激光原理在車(chē)床上快速安裝刀具時(shí)的應(yīng)用

陸曉東

（無(wú)錫機(jī)電高等職業(yè)學(xué)校，江蘇 無(wú)錫 214028）

激光原理在車(chē)床上快速安裝刀具時(shí)的應(yīng)用

陸曉東

（無(wú)錫機(jī)電高等職業(yè)學(xué)校，江蘇 無(wú)錫 214028）

在車(chē)削加工實(shí)訓(xùn)過(guò)程中，車(chē)刀的正確裝夾是一項(xiàng)不容忽視的基本功。車(chē)刀刀尖位置的高低將直接影響到加工的質(zhì)量和效率，也影響到刀具的使用壽命。本文試圖尋找一種全新的尾架頂尖，以助于在車(chē)床上快速正確地安裝刀具。

激光；車(chē)刀刀尖；主軸中心線(xiàn)；尾架頂尖

職業(yè)院校的學(xué)生在進(jìn)行車(chē)工實(shí)訓(xùn)時(shí)，均要首先掌握機(jī)床的基本結(jié)構(gòu)、刀具的刃磨與安裝、切削參數(shù)的選擇等，其中刀具安裝的正確與否，將直接影響到零件加工的質(zhì)量，特別是刀尖位置的正確性，是切削加工過(guò)程中減少產(chǎn)生不良現(xiàn)象的重要一環(huán)。因此，創(chuàng)新出一種在車(chē)床上有助于快速正確安裝刀具的方法，能夠提高技能實(shí)訓(xùn)效率，在生產(chǎn)實(shí)際中也有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。

1 車(chē)刀刀尖高度對(duì)切削質(zhì)量的影響

在車(chē)削加工實(shí)訓(xùn)中，對(duì)車(chē)刀的正確裝夾雖然是基本要求，但在實(shí)際操作時(shí)往往被忽視，實(shí)習(xí)指導(dǎo)老師更注重講授諸如刃磨刀具、選擇切削參數(shù)、確定加工工藝等的正確方法，學(xué)生對(duì)裝夾刀具也是隨心所欲，敷衍了事。以致于在剛進(jìn)入車(chē)削加工的初始階段就頻頻出現(xiàn)刀尖崩裂、扎刀、啃刀等現(xiàn)象而大大縮短刀具的使用壽命；同時(shí)零件的加工精度始終不穩(wěn)定，因不知其所以然而找不出合理地解決辦法。下面從車(chē)削外圓、車(chē)外溝槽和切斷、車(chē)外圓錐面時(shí)的工件狀態(tài)分析車(chē)刀刀尖高度對(duì)切削質(zhì)量帶來(lái)的影響。

1.1 刀尖裝夾高低對(duì)車(chē)削外圓的影響

在一般情況下，刀具都磨有前角γ和后角α。車(chē)刀的后角有主后角α和副后角α’，后角的作用，就是減少刀具后刀面或副后刀面與工件的干涉與摩擦，與車(chē)刀前角共同形成鋒利刀刃，以便切入工件。當(dāng)車(chē)刀刀尖裝夾高于工件中心線(xiàn)時(shí)[圖1（a）]，其實(shí)際前角變大，實(shí)際后角變小。造成后刀面與工件擠壓，摩擦增大，影響加工質(zhì)量。車(chē)削力大時(shí)，會(huì)出現(xiàn)刀具崩裂，使加工不能繼續(xù)進(jìn)行。當(dāng)車(chē)刀刀尖裝夾低于工件中心線(xiàn)時(shí)[圖1（c）]，其實(shí)際前角變小，造成排屑困難，刀刃易受磨損、擠壓而崩裂，降低了刀具使用壽命。雖然此時(shí)實(shí)際后角變大，但因?qū)嶋H前角變小，切削阻力增大，相當(dāng)于降低了刀頭強(qiáng)度，嚴(yán)重時(shí)同樣會(huì)發(fā)生崩刀（或崩刃）。刀尖不對(duì)中心，在車(chē)削外端面或盲孔底面至工件中心時(shí)還會(huì)留有凸臺(tái)[圖1（d）（e）]。

圖1

1.2 刀尖裝夾高低對(duì)車(chē)外溝槽和切斷的影響

通過(guò)計(jì)算和分析可以得出這樣的結(jié)論：車(chē)刀前、后角的變化還與工件半徑有著密切關(guān)系。若車(chē)刀安裝高度變高，工件半徑相對(duì)變大，車(chē)刀的前、后角也會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化。在車(chē)削外溝槽時(shí)，隨著工件半徑越來(lái)越小，車(chē)刀的后角也變得越小，甚至變?yōu)樨?fù)值，此時(shí)，刀刃后面就會(huì)和已加工表面發(fā)生接觸，出現(xiàn)重疊切削現(xiàn)象，溝槽表面易出現(xiàn)折褶，通常還會(huì)伴有咯、咯聲的異響及強(qiáng)烈的振動(dòng)，導(dǎo)致崩刃使切削無(wú)法繼續(xù)。若車(chē)刀安裝高度低于工件中心線(xiàn)，就會(huì)出現(xiàn)割不斷的情況。

