厦门大学学位论文原创性声明

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摘 要

摘要

随着先进制造技术的快速发展，被称为“工业的牙齿”的切削刀具作为关键 因素之一推动着切削加工技术的快速发展。可转位刀具／可转位刀片是切削刀具 中最具时代特征的代表。因其具有高硬度、良好的耐磨性、可快速更换以及能降 低刀具使用成本等优点在现代切削加工中被广泛使用。可转位刀片关键部位的几 何精度、表面粗糙度等质量指标都是通过周边刃磨技术保证，因此可转位刀片周 边刃磨机床是其制造的重要装备。目前高档周边磨床及高柔性智能化的磨削软件 包均被国外所垄断，其核心技术并不对外开放。针对此背景，本文在研究室之前 同学的研究基础上，主要针对可转位刀片成形工艺、机床结构、磨削软件优化及 机床可靠性等方面进行了研究。论文包括以下几个方面的内容：

1．在磨削原理及数控磨削技术的基础上，基于可转位刀片的基本形状及主要 参数，研究了可转位刀片周边刃磨工艺，给出了有关可转位刀片周边刃磨最新的 工艺循环流程。根据课题组设计的工具磨床结构，对磨床整机结构进行了动态及 静态分析、谐响应分析，以及研究了直线电机电磁力和磨削力对整机的影响，最 后对整机的结构进行了优化。

2．在数控插补技术基础上，针对可转位刀片在实际装夹过程中出现的装夹偏 心问题，对刀片成形方法进行了进一步优化设计，修正了刀片周边刃磨中砂轮相 对工件的运动模型，建立了刀片偏心刃磨的数学模型公式。

3．基于使用方便、操作简单、安全稳定的要求，结合偏心刃磨理论模型，重 新设计并优化了自动生成刀片周边刃磨程序的软件系统。搭建了软件通讯模块， 实现了软件系统与数控系统之间的通讯，提高了软件智能化程度。

4．详细分析了全自动磨削加工动作流程并编制了数控刃磨程序；在 NCSIMUL仿真软件中进行了虚拟磨削仿真，检验了刃磨程序框架及机床工艺动 作的正确性。通过软件调试与磨床的可靠性试验，对调试加工的刀片与试验中出 现的故障进行了分析、记录，对软件与磨床进行了可靠性分析，提出了改进措施。 关键词：可转位刀片；磨削工艺；数控技术；磨床；可靠性

可转位刀片周边刃磨机床关键技术研究

II

Abstract

With the rapid development of advanced manufacturing technology,cutting tools， known as“teeth of industry”，have been playing a crRical role in promoting the progress^of machining technology．Indexable^insertisa type^of cutting^toolwhich well embodies the features of modem times，and is widely applied^inmodem machining^due to its excellent durability,reliability as well as the advantage^of cost-effective．Quality^criteria like geometric^{accuracyandsurfaceroughness} of indexabel insert are achieved through grinding technology,thus making the peripheral grinding^{machinetoola cruciallinkinthemanufactureof indexabel} inserts．Currently, foreign countries monopolize the market of the top grade peripheral grinding machines and the corresponding intelligent software package^of high flexibility^and keep^{therelevantcoretechnologyonlytothemselves．Againstsuchbackdrop，the} author conducts researches on such issues as the molding technology of indexable inserts，the^{structureofmachine} tools，the optimization^of grinding^{softwareandthe} reliability^{ofmachinetools．Thisthesis} is written on^{basisoftheresearchresults} achieved by previous fellow^students in the lab．The structure of the thesis is as follows． 1．Based on grinding principles and CNC grinding technology,the thesis analyzes the configuration and parameters of indexable inserts，studies the peripheral grinding technology and illustrates the latest circulation process of peripheral grinding technology．On^basisofthe grinding^{machinestructure} designed by^theresearch group，the^{authorconductsboth} dynamic^andstatic analysis as well as harmonic response analysis^{onthewholestructureofthe} machine，probes^intothe impacts^on the whole machine brought by electromagnetism and grinding force，and optimizes the structure of the machine．

2．The CNC technology is adopted^to tackle^{thedecentration} problem^which OCCurS in the process of indexable insert clamping．To fix the problem，the author further optimizes the design of insert molding，amends the motion model of grinding

