2 仿形磨削装置与刀具后角的成型原理

1. 仿形磨削装置原理简介
   仿形磨削装置必须解决两个问题：成型铣刀型线的形成和后角的形成。
   该仿形磨削装置的基本原理图见图4。
   该装置巧妙运用了六连杆机构的运动原理，铰链A和铰链B固定在磨削装置的床身上，而铰链C、D、E、F都是可以在水平面内自由转动的；放置在中间连杆3上的刀具托架又可以在水平面内绕放置在连杆3中部的转轴旋转，以适应刀具侧部型线的磨削，刀具及靠模板装在刀具托架上，靠模板可以测前后作一定的调整移动和微量的转动调整，磨削时靠模板(型线尺寸与刀具设计型线相同，装在托架的底部)始终与固定在床身上的硬质合金靠模子的圆弧(与砂轮圆弧相同)接触，并尽可能使砂轮圆弧与刀具刃口垂直。刀具连同可绕其转动的心轴装在托架的最上方(见图5)。
   通过旋转刀具心轴两端的手柄可以在小范围内沿心轴轴线方向调整刀具，以实现刀具磨削时的轴向进刀；刀齿是一个齿一个齿依次进行磨削的，磨削时，刀具前刀面上靠近刀齿型线边缘的部分支撑在一头带舌尖的撑齿上(见图6)，撑齿4固定在床身上，其舌尖高度正好处于磨头水平中心位置(初始位置，此时磨削的刀具后角为零)时的高度。磨头相对连杆机构来说是独立的，砂轮片磨削部分非常薄仅0.4mm厚，磨削刃为圆弧状(与靠模子圆弧相同)，以消除非圆弧磨削刃形状对型线精度造成的误差，砂轮中心高度可在45mm范围内调整，用以形成刀具的后角以及满足不同的刀具后角要求，如砂轮直径为f175mm，最大刀具后角可磨至31°。
   总之，通过水平面(设为X-Y平面)内的六连杆机构，可以获得刀具在X-Y平面的2个移动自由度，通过刀具托架在中间连杆上的转动，可以获得刀具在水平面内绕Z轴转动的自由度，通过刀具绕刀具心轴的转动，可以获得刀具绕X轴或Y轴的转动，因此刀具具有除沿Z轴移动外的5个自由度，可满足刀具沿型线各方向磨削的要求；样板的可移动和少量可转动，以及刀具沿心轴轴线方向的可调整移动，可以满足磨削前的找正调整以及磨削中的进刀调整；通过六连杆机构并借助样板和靠模子获得了刀具的型线。通过磨头砂轮中心的升高获得了刀具的后角，中心高度的不同形成了不同的刀具后角(见图7)。
   
   1.磨头安全罩 2.砂轮 3刀具
   4.撑齿 5.靠模块 6.磨头架
   图6 叶根槽铣刀磨削装置示意图(俯视图)
   1.砂轮 2.撑齿 3.刀具
   图7 刀具后角形成示意图
2. 刀具后角的计算
   从图7a中可以看出，磨头中心高度与刀尖及撑齿尖部高度重合，此时刀具后角为零；如图7b所示，当砂轮中心升高<值后，过刀尖所作砂轮外圆的切线与过刀尖所作铅垂线的夹角即为所磨刀具的后角a(图中g为刀具前角)。 sina=h/(D/2)
   a=arcsin(2h/D)
   通常，如果砂轮直径为f175mm，砂轮中心高度在0～45mm范围内可调，因此后角a=arcsin(2×45/175)=31°，即后角在0～31°范围内可调，最大可磨后角为31°。由此可见，可磨后角的大小是由砂轮直径与砂轮中心可调高度决定的，砂轮中心可调范围越大，砂轮直径越小，可磨刀具后角越大，一般情况下。0～30°的后角范围已经足够，实际上由于受到刀具本身的限制，用较大的砂轮磨削太大的后角或多齿刀齿将会和刀具发生干涉。如果叶片叶根槽铣刀要磨削的后角为8°，由上式可计算出砂轮中心仅需调整升高(175/2)×8°=12.2mm。
   由图中同时还可以看出，磨削后的刀具后刀面事实上是一个空间圆弧曲面。