1.3 刀尖裝夾高低對(duì)車(chē)削圓錐面的影響

在車(chē)削圓錐面時(shí)，若車(chē)刀安裝過(guò)高或過(guò)低，加工出來(lái)的圓錐母線(xiàn)不再是直線(xiàn)，而很容易出現(xiàn)“雙曲線(xiàn)”的現(xiàn)象。

除了以上幾種影響之外，在加工內(nèi)孔、螺紋、滾花、蝸桿等零件時(shí)，也均要求車(chē)刀刀尖高度嚴(yán)格與工件中心高保持一致，以減少刀具裝夾誤差給車(chē)削帶來(lái)的不利影響。

2 幾種常用的車(chē)刀安裝及刀尖高度調(diào)整方法

圖3 用尾座頂尖

圖4 用鋼直尺

圖5 用定高尺

2.1 對(duì)尾座頂尖法

將車(chē)刀刀尖對(duì)準(zhǔn)尾座頂尖后夾緊刀具（如圖3）。用此方法裝刀時(shí)，需移動(dòng)車(chē)床大拖板使刀架接近尾座，小刀架處于可轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)，以便于調(diào)整刀尖方向?qū)?zhǔn)頂尖。常因用力不當(dāng)，刀尖與頂尖碰撞而使雙尖受損。

2.2 測(cè)高法

根據(jù)車(chē)床主軸的中心高，用鋼直尺測(cè)量后裝刀（如圖4）。用此方法裝刀時(shí)，需知道不同車(chē)床的主軸中心高，并且測(cè)量誤差大。

2.3 試切削法

將車(chē)刀靠近工件端面，用目測(cè)估計(jì)車(chē)刀高度后夾緊刀具，試車(chē)削端面，再根據(jù)端面的中心調(diào)整刀尖高度。通常只有經(jīng)驗(yàn)豐富的熟練操作工才使用這種裝刀方法。

2.4 定高尺法

使用專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的定高尺，測(cè)量出刀尖高度與車(chē)床中心高的差值，即為刀具需墊高的高度（如圖5）。用此方法安裝車(chē)刀，需要配備專(zhuān)用定高尺，參見(jiàn)實(shí)用新型專(zhuān)利“車(chē)刀安裝中心高度測(cè)量定高尺”，專(zhuān)利號(hào)200920061730。

3 激光尾架頂尖的原理

3.1 激光的特性

激光的原理早在1916年就由著名的美國(guó)物理學(xué)家愛(ài)因斯坦發(fā)現(xiàn)，至1960年被首次成功制造。它一經(jīng)問(wèn)世，不僅使古老的光學(xué)科學(xué)和光學(xué)技術(shù)獲得了新生，而且導(dǎo)致整個(gè)一門(mén)新興產(chǎn)業(yè)的出現(xiàn)。如今激光已被廣泛地應(yīng)用在各行各業(yè)，如激光加工、激光通訊、激光測(cè)量、激光器、激光元部件、激光醫(yī)療等。激光之所以能成為20世紀(jì)以來(lái)，繼原子能、計(jì)算機(jī)、半導(dǎo)體之后人類(lèi)的又一重大發(fā)明，是與之具有良好的綜合特性分不開(kāi)的。

（1）定向性：與普通光源向四面八方發(fā)光相反，激光源只向一個(gè)方向發(fā)射光線(xiàn)，即光束的發(fā)散度極小，大約只有0.001弧度，接近平行。由于普通車(chē)床的最大長(zhǎng)度一般不會(huì)超過(guò)3米，故在此短小距離內(nèi)，激光幾乎平行發(fā)射，無(wú)發(fā)散現(xiàn)象。

（2）高亮度性：正因?yàn)槭嵌ㄏ虬l(fā)光，大量光子集中在一個(gè)極小的空間范圍內(nèi)射出，能量密度極高，激光的亮度一般是普通陽(yáng)光亮度的百萬(wàn)倍。激光光束雖然在白天不可見(jiàn)，但即使功率極低的激光束也可在光屏上留下亮度極高的光斑。

（3）集中性：激光是相干光，其特征是其所有的光波都是同步的，整束光就好像一個(gè)“波列”。激光具有高度的集中性，它要走很長(zhǎng)的一段距離才會(huì)出現(xiàn)分散或者收斂的現(xiàn)象，因此可以方便地控制其在光屏上所形成的光斑點(diǎn)的直徑。

3.2 激光尾架頂尖的結(jié)構(gòu)

利用激光的原理和特性，可以將固定尾架頂尖改制成激光尾架頂尖。激光尾架頂尖由激光座套、激光發(fā)生器和激光成像屏三部份組成（如圖6），激光座套一端加工有與固定頂尖同錐度的莫氏錐體，可直接裝入尾座孔內(nèi)。頂尖座套另一端內(nèi)腔安裝激光發(fā)生器。接通電源時(shí)，產(chǎn)生功率為3mW、直徑約為0.05mm的紅色或綠色激光線(xiàn)，可在成像屏上形成一極小的激光斑點(diǎn)。

