵在于加工過程中切削刀具的刀位軌跡計(jì)算，由于銑刀的幾何結(jié)構(gòu)復(fù)雜多樣，磨削時(shí)，砂輪的位置軌跡變化較多，所以一套系統(tǒng)的計(jì)算砂輪位置軌本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文4跡的數(shù)控系統(tǒng)會(huì)大大縮短銑刀的生產(chǎn)加工時(shí)間，針對這個(gè)問題，本文研究了銑刀的數(shù)控加工過程以及如何通過砂輪旋轉(zhuǎn)角度變化和平移位置變化來加工出銑刀的各個(gè)特征型面，在保證銑刀各個(gè)型面尺寸的基礎(chǔ)上得到最短最有效的砂輪運(yùn)動(dòng)軌跡，減少了人工調(diào)試與修改的時(shí)間，從而也杜絕了人為的生產(chǎn)加工誤差，便于管理和實(shí)現(xiàn)銑刀的一體化設(shè)計(jì)制造過程，提高了銑刀的生產(chǎn)加工效率和磨削精度。 本章小結(jié) 本章主要介紹了數(shù)控加工的概念以及目前比較成熟的兩種刀位軌跡生成方法，通過對比，得出不同方法的優(yōu)缺點(diǎn)。簡要介紹了目前國內(nèi)刀具制造行業(yè)的現(xiàn)狀，主要在技術(shù)創(chuàng)新和數(shù)控加工方面略顯不足，針對這些不足，介紹了論文研究的內(nèi)容和意義，主要研究了銑刀數(shù)控加工過程和銑刀的幾何特性以及加工銑刀時(shí)砂輪運(yùn)動(dòng)軌跡的規(guī)劃。本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文5第 2 章 銑刀數(shù)控加工過程分析 銑刀的設(shè)計(jì)依據(jù) 技術(shù)要求(1) 客戶提供被加工零件圖：根據(jù)需要，客戶提供相應(yīng)的被加工銑刀的零件圖紙，然后設(shè)計(jì)者根據(jù)零件圖紙?jiān)O(shè)計(jì)出相應(yīng)銑刀；(2) 提供使用該刀具的設(shè)備情況：客戶提供該銑刀的使用環(huán)境，安裝銑刀的機(jī)床的情況等； (3) 被加工零件的材料：根據(jù)銑刀材料的不同，設(shè)計(jì)不同參數(shù)的銑刀； (4) 刀具的使用環(huán)境 ：設(shè)備主軸轉(zhuǎn)速，進(jìn)給量及相關(guān)情況； (5) 是否冷卻及冷卻方式； (6) 是否有其他特殊要求； 技術(shù)資料 (1) 根據(jù)被加工零件的材料進(jìn)行刀具材料的選擇； (2) 根據(jù)客戶設(shè)備情況進(jìn)行刀具連接部分的設(shè)計(jì)：柄部類型、參數(shù)的選擇等；(3) 進(jìn)行冷卻參數(shù)的選擇 ：冷卻液類型、牌號(hào)、成分等； (4) 根據(jù)被加工零件圖進(jìn)行刀具截形的設(shè)計(jì)：刀具截形曲線的形狀、尺寸等； (5) 根據(jù)刀具的使用環(huán)境進(jìn)行刀具切削參數(shù)的選擇和優(yōu)化； (6) 滿足客戶的其他特殊要求； 銑刀的熱工藝 銑刀的熱工藝包括銑刀的熱處理技術(shù)、銑刀的焊接技術(shù)、銑刀的涂層技術(shù)，這些特殊技術(shù)能夠明顯改善銑刀材料的組織性能和工藝性能，根據(jù)不同的需要，進(jìn)行不同的特殊處理，以期實(shí)現(xiàn)特定的加工要求。 