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本科畢業(yè)設(shè)計開題報告
題 目： 刀具角度測量裝置設(shè)計
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)計開題報告
題 目
刀具角度測量裝置設(shè)計
來源
工程實際
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，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)計和工藝設(shè)計方面都得到訓(xùn)練和提高。選題具有一定的實際意義。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，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)計刀具時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，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)計和工藝設(shè)計方面都得到訓(xùn)練和提高。選題具有一定的實際意義。
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)行工件隊中。該中心架具有剛性好，回轉(zhuǎn)精度高，找正方便等優(yōu)點，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[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)接嬎銠C(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。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，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，要采用實時修正方法。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)市場萎縮同時又大量進(jìn)口國外設(shè)備的原因之一就是因為這方面的技術(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)果可同步輸入計算機(jī)。（2）運行和制造過程的監(jiān)控和在線監(jiān)測技術(shù)。綜合運用圖像、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。在這個領(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)計的目標(biāo)：
(1）主要設(shè)計參數(shù)：綜合運用知識，全面考慮有關(guān)科學(xué)的、經(jīng)濟(jì)的及社會的情況，設(shè)計刀具角度儀裝置。可實現(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)計說明書一本（1.5萬~2萬字）。
4、設(shè)計方案（研究/設(shè)計方法、理論分析、計算、實驗方法和步驟等）：
總體結(jié)構(gòu)設(shè)計
通過理論學(xué)習(xí)與畢業(yè)實習(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的基面內(nèi)，主切削刃和進(jìn)給運動方向的夾角。
2)副偏角 κγ′
在過副切削刃上選定點的基面內(nèi)，副切削刃與進(jìn)給運動方向的夾角。
3)副后角 κ′γ
在副切削刃上選定點的副正交平面內(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個角度就可以確定其切削部分的幾何形狀，這個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、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)合工程實訓(xùn)和畢業(yè)實習(xí)對相關(guān)裝置的了解與認(rèn)識，各部分結(jié)構(gòu)符合理論要求和實際要求，能達(dá)到設(shè)計要求。
6、該設(shè)計的創(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、時間進(jìn)程
3月12日-3月25日 收集資料、進(jìn)行畢業(yè)實習(xí)
3月26日-4月8日 整理實習(xí)日記、撰寫實習(xí)總結(jié)和開題報告
4月9日-4月28日 設(shè)計計算、總體結(jié)構(gòu)草圖設(shè)計
5月1日-5月15日 總體圖和部件圖設(shè)計
5月16日-5月29日 零件圖設(shè)計
5月30日-6月10日 整理、撰寫畢業(yè)設(shè)計說明書和設(shè)計圖紙
9、參考文獻(xiàn)：
[1] 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.
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[4] 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.
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指導(dǎo)教師意見
教師簽字：
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)計領(lǐng)導(dǎo)小組意見:
組長簽字：
年 月 日