四刀位数控车床精准对刀装置设计
2019-5-7 来源：钦州学院 工程训练中心 作者：韦建军 李派霞
摘 要: 为解决四刀位数控车床对刀精度不高引起零件加工误差的问题，设计出一种精准对刀装置。经关键零部件加工工艺、受力情况等方面的分析，该设计方案切实可行，并制作出该装置。与传统对刀方式相比，利用该装置对刀可以大大提高对刀效率，零件的加工误差得到了一定的减小，同时还可以实现各种不同型号、不同刀杆厚度刀具的精准对刀。该装置的成功研制，不仅解决了四刀位数控车床对刀误差问题，还可解决普通车床的对刀误差问题，为其他机械加工设备的精准对刀提供借鉴。
关键词: 精准对刀装置;加工工艺;受力分析
引言
利用四刀位数控车床加工零件时，通常采用垫片将车刀垫高来保证车刀刀尖与数控车床主轴回转中心等高，以此来保证零件的加工精度。但由于每一车刀的刀杆厚度、刀片安装高度各不相同，要保证车刀刀尖与主轴回转轴线等高，就必须选用适当厚度的垫片来垫高车刀，而合适厚度的垫片很难找到，这就不可避免地存在车刀刀尖与主轴回转轴线不等高的现象，造成了装刀误差。文献对装刀高度误差引起的加工误差进行了分析，得出了装刀高度的误差不仅影响零件的尺寸精度，还会影响零件的形状精度的结论，也在工艺上提出了解决车刀装刀高度误差对零件加工质量影响的措施。因车刀刀尖与主轴回转中心不等高引起的装刀高度误差，对零件的加工精度影响较小而容易被人忽视，如现在常用的试切法、ATC法等多注重修正刀具在横向和纵向的误差，较少关注装刀高度误差。但装刀高度误差对精密加工影响较大，研制精准对刀装置对减少装刀高度误差，提高加工精度，保证零件加工质量具有十分重要的意义。本文将在不改变数控车床结构的基础上，研制一种以丝杆斜面滑块机构为刀具高度调整机构的精准对刀装置，该装置可以保证装刀精准、安装简单快捷、安全可靠。
1、精准对刀装置的设计
1．1 设计要求
要实现数控车床精准对刀，保证零件的加工质量，提高工作效率，设计出的精准对刀装置需满足以下要求:
(1)车刀刀尖高度调整方便、快捷、精准;
(2)车刀夹紧安全、可靠，在切削力作用下不发生位置偏移;
(3)精准对刀装置安装方便、可靠。
1．2 结构设计
为满足精准对刀装置的设计要求，作者设计出了方便快捷的精准对刀装置。其结构示意图如图1所示。
图 1 精准对刀装置结构
此装置的装刀夹11通过内六角螺栓与高度调整块2紧固，高度调整块1与高度调整块2以斜面接触，通过高度调整手轮8带动与高度调整块1相旋合的高度调整丝杆3转动，可以使高度调整块1沿导向底板1的导轨左右移动，从而推动高度调整块2沿调刀体9的导轨上下移动，实现装刀夹的高度调整。
为保证对刀的精准、快捷、方便，在调刀体9上安装一个方便拆卸的对刀块4，对刀块4的对刀面在精准对刀装置安装在数控车床四刀位刀架上时应与数控车床的主轴回转轴线等高，当调整车刀刀尖到达对刀块4的对刀面时即可认定刀尖已与数控车床回转轴线等高，并用锁紧螺钉将高度调整块1锁紧。此项刀尖高度调整工作可在精准对刀装置安装在数控车床四刀位刀架前完成，不占用机床加工零件时间。
1．3 具体操作说明
(1)将车刀5安装在装刀夹11上，用紧定螺栓紧固，转动高度调整手轮8使装刀夹下降，并将装刀夹往下压实，保证高度调整块2和高度调整块1相互接触;
(2)将对刀块4安装在调刀体9上，紧固;
(3)转动高度调整手轮8使车刀刀尖缓慢向上移动，直至车刀刀尖与对刀块4的对刀面接触，拧紧锁紧螺钉7对刀尖高度锁定;
(4)拆除安装在调整块9上的对刀块4;
(5)将精准对刀装置安装在数控车床四刀位刀架上，并用紧固螺栓紧固。
2、精准对刀装置关键零件加工工艺要点
2．1 对刀块的对刀面加工工艺要点
如前所述，调整数控车刀刀尖高度时，只要将刀尖调整到与对刀面相接触就可认定其与数控车床的主轴回转轴线等高，这就要求精准对刀装置在数控车床四刀位刀架上安装时，对刀块的对刀面需与数控车床的主轴回转中心等高。
机床生产厂家在数控车床出厂前已经保证了其尾座套筒中心线与主轴回转轴线等高，则安装在尾座套筒中固定顶针的顶尖就处于主轴回转轴线上而与主轴回转轴线等高，只要保证了精准对刀装置的对刀面与固定顶针的顶尖等高，就可保证数控车刀刀尖与对刀面接触时刀尖与数控车床回转轴线等高。因此，为满足对刀块的安装要求，可以依据“自为基准”原则来完成对刀块的对刀面加工，其加工工艺要点是:利用安装于数控车床尾座上固定顶针的顶尖对安装在数控车床四刀位刀架上的精准对刀装置对刀块进行划线，并以此线为基准完成对刀块的对刀面加工。
2．2 高度调整块螺纹孔和调刀体丝杆支承孔的加工工艺要点
