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黑龍江科技學(xué)院
畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書
學(xué)生姓名： 黃文濤
任務(wù)下達(dá)日期：2011 年 12 月 19 日
設(shè)計(jì)開題日期：2012 年 4 月 13 日
設(shè)計(jì)開始日期：2012 年 4 月 16 日
中期檢查日期：2012 年 5 月 18 日
設(shè)計(jì)完成日期：2012 年 6 月 4 日
一、設(shè)計(jì)題目：刀具角度測量裝置設(shè)計(jì)
二、設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容：綜合運(yùn)用知識，全面考慮有關(guān)科學(xué)的、經(jīng)濟(jì)的及社會的情況，進(jìn)行多種方案比較，確定最優(yōu)方案。設(shè)計(jì)計(jì)算——這是設(shè)計(jì)過程中工作量最大的階段， 它包括設(shè)計(jì)計(jì)算與工程圖繪制和技術(shù)文件的編制。已知車刀正交平面內(nèi)前角、后角為（），完成刀具角度測量裝置的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，其中1張圖必須徒手畫。按照工程技術(shù)規(guī)范要求，整理好技術(shù)資料，編寫設(shè)計(jì)說明書。
三、設(shè)計(jì)目標(biāo)： 通過方案確定、設(shè)計(jì)計(jì)算，完成刀具角度測量裝置的主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。按照工程技術(shù)規(guī)范要求，整理好技術(shù)資料，編寫出設(shè)計(jì)說明書。
指 導(dǎo) 教 師： 張文生
院（系）主管領(lǐng)導(dǎo)：
2011 年 12 月19日
本科畢業(yè)設(shè)計(jì)開題報(bào)告
題 目： 刀具角度測量裝置設(shè)計(jì)
院 （系）： 機(jī)械工程學(xué)院
班 級： 機(jī)制08-3班
姓 名： 黃文濤
學(xué) 號： 080514020421
指導(dǎo)教師： 張文生
教師職稱： 教授
黑龍江科技學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)開題報(bào)告
題 目
刀具角度測量裝置設(shè)計(jì)
來源
工程實(shí)際
1、研究目的和意義
在金屬切削加工中，車刀是一種廣泛使用的刀具，在車床上使用各種車刀，可完成工件的外圓、端面、車槽或切斷，以及車孔和車內(nèi)外螺紋等加工工藝。為了滿足機(jī)器制造、金屬加工及其他部門對金屬切削刀具的需求，首先必須提高其生產(chǎn)速度，其次，要顯著提高刀具質(zhì)量，最后，要改進(jìn)刀具的使用。其中，提高金屬切削刀具的質(zhì)量乃是達(dá)到最大限度滿足對切削刀具需求的基本方法。通過對刀具幾何角度測量裝置的設(shè)計(jì)，有利于鞏固和綜合應(yīng)用本專業(yè)基礎(chǔ)理論和專業(yè)知識，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工藝設(shè)計(jì)方面都得到訓(xùn)練和提高。選題具有一定的實(shí)際意義。在現(xiàn)代機(jī)械制造工業(yè)中，加工機(jī)器零件的方法有很多種，如鑄造、鍛造、焊接、切削加工以及各種特種加工，其中切削加工是將金屬毛坯加工成具有一定精度、尺寸和表面質(zhì)量的主要加工方法。在加工精密零件時(shí)，目前主要依靠切削加工來達(dá)到所需的加工精度。隨著科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，機(jī)械制造工業(yè)也在飛速發(fā)展。相輔相成，科學(xué)技術(shù)的發(fā)展對機(jī)械制造工業(yè)也提出了越來越高的要求。許多的設(shè)備零件所需達(dá)到的形位精度和表面質(zhì)量逐年提高。這不光是對機(jī)床的制造、改進(jìn)是一大挑戰(zhàn)，而且對刀具也提出了更高的要求。為了延長刀具壽命，提高刀具的使用效率，滿足加工零件所需的形位精度和表面質(zhì)量需要，除了在設(shè)計(jì)刀具時(shí)正確決定刀具的幾何形狀，合理地選用刀具材料，規(guī)定必要的熱處理以外，在制造過程中對刀具進(jìn)行嚴(yán)格的檢驗(yàn)也不容忽視。所以，對刀具進(jìn)行嚴(yán)格、精確的測量越來越被人們重視，為了能精確地測量出各種刀具的幾何角度，人們已經(jīng)設(shè)計(jì)出了各種各樣的專用的刀具測量裝置。刀具的角度是刀具在選擇使用的一個(gè)重要依據(jù)，角度測量的準(zhǔn)確程度對刀具在切削過程中的性能要求和使用壽命起著關(guān)鍵的作用，對實(shí)際加工要求達(dá)到的切削性能和工藝要求都有一定影響。通過對刀具角度測量裝置的設(shè)計(jì)，能增強(qiáng)對刀具切削部分幾何特征參數(shù)的感性認(rèn)識，理解切削加工中的切削機(jī)理，掌握金屬切削理論基礎(chǔ)概念。有利于鞏固和綜合應(yīng)用本專業(yè)基礎(chǔ)理論和專業(yè)知識，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工藝設(shè)計(jì)方面都得到訓(xùn)練和提高。選題具有一定的實(shí)際意義。
2、國內(nèi)外發(fā)展情況(文獻(xiàn)綜述)
目前，英國、美國、德國、同本等國都有多種型號的刀具預(yù)調(diào)測量儀產(chǎn)品，如德國的Zoller和美國的EX—CELL公司的產(chǎn)品，不僅能夠迅速對刀具進(jìn)行瞄準(zhǔn)測量，而且能夠用微機(jī)刀具庫進(jìn)行管理，測量時(shí)采用光電自動瞄準(zhǔn)，對刀具的進(jìn)給速度無特別要求。我國的大部分類似的刀具測量系統(tǒng)仍停留在機(jī)械光學(xué)式，依靠人眼通過影屏將刀具放大后進(jìn)行瞄準(zhǔn)測量，容易帶來主觀誤差，同時(shí)測量速度低近來我國科研人員也開發(fā)一些新型的刀具測量系統(tǒng)和測量方法，例如采用解調(diào)測量法的計(jì)算機(jī)視覺二維刀具檢測儀、基于CCD圖像處理的刀具測量儀以及原子力顯微鏡（AFM）測量法。下面主要介紹幾種典型的刀具測量方法。（1）：機(jī)械式測量法;機(jī)械式測量法是指人工用卡尺測量或?qū)⒘砍咭?guī)固定于機(jī)床上測量。文獻(xiàn)[劉瀏.用于臥式加工中心的簡易對刀測量裝置[M].工具技術(shù).2003.]介紹了一種用于臥式加工中心，可測量刀具懸伸長度和刀具半徑的簡易對刀測量裝置。該測量裝置主要由千分表、測量桿、彈簧和測量座構(gòu)成，能夠達(dá)到的極限誤差為±39m。（2）：光學(xué)投影法；光學(xué)投影法師是指將刀具的光學(xué)影像通過光路放大變換，顯示在投影屏上，然后人工瞄準(zhǔn)測量。文獻(xiàn)[袁圣軍.1610型刀具預(yù)調(diào)測量儀的研制[M].工具技術(shù).]介紹了利用光學(xué)投影的方法來測量刀具的坐標(biāo)位置和刀尖角度、圓角。該裝置將刀具放入定位主軸中，并用投影屏瞄準(zhǔn)定位，即可在光柵顯表上顯示出刀具的坐標(biāo)值，同時(shí)可測量出其他幾何參數(shù)。（3）：解調(diào)測量法；解調(diào)測量法是利用硬件或軟件，將光電脈沖幅度表示的視頻信號恢支承螺釘進(jìn)行工件隊(duì)中。該中心架具有剛性好，回轉(zhuǎn)精度高，找正方便等優(yōu)點(diǎn)，但工件的裝夾不如局部策動式中心架方便、需要移動中心架。（4）：測頭測量法;測頭測量法是指將坐標(biāo)機(jī)測量技術(shù)應(yīng)用于數(shù)控加工中，利用控制測頭對刀具表面形狀進(jìn)行測量。文獻(xiàn)[周永麟.用于車削中心的刀具自動測量系統(tǒng)[M].工具技術(shù).1999.]介紹了一種數(shù)控測量系統(tǒng)，由反饋型測頭、數(shù)控系統(tǒng)和測量控制軟件組成?？刂茰y頭與被測刀具表面接觸，感應(yīng)被測件形狀的變化，并把位移量轉(zhuǎn)變成模擬量以正弦波的形式輸出，再經(jīng)過A/D變化輸入計(jì)算機(jī)處理。在測量中可利用波形細(xì)分技術(shù)來提高測量精度。（5）；原子力顯微鏡測量法。對于超精密加工，測量精度要求達(dá)到亞微米級、納米級。傳統(tǒng)上采用掃描電子顯微鏡量法可達(dá)到亞微米級。文獻(xiàn)[孫濤,譚久彬，董申.基于原子力顯微鏡掃描的金剛石刀具納米刃口輪廓測量方法研究.儀器儀表學(xué)報(bào)[J].2000，（2）：35-46.]介紹了原子力顯微鏡測量法。該測量法利用AFM的彈性微懸臂的探針與被測樣品相互接近。產(chǎn)生可以根據(jù)微懸臂的彈簧剛度實(shí)現(xiàn)微弱力的測量，從而得到被測樣品的表面形象，測量精度可達(dá)到納米段。（6）圖像測量法。圖像測量法是指利用CCD圖像傳感器攝取刀具的對刀圖像，傳輸?shù)接?jì)算機(jī)電子科技大學(xué)碩士研究生畢業(yè)論文中經(jīng)過數(shù)字圖像算法處理，得到刀具幾何參數(shù)的測量結(jié)果。圖像測量法具有非接觸、高精度、高效率等許多優(yōu)點(diǎn)。文獻(xiàn)[王建民，浦昭邦，晏磊等.二維圖像測量機(jī)系統(tǒng)的研究[J].儀器儀表學(xué)報(bào)，2001.]介紹了一種二維圖像測量機(jī)系統(tǒng)，可以用來測量工件、刀具的坐標(biāo)位置和尺寸參數(shù)，獲得很高的精度。
切削加工追求的目標(biāo)是高精度、高效率、低成本、綠色環(huán)保。近年來，切削加工技術(shù)在高速切削、硬態(tài)切削、微霧潤滑切削、干式切削、復(fù)合切削等領(lǐng)域迅速發(fā)展，這些切削加工技術(shù)是實(shí)現(xiàn)以最小限度生產(chǎn)設(shè)備高效率、低成本加工零件的生產(chǎn)方式的核心，到目前為止，切削加工技術(shù)發(fā)展的最大標(biāo)志就是高速切削加工的發(fā)展。
