面铣刀对刀仪结构设计

面铣刀对刀仪结构设计

黄军源，王帅帅，王海霞，赵成龙

北部湾大学，机械与船舶海洋工程学院，广西 钦州 535011

摘要：面铣刀是机床用于加工平面的一种多刃刀具，为了提高机床加工精度，加工前都会调节各个刀刃的相互位置。该对刀仪，在结构上采用弹簧、压力传感器和显示器。弹簧可以减少测量结果受到外界因素的干扰，同时还可以保护压力传感器承受过大的压力而损坏，压力传感器则可以精确地测量出所受到的压力大小，而显示器可以把压力以数字的方式显示出来，方便工作人员调试面铣刀刀齿。

关键词：面铣刀；对刀仪；压力传感器

对刀仪作为机床刀具对刀的辅助仪器，需求量虽然相对来说不是很大，但想要提高机床的加工精度以及加工效率等，就必须由对刀仪来辅助实现[1]。国外的对刀仪品牌研究起步比我国早，制造技术也比我国先进，曾想垄断我国的对刀仪市场。

在机床加工过程中，对刀是必不可少的环节之一，对刀是影响其辅助工作时间和工件加工质量的重要因素。对刀仪的应用提高了对刀的精度，明显的减少了对刀所消耗的时间。机械、纺织、冶金等传统产业为了提高国际竞争力对普及型和高档型数控机床的需求逐渐增加，对对刀仪的需求也逐渐增加。而一些小厂为了经济最大化，在保证产品质量的前提下，会自制一些简易的对刀仪。比如因为面铣刀的铣削加工的最大加工精度不是很高，其测量装置常采用百分表。

面铣刀是多刃刀具，在安装中各个刀刃间存在一定的偏差，而这种偏差的存在就到导致面铣刀各个刀刃之间切削时受到的力大小不同。目前市面上的大多数对刀仪都是为了提高刀具对刀的精度，而对于面铣刀各个刀刃相互调整的对刀仪却相对较少。因为面铣刀的铣削加工的最大加工精度不是很高，所以现有的面铣刀对刀仪结构相对而言比较简单，测量装置不够精确，刀刃的磨损还无法降低到最小。减少刀具的磨损不仅能提高加工过程的可靠性与安全性，降低加工缺陷发生的几率，提高生产效率，还能更加充分利用刀具的寿命，提高经济效益[2]。

目前所使用的对刀仪大都比较简易。其原理是利用对刀杆和摆动杆装置加上百分表来做测量装置的对刀仪。

1 面铣刀对刀仪设计方案

本文设计一台数显压力传感面铣刀对刀仪，用于提高对刀精度，减少刀刃的不平衡磨损，以减少对刀时间，提高刀刃的使用寿命，提高经济效益。

1.1 设计思路

本设计思路主要有以下几个方面。首先，就是对刀仪的精度问题，相比于其他种类的对刀仪，面铣刀对刀仪的发展相对来说比较滞后，高精度一直都是工件的重要要求之一。而工件的精度又取决于对刀的精度，所以机床对对刀仪的精度要求较高，目前市面上其他种类的高精度对刀仪有红外线式对刀仪、激光对刀仪等。

但现阶段面铣刀对刀仪的对刀精度相对来说则不是很理想，在工作过程中会受到外界多种因素的影响。故我设计一台受外界因素影响较少的对刀仪，大致思路是刀齿接触对刀凸台，对刀凸台把受到的力施加给弹簧，弹簧再把受到的力传给压力传感器，压力传感器把受到的力以模拟信号的形式输出到显示器上，显示器在程序的作用下把接收到的模拟信号以数字的形式显示。这样的好处是比现阶段结构上使用对刀杆、摆动杆、轴与百分表为测量装置的对刀仪所受到的外界因素干扰要小，而且读数也比较方便，如下图1所示。

