智能車刀刃磨機機械結構設計(四)

 通常，用碗形(或杯形)砂輪刃磨刀具的后刀面，在刃磨過程中，由于杯形砂輪的直徑不變，因而更適用于無變速裝置的磨床。目前碗形(杯形)砂輪的直徑都較小，砂輪圓周速度低，磨粒易變鈍，刀具表面光潔度差，故實際當中為了提高砂輪圓周速度，選用直徑較大的平形砂輪，經適當調整，用來刃磨后刀面。刃磨前刀面一般用碟形砂輪。在本次設計當中為了提高刃磨效率和簡化刃磨機床結構，采用了平行砂輪進行刀具各個面的刃磨。
 §3.2.2磨削力估算
 磨削力F可分解為互相垂直的三個分力，即沿砂輪徑向的法向磨削力Fn，沿砂輪切向的切向磨削力Ft；以及沿砂輪回轉軸線方向的軸向磨削力Fα。軸向分力F。較小，可不計，如圖3-6所示。由于砂輪磨粒具有較大的負前角，所以法向磨削力Fn大于切向磨削力Ft，通常Fn/Ft在1.5～3范圍內。Fn和Ft的比值與砂輪銳利程度有關，砂輪鈍化，Fn／Ft值增大。另外，Fn與Ft的比值也隨被磨材料而異，例如，磨削普通鋼料時，Fn/Ft=1.6～1.8；磨削淬硬鋼時Fn/Ft=1.9～2.6；磨削鑄鐵時Fn/Ft=2.7～3.2；Fn與Ft的比值還與磨削方式有關。
    

3-6  磨削分力
 
 由于在車刀刃磨過程當中，磨削力主要為切向力，而且其非常小，故通常采用經驗公式進行計算，根據公式可得到下列表中數據：如表3-2所示
 表3-2所示 磨削時磨削力F、摩擦系數
工件材料 Vs（m/s） Vw（m/min） Ftc（N） Fnc（N） Ftc/ Fnc μ
20鋼 31.75 2.44 5.78 5.92 0.98 0.61
GGr15 31.75 2.44 6.89 14.10 0.49 0.31
W18Cr4V 31.75 2.44 5.96 20.11 0.30 0.21
鈦 31.75 2.44 7.12 27.89 0.26 0.66
鈮 31.75 2.44 10.41 5.36 1.84 0.46
鉬 31.75 2.44 9.47 12.90 0.73 0.57
鎢鉻鈷合金 31.75 2.44 － － － 0.15
 
 砂輪的選取
 砂輪的圓周速度，即砂輪外圓表面上任意一點在單位時間內所走過的距離，若知道砂輪的直徑D，當砂輪轉一轉時，在砂輪外圓表面上上任意一點所走過的距離等于砂輪圓周長，即 圓周長(毫米)=π·D，假設砂輪每分鐘轉n轉，則砂輪表面上任意一點在每分鐘內所走過的距離，即每分鐘所走過的距離（毫米）=π·D砂輪·n砂輪
 ν砂輪=π·D砂輪·n砂輪/60×1000（m/s） ………公式2
     ν砂輪………砂輪圓周速度（m/s）
   D砂輪………砂輪直徑（mm）
 n砂輪………砂輪轉速r/min
 砂輪的安全圓周速度，就是砂輪最大的工作線速度，它表示砂輪在回轉情況下的回轉強度，即在離心力作用下不致破壞的程度。也就是說，砂輪在等于或小于安全圓周速度下磨削時，砂輪不會破碎，工作安全，如果大于砂輪的安全圓周速度時，其離心力會超過結合劑的粘結能力，砂輪便發生破碎。所以，磨削加工時，為了安全起見，砂輪最大工作線速度不應超過表2-3的規定。其中，粒度為36。及更粗而硬度為R。及更軟的砂輪，最大工作線速度應低于表2-3中規定的20％，橡膠結合劑柔軟拋光砂輪，工作線速度不得大于35m/s，用于高速磨削的砂輪，其最大工作線速度見表2-3。在磨削工作中，砂輪的安全圓周速度已給定，從上述公式可知，根據砂輪直徑，能夠求出砂輪的轉速，其換算公式為
 根據刃磨經驗，通常取砂輪圓周速度ν砂輪=20m/s，由于在本次設計當中，砂輪和電機直接固聯，砂輪電動機統常采用三相異步電動機，由于固聯，所以最高轉速為3000r/min。根據計算公式2
 D砂輪=60×1000×ν砂輪/（π·n砂輪）
 代入數據：              =60×1000×20/（π·3000）
                         =127.4mm
 根據砂輪參數表：可以選取砂輪為D=150mm
 由上述知碳化硅砂輪適用于硬質合金車刀，進一步選區砂輪的粒度為60#-150#，硬度為R1-R3，氧化鋁砂輪適用于高速鋼車刀、粒度為180#-220#，硬度為R1-R3，結合劑為陶瓷。
硬質合金刀具磨削方式：硬質合金刀具可以成倍的提高切削速度，其耐磨性好，使用壽命長，但硬質合金硬度高，脆性大，導熱系數小，加工中容易產生裂紋，崩缺現象，實際反復試驗，在碳化硅砂輪工作面開一定的數量的溝槽，用于加工硬質合金，可以得到較好的刃磨表面，砂輪上由于開了槽，磨鈍脫落的磨粒、碎裂的磨粒可納入槽內，砂輪不易堵塞，易于保持鋒利，刀具不易劃傷工作表面，從而改善工作條件。
 砂輪電動機的選取：
 砂輪電動機通常采用三相異步電動機，其可分為籠式和繞線式兩種。籠式轉子的異步電動機結構簡單、運行可靠、重量輕、價格便宜，得到了廣泛的應用，其中Y系列三相異步電動機，做為一般用途全封閉(或防護式)三相鼠籠型、自扇冷三相異步電動機,是國內中小型電機的基本系列。Y系列電機具有效率高、起動轉矩大、體積小、重量輕、噪音低、振動小、外形美觀、標準化程度高等優點。
 根據實際的轉速要求和刃磨時刀具所需的實際扭矩情況，砂輪電動機可以選則Y系列當中的電機：參數如下
 型號Y801-2  額定功率 0.75千瓦  同步轉速3000轉/分鐘  額定轉矩 2.2N·m
 §3.2.3機械結構設計
由于本次設計當中為了簡化設計結構，所以采用三臺電機布置在同一個安裝平面的結構形式，這勢必要考慮相互之間的連接問題，為了避免由于電機的重量、刀架和刀具的質量過重對電機軸產生附加徑向力，造成電機軸必須承受彎矩的情況，本次設計當中，有三處采用了空心軸的聯結，利用空心軸和軸承形成卸荷結構，把附加彎矩轉化的機體上，從而解決了實際結構存在的問題。
 關節1采用圓桶型空心軸（如圖3-7所示），用二個圓錐滾子軸承支承，軸承間隙可調。具有結構簡單、剛性好、承載能力強、旋轉精度高、并可在軸內走線的特點。關節2采用兩端支承的空心軸結構（如圖3-8所示），使電機組的一部分能插入空心軸里，縮短了電機外露長度，減小整機尺寸，外觀形狀好。同時，還具有支承剛度高、結構簡單、運動輕巧靈活的特點。關節3與其機架殼體組合成一個整體，整個電機組安裝在機架殼體內。關節驅動輸出軸設計有卸荷結構，即：將與之連接的其刀架和部件自重產生的重力矩不作用到驅動輸出軸上去，而是利用二個軸承傳到機架殼體上，由機架殼體去承擔，驅動軸只承受扭矩，不承受彎矩。這樣的結構剛性好、運動靈活可靠、運動精度高；而且結構整體性好，并且有模塊式特點，部件之間裝拆方便，有利于各部件單獨調試和維修。
 這個機械部分，通過空心軸減小了安裝尺寸，在結構實現了最小化，由于兩個軸的軸心相交于一點，有力于控制算法的實現。
  