由于長期習(xí)慣于仿制國外產(chǎn)品，我國的儀器儀表工業(yè)缺乏創(chuàng)新能力，跟不上科學(xué)研究和工程建設(shè)的需要。我國儀器科學(xué)與技術(shù)研究領(lǐng)域積累了大量科研成果，許多成果處于國際領(lǐng)先水平，有待篩選。提高和轉(zhuǎn)化，但產(chǎn)業(yè)化程度很低，沒有形成具有國際競爭力的完整產(chǎn)業(yè)。（1）發(fā)展方向與科學(xué)前沿。數(shù)控設(shè)備的主要誤差來源可分為幾何誤差和熱誤差。對于重復(fù)出現(xiàn)的系統(tǒng)誤差，可采用軟件修正；對于隨機(jī)誤差較大的情況，要采用實(shí)時(shí)修正方法。對于熱誤差，一般要通過溫度測量進(jìn)行修正。我國機(jī)床行業(yè)市場萎縮同時(shí)又大量進(jìn)口國外設(shè)備的原因之一就是因?yàn)檫@方面的技術(shù)沒有得到推廣應(yīng)用。為此需要高速多通道激光干涉儀：其測量速度達(dá)60m/min以上，以適應(yīng)熱誤差和幾何誤差測量的需要。其測量結(jié)果和長度測量結(jié)果可同步輸入計(jì)算機(jī)。（2）運(yùn)行和制造過程的監(jiān)控和在線監(jiān)測技術(shù)。綜合運(yùn)用圖像、頻譜、光譜、光纖以及其它光與物質(zhì)相互作用原理的傳感器具有非接觸、高靈敏度、高柔性、應(yīng)用范圍廣的優(yōu)點(diǎn)。在這個(gè)領(lǐng)域綜合創(chuàng)新的天地十分廣闊，如振動、粗糙度、污染物、含水量、加工尺寸及相互位置等。（3）配合信息產(chǎn)業(yè)和生產(chǎn)科學(xué)的技術(shù)創(chuàng)新。為了在開放環(huán)境下求得生存空間，沒有自主創(chuàng)新技術(shù)是沒有出路的。因此應(yīng)該根據(jù)有專利權(quán)、有技術(shù)含量、有市場等原則選擇一些項(xiàng)目予以支持。根據(jù)當(dāng)前發(fā)展現(xiàn)狀，信息、生命醫(yī)學(xué)、環(huán)保、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域需要的產(chǎn)品應(yīng)給予優(yōu)先支持。如醫(yī)用中介入治療的精密儀器設(shè)備、電子工業(yè)中的超分辨光刻和清潔方法和機(jī)理研究等。
3、研究/設(shè)計(jì)的目標(biāo)：
(1）主要設(shè)計(jì)參數(shù)：綜合運(yùn)用知識，全面考慮有關(guān)科學(xué)的、經(jīng)濟(jì)的及社會的情況，設(shè)計(jì)刀具角度儀裝置?？蓪?shí)現(xiàn)自動測量刀具的前角、后角、主偏角、副偏角、副后角、刃傾角。
(2）完成總工作量如下：
??2.1）測量儀總裝配圖(A1圖紙3張)；
2.2）零件圖紙（手繪圖紙1張）。
(3）設(shè)計(jì)說明書一本（1.5萬~2萬字）。
4、設(shè)計(jì)方案（研究/設(shè)計(jì)方法、理論分析、計(jì)算、實(shí)驗(yàn)方法和步驟等）：
總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
通過理論學(xué)習(xí)與畢業(yè)實(shí)習(xí)對題目進(jìn)行分析可知該裝置由兩部分組成, 夾持裝置與角度測量裝置。
夾持裝置用于刀具的夾緊與定位，角度測量裝置用于測量刀具的幾何角度，只要包括：前角、后角、主偏角、副偏角、副后角、刃傾角。
(1) 外圓車刀在正交平面參考系的正交平面上測得的基本角度：
1)前角 γο 在過切削刃上選定點(diǎn)的正交平面內(nèi)前刀面與基面之間的夾角。
2)后角 αο 在過切削刃上選定點(diǎn)的正交平面內(nèi)，后刀面與切削平面之間的夾角。
在正交平面內(nèi)，前角和后角分別決定了前刀面和后刀面的位置。前刀面和后刀面之間所夾的角度稱為楔角βo，它可以由前角和后角派生而來。
(2) 外圓車刀在正交平面參考系的基面內(nèi)測得的基本角度
1)主偏角 κγ
在過主切削刃上選定點(diǎn)的基面內(nèi)，主切削刃和進(jìn)給運(yùn)動方向的夾角。
2)副偏角 κγ′
在過副切削刃上選定點(diǎn)的基面內(nèi)，副切削刃與進(jìn)給運(yùn)動方向的夾角。
3)副后角 κ′γ
在副切削刃上選定點(diǎn)的副正交平面內(nèi)，副后角與副切削平面之間的夾角。
4)刃傾角 λs
在過切削刃上選定點(diǎn)的切削平面內(nèi)，主切削刃與基面的夾角稱作刃傾角。
刃傾角與主偏角共同確定了主切削刃的空間位置。
對于前刀面為平面的普通外圓車刀，由上述6個(gè)角度就可以確定其切削部分的幾何形狀，這個(gè)角度是普通外圓車刀的基本角度。
5、方案的可行性分析：
通過機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)械原理和金屬切削原理等課程中的相關(guān)知識的學(xué)習(xí)，結(jié)合工程實(shí)訓(xùn)和畢業(yè)實(shí)習(xí)對相關(guān)裝置的了解與認(rèn)識，各部分結(jié)構(gòu)符合理論要求和實(shí)際要求，能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。
6、該設(shè)計(jì)的創(chuàng)新之處
測量裝置與自動換位調(diào)角裝置組合使用，可對多種刀具進(jìn)行各個(gè)角度的測量，且測量過程只需一次裝夾、定位，即可完成刀具的所有角度的加工，操作簡便，容易上手。
7、設(shè)計(jì)產(chǎn)品的主要用途和應(yīng)用領(lǐng)域：
車刀測量裝置結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，比手工刃磨的效率高，比較如以保證精度。
而刀具是機(jī)械加工中重要的組成部分，是實(shí)現(xiàn)零件加工成形的主要工具。根據(jù)當(dāng)前發(fā)展?fàn)顟B(tài)，信息、生命醫(yī)學(xué)、環(huán)保農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域需要的產(chǎn)品。而使用車刀測量裝置就只需調(diào)節(jié)X、Y，Z三軸的角度就可以對有不同角度要求的車刀進(jìn)行刃磨，并能較容易的保證精度。
8、時(shí)間進(jìn)程
3月12日-3月25日 收集資料、進(jìn)行畢業(yè)實(shí)習(xí)
3月26日-4月8日 整理實(shí)習(xí)日記、撰寫實(shí)習(xí)總結(jié)和開題報(bào)告
4月9日-4月28日 設(shè)計(jì)計(jì)算、總體結(jié)構(gòu)草圖設(shè)計(jì)
5月1日-5月15日 總體圖和部件圖設(shè)計(jì)
5月16日-5月29日 零件圖設(shè)計(jì)
5月30日-6月10日 整理、撰寫畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書和設(shè)計(jì)圖紙
9、參考文獻(xiàn)：
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指導(dǎo)教師意見
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年 月 日
開題答辯小組意見：
組長簽字： 成員簽字：
年 月 日
畢業(yè)設(shè)計(jì)領(lǐng)導(dǎo)小組意見:
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摘 要
本文是關(guān)于刀具角度測量裝置的設(shè)計(jì)過程及使用說明，重點(diǎn)介紹了刀具裝夾機(jī)構(gòu)，橫、縱向移動機(jī)構(gòu)和垂直進(jìn)給機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。刀具裝夾機(jī)構(gòu)在虎鉗的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，具有三個(gè)自由度，使其具有自鎖功能；對橫、縱向移動機(jī)構(gòu)和垂直進(jìn)給機(jī)構(gòu)，采用滑動絲桿螺母副傳動機(jī)構(gòu)，其中包括了軸承類型和尺寸的選擇；還有對導(dǎo)軌類型和尺寸的選擇與計(jì)算，使導(dǎo)軌的導(dǎo)向性和工藝性更好；最后通過這些計(jì)算和選擇設(shè)計(jì)出了測量裝置，此裝置能夠更準(zhǔn)確、方便的測出刀具的角度。
關(guān)鍵詞：刀具角度 測量裝置 進(jìn)給機(jī)構(gòu)
Abstract
This article is about the tool angle measuring device in the design process and instructions, important to introduce a specific folder, horizontal, vertical moving mechanism and the vertical feed mechanism design. The specific design of the clip is mainly aimed at improvement of three DOF vice design combined with self-locking function ; on the horizontal ,vertical moving mechanism and the vertical feed mechanism design is a spiral slide helix and the choice between rolling through. The contrast between their determined drive with a sliding screw nut pairs to design feeding mechanism, including the choice of bearing type and size; also guide the type and size on the selection and calculation, to guide the direction of and the process of better; Finally, these calculations and chose to produce the type of measurement with a mechanical hand device so the device can be more accurate, convenient measure the angle of the tool.