銑刀的熱處理技術(shù)由于傳統(tǒng)方法生產(chǎn)的銑刀在高負(fù)荷使用后容易折斷或變形，所以銑刀的熱處理就顯得尤為重要了，可以很好地改善銑刀材料的力學(xué)和工藝性能，使之更好地用于生產(chǎn)?！τ诓牧蠟楦咚黉摰牡毒?，熱處理對于提高刀具硬度，增強(qiáng)刀具耐磨性本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文6是必不可少而且是十分關(guān)鍵的技術(shù)。熱處理工藝也是一個(gè)重要的研究領(lǐng)域。熱處理工藝的工藝參數(shù)在不斷的實(shí)驗(yàn)與優(yōu)化中，對于某種材料的熱處理最適宜的加熱溫度和時(shí)間等等工藝參數(shù)的確定從理論上是很難得到的，基本上是通過實(shí)驗(yàn)獲得。下面總結(jié)的是比較具有代表意義的一種熱處理過程。刀具熱處理加工主要步驟大致可分為：預(yù)熱，加熱，冷卻，后處理。對于預(yù)熱采用箱式電阻爐(或井式爐)和中溫鹽浴爐，最后加熱在高溫鹽浴爐中進(jìn)行。在硝鹽爐或電阻爐中回火。(1) 預(yù)熱按銑刀的直徑大小可分為一次預(yù)熱和二次預(yù)熱，目的是消除加工應(yīng)力，使內(nèi)外溫度一致，減小銑刀的形變。(3) 冷卻采用分級(jí)或等溫淬火，分級(jí)溫度為 580～620℃，鹽浴成分為 50% BaCl2+30% KCl+ 20%NaCl(簡稱 235 鹽)，當(dāng)表面溫度到 650～700℃時(shí)，轉(zhuǎn)入220～250℃的硝鹽中保溫 30～40min。(4) 熱校直快速從硝鹽爐中取出，將銑刀放在螺旋壓力機(jī)上進(jìn)行校直，考慮到冷速太快，要在不低于 20℃的溫度下進(jìn)行校直，采取校過的措施，以防止其反彈。(5) 清洗回火開水槽煮凈銑刀表面的殘鹽，銑刀垂直向上插入圓形回火筐中擠緊回火，介質(zhì)為 100%KNO3,溫度為 540～560℃，保溫 80～ 100min，回火 3 次。(6) 柄部處理柄部在 850℃的鹽浴爐中加熱到表面顏色與鹽浴一致時(shí)，挑出油冷或空冷。 銑刀的焊接技術(shù) 銑刀的焊接技術(shù)可以分為兩部分：一部分是刀齒的焊接；另一部分是柄部與刃部的焊接?？悸缘饺胁渴侵饕庸で邢鞑糠?，對材料的要求比較高，一般為硬質(zhì)合金，而柄部等部分是非切削部分，硬度強(qiáng)度要求不高，為了節(jié)省成本，選擇不同材料，并將其焊接起來得到完整銑刀。 (1) 鑲齒合金刀片的焊接 硬質(zhì)合金上的焊接裂紋是焊接應(yīng)力過大而引起的。在充分加熱后，刀具開始冷卻，焊料凝固，由于鋼的熱膨脹系數(shù)比硬質(zhì)合金大2～3倍，在鋼與硬質(zhì)合金上產(chǎn)生不同的收縮，達(dá)到室溫后，鋼的收縮是硬質(zhì)合金的兩倍。逐漸收縮的結(jié)果，在硬質(zhì)合金上產(chǎn)生拉應(yīng)力，而產(chǎn)生焊接開裂現(xiàn)象。此外，硬質(zhì)合金在950℃～1100℃就會(huì)產(chǎn)生劇烈氧化，所形成的氧化膜存在許多空隙而使硬質(zhì)合金變脆，從而本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文7降低合金的機(jī)械性能。因此，在焊接時(shí)，必須避免焊接區(qū)域的氧化現(xiàn)象。