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四刀位數(shù)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作者：韋建軍李派霞

摘要: 為解決四刀位數(shù)控車床對刀精度不高引起零件加工誤差的問題，設計出一種精準對刀裝置。經(jīng)關鍵零部件加工工藝、受力情況等方面的分析，該設計方案切實可行，并制作出該裝置。與傳統(tǒng)對刀方式相比，利用該裝置對刀可以大大提高對刀效率，零件的加工誤差得到了一定的減小，同時還可以實現(xiàn)各種不同型號、不同刀桿厚度刀具的精準對刀。該裝置的成功研制，不僅解決了四刀位數(shù)控車床對刀誤差問題，還可解決普通車床的對刀誤差問題，為其他機械加工設備的精準對刀提供借鑒。

關鍵詞: 精準對刀裝置;加工工藝;受力分析

引言

利用四刀位數(shù)控車床加工零件時，通常采用墊片將車刀墊高來保證車刀刀尖與數(shù)控車床主軸回轉(zhuǎn)中心等高，以此來保證零件的加工精度。但由于每一車刀的刀桿厚度、刀片安裝高度各不相同，要保證車刀刀尖與主軸回轉(zhuǎn)軸線等高，就必須選用適當厚度的墊片來墊高車刀，而合適厚度的墊片很難找到，這就不可避免地存在車刀刀尖與主軸回轉(zhuǎn)軸線不等高的現(xiàn)象，造成了裝刀誤差。文獻對裝刀高度誤差引起的加工誤差進行了分析，得出了裝刀高度的誤差不僅影響零件的尺寸精度，還會影響零件的形狀精度的結論，也在工藝上提出了解決車刀裝刀高度誤差對零件加工質(zhì)量影響的措施。因車刀刀尖與主軸回轉(zhuǎn)中心不等高引起的裝刀高度誤差，對零件的加工精度影響較小而容易被人忽視，如現(xiàn)在常用的試切法、ATC法等多注重修正刀具在橫向和縱向的誤差，較少關注裝刀高度誤差。但裝刀高度誤差對精密加工影響較大，研制精準對刀裝置對減少裝刀高度誤差，提高加工精度，保證零件加工質(zhì)量具有十分重要的意義。本文將在不改變數(shù)控車床結構的基礎上，研制一種以絲桿斜面滑塊機構為刀具高度調(diào)整機構的精準對刀裝置，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(xiàn)數(shù)控車床精準對刀，保證零件的加工質(zhì)量，提高工作效率，設計出的精準對刀裝置需滿足以下要求:

(1)車刀刀尖高度調(diào)整方便、快捷、精準;

(2)車刀夾緊安全、可靠，在切削力作用下不發(fā)生位置偏移;

(3)精準對刀裝置安裝方便、可靠。

1．2 結構設計

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通過內(nèi)六角螺栓與高度調(diào)整塊2緊固，高度調(diào)整塊1與高度調(diào)整塊2以斜面接觸，通過高度調(diào)整手輪8帶動與高度調(diào)整塊1相旋合的高度調(diào)整絲桿3轉(zhuǎn)動，可以使高度調(diào)整塊1沿導向底板1的導軌左右移動，從而推動高度調(diào)整塊2沿調(diào)刀體9的導軌上下移動，實現(xiàn)裝刀夾的高度調(diào)整。

為保證對刀的精準、快捷、方便，在調(diào)刀體9上安裝一個方便拆卸的對刀塊4，對刀塊4的對刀面在精準對刀裝置安裝在數(shù)控車床四刀位刀架上時應與數(shù)控車床的主軸回轉(zhuǎn)軸線等高，當調(diào)整車刀刀尖到達對刀塊4的對刀面時即可認定刀尖已與數(shù)控車床回轉(zhuǎn)軸線等高，并用鎖緊螺釘將高度調(diào)整塊1鎖緊。此項刀尖高度調(diào)整工作可在精準對刀裝置安裝在數(shù)控車床四刀位刀架前完成，不占用機床加工零件時間。