图1对刀仪剖视图

其次，是对刀仪的智能化方面，本文只是对面铣刀对刀仪今后朝着智能化方向以及自动化方向发展的一个构想。参照现如今其他对刀仪的发展情况来看，如果将此面铣刀对刀仪与机床结合，再加上智能化系统，机床的工作效率将大大提升，并且精度也可得到保证，还可解放大量的劳动力[4]。

再次，是对刀仪的自动化方面。自动化技术如果应用在对刀仪上，可大大提高面铣刀对刀仪的对刀效率。并且实现对刀仪自动化对刀，也是当今制造业发展的趋势。机床要加工出高精度的工件，在很大程度上取决于对刀精度，而提到对刀精度就离不开对刀仪，因此对刀仪很有必要实现自动化对刀。

此对刀仪由磁性表座、对刀凸台、弹簧、压力传感器和显示器组成。将磁力表座固定在合适位置，然后轻轻转动面铣刀的刀尖让其与对刀凸台接触，对刀凸台把受到的力通过底下的弹簧再传给压力传感器，压力传感器把力以模拟信号的形式输出到显示器上，显示器在单片机的作用下把接收到的模拟信号转换成数字的形式。

1.2磁性表座的选用

磁性表座也称为万向表座，它广泛应用于各类机床，是机器制造业用途最多，也是必不可少的检测工具之一。它里面是一个圆柱体，在其中间放置一条条形的永久磁铁或恒磁磁铁，其外面底座位置是一块软磁材料。

由于现在市场上的磁性表座与设计的对刀仪样式上不匹配，需要对磁性表座进行一定的改装，选用磁性表座作为对刀仪的底座，是因为标准面铣刀的直径范围一般为80~250mm，同一直径的面铣刀的齿数又可分为粗、中、细3种形式。磁性表座可以根据面铣刀尺寸的大小，做出相对应的变化，这是其他底座无法办到的。

以色列NOGA磁性表座是业界中知名度较高的品牌，销量一直名列行业前茅，故本文选用以色列NOGA品牌的磁性表座作为对刀仪的底座进行改装。

1.3对刀凸台的选用

因对刀凸台是与面铣刀刀尖直接接触的，而铣刀刀尖通常比较坚硬。对刀凸台则选用合金钢材料20Cr，因为合金钢材料在合金元素的作用下，具有比普通碳素钢和纯金属更高的强度以及韧性和塑性；且合金钢材料的含碳量低、合金元素的含量少，焊接性能好。为了延长对刀凸台的使用寿命和保证对刀的精度，在对刀凸台上安装（或焊接）一片硬质合金或者比硬质合金还要硬的金属片，此硬质合金的表面需经过抛光处理。

合金钢材料和碳素钢材料的力学性能参数如下表1所示。

1.4弹簧的选用

弹簧是一种利用材料的弹性性能以及构成它本身的特殊结构通过变形和存储能量来工作的机械零件。为了让弹簧适应各种工作需求，人们制造出了各种类型的弹簧。根据对刀仪的结构需求，本文选用的弹簧为压缩弹簧，弹簧的端部结构为Y I型（两端并紧并磨平）。

而弹簧性能的好坏及使用寿命的长短主要取决于制造弹簧的材料，弹簧材料的选择一定要根据弹簧的用途来充分考虑，其在构件中的重要程度和所受到的载荷的性质、载荷大小以及所受到的载荷的特殊性，弹簧工作的环境温度以及工作时周围的介质等条件因素。常用于制造弹簧的材料有：冷拉碳素弹簧钢丝、合金弹簧钢丝、不锈钢弹簧钢丝等。

因设计的对刀仪是一款机内和机外两用的对刀仪。它在工作时所受到的载荷是非周期性变化的随机载荷，所以将弹簧所受的载荷类型确定为动载荷，载荷作用次数为104。冷拉碳素弹簧钢丝具有价格便宜，原料来源方便等优点，中小型弹簧一般选用碳素结构钢。因此，根据弹簧的工作情况，制造弹簧的材料选用冷拉弹簧碳素钢丝。