 圖3-7  機械結構圖1
  
 
 圖3-8  機械接構圖 2
 軸承的選取
 由于滾動摩擦代替滑動摩擦，起動快，起動阻力矩小，效率高，對于同一尺寸的軸頸滾動軸承的寬度小，可使機器軸向尺寸小，結構緊湊，運轉精度高，徑向游隙比較小并可用預緊完全消除，冷卻、潤滑裝置結構簡單、維護保養方便，不需要用有色金屬，對軸的材料和熱處理要求不高，所以在刃磨機的空心軸上選用滾動軸承；根據其空間的安裝位置、尺寸，受載荷不同，X方向選用深溝球軸承，只能承受徑向力；由于Y方低轉速、徑向尺寸受限制的裝置中，選用滾針軸承，而Z方向承載能力較大，選用圓錐滾子軸承。（ 機械設計手冊·第四卷  第二版 2000 ）選用型號如表3-3： 
 表3-3 軸承基本參數
類  型 型號 d D Cr Cor 極限轉速
深溝球軸承 6020 100 150 64.5 56.2 3800
圓錐滾子軸承 33006 30 55 43.8 58.8 6300
滾針軸承 NA4900 10 22 8.6 9.2 15000
 §3.2.4失電制動器選擇（安全制動器）
 由于三臺電機是布置在空間位置，電機整個相當于一個懸臂梁，在電機失電的情況下，電機失去保持力矩，在慣性的作用下就會發生刀架和機體的回轉，而不能保持原有位置，因此必須從結構上考慮解決方案。
 而失電制動器其原理與通電制動的電磁制動器相反，即斷電（失電）制動。該產品是伴隨著各類交直流電動機的發展，為保持與電機得電、失電狀態的協調一致而發展起來的。因此該產品特別適用于各類有制動功能的電機配套和斷電后有保持制動要求的機械設備，如升降機械、傳輸機械等選用。 按形成制動扭矩的作用原理，失電制動器又可分為機械（壓簧）式和永磁式兩大類。隨著鐵氧體、釹鐵硼、釤鈷等各種磁性材料的發展，永磁型失電制動器也隨之發展。在上述各類磁性材料，只要其各種磁性能系數對溫度化的敏感性較低，均可用于在失電制動器中配置。永磁型失電制動器從制造到使用和可靠性等諸多方面均有明顯的優越性。
 1、永磁失電制動器結構特點
 電磁失電制動器是在失電(不通電)狀態時由彈簧力將銜鐵與摩擦片壓緊產生摩擦力距，摩擦片通過聯結與旋轉軸相連，使旋轉軸停止運動，而起制動作用。當制動器通電后，電磁力克服彈簧力吸引銜鐵，這樣銜鐵與摩擦片間的摩擦力消失，使旋轉軸處于自由狀態。如圖3-9所示。
 2、應用范圍
 由于失電制動器在不通電狀態下具有可靠的制動力矩，且其制動力矩的釋放和產生的時間短、頻率高，對傳動系統、輸送系統的停止、保持以及安全等有獨特的作用。可廣泛應用于微型減速電機中。
 

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