Keywords: cutting tool angle ; measuremengt device ; feeding meehanism
目 錄
摘 要 1
Abstract 2
第1章 緒論 4
1.1 刀具角度測量裝置的研究意義 5
1.2 國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r及趨勢 5
第2章 車刀角度測量的理論分析 8
2.1 基本定義 8
2.2 車刀的幾何參數(shù) 9
2.2.1 刀具切削部分的表面與刀刃 9
2.2.2 確定刀具切削角度的參考平面 12
2.3 刀具幾何角度的計(jì)算 13
第3章 車刀角度測量的裝置的機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì) 15
3.1 測量裝置的總體方案選定 15
3.2 傳動系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì) 16
3.3 傳動系統(tǒng)中的絲杠螺母副的設(shè)計(jì)計(jì)算 16
3.3.1 橫縱向進(jìn)給機(jī)構(gòu)的選擇 16
3.3.2 橫縱向進(jìn)給機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算 18
3.3.3 垂直進(jìn)給機(jī)構(gòu)的選擇 23
3.3.4 垂直進(jìn)給機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算 24
3.4 導(dǎo)軌的選擇 28
3.4.1 導(dǎo)軌的類型選擇 28
3.4.2 導(dǎo)軌的尺寸選擇 29
第4章 裝夾、分度和刻度裝置的設(shè)計(jì) 33
4.1 裝夾分度裝置的基本原理 33
4.2 指針與刻度盤的選擇 35
結(jié) 論 37
致 謝 38
參考文獻(xiàn) 39
CONTENTS
Abstract 1
Chapter 1 Introduction 4
1.1 Tool measurement device for significance 5
1.2 Developmental Status and Measurement Tool 5
Chapter 2 Theoretical Analysis of Measurement Tool 8
2.1 Basic definition 8
2.2 Tool geometry 9
2.2.1 Tool cutting edge part of the surface 9
2.2.2 To determine the angle of the cutting tool reference plane 12
2.3 Calculation of tool geometry 13
Chapter 3 Tool measurement device for mechanical system design 15
3.1 General scheme of measurement device selected 15
3. 2 Transmission System Design 16
3.3 Transmission Design and calculation of screw nut pairs 16
3.3.1 Horizontal and vertical feed mechanism of choice 16
3.3.2 Horizontal and vertical feed mechanism design calculation 18
3.3.3 The choice of the vertical feed mechanism 23
3.3.4 Vertical feed mechanism design calculation 24
3.4 Selection Guide 28
3.4.1 Select the type of rail 28
3.4.2 Size Selection Guide 29
Chapter 4 Clamping and indexing Device 33
4.1 The basic principles of clamping device 33
4.2 The choice of indexing device 35
Conclusion 37
Thanks 38
References 39
第1章 緒論
1.1 刀具角度測量裝置的研究意義
在金屬切削加工中，車刀是一種廣泛使用的刀具，在車床上使用各種車刀，可完成工件的外圓、端面、車槽或切斷，以及車孔和車內(nèi)外螺紋等加工工藝。為了滿足機(jī)器制造、金屬加工及其他部門對金屬切削刀具的需求，首先必須提高其生產(chǎn)速度，其次，要顯著提高刀具質(zhì)量，最后，要改進(jìn)刀具的使用。其中，提高金屬切削刀具的質(zhì)量乃是達(dá)到最大限度滿足對切削刀具需求的基本方法。通過對刀具幾何角度測量裝置的設(shè)計(jì)，有利于鞏固和綜合應(yīng)用本專業(yè)基礎(chǔ)理論和專業(yè)知識，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工藝設(shè)計(jì)方面都得到訓(xùn)練和提高。選題具有一定的實(shí)際意義。在現(xiàn)代機(jī)械制造工業(yè)中，加工機(jī)器零件的方法有很多種，如鑄造、鍛造、焊接、切削加工以及各種特種加工，其中切削加工是將金屬毛坯加工成具有一定精度、尺寸和表面質(zhì)量的主要加工方法。在加工精密零件時(shí)，目前主要依靠切削加工來達(dá)到所需的加工精度。隨著科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，機(jī)械制造工業(yè)也在飛速發(fā)展。相輔相成，科學(xué)技術(shù)的發(fā)展對機(jī)械制造工業(yè)也提出了越來越高的要求。許多的設(shè)備零件所需達(dá)到的形位精度和表面質(zhì)量逐年提高。這不光是對機(jī)床的制造、改進(jìn)是一大挑戰(zhàn)，而且對刀具也提出了更高的要求。為了延長刀具壽命，提高刀具的使用效率，滿足加工零件所需的形位精度和表面質(zhì)量需要，除了在設(shè)計(jì)刀具時(shí)正確決定刀具的幾何形狀，合理地選用刀具材料，規(guī)定必要的熱處理以外，在制造過程中對刀具進(jìn)行嚴(yán)格的檢驗(yàn)也不容忽視。所以，對刀具進(jìn)行嚴(yán)格、精確的測量越來越被人們重視，為了能精確地測量出各種刀具的幾何角度，人們已經(jīng)設(shè)計(jì)出了各種各樣的專用的刀具測量裝置。
1.2 國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r及趨勢
目前，英國、美國、德國、同本等國都有多種型號的刀具預(yù)調(diào)測量儀產(chǎn)品，如德國的Zoller和美國的EX—CELL公司的產(chǎn)品，不僅能夠迅速對刀具進(jìn)行瞄準(zhǔn)測量，而且能夠用微機(jī)刀具庫進(jìn)行管理，測量時(shí)采用光電自動瞄準(zhǔn)，對刀具的進(jìn)給速度無特別要求。我國的大部分類似的刀具測量系統(tǒng)仍停留在機(jī)械光學(xué)式，依靠人眼通過影屏將刀具放大后進(jìn)行瞄準(zhǔn)測量，容易帶來主觀誤差，同時(shí)測量速度低近來我國科研人員也開發(fā)一些新型的刀具測量系統(tǒng)和測量方法，例如采用解調(diào)測量法的計(jì)算機(jī)視覺二維刀具檢測儀、基于CCD圖像處理的刀具測量儀以及原子力顯微鏡（AFM）測量法。下面主要介紹幾種典型的刀具測量方法。（1）：機(jī)械式測量法;機(jī)械式測量法是指人工用卡尺測量或?qū)⒘砍咭?guī)固定于機(jī)床上測量。文獻(xiàn)[1]介紹了一種用于臥式加工中心，可測量刀具懸伸長度和刀具半徑的簡易對刀測量裝置。該測量裝置主要由千分表、測量桿、彈簧和測量座構(gòu)成，能夠達(dá)到的極限誤差為±39m。