表2弹簧的常用材料

1.5压力传感器的选用

传感器是一种能够感受到特定的被测量，并按照特定的规律转换成可用于输出模拟信号的器件或者是装置，它通常由敏感元件和传感元件等组成，图2所示。

图2传感器的组成

压力传感器是当前使用最广泛的一种传感器，其具有性能稳定使用寿命长，专用V/I集成电路，外围器件较少，可靠性比较高，维护简单、轻松，安装调试都很方便等特点；而且它的外壳是由铝合金压铸而成，三端隔离，静电喷塑保护层，坚固耐用[5]。

1.6显示器的选用

显示器作为对刀仪与工作人员之间的信息传递装置，具有不可替代的作用。经过对比后显示器选用1062LCD。它具有比CRT映像管显示器以及LED显示板更小的体积、低耗电量和零辐射等优点，可以让使用者享受最佳的视觉环境和视觉体验，产品参数如下所示。

2面铣刀对刀仪的结构计算

2.1弹簧的校核与计算

由于计算对刀凸台时需要用到弹簧载荷，所以先计算弹簧的受力。压缩弹簧参数如表3.1所示：

表3弹簧参数

为保证压缩弹簧的稳定性，应对其进行稳定性校核，其高径比：

此外，还应校核压缩弹簧的疲劳强度。因对刀仪没工作时其所受的力是支撑对刀凸台和连接压力传感器的力，而机床对面铣刀对刀时，一般都是手动模式，优先使用手轮方式进行慢速对刀。所以本人假设压缩弹簧在没工作时所受到的预紧载荷为1N，载荷作用次数为104，要求工作时不能大于15mm。已知弹簧的中径D为18mm，弹簧丝直径d为1mm，则弹簧旋绕比C为：

曲度系数K为：

最小切应力为：

弹簧丝直径d校核：

弹簧中径D为：

根据弹簧的材料疲劳强度条件：

当[S]取最大值1.3时，则弹簧所能承受的最大切应力为700MPa。式中，S为疲劳安全系数；为弹簧材料的脉动剪切疲劳极限应力，根据弹簧材料的抗拉强度Rm和载荷循环次数N确定，[S]为许用（最小）安全系数，取[S]=1.1～1.3。

则弹簧在工作时所受到的最大载荷为：

2.2对刀凸台应力计算

对刀凸台安装在对刀仪上时会受到弹簧的推力以及对刀仪外壳的压力作用，形成一个剪切过程，因此要计算对刀凸台所受到的剪切力应力对其影响严不严重。钢的抗剪切强度一般都是取其抗拉强度的一半。

对刀凸台剪切极限应力为：

其中，面积A等于：

把凸台压坏所需要的冲剪力应为：

而本文所用的弹簧的弹力远远小于冲剪力，因此不会对对刀凸台造成严重的影响。

3总结

本设计是通过对目前小工厂所使用的面铣刀对刀仪的结构原理进行分析之后，对其结构进行设计和创新。目前小工厂所使用的面铣刀对刀仪的结构是让面铣刀的刀齿轻触对刀仪的对刀杆，对刀杆把受到的力通过与其相连的摆动杆装置后，再把力传送给对刀仪的测量装置百分表上。工作人员根据百分表上所显示力的大小来调节面铣刀各个刀齿之间的位置，尽量使其各个刀齿在同一平面上，减小刀齿的磨损。

参考文献：

[1] 李省委.对刀仪在数控车床上的应用浅析[J].装备制造技术,2015(12):226-227.

[2] 康远荣. 面向精加工的面铣刀磨损监测方法研究[D].华中科技大学,2018.

[3] 崔丽娟.面铣刀对刀仪[J].砖瓦,2006(06):42.

[4] 梁伟,李菡丹,王碧清.“第三次工业革命”进行时[J].中华儿女,2017(20):56.

[5] 刘若冰,曹赞.智能传感器产品体系架构及其应用[J].信息技术与标化,2021(04):54-58.