徐曉龍,王萬(wàn)新
(德州學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院,山東 德州 253023)
車削加工是機(jī)械加工中的重要加工方式,面對(duì)不同的加工任務(wù),所使用車刀的性能也有所不同。車刀的切削性能除與刀具材料有關(guān)外,還取決于車刀的幾何形狀精度,即車刀的標(biāo)注角度大小。由于受測(cè)量?jī)x器、測(cè)量方法和人為因素等影響,工程人員很難精準(zhǔn)地測(cè)出刀具的幾何角度,為此我們?cè)O(shè)計(jì)了一種數(shù)字式車刀角度測(cè)量?jī)x,將刀具的切削角度通過(guò)數(shù)字形式顯示出來(lái),實(shí)現(xiàn)方便、快捷、直觀、精準(zhǔn)的測(cè)量。
刀具的幾何角度是由靜止參考系中定義的一組角度來(lái)表示的,這組角度稱為標(biāo)注角度,用于刀具的設(shè)計(jì)、制造、刃磨和測(cè)量。傳統(tǒng)的測(cè)量方法一是采用游標(biāo)萬(wàn)能角度尺,二是采用專用車刀量角臺(tái)。前者測(cè)量麻煩,尺身定位困難;后者由于測(cè)量臺(tái)制作精度及讀數(shù)方法等問(wèn)題,也存在操作不方便、讀數(shù)精度低等缺陷,所以我們對(duì)現(xiàn)有車刀量角臺(tái)做了改進(jìn)。
在車刀的幾何角度中,對(duì)加工質(zhì)量、生產(chǎn)效率和刀具壽命影響較大的主要有5 個(gè)基本角度,即主偏角kr和副偏角kr′、前角γ0和后角α0、刃傾角λs。其中主偏角kr是指主切削刃在基面內(nèi)與進(jìn)給運(yùn)動(dòng)方向之間的夾角,副偏角kr′是指副切削刃在基面內(nèi)與進(jìn)給運(yùn)動(dòng)反方向之間的夾角,前角γ0是指在正交平面內(nèi)刀具前面與基面之間的夾角,后角α0是指在正交平面內(nèi)刀具主后面與切削平面之間的夾角,刃傾角λs是指在切削平面內(nèi)切削刃與基面之間的夾角。圖1 是某車刀刀具角度標(biāo)注圖[1]。
圖1 刀具靜止角度的標(biāo)注
根據(jù)車刀角度的定義,車刀的主、副偏角是在基面內(nèi)測(cè)量,前角和后角是在正交平面內(nèi)測(cè)量,刃傾角在切削平面內(nèi)測(cè)量。因此,為了便于理解刀具角度的定義和方便操作,多功能車刀幾何角度測(cè)量?jī)x應(yīng)能直觀地體現(xiàn)各種角度與測(cè)量平面之間的位置關(guān)系。
原車刀角度測(cè)量臺(tái)由底座、工作臺(tái)、螺柱、升降螺母、刻度盤、指針、鎖緊螺釘?shù)冉M成(如圖2)。在測(cè)量刀具主、副偏角時(shí),刀具側(cè)面要貼緊動(dòng)滑板定位側(cè)面,隨著工作臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng),使主(副)切削刃貼合代表切削平面的大刻度盤(如圖3 所示),在底座刻度盤上讀取主(副)偏角。這與圖1角度標(biāo)注時(shí)刀具位置狀態(tài)有較大區(qū)別,不能直觀體現(xiàn)刀具角度定義,更不便于工程技術(shù)人員理解和掌握參考坐標(biāo)系的基面、切削平面和正交平面的位置關(guān)系。
圖2 原有多功能角度測(cè)量?jī)x結(jié)構(gòu)
圖3 刀具主、副偏角測(cè)量方法
測(cè)刀具前、后角時(shí),要從測(cè)量主偏角的位置起,使工作臺(tái)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)90°(相當(dāng)于到達(dá)正交平面),使主切削刃在基面上的投影恰好垂直于大指針的前面,然后,調(diào)整大刻度盤的高度和大指針的轉(zhuǎn)角,使指針下端刀口與車刀主切削刃選定點(diǎn)處前刀面貼合,這時(shí),即可在大刻度盤上讀出車刀主切削刃的前角值;再次調(diào)整大刻度盤的高度和大指針的轉(zhuǎn)角,使大指針側(cè)面在車刀主切削刃選定點(diǎn)處與后刀面貼合,可在大刻度盤上讀出車刀主切削刃的后角值。前、后角測(cè)量過(guò)程中,由于需要反復(fù)旋轉(zhuǎn)工作臺(tái),調(diào)整大刻度盤的高度,所以,車刀前后角測(cè)量精度低、操作較麻煩。