（2）：光學(xué)投影法；光學(xué)投影法師是指將刀具的光學(xué)影像通過光路放大變換，顯示在投影屏上，然后人工瞄準(zhǔn)測量。文獻(xiàn)[2]介紹了利用光學(xué)投影的方法來測量刀具的坐標(biāo)位置和刀尖角度、圓角。該裝置將刀具放入定位主軸中，并用投影屏瞄準(zhǔn)定位，即可在光柵顯表上顯示出刀具的坐標(biāo)值，同時(shí)可測量出其他幾何參數(shù)。（3）：解調(diào)測量法；解調(diào)測量法是利用硬件或軟件，將光電脈沖幅度表示的視頻信號恢支承螺釘進(jìn)行工件隊(duì)中。該中心架具有剛性好，回轉(zhuǎn)精度高，找正方便等優(yōu)點(diǎn)，但工件的裝夾不如局部策動式中心架方便、需要移動中心架。（4）：測頭測量法;測頭測量法是指將坐標(biāo)機(jī)測量技術(shù)應(yīng)用于數(shù)控加工中，利用控制測頭對刀具表面形狀進(jìn)行測量。文獻(xiàn)[4]介紹了一種數(shù)控測量系統(tǒng)，由反饋型測頭、數(shù)控系統(tǒng)和測量控制軟件組成。控制測頭與被測刀具表面接觸，感應(yīng)被測件形狀的變化，并把位移量轉(zhuǎn)變成模擬量以正弦波的形式輸出，再經(jīng)過A/D變化輸入計(jì)算機(jī)處理。在測量中可利用波形細(xì)分技術(shù)來提高測量精度。（5）；原子力顯微鏡測量法。對于超精密加工，測量精度要求達(dá)到亞微米級、納米級。傳統(tǒng)上采用掃描電子顯微鏡量法可達(dá)到亞微米級。文獻(xiàn)[5]介紹了原子力顯微鏡測量法。該測量法利用AFM的彈性微懸臂的探針與被測樣品相互接近。產(chǎn)生可以根據(jù)微懸臂的彈簧剛度實(shí)現(xiàn)微弱力的測量，從而得到被測樣品的表面形象，測量精度可達(dá)到納米段。（6）圖像測量法。圖像測量法是指利用CCD圖像傳感器攝取刀具的對刀圖像，傳輸?shù)接?jì)算機(jī)電子科技大學(xué)碩士研究生畢業(yè)論文中經(jīng)過數(shù)字圖像算法處理，得到刀具幾何參數(shù)的測量結(jié)果。圖像測量法具有非接觸、高精度、高效率等許多優(yōu)點(diǎn)。文獻(xiàn)[6]介紹了一種二維圖像測量機(jī)系統(tǒng)，可以用來測量工件、刀具的坐標(biāo)位置和尺寸參數(shù)，獲得很高的精度。
切削加工追求的目標(biāo)是高精度、高效率、低成本、綠色環(huán)保。近年來，切削加工技術(shù)在高速切削、硬態(tài)切削、微霧潤滑切削、干式切削、復(fù)合切削等領(lǐng)域迅速發(fā)展，這些切削加工技術(shù)是實(shí)現(xiàn)以最小限度生產(chǎn)設(shè)備高效率、低成本加工零件的生產(chǎn)方式的核心，到目前為止，切削加工技術(shù)發(fā)展的最大標(biāo)志就是高速切削加工的發(fā)展。
由于長期習(xí)慣于仿制國外產(chǎn)品，我國的儀器儀表工業(yè)缺乏創(chuàng)新能力，跟不上科學(xué)研究和工程建設(shè)的需要。我國儀器科學(xué)與技術(shù)研究領(lǐng)域積累了大量科研成果，許多成果處于國際領(lǐng)先水平，有待篩選。提高和轉(zhuǎn)化，但產(chǎn)業(yè)化程度很低，沒有形成具有國際競爭力的完整產(chǎn)業(yè)。（1）發(fā)展方向與科學(xué)前沿。數(shù)控設(shè)備的主要誤差來源可分為幾何誤差和熱誤差。對于重復(fù)出現(xiàn)的系統(tǒng)誤差，可采用軟件修正；對于隨機(jī)誤差較大的情況，要采用實(shí)時(shí)修正方法。對于熱誤差，一般要通過溫度測量進(jìn)行修正。我國機(jī)床行業(yè)市場萎縮同時(shí)又大量進(jìn)口國外設(shè)備的原因之一就是因?yàn)檫@方面的技術(shù)沒有得到推廣應(yīng)用。為此需要高速多通道激光干涉儀：其測量速度達(dá)60m/min以上，以適應(yīng)熱誤差和幾何誤差測量的需要。其測量結(jié)果和長度測量結(jié)果可同步輸入計(jì)算機(jī)。（2）運(yùn)行和制造過程的監(jiān)控和在線監(jiān)測技術(shù)。綜合運(yùn)用圖像、頻譜、光譜、光纖以及其它光與物質(zhì)相互作用原理的傳感器具有非接觸、高靈敏度、高柔性、應(yīng)用范圍廣的優(yōu)點(diǎn)。在這個(gè)領(lǐng)域綜合創(chuàng)新的天地十分廣闊，如振動、粗糙度、污染物、含水量、加工尺寸及相互位置等。（3）配合信息產(chǎn)業(yè)和生產(chǎn)科學(xué)的技術(shù)創(chuàng)新。為了在開放環(huán)境下求得生存空間，沒有自主創(chuàng)新技術(shù)是沒有出路的。因此應(yīng)該根據(jù)有專利權(quán)、有技術(shù)含量、有市場等原則選擇一些項(xiàng)目予以支持。根據(jù)當(dāng)前發(fā)展現(xiàn)狀，信息、生命醫(yī)學(xué)、環(huán)保、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域需要的產(chǎn)品應(yīng)給予優(yōu)先支持。如醫(yī)用中介入治療的精密儀器設(shè)備、電子工業(yè)中的超分辨光刻和清潔方法和機(jī)理研究等。
第2章 車刀角度測量的理論分析
2.1 基本定義
切削運(yùn)動：直接切除金屬層，使之轉(zhuǎn)變?yōu)榍邢鞯倪\(yùn)動稱為切削的運(yùn)動。
主運(yùn)動：使工件與刀具產(chǎn)生相對運(yùn)動以進(jìn)行切削的最基本的運(yùn)動。這個(gè)運(yùn)動的速度最高，消耗功率最大。例如，外圓車削時(shí)的工件旋轉(zhuǎn)運(yùn)動和平面刨削時(shí)的刀具直線往復(fù)運(yùn)動，都是主運(yùn)動。其他切削加工方法中的主運(yùn)動也同樣是由工件和刀具來完成的，其形式可以是旋轉(zhuǎn)運(yùn)動和直線運(yùn)動，但每種切削加工方法的主運(yùn)動通常只有一個(gè)。進(jìn)給運(yùn)動：使主運(yùn)動能夠繼續(xù)切除工件上多余的金屬，以便形成工件表面所需的運(yùn)動，稱為進(jìn)給運(yùn)動。例如外圓車削時(shí)車刀的縱向連續(xù)直線進(jìn)給運(yùn)動，和平面刨削時(shí)工件的間歇直線進(jìn)給運(yùn)動。其它切削加工方法中也是由工件或由刀具來完成進(jìn)給運(yùn)動的，但進(jìn)給運(yùn)動可能不止一個(gè)。它的運(yùn)動形式可以是直線運(yùn)動、旋轉(zhuǎn)運(yùn)動或者兩者的組合，但無論哪種形式的進(jìn)給運(yùn)動，它消耗的功率都比主運(yùn)動要有效。
總之，任何切削加工方法都必須有一個(gè)主運(yùn)動，可以有一個(gè)或幾個(gè)進(jìn)給運(yùn)動。主運(yùn)動和進(jìn)給運(yùn)動可以由工件或刀具分別完成，也可以由刀具單獨(dú)完成（例如在鉆床上鉆孔或鉸空）。
待加工表面：它是工件上即將被切去的表面，隨著切削過程的進(jìn)行，它將逐漸減小，直至全部切去。
已加工表面：它是刀具切削后在工件上形成的新表面，并隨著切削的繼續(xù)進(jìn)行而逐漸擴(kuò)大。
過渡表面：它是刀刃正切削著的表面，并且是切削過程中不斷改變著的表面，但它總是處在待加工表面與已加工表面之間。
切削用量：所謂切削用量是指切削速度、進(jìn)給量和背吃刀量三者的總稱。
切削速度V:它是切削加工時(shí)，刀刃上選定點(diǎn)相對于工件的主運(yùn)動的速度。刀刃上各點(diǎn)的切削速度可能是不同的。當(dāng)主運(yùn)動為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動時(shí)，刀具或工件最大直徑處的切削速度由下式確定：
m/s或m/min
式中—完成主運(yùn)動的刀具或工件的最大直徑mm；