(2) 刀頭刀柄的焊接 因?yàn)闉榱斯?jié)省成本，對于主要用于切削的刃部，采用硬質(zhì)合金等較為貴重的材料，而柄部對于強(qiáng)度硬度等要求沒有刃部高，一般可采用比較經(jīng)濟(jì)的工具鋼等材料，然后通過焊接技術(shù)將刃部跟柄部焊接起來，一般采用銅釬焊，銅及其合金在釬焊前要采用機(jī)械清理或砂紙打磨的辦法清除工件表面的氧化物，用化學(xué)清理的辦法去除油脂及其他污物。刃部跟柄部的焊接，有兩種連接方式，一種是平底連接，一種是 V 形連接，后者更加緊固穩(wěn)定。 銑刀的涂層技術(shù)目前已有許多種刀具涂層方法，包括 PVD 涂層、 CVD 涂層以及交替涂覆PVD 和 CVD 的復(fù)合涂層等，從刀具制造商或涂層供應(yīng)商那里可以十分容易地獲得這些涂層。本文將介紹一些刀具涂層共有的屬性以及一些常用的PVD、CVD 涂層選擇方案。在確定選用哪種涂層對于切削加工最為有利時(shí)，涂層的每一種特性都起著十分重要的作用。常用的涂層如下所述：(1)氮化鈦涂層(TiN)TiN 是一種通用型 PVD 涂層，可以提高刀具硬度并具有較高的氧化溫度。該涂層用于高速鋼切削刀具或成形工具可獲得很不錯(cuò)的加工效果。(2)氮碳化鈦涂層(TiCN)TiCN 涂層中添加的碳元素可提高刀具硬度并獲得更好的表面潤滑性，是高速鋼刀具的理想涂層。(3)氮鋁鈦或氮鈦鋁涂層(TiAlN/AlTiN)TiAlN/AlTiN 涂層中形成的氧化鋁層可以有效提高刀具的高溫加工壽命。主要用于干式或半干式切削加工的硬質(zhì)合金刀具可選用該涂層。根據(jù)涂層中所含鋁和鈦的比例不同，AlTiN 涂層可提供比 TiAlN 涂層更高的表面硬度，因此它是高速加工領(lǐng)域又一個(gè)可行的涂層選擇。 銑刀數(shù)控加工過程分析 由于刀具材料多為高速鋼和硬質(zhì)合金，且以硬質(zhì)合金居多，硬度較高，普通的數(shù)控加工方法難以實(shí)現(xiàn)其加工，一般只能通過數(shù)控磨削來完成，并且磨削精度較高。磨床能加工硬度較高的材料，如淬硬鋼、硬質(zhì)合金等；也能加工脆性材料，如玻璃、花崗石。磨床能作高精度和表面粗糙度很小的磨削，也能進(jìn)行高效率的磨削，如強(qiáng)力磨削等。加工精度較高。刀具的數(shù)控加工，以整體立銑刀為例，砂輪實(shí)現(xiàn)四軸的聯(lián)動(dòng)，工作臺(tái)實(shí)現(xiàn)軸向的轉(zhuǎn)動(dòng)，共五軸，砂輪有 X、Y 、Z 方向的移動(dòng)和 A 軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，加上夾持銑刀的工作臺(tái)軸向的轉(zhuǎn)動(dòng)，數(shù)控加工中實(shí)際上是四軸聯(lián)動(dòng)，砂輪三軸的移動(dòng)和工作臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)，不過砂輪有時(shí)需要轉(zhuǎn)動(dòng)相應(yīng)角本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文8度來完成各個(gè)齒隙的磨削。一把標(biāo)準(zhǔn)銑刀的磨削過程一般包括：(1) 整體開槽；(2) 外圓精磨；(3) 端面齒隙磨削；(4) 前端面精磨。 整體開槽 銑刀槽型一般由以下參數(shù)決定：槽型角，芯徑，齒寬，砂輪現(xiàn)狀等共同決定，還有立銑刀的螺旋角，周齒法向徑向前角等。