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四刀（dāo）位數控車床精準對刀裝置設計

2019-5-7 來源：欽州學院工程訓練中心（xīn）作者：韋建軍李派霞

摘要: 為解決（jué）四刀位（wèi）數控車床（chuáng）對刀精（jīng）度不高引起零件加工（gōng）誤（wù）差的問題，設計出（chū）一種精準對刀（dāo）裝置。經關鍵零部件加工工藝、受力情況等方麵的分析，該設（shè）計方案切實可（kě）行，並製作出該裝置。與傳統對刀方式相（xiàng）比，利用該裝置對刀（dāo）可以大大提（tí）高對刀效率，零件的加工誤差得到了（le）一定的減小，同時還可（kě）以實（shí）現各種（zhǒng）不同型號、不同刀杆（gǎn）厚度刀具的精準（zhǔn）對刀。該裝置（zhì）的成功研製，不（bú）僅解決了四刀位（wèi）數控車床對刀誤差問題（tí），還可解決普通車床（chuáng）的對刀誤差問題，為其他機械加工設備的精準（zhǔn）對刀提供借鑒。

關鍵詞: 精準（zhǔn）對刀（dāo）裝（zhuāng）置;加工工藝;受力（lì）分析

引言

利用四刀位數控車床加工（gōng）零件時，通常采用墊片將車刀墊高來保證（zhèng）車刀刀尖與數控車床主軸回轉中心等高，以此來保證零件的加工精度。但由於（yú）每一車刀的刀杆厚度、刀片安裝高度各不相同，要保（bǎo）證車刀刀尖與主軸（zhóu）回轉軸線等高，就必（bì）須選用適當厚（hòu）度的（de）墊片來墊高車刀，而（ér）合適厚度的墊片很難（nán）找到，這就不可（kě）避免地存在車刀刀尖與主軸（zhóu）回轉軸線不等高（gāo）的現象，造成了裝刀誤差。文獻對裝刀高度誤差引（yǐn）起的加工誤差進行了分（fèn）析，得出（chū）了裝刀高度的誤差不僅（jǐn）影（yǐng）響零件的尺寸精度，還（hái）會影（yǐng）響零件的形狀精度的結論，也在工藝上（shàng）提出了解決車刀裝刀高度誤差對零件加（jiā）工質量影（yǐng）響的措施。因車刀（dāo）刀尖與主軸回轉中心不等高引起的裝刀高（gāo）度誤差，對零件的加（jiā）工精度影響較小而容易被人忽視，如現在常用的試切法、ATC法等（děng）多注重修正刀具在橫向和縱向的（de）誤差，較少關注裝刀高度誤差。但（dàn）裝刀（dāo）高度誤差對精密加工影響較大，研製（zhì）精準對刀裝置（zhì）對減少裝刀高度誤差，提高加工（gōng）精度，保（bǎo）證零件加工質量具有十（shí）分（fèn）重要的意義。本文將在不改變數控車床結構的基礎上（shàng），研製一種以絲杆斜麵滑塊機構為刀（dāo）具高度調整（zhěng）機構的（de）精準（zhǔn）對刀裝（zhuāng）置，該裝置可以保證裝刀精準、安裝簡單快捷、安全可靠。

1、精準對刀裝置的設計

1．1 設計要求

要實現數控車床精準對刀，保證零件的加工質量，提高（gāo）工作效率，設計出的精準對刀裝置（zhì）需（xū）滿足以下要求:

(1)車刀刀尖高（gāo）度調整方便、快捷、精準（zhǔn）;

(2)車（chē）刀夾緊安全、可靠，在切削力（lì）作用下不發生位置偏移;

(3)精準對刀裝置安裝方便、可靠。

1．2 結構設計（jì）

為滿足精準對刀裝置的設計要求，作者設計出了方便快捷的精（jīng）準對刀裝置。其結構示意圖如圖1所示。

圖 1 精準對刀裝置結構

此裝置的裝刀夾11通（tōng）過內六角螺栓（shuān）與高度調整塊2緊固，高度調整（zhěng）塊1與高（gāo）度調整塊2以斜麵接（jiē）觸，通過高度調整手輪8帶動與高度調整塊1相旋合的高度調整絲杆3轉動，可以使高度調（diào）整塊1沿導向底板1的導軌左右移動，從而推動（dòng）高度調整（zhěng）塊2沿（yán）調刀體9的導軌上下移動（dòng），實現裝刀夾的高度調整。

為保證對刀的精（jīng）準、快（kuài）捷、方便，在調刀體9上安裝一個方便（biàn）拆卸的對刀塊4，對刀塊4的對刀麵在精準對刀裝置安裝在（zài）數控車床四（sì）刀位刀架上時應（yīng）與數控車床的主軸回轉（zhuǎn）軸線等高，當調整車刀刀尖到達對刀塊4的對刀麵時即可認定刀尖已與數控車（chē）床回轉軸線等高，並用鎖緊螺釘將高度調整塊1鎖（suǒ）緊。此（cǐ）項刀尖（jiān）高度調整工（gōng）作可在精準對刀裝置（zhì）安裝在數控車床四刀位刀架前完成，不占用（yòng）機床加工零件時間。