—主運(yùn)動的轉(zhuǎn)速r/s或r/min。
進(jìn)給量：它是工件或刀具的主運(yùn)動每轉(zhuǎn)或每一行程時(shí)，工件和刀具兩者在進(jìn)給運(yùn)動方向上的相對位移量。例如外圓車削時(shí)的進(jìn)給量是工件每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)是車刀相對于工件在進(jìn)給運(yùn)動方向上的相對位移量，其單位為mm/r；又如在牛頭刨床上刨削平面時(shí)，則進(jìn)給量是刨刀每往復(fù)一次，工件在進(jìn)給運(yùn)動方向上相對于刨刀的位移量，其單位為mm/雙行程。
在切削加工中，也有用進(jìn)給速度來表示進(jìn)給運(yùn)動的。所謂進(jìn)給運(yùn)動是刀刃上選定點(diǎn)相對于工件的進(jìn)給運(yùn)動的速度，其單位為mm/s。若進(jìn)給運(yùn)動為直線運(yùn)動，則進(jìn)給速度在刀刃上各點(diǎn)是相同的。
背吃刀量：對外圓車削和平面刨削而言，背吃刀量等于工件已加工表面與待加工表面間的垂直距離；其中外圓車削的背吃刀量
mm
式中—工件待加工表面的直徑mm。
—工件已加工表面的直徑mm。
2.2 車刀的幾何參數(shù)
2.2.1 刀具切削部分的表面與刀刃
如圖2-1所示是外圓車刀的切削部分，它具有下述表面和刀刃：
前刀面 ()
副切削刃 ()
副后刀面()
刀尖
主后刀面 ()
主切削刃 ()
圖2-1 外圓車刀切削部分
前刀面（）：切下的切屑沿其流出的表面。
主后刀面（）：與工件上過渡表面相對的表面。
副后刀面（）：與工件上已加工表面相對的表面。
主切削刃（）：前刀面與主后刀面相交而得到的邊鋒，用以形成工件的過渡表面，它完成主要的金屬切除工作。
副切削刃（）：前刀面與副后刀面相交而得到的邊鋒，它協(xié)同主切削刃完成金屬切除工作，以最終形成工件的已加工表面。
刀尖：主、副切削刃的交點(diǎn)。多數(shù)刀具將此處磨成圓弧或一小段直線。
車刀的幾何角度主要有前角o、主偏角r、副偏角r、后角o、副后角o、刃傾角s，車刀主要幾何角度如圖2-2所示。
前角o：在主切削刃上選定點(diǎn)的正交平面Po內(nèi)，前刀面與基面之間的夾角。前角影響切屑變形、切削力的大小，切削溫度的高低及刀具壽命和工件表面的質(zhì)量好壞。
主偏角r：主切削刃在基面上的投影與進(jìn)給方向之間的夾角，在基面Pr上測量。主偏角影響刀頭強(qiáng)度、散熱和切削層斷面形狀。
副偏角r：副切削刃在基面上的投影于進(jìn)給方向之間的夾角，它在Pr內(nèi)測量。副偏角影響刀頭強(qiáng)度、散熱和已加工表面的粗糙度。
后角o：在同一正交平面Po內(nèi)，后刀面與切削平面Ps之間的夾角。后角能防止和減少刀具主后刀面于加工表面摩擦，使刀刃鋒利。
副后角o：在副切削刃上選定點(diǎn)的副正交平面Po內(nèi)，副后到面與副切削平面之間的夾角。
刃傾角s：主切削刃與基面Pr的夾角，在切削平面Ps中測量。當(dāng)?shù)都庠谥髑邢魅猩蠟樽畹忘c(diǎn)時(shí)，s為負(fù)值：反之，當(dāng)?shù)都庠谥髑邢魅猩蠟樽罡唿c(diǎn)時(shí)，s為正值。
已加工表面
加工表面
待加工表面
圖2-2 車刀的幾何角度
以上是外圓車刀必須標(biāo)出的六個(gè)基本角度。有了這六個(gè)基本角度，外圓車刀的三面(前刀面、主后刀面、副后刀面)、兩刃(主切削刃、副切削刃)、一尖的空間位置就確定下來了。
2.2.2 確定刀具切削角度的參考平面
刀具角度是指在刀具工作圖上需要標(biāo)出的角度，它是在靜止參考系下描述的。刀具的制造和測量就是按照這種角度進(jìn)行的。為了便于車刀在制造和測量，在建立刀具靜止參考時(shí)，做如下三點(diǎn)假設(shè)：
(1) 不考慮進(jìn)給運(yùn)動影響；
(2) 安裝車刀時(shí)應(yīng)使刀尖與工件中心等高，且車刀刀桿中心線與工件軸線垂直；
(3) 主切削刃上任選定點(diǎn)與工件中心等高。
根據(jù)上述三點(diǎn)假設(shè)建立三個(gè)刀具靜止參考系，分別是正交平面參考系、法平面參考系、背平面和假定工作平面參考系。這里著重介紹一下正交平面參考系，要用到以下幾個(gè)平面：
基面(Pr)：過切削刃上選定點(diǎn)并垂直于該點(diǎn)切削速度的向量vc的平面。對于普通車刀來說，它的基面總是平行于刀桿的底面。
切削平面(Ps)：過切削刃上選定點(diǎn)作切削刃的切線，此線與該點(diǎn)的切削速度向量vc所組成的平面。
正交平面(Po)：過切削刃上的選定點(diǎn)，同時(shí)垂直于該點(diǎn)的基面Pr和切削平面Ps的平面。
對于切削刃上的某一選定點(diǎn)，該點(diǎn)的正交平面Po、基面Pr和切削平面Ps構(gòu)成了一個(gè)兩兩相互垂直的空間直角坐標(biāo)系，將此坐標(biāo)系稱之為正交平面參考系，如圖2-3所示，由此圖可知，正交平面垂至于主切削刃或其切線在基面上的投影。
圖2-3 正交平面參考系
2.3 刀具幾何角度的計(jì)算
刀具是切削加工必備工具，它直接影響切削加工的質(zhì)量，確定刀具的幾何角度，是刀具影響切削加工的重要因素。刀具角度的計(jì)算與測量一直是刀具設(shè)計(jì)制造中的難題，通常的方法有幾何法矢量法。幾何法是利用坐標(biāo)系根據(jù)各個(gè)角度在坐標(biāo)系中的位置關(guān)系，通過解析幾何法求得；矢量法就是把刀具線面用矢量表如圖2-4坐標(biāo)變換圖達(dá)到，通過建立矢量表達(dá)式來求得。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、虛擬技術(shù)的發(fā)展，利用計(jì)算機(jī)來確定刀具角度越來越成熟，通過三維參數(shù)化設(shè)計(jì)，建立參數(shù)模型，利用計(jì)算機(jī)繪圖程序構(gòu)建刀具模型，測量出所需的幾何角度。
圖2-4 坐標(biāo)變換圖
第3章 車刀角度測量的裝置的機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)
3.1 測量裝置的總體方案選定
如圖3-1所示，它水平設(shè)計(jì)一個(gè)導(dǎo)軌，導(dǎo)軌上裝有一個(gè)可以作直線滑動的滑座，導(dǎo)軌與滑座之間通過滾動軸承來實(shí)現(xiàn)滑動。滑座的上部裝有能前后向直線滑動的滑塊，滑塊上設(shè)有與導(dǎo)軌垂直的水平向滑槽，滑座的4個(gè)角上向上設(shè)有4個(gè)支座，支座上開有豎向滑槽，滑塊裝在4個(gè)支座之間，水平向滑槽與豎向滑槽通過銷軸串聯(lián)，銷軸與水平向滑槽之間、銷軸與豎向滑槽之間分別通過滾動軸承實(shí)現(xiàn)滑塊，在滑塊上向上裝有分度裝置，分度裝置上面裝有夾持裝置，分度裝置包括兩個(gè)垂直相接的分度頭。刀柄可以直接固定在夾持裝置上。
圖3-1 車刀角度測量裝裝置的夾持裝置及導(dǎo)軌簡圖
設(shè)計(jì)中夾持裝置和上面一樣都是采用三向旋轉(zhuǎn)虎鉗固定和旋轉(zhuǎn)，傳動機(jī)構(gòu)采用絲杠螺母副和錐齒輪副，由手輪驅(qū)動。驅(qū)動系統(tǒng)采用三個(gè)手輪分別控制三個(gè)軸向的運(yùn)動，一個(gè)控制絲杠螺母副使刻度裝置沿Z-Z軸導(dǎo)軌運(yùn)動；一個(gè)控制絲杠螺母副使工作臺沿X-X軸導(dǎo)軌直線運(yùn)動；最后一個(gè)控制絲杠螺母副使工作臺沿Y-Y軸導(dǎo)軌直線運(yùn)動這樣就組成了一個(gè)完整的傳動工作系統(tǒng)。
圖3-2 三向鉗結(jié)構(gòu)示意圖
3.2 傳動系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)