圖6

3.3 激光尾架頂尖的工作原理

安裝車(chē)刀前，將激光尾架頂尖安裝在尾座上，按下按鈕接通電源，發(fā)出的激光光線(xiàn)與車(chē)床中心軸線(xiàn)重合。將車(chē)刀刀尖對(duì)準(zhǔn)成像屏上的激光斑點(diǎn)，以刀尖剛好觸及亮斑中心為宜，此時(shí)，車(chē)刀刀尖與車(chē)床中心軸線(xiàn)等高。墊上合適的墊刀片，擰緊刀架螺釘即可。

3.4 優(yōu)點(diǎn)

使用激光尾架頂尖發(fā)出的激光線(xiàn)，相當(dāng)于把尾座頂尖虛擬移至車(chē)床縱向的任意位置，在安裝刀具時(shí)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）刀架在車(chē)床縱向任意位置時(shí)就可安裝刀具，不必移動(dòng)大拖板，快速、方便；

（2）對(duì)于初學(xué)車(chē)削操作的學(xué)生來(lái)說(shuō)，用試切削法裝刀，往往不能一次試切削成功，要多次增減墊刀片厚度才能達(dá)到要求，費(fèi)時(shí)費(fèi)料，許多同學(xué)甚至在試車(chē)削過(guò)程中就出現(xiàn)了崩刀現(xiàn)象。利用激光尾座頂尖，可一次調(diào)整刀尖高度到位，大大節(jié)約了輔助工時(shí)，提高了效率。

（3）安裝車(chē)槽刀另一要求是：主切削刃和工件回轉(zhuǎn)軸線(xiàn)嚴(yán)格平行，否則車(chē)成的溝槽槽底呈竹節(jié)形。將車(chē)槽刀主切削刃對(duì)準(zhǔn)激光點(diǎn)并保持刀桿與主軸線(xiàn)垂直后夾緊，即完成了車(chē)槽刀的正確安裝。

（4）激光尾架頂尖結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制作方便。激光發(fā)生器只需用市場(chǎng)上廉價(jià)的激光筆或激光電筒改制，用半透明的膠片制成激光成像屏，成本低廉。激光束功率≤3mW，不會(huì)對(duì)人眼產(chǎn)生傷害。

（5）具有輔助找正功能。當(dāng)用三爪自定心卡盤(pán)裝夾軸類(lèi)工件時(shí)，有時(shí)需要找正，即使工件加工表面的回轉(zhuǎn)軸線(xiàn)與車(chē)床主軸軸線(xiàn)重合。通常先輕輕夾緊工件，用手扳動(dòng)卡盤(pán)，檢查刀架與卡盤(pán)無(wú)碰撞，然后低速開(kāi)車(chē)，觀察工件歪斜偏擺的方向，當(dāng)工件旋轉(zhuǎn)至最高點(diǎn)時(shí)用木錘輕敲工件，反復(fù)多次直至工件無(wú)偏擺，停車(chē)，夾緊工件。常見(jiàn)初學(xué)者因夾緊力不足又用力不當(dāng)而將工件敲落，具有一定危險(xiǎn)性。利用激光尾架頂尖發(fā)出的激光線(xiàn)，先在工件端面用劃線(xiàn)找正法打上中心記號(hào)，然后裝上三爪卡盤(pán)輕輕夾緊，用手轉(zhuǎn)動(dòng)卡盤(pán)，觀察并調(diào)整工件中心點(diǎn)位置，使其始終對(duì)準(zhǔn)光點(diǎn)，最后夾緊工件。用此方法時(shí)，無(wú)需開(kāi)動(dòng)機(jī)床，簡(jiǎn)便易學(xué)，工件調(diào)整快，無(wú)危險(xiǎn)性。尤其是在四爪單動(dòng)卡盤(pán)上裝夾外形復(fù)雜的工件時(shí)，找正是件非常困難的事。若預(yù)先能用劃線(xiàn)法找到被加工表面的回轉(zhuǎn)中心并做上記號(hào)，同上原理，調(diào)節(jié)四只卡爪伸出的位置使手動(dòng)旋轉(zhuǎn)卡盤(pán)時(shí)工件中心始終對(duì)準(zhǔn)激光點(diǎn)，然后夾緊即能實(shí)現(xiàn)快速找正。

4 注意事項(xiàng)

（1）安裝激光發(fā)生器時(shí)可通過(guò)調(diào)整螺栓調(diào)整激光線(xiàn)與莫氏錐體同軸線(xiàn)。

（2）改變激光孔的直徑可將激光成像亮斑的直徑控制在0.05mm以?xún)?nèi)，以減小刀尖高度誤差。

（3）為保護(hù)眼睛，激光功率不宜過(guò)大，一般控制在3mW以?xún)?nèi)即可。