1．3 具（jù）體操作說明

(1)將車刀5安裝在裝（zhuāng）刀夾11上，用緊定螺栓緊固，轉動高度調整手輪8使裝刀夾下降（jiàng），並將裝刀夾往下壓實，保證高度調整塊2和高度調整塊1相互接觸;

(2)將對刀塊4安裝在調（diào）刀體9上（shàng），緊固;

(3)轉動高度調整（zhěng）手輪8使車刀刀尖緩慢向上移（yí）動，直至車（chē）刀刀尖與對刀塊4的對刀麵接（jiē）觸，擰緊鎖緊螺釘7對刀尖高度鎖定;

(4)拆除（chú）安（ān）裝在調整塊9上的對刀塊4;

(5)將精準對刀裝置安裝在數控車床四刀（dāo）位刀架上，並用緊固螺栓緊固。

2、精準對刀裝置關鍵零件加工工藝（yì）要點

2．1 對刀塊的對刀麵加工工藝要點

如（rú）前所述，調整數控車刀刀尖（jiān）高度時，隻要將刀尖調整到與對刀麵相接觸就可認定其與數控車床的主軸回轉軸線等高，這（zhè）就要求精準對刀裝置在數控車床四刀位刀架上安裝時，對（duì）刀塊的對刀麵需（xū）與數控（kòng）車床的主軸回轉中心等高。

機床生產廠家在數控車床出廠前已經保證了其尾座套筒（tǒng）中心線與主軸回轉軸（zhóu）線等高，則安裝在（zài）尾座套筒中固定頂針的頂尖就處於主（zhǔ）軸（zhóu）回轉（zhuǎn）軸（zhóu）線上而與主（zhǔ）軸（zhóu）回轉軸線等高，隻要保證了（le）精（jīng）準對刀裝置的對刀麵與固定頂針的頂尖等高，就可保證數（shù）控車刀刀尖與對刀麵接觸時刀尖與數控車床（chuáng）回轉軸（zhóu）線等高。因此，為滿足對刀塊的安裝要求，可以依據“自為基準”原則來完成對刀塊的（de）對刀麵加工，其加工工藝要點是:利（lì）用安裝於數（shù）控車床尾座上固定頂針的頂尖對安裝在數控車床四刀位（wèi）刀架上的精準對刀裝置對刀塊進行劃線，並以此線為基準完成對刀塊的對（duì）刀麵加工。

2．2 高度調整塊螺紋孔和調刀體絲杆支承孔的加工工藝要點（diǎn）

在對刀過程中，通過高度（dù）調整塊螺紋孔與高度調整（zhěng）絲（sī）杆的相互旋合，可以調整數控車刀（dāo）的高度來實現刀尖與數控車床的主軸回轉軸（zhóu）線等（děng）高。為保證數控（kòng）車刀高度調整靈活、快捷，高度調整絲杠在車削（xuē）加工過程中不應該承受切削力的作用而發（fā）生彎曲變形，切削力可以通過高度調整塊由導向底板承（chéng）擔（dān）。

為滿足高度調整絲杠轉動（dòng）靈活實（shí）現數控車刀的高度調（diào）整，需要保（bǎo）證高度調整塊螺紋孔和（hé）調刀體兩高（gāo）度調整絲（sī）杆支承孔同軸，並且要（yào）提高導向底板與調刀體、高度調整塊的裝配精度。因此，在高度調整塊螺紋孔（kǒng）的加工（gōng）工藝上，可以采用“合（hé）件加工”的方式來完成高度調整塊（kuài）螺紋孔、調刀體兩高度（dù）調整絲（sī）杆支承孔的定位加工。如圖2所示，在高（gāo）度調整塊螺紋孔以及（jí）調刀（dāo）體兩絲杆支承孔加工之前，將調刀體、導（dǎo）向底板和高度調整塊按圖示（shì）方法（fǎ）進行緊固（gù），然後利（lì）用加工中心對（duì）調刀體（tǐ）兩絲杆支承孔、高度調整塊螺紋孔一次（cì）性（xìng）鑽孔，最後再對各孔按各（gè）自技術要（yào）求進行加工。

圖2合件加工（gōng）

通過試製，采用此（cǐ）加工工藝既保證了各孔的同軸度，又保證（zhèng）了裝配精度，高度調整（zhěng）絲杆轉動靈活，達到了設計的技（jì）術要求。

3、精（jīng）準對刀裝置的受力分析

在車削加工過程中（zhōng），數控車刀要（yào）把切屑從毛坯中切除（chú）出來，必（bì）定給予毛坯一個作用力，在該作用力的作用下，切屑材料（liào）將發生彈性變形、塑性變形，乃至斷裂而從母體材料中剝離出來。根據（jù）作用力與反作用力原理，在車（chē）削加（jiā）工（gōng）過（guò）程（chéng）中，切屑材料也給予數控車刀一個反切除的（de）抗力，該抗力就（jiù）是切削力F，如圖3車削（xuē）加工（gōng）刀具受力情況所示，切削（xuē）力F可以（yǐ）分解為三個相互垂直的分力，一個是進給方（fāng）向上的進給分力Ff、一個是垂直於工作平麵的背向力FP、另外（wài）一個是主運動方向上的主切削力FC。背向力FP與進給力Ff的合力為推力FZ，推力FZ作（zuò）用（yòng）在切削層平麵上且垂直於（yú）主切削（xuē）刃。

