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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）： 機械工程學(xué)院
班 級： 機制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，要改進刀具的使用。其中，提高金屬切削刀具的質(zhì)量乃是達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)代機械制造工業(yè)中，加工機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到所需的加工精度。隨著科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，機械制造工業(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)備零件所需達到的形位精度和表面質(zhì)量逐年提高。這不光是對機床的制造、改進是一大挑戰(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行嚴格的檢驗也不容忽視。所以，對刀具進行嚴格、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，能增強對刀具切削部分幾何特征參數(shù)的感性認識，理解切削加工中的切削機理，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行瞄準測量，而且能夠用微機刀具庫進行管理，測量時采用光電自動瞄準，對刀具的進給速度無特別要求。我國的大部分類似的刀具測量系統(tǒng)仍停留在機械光學(xué)式，依靠人眼通過影屏將刀具放大后進行瞄準測量，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）：機械式測量法;機械式測量法是指人工用卡尺測量或?qū)⒘砍咭?guī)固定于機床上測量。文獻[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，然后人工瞄準測量。文獻[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，并用投影屏瞄準定位，即可在光柵顯表上顯示出刀具的坐標值，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機測量技術(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行測量。文獻[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變化輸入計算機處理。在測量中可利用波形細分技術(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到亞微米級。文獻[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[王建民，浦昭邦，晏磊等.二維圖像測量機系統(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系統(tǒng)，可以用來測量工件、刀具的坐標位置和尺寸參數(shù)，獲得很高的精度。
切削加工追求的目標是高精度、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行修正。我國機床行業(yè)市場萎縮同時又大量進口國外設(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。（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理研究等。
3、研究/設(shè)計的目標：
(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：
通過機械設(shè)計、機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)裝置的了解與認識，各部分結(jié)構(gòu)符合理論要求和實際要求，能達到設(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行刃磨，并能較容易的保證精度。
8、時間進程
3月12日-3月25日 收集資料、進行畢業(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：
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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