1．3 具體操作說明

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

(2)將對刀塊4安裝在調(diào)刀體9上，緊固;

(3)轉(zhuǎn)動高度調(diào)整手輪8使車刀刀尖緩慢向上移動，直至車刀刀尖與對刀塊4的對刀面接觸，擰緊鎖緊螺釘7對刀尖高度鎖定;

(4)拆除安裝在調(diào)整塊9上的對刀塊4;

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

2、精準對刀裝置關鍵零件加工工藝要點

2．1 對刀塊的對刀面加工工藝要點

如前所述，調(diào)整數(shù)控車刀刀尖高度時，只要將刀尖調(diào)整到與對刀面相接觸就可認定其與數(shù)控車床的主軸回轉(zhuǎn)軸線等高，這就要求精準對刀裝置在數(shù)控車床四刀位刀架上安裝時，對刀塊的對刀面需與數(shù)控車床的主軸回轉(zhuǎn)中心等高。

機床生產(chǎn)廠家在數(shù)控車床出廠前已經(jīng)保證了其尾座套筒中心線與主軸回轉(zhuǎn)軸線等高，則安裝在尾座套筒中固定頂針的頂尖就處于主軸回轉(zhuǎn)軸線上而與主軸回轉(zhuǎn)軸線等高，只要保證了精準對刀裝置的對刀面與固定頂針的頂尖等高，就可保證數(shù)控車刀刀尖與對刀面接觸時刀尖與數(shù)控車床回轉(zhuǎn)軸線等高。因此，為滿足對刀塊的安裝要求，可以依據(jù)“自為基準”原則來完成對刀塊的對刀面加工，其加工工藝要點是:利用安裝于數(shù)控車床尾座上固定頂針的頂尖對安裝在數(shù)控車床四刀位刀架上的精準對刀裝置對刀塊進行劃線，并以此線為基準完成對刀塊的對刀面加工。

2．2 高度調(diào)整塊螺紋孔和調(diào)刀體絲桿支承孔的加工工藝要點

在對刀過程中，通過高度調(diào)整塊螺紋孔與高度調(diào)整絲桿的相互旋合，可以調(diào)整數(shù)控車刀的高度來實現(xiàn)刀尖與數(shù)控車床的主軸回轉(zhuǎn)軸線等高。為保證數(shù)控車刀高度調(diào)整靈活、快捷，高度調(diào)整絲杠在車削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(diào)整塊由導向底板承擔。

為滿足高度調(diào)整絲杠轉(zhuǎn)動靈活實現(xiàn)數(shù)控車刀的高度調(diào)整，需要保證高度調(diào)整塊螺紋孔和調(diào)刀體兩高度調(diào)整絲桿支承孔同軸，并且要提高導向底板與調(diào)刀體、高度調(diào)整塊的裝配精度。因此，在高度調(diào)整塊螺紋孔的加工工藝上，可以采用“合件加工”的方式來完成高度調(diào)整塊螺紋孔、調(diào)刀體兩高度調(diào)整絲桿支承孔的定位加工。如圖2所示，在高度調(diào)整塊螺紋孔以及調(diào)刀體兩絲桿支承孔加工之前，將調(diào)刀體、導向底板和高度調(diào)整塊按圖示方法進行緊固，然后利用加工中心對調(diào)刀體兩絲桿支承孔、高度調(diào)整塊螺紋孔一次性鉆孔，最后再對各孔按各自技術要求進行加工。