III

可转位刀片周边刃磨机床关键技术研究

wheels relative to products in the peripheral grinding^ofindexable inserts，and establishes the mathematical model formula of decentration grinding． 3．On basis of the the theoretical model of decentration grinding，the^author redesigns and optimizes the software system^which automatically generates the peripheral grinding program^{of indexableinsertstomeettheneedsof convenientand} simple operation^aswellas safety^and stability．The^{softwarecommunicationmodule} is constructed to facilitate the communication between the software system^andCNC system，making^{thesoftwaremore} intelligent．

4．The author elaborates on the process of full—automatic grinding and writes the program^ofCNC grinding．Simulated^{testsarecarriedoutinNCSIMULtotestthe} validity^of grinding program^{and machinetool} technology．Through^the reliability^test of the software debugging and the grinding machine，the inserts in the debugging process^{andthefailuresthatoccur} during^{thetestarerecordedand} analyzed．Then reliability analysis^{ofthesoftwareandthe} grinding^machine is conducted and the corresponding improvement^measuresare proposed．

Keywords：Indexable inserts；Grinding process；CNC technology；Grinding

machine；Relibility

IV

目 录

目 录

摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．I
Abstract⋯⋯．⋯．．．⋯⋯⋯⋯．⋯．．⋯⋯⋯⋯．．．．．．．．．．．．．．⋯．．．⋯．．．．．．⋯⋯．⋯．⋯．．⋯⋯⋯．．III
目 录⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．V
CONTENTS⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。Ⅸ
图表索引⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯XIII
第一章 绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1
1．1论文研究背景及意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1
1．2可转位刀片周边刃磨技术的发展现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3
1．3机床可靠性研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5
1．4本论文主要工作内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。7
第二章可转位刀片周边刃磨工艺与磨床结构分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9
2．1可转位刀片的简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。9
2．1．1可转位刀片的基本结构⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9
2．1．2可转位刀片的常见形状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．10
2．1．3可转位刀片的主要几何参数及其选用⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．10
2．2全自动可转位刀片周边磨床模块组成⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯12
2．2．1全自动可转位刀片周边磨床简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯12
2．2．2全自动可转位刀片周边磨床的主要参数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯13
2．2．3全自动可转位刀片周边磨床及其数控系统的主要功能⋯⋯⋯⋯⋯⋯．14
2．3磨床整机的结构分析与优化⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯15
2．3．1磨床整机结构的静态分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．16
2．3．2磨床整机结构的模态分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．17
2．3．3磨床整机结构的谐响应分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 8
2．3．4整机受电磁力作用的有限元分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．19
2．3．5整机受磨削力作用的有限元分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．20

V

可转位刀片周边刃磨机床关键技术研究

2．3．6磨床整机优化⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．22
2．4可转位刀片周边刃磨工艺⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯23
2．4．1可转位刀片周边刃磨的定位分析研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．23
2．4．2可转位刀片周边刃磨工艺循环方式⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．24
2．5本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯30
第三章可转位刀片周边偏心刃磨轨迹研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3l
3．1可转位刀片周边刃磨原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3l
3．2可转位刀片偏心刃磨的数学模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯33
3．2．1圆弧过渡刃数学模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．33
3．2．2修光过渡刃的数学模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．37
3．3本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯40
第四章可转位刀片周边刃磨软件优化⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4l
4．1软件的总体功能设计及结构优化⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯41
4．1．1软件开发工具⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．41
4．1．2软件的总体功能设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．41
4．2周边刃磨软件优化及自动编程设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．42
4．2．1软件模块优化及参数化自动编程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．42
4．2．2软件通讯模块开发设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．47
4．3本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．52
第五章软件集成调试与磨床可靠性试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯53
5．1调试与试验的目的⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．53
5．2软件调试准备⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯53
5．2．1全自动磨削加工动作流程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．53
5．2．2数控刃磨程序规划及编制⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．56
5．2．3磨削子程序的仿真验证⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．57
5．3软件调试、结果与可靠性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。60
5．4磨床可靠性试验与结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。66
5．4．1磨床可靠性试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．66

VI

目 录

5．4．2试验总结与分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．68
5．5本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯69
第六章总结与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．71
6．1总结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7l
6．2展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯72
参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯73
致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯77
硕士期间科研成果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．79
附录⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。80

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可转位刀片周边刃磨机床关键技术研究

VIII