在对刀过程中，通过高度调整块螺纹孔与高度调整丝杆的相互旋合，可以调整数控车刀的高度来实现刀尖与数控车床的主轴回转轴线等高。为保证数控车刀高度调整灵活、快捷，高度调整丝杠在车削加工过程中不应该承受切削力的作用而发生弯曲变形，切削力可以通过高度调整块由导向底板承担。
为满足高度调整丝杠转动灵活实现数控车刀的高度调整，需要保证高度调整块螺纹孔和调刀体两高度调整丝杆支承孔同轴，并且要提高导向底板与调刀体、高度调整块的装配精度。因此，在高度调整块螺纹孔的加工工艺上，可以采用“合件加工”的方式来完成高度调整块螺纹孔、调刀体两高度调整丝杆支承孔的定位加工。如图2所示，在高度调整块螺纹孔以及调刀体两丝杆支承孔加工之前，将调刀体、导向底板和高度调整块按图示方法进行紧固，然后利用加工中心对调刀体两丝杆支承孔、高度调整块螺纹孔一次性钻孔，最后再对各孔按各自技术要求进行加工。
图2合件加工
通过试制，采用此加工工艺既保证了各孔的同轴度，又保证了装配精度，高度调整丝杆转动灵活，达到了设计的技术要求。
3、精准对刀装置的受力分析
在车削加工过程中，数控车刀要把切屑从毛坯中切除出来，必定给予毛坯一个作用力，在该作用力的作用下，切屑材料将发生弹性变形、塑性变形，乃至断裂而从母体材料中剥离出来。根据作用力与反作用力原理，在车削加工过程中，切屑材料也给予数控车刀一个反切除的抗力，该抗力就是切削力F，如图3车削加工刀具受力情况所示，切削力F可以分解为三个相互垂直的分力，一个是进给方向上的进给分力Ff、一个是垂直于工作平面的背向力FP、另外一个是主运动方向上的主切削力FC。背向力FP与进给力Ff的合力为推力FZ，推力FZ作用在切削层平面上且垂直于主切削刃。
如图3所示，在车削加工过程中，背向力FP和进给力Ff分别将数控车刀向数控车床的X轴正方向和Z轴正方向推动，以使数控车刀远离毛坯，而在精准对刀装置中已分别设计有防止数控车刀在X轴正方向移动的锁紧螺钉7和防止数控车刀在Z轴正方向移动的高度调整块2，在锁紧螺钉7和高度调整块2的联合作用下，可以确保数控车刀不至于沿X轴和Z轴正方向移动，保证了数控车刀在数控车床X轴方向和Z轴方向的位置稳定，这对提高零件加工质量尤为重要。主切削力FC主要作用在数控车刀的垂直方向，要把数控车刀往下压，由于有精准对刀装置高度调整块2和导向底板的联合作用，可以抵抗主切削力FC的作用而不至于使数控车刀发生向下的位移。
图3车削加工刀具受力情况
通过以上分析可知:此精准对刀装置在车削加工过程中稳定可靠，具有良好的刚度，能保证零件的加工精度。
4、精准对刀装置的加工精度测试
为验证研制的精准对刀装置对零件加工精度的影响，分别利用传统对刀方式和精准对刀装置对刀方式，在某厂生产的CKA6140型数控车床上对如图4所示的测试样件进行车削，采用同一加工程序加工，加工材料为40Cr。加工完成后，经测量，得出两种对刀方式的加工质量如表1所示。
图4测试样件
表1精准对刀与传统装刀加工精度情况
从测试结果对比可以看出:
(1)对刀高度误差是引起精密零件加工误差的主要因素;
(2)随着零件加工直径的逐步变小，由于对刀高度误差引起的零件加工误差越来越明显;
(3)采用精准对刀装置可以减少对刀高度误差，提高零件加工精度;
(4)精密小零件的加工，采用精准对刀装置对刀车削，加工精度提高较为明显。因此，本精准对刀装置可以提高车削加工的零件加工精度，达到预期的目标。
5、结论
本文以解决数控车床对刀精度不高引起零件加工误差为出发点，进行了精准对刀装置的设计方案研究、装置关键零部件加工工艺要点探讨和装置受力情况分析，设计并制作出了四刀位数控车床精准对刀装置，利用该装置可以实现数控车刀的精准对刀，它具有以下创新点和研究意义:(1)利用该装置可以在不使用任何垫片的情况下实现数控车刀的刀尖与数控车床主轴回转轴线等高，提高了数控车刀安装的速度和精度;(2)利用该装置进行对刀，不占用数控车床的车削工作时间，可以节省数控车床空闲时间，提高数控车床加工效率;(3)随着刀具磨损，传统的四刀位刀架对刀精度受到很大影响，该装置可以不受刀具规格、型号、厚度和刀具磨损程度的影响，实现精准对刀;(4)设计的精准对刀装置结构简单，装配容易，对刀操作方便，避免了刀具拆卸过程中造成的刀具损坏，刚性足，稳定性好，能保证零件的加工精度;(5)每一精准对刀装置只安装一把数控车刀，根据加工需要可以给装置安装不同的车刀，适应性强，并且装刀时不改变原有数控车床的结构;(6)在精密小零件车削加工中，使用该装置对刀可以提高零件加工精度。
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