3 仿形磨削装置的技术参数与结构设计

1. 技术参数
   1. 磨头与砂轮
      磨头及砂轮的直径、转速、所磨后角范围参见右表。
      不同的转速通过电机轴端的塔式皮带轮来进行调节，不同的砂轮直径、不同的转速范围所对应的砂轮外圆周的磨削线速度同时列于表1中。
   2. 最大刀具尺寸
      可磨最大叶根槽铣刀的外径值应为f500mm以上，最大旋转刀具宽度为200，最大允许刀具重量需在50kg以上。
   3. 刀具托架
      
      1.靠模子 2.撑齿支座 3.吸尘口 4.砂轮 5.安全罩
      6.砂轮升降手柄 7.磨头水平行程调节手柄
      8.砂轮升降锁紧手柄 9.砂轮升降旋转铰链
      10.磨头架 11.磨头架水平滑动导轨
      图8 磨体总体结构
      心轴直径f100mm，托架心轴轴向调整量10mm以上，托架旋转分度销数量12个。
   4. 靠模板
      靠模板调整行程为10mm以上，靠模板旋转角度精调整范围：±35。
2. 磨头结构设计
   图8为磨头部分的实物图片。磨头总体结构应使磨头砂轮初始位置中心与刀具中心在同一水平面内；磨头砂轮中心高度应在铅垂方向可调(行程45mm)，调整方法可采用在磨头电机端尾部设置一个转动铰链9，由垂直升降手柄6进行调节。可将后角与砂轮升降量的关系换算出来，并用刻线刻在后角指示板上以方便后角磨削时砂轮中心高度的调整。
   此外，砂轮应根据磨削刀具的不同可以更换，同时拆卸还应方便。

4 叶根槽铣刀尺

5 问题讨论

(a)
(b) 1～4.刻线 5.刀具中部台阶型线处 6.刀具端部型线处
图11 显微镜刻线及测量方法
1. 关于刀具材料
   据了解，有些制造厂采用的刀具材料牌号是粉末冶金高速工具钢。粉末冶金高速工具钢是用粉末冶金方法制造的，其优点是:

   1. 从根本上解决了碳化物不均匀性问题，一次碳化物颗粒细小(2～5µm)，适宜制成大截面刀具。
   2. 由于碳化物颗粒小，可磨性好。
   3. 热处理加热时间短，淬火变形小，仅为熔炼高速钢的1/2～1/3。
   4. 材料的力学性能决定于冶金质量，抗弯强度和冲击韧性可以做成比熔炼高速钢更高的，适宜作断续切削刀具。
2. 关于刃磨装置砂轮的修磨
   经过一定时间的使用后，由于刀具磨屑粘入砂轮，以及砂轮本身的磨损，就必须对砂轮进行修磨。修磨方法同样可以巧妙地运用连杆机构(见图12)的原理。
   1.砂轮 2.金刚石笔 3.金刚石笔夹持器
   4.支撑杆 5.平底靠模板 6.靠模子 7.铰链
   图12 砂轮修磨方法
   1.刀具托架 2.气垫 3.工作平台
   4.刀具夹持器 5.靠模板
   图13 气垫式仿形磨削装置
   仅左端A、B两个铰链固定在磨头架上，两连杆再加上可以自由转动的金刚石笔转轴及其平底靠模板，就巧妙地构成了砂轮修磨器。修磨时，只要将金刚石笔转轴从图示左侧转到图示右侧，使靠模板紧靠在靠模子的R上，金刚石笔即可磨出某一后角时的砂轮形状，其R与靠模子完全一样，这样也就保证了刀具型线与刀具靠模板型线一致。
3. 关于仿形磨削的结构方式
   从仿形磨削的结构方式上讲，除了上述六连杆机构外，还有气垫式仿形磨削结构，即整个刀具及刀具托架是自由支撑在一个高精度的平台上(如图13)，刀具托架底部有四个f0.4mm的压缩空气出口，靠压缩空气在刀具托架与工作平台间形成的气膜将刀具托架浮起来。但此种结构适合于重量较轻的刀具如一般螺旋铣刀、铰刀、球头铣刀，小型成型铣刀等。对于较大的如长叶片叶根槽铣刀其外径和重量均较大，利用稳定性较好、承载能力较大的连杆机构式磨削装置更为合适。

6 结束语