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四刀位數控車床精准對刀裝置設計

日期: 2019-05-08 大 中 小 來源:欽州學院 工程訓練中心 作者:韋建軍 李派霞

  摘 要: 爲解決四刀位數控車床對刀精度不高引起零件加工誤差的問題,設計出一種精准對刀裝置。經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,並制作出該裝置。與傳統對刀方式相比,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,同時還可以實現各種不同型號、不同刀杆厚度刀具的精准對刀。該裝置的成功研制,不僅解決了四刀位數控車床對刀誤差問題,還可解決普通車床的對刀誤差問題,爲其他機械加工設備的精准對刀提供借鑒

  關鍵詞: 精准對刀裝置;加工工藝;受力分析

  引言

  利用四刀位數控車床加工零件時,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。但由于每一車刀的刀杆厚度、刀片安裝高度各不相同,要保證車刀刀尖與主軸回轉軸線等高,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軸線不等高的現象,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量影響的措施。因車刀刀尖與主軸回轉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,研制精准對刀裝置對減少裝刀高度誤差,提高加工精度,保證零件加工質量具有十分重要的意義。本文將在不改變數控車床結構的基礎上,研制一種以絲杆斜面滑塊機構爲刀具高度調整機構的精准對刀裝置,該裝置可以保證裝刀精准、安裝簡單快捷、安全可靠。

  1、精准對刀裝置的設計

  1.1 設計要求

  要實現數控車床精准對刀,保證零件的加工質量,提高工作效率,設計出的精准對刀裝置需滿足以下要求:

  (1)車刀刀尖高度調整方便、快捷、精准;

  (2)車刀夾緊安全、可靠,在切削力作用下不發生位置偏移;

  (3)精准對刀裝置安裝方便、可靠。

  1.2 結構設計

  爲滿足精准對刀裝置的設計要求,作者設計出了方便快捷的精准對刀裝置。其結構示意圖如圖1所示。

  

圖 1 精准對刀裝置結構

  此裝置的裝刀夾11通過內六角螺栓與高度調整塊2緊固,高度調整塊1與高度調整塊2以斜面接觸,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,可以使高度調整塊1沿導向底板1的導軌左右移動,從而推動高度調整塊2沿調刀體9的導軌上下移動,實現裝刀夾的高度調整。

  爲保證對刀的精准、快捷、方便,在調刀體9上安裝一個方便拆卸的對刀塊4,對刀塊4的對刀面在精准對刀裝置安裝在數控車床四刀位刀架上時應與數控車床的主軸回轉軸線等高,當調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控車床回轉軸線等高,並用鎖緊螺釘將高度調整塊1鎖緊。此項刀尖高度調整工作可在精准對刀裝置安裝在數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,轉動高度調整手輪8使裝刀夾下降,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安裝在調刀體9上,緊固;

  (3)轉動高度調整手輪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)拆除安裝在調整塊9上的對刀塊4;

  (5)將精准對刀裝置安裝在數控車床四刀位刀架上,並用緊固螺栓緊固。

  2、精准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,調整數控車刀刀尖高度時,只要將刀尖調整到與對刀面相接觸就可認定其與數控車床的主軸回轉軸線等高,這就要求精准對刀裝置在數控車床四刀位刀架上安裝時,對刀塊的對刀面需與數控車床的主軸回轉中心等高。

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

  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

  在對刀過程中,通過高度調整塊螺紋孔與高度調整絲杆的相互旋合,可以調整數控車刀的高度來實現刀尖與數控車床的主軸回轉軸線等高。爲保證數控車刀高度調整靈活、快捷,高度調整絲杠在車削加工過程中不應該承受切削力的作用而發生彎曲變形,切削力可以通過高度調整塊由導向底板承擔。

  爲滿足高度調整絲杠轉動靈活實現數控車刀的高度調整,需要保證高度調整塊螺紋孔和調刀體兩高度調整絲杆支承孔同軸,並且要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的加工工藝上,可以采用“合件加工”的方式來完成高度調整塊螺紋孔、調刀體兩高度調整絲杆支承孔的定位加工。如圖2所示,在高度調整塊螺紋孔以及調刀體兩絲杆支承孔加工之前,將調刀體、導向底板和高度調整塊按圖示方法進行緊固,然後利用加工中心對調刀體兩絲杆支承孔、高度調整塊螺紋孔一次性鑽孔,最後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,高度調整絲杆轉動靈活,達到了設計的技術要求。

  3、精准對刀裝置的受力分析

  在車削加工過程中,數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可以分解爲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的合力爲推力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分別將數控車刀向數控車床的X軸正方向和Z軸正方向推動,以使數控車刀遠離毛坯,而在精准對刀裝置中已分別設計有防止數控車刀在X軸正方向移動的鎖緊螺釘7和防止數控車刀在Z軸正方向移動的高度調整塊2,在鎖緊螺釘7和高度調整塊2的聯合作用下,可以確保數控車刀不至于沿X軸和Z軸正方向移動,保證了數控車刀在數控車床X軸方向和Z軸方向的位置穩定,這對提高零件加工質量尤爲重要。主切削力FC主要作用在數控車刀的垂直方向,要把數控車刀往下壓,由于有精准對刀裝置高度調整塊2和導向底板的聯合作用,可以抵抗主切削力FC的作用而不至于使數控車刀發生向下的位移。

  

圖3車削加工刀具受力情況

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

  4、精准對刀裝置的加工精度測試

  爲驗證研制的精准對刀裝置對零件加工精度的影響,分別利用傳統對刀方式和精准對刀裝置對刀方式,在某廠生産的CKA6140型數控車床上對如圖4所示的測試樣件進行車削,采用同一加工程序加工,加工材料爲40Cr。加工完成後,經測量,得出兩種對刀方式的加工質量如表1所示。

  

圖4測試樣件

  

表1精准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)采用精准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,采用精准對刀裝置對刀車削,加工精度提高較爲明顯。因此,本精准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

  本文以解決數控車床對刀精度不高引起零件加工誤差爲出發點,進行了精准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,設計並制作出了四刀位數控車床精准對刀裝置,利用該裝置可以實現數控車刀的精准對刀,它具有以下創新點和研究意義:

  (1)利用該裝置可以在不使用任何墊片的情況下實現數控車刀的刀尖與數控車床主軸回轉軸線等高,提高了數控車刀安裝的速度和精度;

  (2)利用該裝置進行對刀,不占用數控車床的車削工作時間,可以節省數控車床空閑時間,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、厚度和刀具磨損程度的影響,實現精准對刀;

  (4)設計的精准對刀裝置結構簡單,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,穩定性好,能保證零件的加工精度;

  (5)每一精准對刀裝置只安裝一把數控車刀,根據加工需要可以給裝置安裝不同的車刀,適應性強,並且裝刀時不改變原有數控車床的結構;

  (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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