圖2合件加工

通過試制，采用此加工工藝既保證了各孔的同軸度，又保證了裝配精度，高度調(diào)整絲桿轉(zhuǎn)動靈活，達到了設計的技術要求。

3、精準對刀裝置的受力分析

在車削加工過程中，數(shù)控車刀要把切屑從毛坯中切除出來，必定給予毛坯一個作用力，在該作用力的作用下，切屑材料將發(fā)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，在車削加工過程中，切屑材料也給予數(shù)控車刀一個反切除的抗力，該抗力就是切削力F，如圖3車削加工刀具受力情況所示，切削力F可以分解為三個相互垂直的分力，一個是進給方向上的進給分力Ff、一個是垂直于工作平面的背向力FP、另外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作用在切削層平面上且垂直于主切削刃。

如圖3所示，在車削加工過程中，背向力FP和進給力Ff分別將數(shù)控車刀向數(shù)控車床的X軸正方向和Z軸正方向推動，以使數(shù)控車刀遠離毛坯，而在精準對刀裝置中已分別設計有防止數(shù)控車刀在X軸正方向移動的鎖緊螺釘7和防止數(shù)控車刀在Z軸正方向移動的高度調(diào)整塊2，在鎖緊螺釘7和高度調(diào)整塊2的聯(lián)合作用下，可以確保數(shù)控車刀不至于沿X軸和Z軸正方向移動，保證了數(shù)控車刀在數(shù)控車床X軸方向和Z軸方向的位置穩(wěn)定，這對提高零件加工質(zhì)量尤為重要。主切削力FC主要作用在數(shù)控車刀的垂直方向，要把數(shù)控車刀往下壓，由于有精準對刀裝置高度調(diào)整塊2和導向底板的聯(lián)合作用，可以抵抗主切削力FC的作用而不至于使數(shù)控車刀發(fā)生向下的位移。

圖3車削加工刀具受力情況

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

4、精準對刀裝置的加工精度測試

為驗證研制的精準對刀裝置對零件加工精度的影響，分別利用傳統(tǒng)對刀方式和精準對刀裝置對刀方式，在某廠生產(chǎn)的CKA6140型數(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。加工完成后，經(jīng)測量，得出兩種對刀方式的加工質(zhì)量如表1所示。

圖4測試樣件

表1精準對刀與傳統(tǒng)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，由于對刀高度誤差引起的零件加工誤差越來越明顯;

(3)采用精準對刀裝置可以減少對刀高度誤差，提高零件加工精度;

(4)精密小零件的加工，采用精準對刀裝置對刀車削，加工精度提高較為明顯。因此，本精準對刀裝置可以提高車削加工的零件加工精度，達到預期的目標。

5、結論

本文以解決數(shù)控車床對刀精度不高引起零件加工誤差為出發(fā)點，進行了精準對刀裝置的設計方案研究、裝置關鍵零部件加工工藝要點探討和裝置受力情況分析，設計并制作出了四刀位數(shù)控車床精準對刀裝置，利用該裝置可以實現(xiàn)數(shù)控車刀的精準對刀，它具有以下創(chuàng)新點和研究意義:(1)利用該裝置可以在不使用任何墊片的情況下實現(xiàn)數(shù)控車刀的刀尖與數(shù)控車床主軸回轉(zhuǎn)軸線等高，提高了數(shù)控車刀安裝的速度和精度;(2)利用該裝置進行對刀，不占用數(shù)控車床的車削工作時間，可以節(jié)省數(shù)控車床空閑時間，提高數(shù)控車床加工效率;(3)隨著刀具磨損，傳統(tǒng)的四刀位刀架對刀精度受到很大影響，該裝置可以不受刀具規(guī)格、型號、厚度和刀具磨損程度的影響，實現(xiàn)精準對刀;(4)設計的精準對刀裝置結構簡單，裝配容易，對刀操作方便，避免了刀具拆卸過程中造成的刀具損壞，剛性足，穩(wěn)定性好，能保證零件的加工精度;(5)每一精準對刀裝置只安裝一把數(shù)控車刀，根據(jù)加工需要可以給裝置安裝不同的車刀，適應性強，并且裝刀時不改變原有數(shù)控車床的結構;(6)在精密小零件車削加工中，使用該裝置對刀可以提高零件加工精度。

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