本設(shè)計(jì)需要刀具在轉(zhuǎn)動角度測量的同時(shí)也需要軸向進(jìn)給運(yùn)動，所以設(shè)計(jì)起來有一定難度，要保證進(jìn)給的準(zhǔn)確性就需要用精確的傳動系統(tǒng)。絲杠螺母副的傳動平穩(wěn)精確，可用于本設(shè)計(jì)的傳動系統(tǒng)中，由于設(shè)計(jì)的機(jī)器要求精度較高尺寸較小，所以X、Y、Z軸傳動采用滑動絲杠螺母傳動。用手輪帶動絲杠螺母副定位可以在保證精度的同時(shí)方便操作。
3.3 傳動系統(tǒng)中的絲杠螺母副的設(shè)計(jì)計(jì)算
3.3.1 橫縱向進(jìn)給機(jī)構(gòu)的選擇
橫縱向機(jī)構(gòu)采用螺旋傳動。螺旋傳動是利用螺桿和螺母組成的螺旋副來實(shí)現(xiàn)傳動要求的。它主要用于將回轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運(yùn)動，同時(shí)傳遞運(yùn)動和動力。根據(jù)螺桿和螺母的相對運(yùn)動關(guān)系，螺旋傳動的常用運(yùn)動形式，主要有2種，第一種是螺桿轉(zhuǎn)動，螺母移動，多用于機(jī)床的進(jìn)給機(jī)構(gòu)中；另一種是螺母移動，螺桿轉(zhuǎn)動并移動，多用于螺旋起重器或螺旋壓力機(jī)種。本設(shè)計(jì)采用第一種運(yùn)動形式。
螺旋傳動按其螺旋副的摩擦性質(zhì)不同，又分為滑動螺旋、滾動螺旋和靜壓螺旋?；瑒勇菪Y(jié)構(gòu)簡單，便于制造，易于自鎖。
1. 滑動螺旋傳動的特點(diǎn)
（1） 降速傳動比大
螺桿（或螺母）轉(zhuǎn)動一轉(zhuǎn)，螺母（或螺桿）移動一個(gè)螺距（單頭螺紋）。因?yàn)槁菥嘁话愫苄?，所以在轉(zhuǎn)角很大的情況下，能獲得很小的直線位移量，可以大大縮短機(jī)構(gòu)的傳動鏈，因而螺旋傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，傳動精度高，工作平穩(wěn)。
（2） 具有增力作用
只要給主動件一個(gè)較小的轉(zhuǎn)矩，從動件即能得到較大的軸向力。
（3） 能自鎖
當(dāng)螺旋線升角小于摩擦角時(shí)，螺旋傳動具有自鎖作用。
（4） 效率低、磨損快
由于螺旋工作面為滑動摩擦，致使其傳動效率低。
相反，滾動螺旋和靜壓螺旋摩擦阻力小，傳動效率低高，但是結(jié)構(gòu)復(fù)雜,造價(jià)比較高，所以本設(shè)計(jì)采用滑動螺旋傳動。
2. 滑動螺旋傳動主要有以下兩種基本型式
（1） 螺母固定，螺桿轉(zhuǎn)動并移動（如圖3-3a）
這種傳動型式的螺母本身就起著支承作用，從而簡化了結(jié)構(gòu)，消除了螺桿與軸承之間可能產(chǎn)生的軸向竄動，容易獲得較高的傳動精度。缺點(diǎn)是所占軸向尺寸較大（螺桿行程的兩倍加上螺母高度），剛性較差。因此僅適用于行程短的情況。
（2） 螺桿轉(zhuǎn)動，螺母移動（如圖3-3b）
這種傳動型式的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊（所占軸向尺寸取決于螺母高度及行程大小），剛度較大。適用于工作行程較長的情況。
本設(shè)計(jì)中采用第一種運(yùn)動基本形式。
圖3-3 滑動螺旋傳動的基本形式
3.3.2 橫縱向進(jìn)給機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算
1. X、Y軸滑動螺旋傳動的設(shè)計(jì)計(jì)算
滑動螺旋工作時(shí)，主要承受轉(zhuǎn)矩及軸向拉力的作用，同時(shí)在螺桿和螺母的旋合螺紋間有較大的相對滑動?；瑒勇菪钡闹饕问绞悄p，因此滑動螺旋的基本尺寸（螺桿的直徑和螺母的高度）通常是按耐磨性計(jì)算確定的。
（1） 螺桿中經(jīng)
類比法：類比CA6140上刀架絲杠。
可知此螺桿大徑（公稱直徑） =22mm
螺桿中徑 =19.5mm
（2） 公稱直徑
=22mm
（3） 螺距
公稱直徑為22mm，選擇螺距為5mm
=5mm
（4） 螺紋導(dǎo)程
取螺紋線數(shù)=1
=5mm
（5） 螺母旋合長度
=
=1.519.5=29.25mm
（6） 旋合圈數(shù)
（7） 螺紋工作高度
mm
（8） 螺紋表面工作強(qiáng)度
由文獻(xiàn)[9]表6-5查得
式中—螺紋形式系數(shù)，梯形螺紋
—螺母長度與螺桿中徑之比，整體式螺母=1.2-1.5 取
—許用壓強(qiáng)由文獻(xiàn)[13]表6.1-14選取材料選用：螺母螺桿皆用鋼，
所以=7.5-13取=10MP
（9） 驗(yàn)算自鎖
螺紋升角：
由文獻(xiàn)[9]表6.1-12 得當(dāng)量摩擦角：
取
所以絲杠反行程自鎖。
因?yàn)榇搜b置絲杠轉(zhuǎn)速慢，受力不大且不受沖擊和受壓，因此不需對螺桿螺母的危險(xiǎn)截面強(qiáng)度、穩(wěn)定性及臨界轉(zhuǎn)速進(jìn)行校核。而且此測量裝置只負(fù)責(zé)簡單測量，精度不高，所以不用對絲杠螺母副進(jìn)行剛度校核。
絲杠具體參數(shù)見表3-1。
(10) 絲杠有關(guān)公差選擇
由文獻(xiàn)[10]表3-23得：
因?yàn)榇搜b置為普通機(jī)床進(jìn)給機(jī)構(gòu)。所以選擇精度等級為10級：
相鄰螺距允差為50 螺距積累允差140
由文獻(xiàn)[10]表3-24得：
中徑橢圓度公差22，外徑跳動公差320，外徑公差，絲杠的齒面表面粗糙度外徑表面粗糙度以及內(nèi)徑表面粗糙度均為1.6。
由文獻(xiàn)[10]表3-25得：
中徑上偏差+360，用作工藝基準(zhǔn)時(shí)的內(nèi)徑公差,螺母的齒面表面粗糙度外徑表面粗糙度以及內(nèi)徑表面粗糙度均為3.2。
由文獻(xiàn)[10]表3-26得：
外徑下偏差-250，內(nèi)徑下偏差-565，中徑上偏差-52，中徑下偏差-462，內(nèi)徑上偏差+250。
(11) 軸承的類型
根據(jù)軸承中摩擦性質(zhì)的不同，可把軸承分為滑動軸承和滾動軸承兩大類。滾動軸承由于摩擦系數(shù)小，起動阻力小，而且它已標(biāo)準(zhǔn)化，選用、潤滑、維護(hù)都很方便，因此一般機(jī)器中應(yīng)用廣泛。
按照滾動體的形狀，滾動軸承可分為球軸承和滾子軸承。常用的滾子有圓柱滾子、圓錐滾子、球面滾子和滾針等（如圖3-4）。
圖3-4 滾動軸承常用的滾動體
圓錐滾子軸承的特點(diǎn)：可同時(shí)承受以徑向載荷為主的徑向與軸向載荷，不宜用來承受純軸向載荷。當(dāng)成時(shí)使用，可承受純徑向載荷，可調(diào)整徑向、軸向游隙。
推力球軸承的特點(diǎn)：只承受一個(gè)方向的軸向載荷，可限制軸一個(gè)方向的軸向位移。
滾動軸承可以概括地分為向心軸承、推力軸承和向心推力軸承三大類。由于用于橫縱向進(jìn)給機(jī)構(gòu)的軸承既承受軸向載荷又受徑向載荷，所以采用圓錐滾子軸承，外圈可分離，安裝時(shí)可調(diào)整軸承游隙，一般成對使用。
(12) 軸承的選擇
由文獻(xiàn)[11]表6-2-79：
選用mm 軸承代號為30302的單列圓錐滾子軸承。
表3-1 梯形螺紋牙型參數(shù)
（mm）
名 稱
符 號
計(jì)算公式
結(jié) 果
外螺紋公稱直徑
d
——
22
螺距
P
——
5
牙頂間隙
ac
——
0.25
基本牙型高度
H1
H1=
2.5
外螺紋牙高
h3
h3= H1+ ac
2.75
內(nèi)螺紋牙高
H4
H4= H1+ ac
2.75
牙頂高
Z
Z=
1.25
外螺紋中徑
d2
d2=
19.5
內(nèi)螺紋中徑
D2
D2=
19.5
外螺紋小徑
d3
d3=h3
16.5
內(nèi)螺紋小徑
D1
D1=
17
內(nèi)螺紋大徑
D4
D4=d+2 ac
22.5
外螺紋牙頂圓角
R1
R1max=0.5 ac
0.125
內(nèi)、外螺紋牙低圓角
R2
R2max= ac
0.25
給螺母定位的襯套尺寸由文獻(xiàn)[13]表4.4-2得出
軸承端蓋的選擇參考文獻(xiàn)[14]表6-6：
由軸承外徑?jīng)Q定螺栓為M12，螺栓數(shù)目為4.