如（rú）圖3所示，在車削加工過程中，背向力FP和進給（gěi）力Ff分別將數（shù）控車刀（dāo）向數控車床的X軸正方向和Z軸正方向（xiàng）推動，以使（shǐ）數控車刀（dāo）遠離毛坯，而在精準對刀裝置（zhì）中（zhōng）已分別設計有防止數控車（chē）刀在X軸正方向移動的鎖緊螺釘7和防止數控車刀在Z軸（zhóu）正（zhèng）方向移動的高度調整塊2，在鎖緊螺釘7和高度調整塊2的聯合作（zuò）用下，可以確保（bǎo）數控車（chē）刀不至於沿X軸和Z軸正方向移動，保證了數（shù）控車刀在數控車床X軸（zhóu）方（fāng）向和Z軸方向的位置穩（wěn）定，這對提高零件加工質量尤為（wéi）重要。主切削力FC主要作用在數控車刀（dāo）的垂（chuí）直方向，要把數控車刀往（wǎng）下壓，由於有精準對刀裝置高度調整塊2和（hé）導向（xiàng）底板的聯合作用，可以抵抗主切削力FC的作用而不（bú）至於使數控車（chē）刀發生向下的位移。

圖3車削加工刀具受力情（qíng）況

通過以上分析可知:此精準對刀（dāo）裝置在車削加工過程中穩定可靠（kào），具（jù）有良（liáng）好的剛度，能保證零件的加工精度。

4、精準對刀裝置的加工精度測試

為驗證研製的精（jīng）準對刀裝置（zhì）對零件加工精度的影響，分別利用傳統對刀方式和精準對刀裝置對刀方（fāng）式，在（zài）某廠生產（chǎn）的（de）CKA6140型（xíng）數（shù）控車床上對如圖4所示的測試樣件進行車削，采用同一加工程序加工，加工材料為40Cr。加工完成後，經測量，得出兩（liǎng）種對刀方式的加工質量如表1所示。

圖4測試（shì）樣件

表1精準對刀與傳統裝刀加工精度情況

從測試結果對比可以看出:

(1)對刀高度誤差是引起精密（mì）零件加工誤差的主要因素;

(2)隨著零件加工直徑的逐步變小，由於對（duì）刀高度（dù）誤差引起的零件加工誤差（chà）越來越明顯;

(3)采用精準對刀裝置可以減少對刀高（gāo）度誤差，提高零件加工精度;

(4)精密小零件的加工，采（cǎi）用精準對刀裝置對刀車削（xuē），加工精度提高較（jiào）為（wéi）明顯。因（yīn）此，本（běn）精準對（duì）刀裝（zhuāng）置可以提高車削加工（gōng）的零件加工精度，達（dá）到預期的目標。

5、結論

本（běn）文以解決數控車床對刀精度不高引起零件加工誤（wù）差為出發點，進行了精準對刀裝置的設計（jì）方案研究、裝置關鍵零部件加工工藝要（yào）點探（tàn）討和裝置受力情況（kuàng）分析，設計並製作出（chū）了（le）四刀位數控車（chē）床精準對刀（dāo）裝置，利用該裝置可以實現數控車刀的精準對刀，它具有以下創新點和研究意（yì）義:(1)利用該（gāi）裝置可以在不使用任（rèn）何墊（diàn）片的情（qíng）況下（xià）實（shí）現數控車刀的刀尖（jiān）與（yǔ）數控車床主軸回轉軸線等高，提高了數控車刀（dāo）安裝的速度和精度;(2)利用該裝置進行對刀，不占用數（shù）控車床的車削工（gōng）作時間，可以（yǐ）節省數控車（chē）床空閑時間，提高數控車床加工效率;(3)隨著刀具磨損，傳統的四（sì）刀位刀架對刀精度受到很大影響，該裝置可以不受刀具規格、型號（hào）、厚度和刀具磨損程度的影響，實現（xiàn）精準對刀;(4)設計的精（jīng）準對刀裝置（zhì）結構（gòu）簡單，裝配容易，對刀操作方便，避免了刀具拆卸（xiè）過程中造成的刀具損壞，剛性足，穩定性（xìng）好，能（néng）保證零件的（de）加工精度;(5)每一精準對刀裝置隻安裝一把數控車刀，根（gēn）據加工需要可以給裝置安裝（zhuāng）不同的車刀，適應性強，並且裝刀時不改變原有數（shù）控車床的結構;(6)在精密小零（líng）件車削加工中，使用該裝置對刀（dāo）可以（yǐ）提高零件加工精度。

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