為了能夠更加直觀地體現(xiàn)刀具測(cè)量平面,使工程技術(shù)人員更容易理解刀具的標(biāo)注角度,我們?cè)谠O(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上參照同類產(chǎn)品并改進(jìn)設(shè)計(jì)[2-3](如圖4):1)去掉轉(zhuǎn)動(dòng)工作臺(tái),動(dòng)滑臺(tái)在固定底座可左右移動(dòng),體現(xiàn)刀具縱向進(jìn)給運(yùn)動(dòng);2)車刀在動(dòng)滑臺(tái)上靠底面和側(cè)面定位,能夠前后移動(dòng),體現(xiàn)刀具的橫向進(jìn)給;3)體現(xiàn)切削平面的大刻度盤由過(guò)去的固定式改為可繞立柱軸線旋轉(zhuǎn),在測(cè)量刀具主、副偏角時(shí)依據(jù)主(副)切削刃確定位置(如圖5),與角度標(biāo)注圖一致,容易操作和理解;4)測(cè)量刀具前、后角時(shí),只需在測(cè)量完刀具主偏角后,調(diào)整升降裝置,使刀具切削刃選定點(diǎn)移至前后角測(cè)量指針的下方,使指針的測(cè)量面貼合刀具前后面即可,簡(jiǎn)化刀具前后角測(cè)量時(shí)調(diào)整動(dòng)作,使操作更方便;5)為提高測(cè)量數(shù)據(jù)精確程度,避免人為讀數(shù)誤差,在各轉(zhuǎn)動(dòng)部位添加角度傳感器,構(gòu)建數(shù)字式測(cè)量系統(tǒng),通過(guò)顯示模塊直接顯示刀具測(cè)量角度。同時(shí)保留指針指示刻度,也可人工讀數(shù)。
圖4 新設(shè)計(jì)多功能車刀角度測(cè)量?jī)x結(jié)構(gòu)
圖5 改進(jìn)后刀具主(副)偏角測(cè)量
角度測(cè)量?jī)x的數(shù)字測(cè)量部分由硬件和控制軟件兩部分組成,其中硬件(如圖6)包括信號(hào)采集模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、程序控制模 塊、LED 顯 示模塊等[4]。信號(hào)采集模塊采用3 個(gè)WDD35D4 角度傳感器,分別對(duì)應(yīng)主(副)偏角、刃傾角和前(后)角測(cè)量信號(hào)。WDD35D4為精密導(dǎo)電塑料環(huán)形電位器[5],轉(zhuǎn)角測(cè)量精度可達(dá)0.1%。模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊采集角度傳感器輸出信號(hào),通過(guò)A/D 轉(zhuǎn)換,計(jì)算顯示角度大小。液晶顯示采用5110 液晶顯示屏,內(nèi)置漢字字庫(kù),除顯示測(cè)量角度數(shù)值外,還可顯示被測(cè)角度名稱。程序控制模塊采用STC12C5A60S2 單片機(jī),該單片機(jī)幾乎包含了數(shù)據(jù)采集和控制中所需的所有單元模塊,精度高,適合用于高精度數(shù)據(jù)采集[5]。
圖6 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖
我們根據(jù)刀具標(biāo)注角度定義,確定了數(shù)顯式車刀角度測(cè)量?jī)x的結(jié)構(gòu)方案,與原有測(cè)量?jī)x相比,具有如下特點(diǎn):1)參考坐標(biāo)系的基面、切削平面和正交平面在結(jié)構(gòu)中更加直觀;2)刀具幾何角度測(cè)量方法思路清晰,調(diào)節(jié)及鎖緊方便;3)測(cè)量角度直接數(shù)字顯示,避免了人員讀數(shù)誤差,提高了測(cè)量精度。
該測(cè)量臺(tái)經(jīng)過(guò)使用證明性能穩(wěn)定、反應(yīng)速度快、輸出精度高,具有廣泛的市場(chǎng)前景。
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