對于固定軸承端蓋的螺栓，具體參數(shù)參看文獻(xiàn)[12]表11-2畫法參考文獻(xiàn)[15]7-3。
（13） 手輪直徑的確定
式中
軸向力N
螺紋升角：
由文獻(xiàn)[09]表6.1-12當(dāng)量摩擦角：
取
N·mm
所以取=100mm =390.69N
關(guān)于此進(jìn)給手輪所在軸以及軸上零件的繪制：
此軸上的兩個(gè)軸承選用單列圓錐滾子軸承，尺寸由文獻(xiàn)[11]表6-2-79得出。
軸承的軸向定位采用軸用彈性擋圈，其尺寸由文獻(xiàn)[12]表20-10查出。
此軸上另一個(gè)軸承的軸向定位采用軸用彈性擋圈以及軸套，其尺寸由文獻(xiàn)[12]表20-10以及文獻(xiàn)[13]表4.4-2分別得出。
此進(jìn)給上的手輪以及分度盤的選取：
小手輪的具體參數(shù)由文獻(xiàn)[13]表4.3-33查得（JB1352-73）。
在此處選擇A型小手輪。
分度盤的軸向定位采用六角薄螺母，其具體參數(shù)參考文獻(xiàn)[12]表13-9（GB/T6172.1-2000）。
小手輪中的嵌套由文獻(xiàn)[12]表13-9（GB/T6172.1-2000）.
（橫縱向進(jìn)給手輪及分度盤形式相同）。
3.3.3 垂直進(jìn)給機(jī)構(gòu)的選擇
垂直進(jìn)給機(jī)構(gòu)也采用螺旋傳動。螺旋傳動是利用螺桿和螺母組成的螺旋副來實(shí)現(xiàn)傳動要求的。它主要用于將回轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運(yùn)動，同時(shí)傳遞運(yùn)動和動力。根據(jù)螺桿和螺母的相對運(yùn)動關(guān)系，螺旋傳動的常用運(yùn)動形式，主要有2種，第一種是螺桿轉(zhuǎn)動，螺母移動，多用于機(jī)床的進(jìn)給機(jī)構(gòu)中；另一種是螺母移動，螺桿轉(zhuǎn)動并移動，多用于螺旋起重器或螺旋壓力機(jī)種。本設(shè)計(jì)采用第一種運(yùn)動形式。
螺旋傳動按其螺旋副的摩擦性質(zhì)不同，又分為滑動螺旋、滾動螺旋和靜壓螺旋。滑動螺旋結(jié)構(gòu)簡單，便于制造，易于自鎖。相反，滾動螺旋和靜壓螺旋摩擦阻力小，傳動效率高，但是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價(jià)比較高，所以本設(shè)計(jì)采用滑動螺旋傳動。
絲杠螺母機(jī)構(gòu)分為滑動絲杠螺母機(jī)構(gòu)、滾動絲杠螺母機(jī)構(gòu)和靜壓絲杠螺母機(jī)構(gòu)。因?yàn)殪o壓螺旋需要供油系統(tǒng)，所以本設(shè)計(jì)不采用；滾動絲杠螺母機(jī)構(gòu)造價(jià)比較高，不宜采用。所以本設(shè)計(jì)采用滑動絲杠螺母機(jī)構(gòu)。
3.3.4 垂直進(jìn)給機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算
1. Z軸滑動螺旋傳動的設(shè)計(jì)計(jì)算
滑動螺旋副的主要失效形式是磨損，故螺桿的直徑和螺母的高度通常是按耐磨性計(jì)算確定的。
（1） 螺桿中經(jīng)
類比法：類比MM7132A精密臥軸矩臺平面磨床的垂直進(jìn)給。
可知此螺桿大徑（公稱直徑） =30mm
螺桿中徑 =28.5mm
（2） 公稱直徑
=30mm
（3） 螺距
公稱直徑為30mm，選擇螺距為3mm
=3mm
（4） 螺紋導(dǎo)程
取螺紋線數(shù)=1
=3mm
（5） 螺母旋合長度
=
整體螺母取 在此設(shè)計(jì)中選用整體式螺母 取
=1.528.5=42.75mm
（6） 旋合圈數(shù)
（7） 螺紋工作高度
mm
（8） 螺紋表面工作強(qiáng)度
參照文獻(xiàn)[9]表6-5,，—螺紋形式系數(shù)，梯形螺紋
—螺母長度與螺桿中徑之比，整體式螺母=1.2-1.5，取
—許用壓強(qiáng)由文獻(xiàn)[9]表6.1-14選取材料選用：螺母螺桿皆用鋼，所
以=7.5-13MP 取=10MP
（9） 驗(yàn)算自鎖
螺紋升角：
由文獻(xiàn)[9]表6.1-12 得當(dāng)量摩擦角：
取
所以絲杠反行程自鎖。
因?yàn)榇搜b置絲杠轉(zhuǎn)速慢，受力不大且不受沖擊和受壓，因此不需對螺桿螺母的危險(xiǎn)截面強(qiáng)度、穩(wěn)定性及臨界轉(zhuǎn)速進(jìn)行校核。而且此測量裝置只負(fù)責(zé)簡單測量，精度不高，所以不用對絲杠螺母副進(jìn)行剛度校核。
表3-2梯形螺紋牙型參數(shù)
（mm）
名 稱
符 號
計(jì)算公式
結(jié) 果
外螺紋公稱直徑
d
——
30
螺距
P
——
3
牙頂間隙
ac
——
0.25
基本牙型高度
H1
H1=
1.5
外螺紋牙高
h3
h3= H1+ ac
1.75
內(nèi)螺紋牙高
H4
H4= H1+ ac
1.75
牙頂高
Z
Z=
0.75
外螺紋中徑
d2
d2=
28.5
內(nèi)螺紋中徑
D2
D2=
28.5
外螺紋小徑
d3
d3=h3
26.5
內(nèi)螺紋小徑
D1
D1=
27
內(nèi)螺紋大徑
D4
D4=d+2 ac
30.5
外螺紋牙頂圓角
R1
R1max=0.5 ac
0.125
內(nèi)、外螺紋牙低圓角
R2
R2max= ac
0.25
(10) 絲杠有關(guān)公差的選擇
由文獻(xiàn)[10]表3-23得：
因?yàn)榇搜b置為普通機(jī)床進(jìn)給機(jī)構(gòu)。所以選擇精度等級為10級：
相鄰螺距允差為50 螺距積累允差140
由文獻(xiàn)[10]表3-24得：
中徑橢圓度公差22，外徑跳動公差320，外徑公差，絲杠的齒面表面粗糙度外徑表面粗糙度以及內(nèi)徑表面粗糙度均為1.6。
由文獻(xiàn)[10]表3-25得：
中徑上偏差+360，用作工藝基準(zhǔn)時(shí)的內(nèi)徑公差,螺母的齒面表面粗糙度外徑表面粗糙度以及內(nèi)徑表面粗糙度均為3.2。
由文獻(xiàn)[10]表3-26得：
外徑下偏差-150，內(nèi)徑下偏差-465，中徑上偏差-37，中徑下偏差-392，內(nèi)徑上偏差+150。
(11) 軸承的類型
根據(jù)軸承中摩擦性質(zhì)的不同，可把軸承分為滑動軸承和滾動軸承兩大類。滾動軸承由于摩擦系數(shù)小，起動阻力小，而且它已標(biāo)準(zhǔn)化，選用、潤滑、維護(hù)都很方便，因此一般機(jī)器中應(yīng)用廣泛。
滾動軸承可以概括地分為向心軸承、推力軸承和向心推力軸承三大類。其中推力球軸承只能承受軸向載荷，所以在垂直進(jìn)給下端軸承選用時(shí)采用圓錐滾子軸承和推力球軸承。
具體選擇橫、縱向進(jìn)給絲杠所選擇的軸承類型相同。
（12) 軸承的選擇
由文獻(xiàn)[11]表6-2-80：
垂直進(jìn)給下端軸承選用mm 軸承代號為32004的圓錐滾子軸承和推力球軸承51204配合的形式。圓錐滾子軸承關(guān)于推力球軸承的軸向定位采用軸套，用圓錐滾子軸承的外圈定位采用孔用彈性擋圈
其具體參數(shù)分別由文獻(xiàn)[12]表4.4-2以及文獻(xiàn)[11]表20-8查得
垂直進(jìn)給上端軸承由文獻(xiàn)[11]表6-2-79：