整體開槽選用平行輪，根據(jù)不同的銑刀材料，選擇不同粒度硬度的平行輪，平行輪尺寸根據(jù)銑刀槽形尺寸來確定，平行輪開槽有兩種方法：方法一：砂輪尺寸較大時(shí)，銑刀不動(dòng)，通過特征造型，得到銑刀槽型的特征模型，多為二次曲面，然后計(jì)算平行輪加工此二次曲面的軌跡路線，砂輪實(shí)現(xiàn)五軸聯(lián)動(dòng)，砂輪可以相對于銑刀軸線偏移一個(gè)角度，也可以相對于砂輪軸線偏移一個(gè)角度，然后通過螺旋線走刀，獲得不同形狀的槽形，多次走刀，最終達(dá)到要求尺寸。采用較小尺寸的砂輪磨削時(shí)可以采用行磨方法，如圖21所示，對于槽型弧線的每段，采用逐步行切的方法，依次通過多次走刀加工出不同弧線，依然是銑刀旋轉(zhuǎn)，砂輪直線進(jìn)給，不同弧線連接成整個(gè)槽型曲線，由于這種加工方法可以細(xì)致地仿照每段弧線的形狀進(jìn)行切削，所以加工精度較高，但加工效率因?yàn)樽叩洞螖?shù)過多，銑刀每次旋轉(zhuǎn)到一定角度后需要抬刀（砂輪抬起），然后銑刀再轉(zhuǎn)到初始位置，然后再繼續(xù)加工，整個(gè)過程耗費(fèi)時(shí)間較多。方法二：銑刀安裝在工作臺(tái)上，工作臺(tái)可以繞著銑刀的軸向轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)速度跟砂輪的前進(jìn)速度有關(guān)，這樣可以將加工銑刀螺旋槽轉(zhuǎn)換為砂輪的直線走刀，當(dāng)然，砂輪需要偏轉(zhuǎn)合適的角度，也就是說將螺旋槽二次曲面通過復(fù)合運(yùn)動(dòng)展成一次平面，考慮到工作臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)并不是360度方向任意轉(zhuǎn)動(dòng)，假設(shè)它有一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)角度范圍，工作臺(tái)配合砂輪轉(zhuǎn)動(dòng)，砂輪由銑刀端部向柄部運(yùn)動(dòng)，到達(dá)極限位置，砂輪抬起，工作臺(tái)恢復(fù)初始位置，砂輪移動(dòng)到銑刀端部初始位置，重復(fù)從端部到柄部磨削過程完成第二次磨削，最終達(dá)到要求尺寸。銑刀刃部又分為圓柱形和圓錐形，當(dāng)然，這兩種形狀開槽砂輪所轉(zhuǎn)角度有差異，圓柱形刃部，砂輪只需繞著垂直于水平面的軸旋轉(zhuǎn)一定角度，而圓錐形刃部砂輪還需要繞著平行于水平面的軸旋轉(zhuǎn)一定角度。這種方法也可以讓砂輪靜止不動(dòng)，偏轉(zhuǎn)合適的角度，然后工作臺(tái)既軸向的轉(zhuǎn)動(dòng)由軸向進(jìn)給。如圖22所示整體開槽：本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文9圖21 行切砂輪位置圖 22 整體開槽 端面齒隙磨削 端面齒隙磨削，分為兩部分，第一端面齒隙用縱磨法，選擇碟形輪，此端面為平面特征，加工時(shí)通過調(diào)整砂輪，使之與此平面平行，然后由邊到心進(jìn)行磨削，達(dá)到尺寸精度要求，關(guān)鍵是碟形輪的位置轉(zhuǎn)角的確定。第二齒隙用橫磨法，實(shí)際為擴(kuò)齒磨削，此面呈一個(gè)錐形，用碟形輪加工，通過調(diào)整碟形輪的角度位置，使之剛好能滿足第二齒隙的形狀要求，而且端面長齒跟短齒的齒隙擴(kuò)齒切削深度不同，短齒部分切削較深，使對角短齒不相連，長齒部分則保證其對心（有些要求不對心），有些刃部都是長齒，即所有刃都過心，在磨削這種刃的齒隙時(shí)要求不能過切，保證所有刃中心相連，當(dāng)人也有所有刃都不過心的，需要在各個(gè)刃之間切出空隙。采用由邊到心進(jìn)行磨削，以達(dá)到尺寸精度要求。如圖23 所示：本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文10 圖23 端面齒隙磨削 前端面精磨前端面精磨實(shí)際上是選用碟形輪精磨端齒后刀面，后刀面與端面夾角較小，后刀面實(shí)則為一斜平面，可以通過設(shè)置碟形輪軸向與法向的角度，來與后刀面斜平面成一水平面，從而對其進(jìn)行磨削，端面長齒后刀面與短齒后刀面是同一角度面，只是面積不同，長齒后刀面較大，短齒較小，磨削時(shí)要保證碟形輪有足夠的進(jìn)給，能磨削完整個(gè)后刀面，每磨削完一個(gè)后刀面，工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度，然后磨削下一個(gè)后刀面。因?yàn)殂姷抖嗣嫒袛?shù)的不同，需要合理分配旋轉(zhuǎn)角度，以及調(diào)整砂輪位置角度，避免因?yàn)槿袛?shù)過多而產(chǎn)生干涉現(xiàn)象，設(shè)置合適的切削參數(shù)，以達(dá)到尺寸精度要求。銑刀端面并不是完全垂直于刀軸，有時(shí)候端面會(huì)與出之于刀軸水平面有一個(gè)較小夾角，一般為2度，稱為蝶形角。加工時(shí)蝶形角對碟形輪的偏轉(zhuǎn)角度的影響較小。端齒磨削方法有兩種，根據(jù)機(jī)床實(shí)際情況及工件夾持角度選擇。如圖24所示 兩種方法：本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文11 圖24 端齒磨削方法 外圓精磨 外圓精磨選用碟形輪或者碗型輪，這里選用碗型輪，碗型輪用來磨削銑刀側(cè)刃部分的后刀面，銑刀后刀面有兩個(gè)，呈不同角度，一般銑刀后刀面通過圓弧連接，所以兩后刀面難以分辨，也有兩后刀面呈一定角度的，磨削外圓后刀面，也可以應(yīng)用開槽的那種方法二，銑刀夾持在工作臺(tái)上，通過工作臺(tái)的軸向轉(zhuǎn)動(dòng)，然后碗型輪可以直線進(jìn)給，將側(cè)刃后刀面曲面通過復(fù)合運(yùn)動(dòng)展成一平面，這樣可以減少砂輪的旋轉(zhuǎn)，先磨削第一后刀面，即遠(yuǎn)離側(cè)刃的那個(gè)面，再磨削第二后刀面，即挨著側(cè)刃的那個(gè)面，磨削后刀面采用從柄部到端部的走刀方向，一次磨削走刀完成，砂輪抬起并移動(dòng)到初始位置，然后工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)至初始位置，然后砂輪逼近，接觸，完成第二次磨削，多次磨削達(dá)到所要求尺寸和精度為止。由于圓周刃與端刃連接部分有三種連接方式：清根連接（即無過渡直角連接）、過渡 R 連接、球頭形連接（球頭銑刀），如圖，則在磨削完側(cè)刃后刀面，根據(jù)此圓弧大小和砂輪直徑，補(bǔ)償算出砂輪中心所走圓弧軌跡，如圖為 R 連接，弧度較小，而球頭形弧度較大，需要調(diào)整砂輪的位置和角度，確定圓的圓心，加上圓半徑和砂輪半徑，得到砂輪軸心的運(yùn)動(dòng)軌跡。對于球頭形連接，需要根據(jù)銑刀直徑得到圓弧半徑，通過砂輪刀位點(diǎn)，補(bǔ)償砂輪半徑，得到砂輪中心繞球形中心旋轉(zhuǎn)軌跡。對于直角連接，在磨削完周刃后刀面后，砂輪