選用mm 軸承代號為32905的單列圓錐滾子軸承
軸承端蓋的選擇參看文獻(xiàn)[17]表6-6：由軸承外徑?jīng)Q定螺栓為M12，螺栓數(shù)目為4。
對于固定軸承端蓋的螺栓，具體參數(shù)參看文獻(xiàn)[11]表11-2。畫法參看文獻(xiàn)[15]表7-3。
（13） 手輪直徑的確定
式中
軸向力N
螺紋升角：
由文獻(xiàn)[09]表6.1-12當(dāng)量摩擦角：
取
N·mm
所以取 =160mm =593.04N
3.4 導(dǎo)軌的選擇
3.4.1 導(dǎo)軌的類型選擇
導(dǎo)軌是保證各部件的安裝裝置和相互運(yùn)動的導(dǎo)向面，它除了滿足以上的要求外，還必須選擇合理的導(dǎo)軌截面形狀。常見的導(dǎo)軌截面形狀有V形，矩形、燕尾形、圓形等四種（圖3-5）。
圖3-5導(dǎo)軌的截面形狀
導(dǎo)向原理：從定位原理可知，一個(gè)剛體在空間有六個(gè)自由度，即沿x、y、z軸移動和繞x、y、z軸轉(zhuǎn)動（圖3-6）。使它在空間定位，必須限制這六個(gè)自由度。對于直線運(yùn)動的導(dǎo)軌，為了使運(yùn)動部件只沿一個(gè)方向運(yùn)動，必須限制運(yùn)動部件繞x、y、z軸線轉(zhuǎn)動和兩個(gè)方向的移動。V形導(dǎo)軌是由兩個(gè)窄長平面組成，它限制了x方向和y方向的移動及繞x軸和y軸的轉(zhuǎn)動，即限制四個(gè)自由度。由于導(dǎo)軌面窄，不能限制繞z軸的轉(zhuǎn)動，所以大多數(shù)機(jī)床床身都采用兩根導(dǎo)軌，即棱—平、V—平組合，來限制z軸的轉(zhuǎn)動。
圖3-6導(dǎo)向原理
本設(shè)計(jì)中采用滑動導(dǎo)軌?；瑒訉?dǎo)軌的組合形式是V—平組合，由于V形導(dǎo)軌能自行補(bǔ)償間隙，導(dǎo)向性好；而平導(dǎo)軌的工藝性好，因此機(jī)床床身導(dǎo)軌多用V—平組合，V形導(dǎo)軌一般夾角為；對于重型機(jī)床，為了增加承載面積，減小比壓，在導(dǎo)軌高度不變的條件下，有采用大于的；有些精密機(jī)床，為進(jìn)一步提高導(dǎo)向性，也可采用小于；本設(shè)計(jì)中采用夾角的V形導(dǎo)軌。
3.4.2 導(dǎo)軌的尺寸選擇
(1) 截面形狀：
V形導(dǎo)軌選擇凹形對稱，頂角；矩形導(dǎo)軌（平導(dǎo)軌）選擇凹形
(2) 結(jié)構(gòu)尺寸的確定：
導(dǎo)軌尺寸主要指導(dǎo)軌寬度、中心距（）等等如圖3-7所示。
圖3-7工作臺導(dǎo)軌
工作臺導(dǎo)軌尺寸除比大2—5mm。
X軸進(jìn)給方向：
由文獻(xiàn)[13]表9.3-5查得：
由文獻(xiàn)[13]表9.3-7查得：
具體尺寸見圖3-8
圖3-8 X軸向?qū)к墔?shù)
Y軸進(jìn)給方向：
由文獻(xiàn)[13]表9.3-5查得：
由文獻(xiàn)[13]表9.3-7得：
具體尺寸圖見3-9：
圖3-8 Y軸向?qū)к墔?shù)
第4章 裝夾、分度和刻度裝置的設(shè)計(jì)
4.1 裝夾分度裝置的基本原理
本設(shè)計(jì)采用三向鉗來實(shí)現(xiàn)三個(gè)軸向的轉(zhuǎn)動，但考慮到三向鉗不能自動反向自鎖，在轉(zhuǎn)到所要角度之后鎖死時(shí)可能發(fā)生滑動現(xiàn)象導(dǎo)致定位不準(zhǔn)確。針對上述的問題于是我將這種三向鉗進(jìn)行了改進(jìn)，在此我會把其改進(jìn)后的原理簡要說明一下：原來的三向鉗就是單純地把兩個(gè)分度盤用銷釘連接，在定位之后，用螺栓進(jìn)行緊固定位。這種結(jié)構(gòu)不但操作麻煩費(fèi)時(shí)還會導(dǎo)致三向鉗的連接銷釘逐漸松懈最后甚至不能使用?，F(xiàn)在我將這種三向鉗的分度盤連接壁部分，做成一面凹陷一面凸出的結(jié)構(gòu)。在外凸一面的內(nèi)部側(cè)壁加工出分成360份的小齒（由于刀具測量是以“度”為單位），內(nèi)凹一面的內(nèi)部側(cè)壁設(shè)計(jì)一個(gè)有彈簧作用的杠桿機(jī)構(gòu)，讓其可以卡在另一個(gè)分度盤的小齒上。具體結(jié)構(gòu)可以看圖4-1和4-2。
圖4-1分度盤內(nèi)部結(jié)構(gòu)側(cè)視剖面圖
圖4-2反向自鎖裝置示意圖
兩個(gè)分度盤可以用螺栓連接，此結(jié)構(gòu)參照老式三向鉗，同時(shí)由于裝備需要，又在盤上加鉆螺紋孔。
類比臺式虎鉗鉗口設(shè)計(jì)，并進(jìn)行相應(yīng)的結(jié)構(gòu)尺寸調(diào)整，最終成型。這種經(jīng)典樣式的設(shè)計(jì)不但裝夾方便，而且定位性好，車刀在測量時(shí)不會輕易改變位置，因?yàn)檐嚨侗粶y量時(shí)不會太大的力，所以不需要夾太緊，只需固定住，定位好。
4.2 指針與刻度盤的選擇
首先指針要固定在刻度盤上可以來回轉(zhuǎn)動，并且具有三個(gè)平面，分別為側(cè)平面、大平面和低平面。指針和刻度盤之間的連接用圓柱銷連接。
其次大扇形刻度盤上有正負(fù)的刻度，用于測量車刀的前角、后角、刃傾角，通過指針指出角度值。指針和刻度盤的具體結(jié)構(gòu)如圖4-3和圖4-4。
圖4-3指針示意圖
圖4-4大扇形刻度盤示意圖
結(jié) 論
通過對絲桿螺母、軸承、滑動螺旋和導(dǎo)軌形式的了解，使這個(gè)裝置具有了橫縱向進(jìn)給機(jī)構(gòu)和垂直進(jìn)給機(jī)構(gòu)；主要對絲桿螺母、軸承和導(dǎo)軌進(jìn)行了計(jì)算和選擇，并且對絲桿進(jìn)行了自鎖驗(yàn)證；針對軸向和徑向力的不同，對軸承的類型也加以選擇；接著仿照磨床的導(dǎo)軌形式，對此裝置的導(dǎo)軌也進(jìn)行了計(jì)算與選擇；最后針對車刀的夾緊裝置，對三向自由度虎鉗進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)，使其可以進(jìn)行三軸向旋轉(zhuǎn)外還具有的自鎖功能。
所以本裝置可以更方便、準(zhǔn)且的測出刀具的前角、主偏角、副偏角、后角、刃傾角等基本幾何角度。
致 謝
在畢業(yè)設(shè)計(jì)期間中，我首先要感謝指導(dǎo)教師張文生教授，從畢業(yè)設(shè)計(jì)的選題、調(diào)研、設(shè)計(jì)、圖紙繪制和說明書的撰寫直到最后定稿，都是在張文生老師的悉心指導(dǎo)下完成的。張文生老師的治學(xué)態(tài)度、一絲不茍的敬業(yè)精神、誨人不倦的工作作風(fēng)和平易近人的態(tài)度給我留下了深刻的印象。在四年的學(xué)習(xí)和生活中，他不但教會了我許多專業(yè)知識和做人道理，還培養(yǎng)了我勤奮、務(wù)實(shí)的治學(xué)態(tài)度。值此設(shè)計(jì)完成之際，謹(jǐn)向他表示崇高的敬意和衷心的感謝。
同時(shí)，還要感謝機(jī)械工程學(xué)院各位老師對我的關(guān)心和幫助，最后還要感謝幫助過我的同學(xué)，在課題研究、圖紙繪制和說明書寫作過程中給予我的極大幫助。
最后，再次向所有關(guān)心和幫助過我的師長、同學(xué)表示誠摯的謝意。
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