經(jīng)濟型數(shù)控車床刀位改裝高精工藝研究

張 祝 童成前

(①蘇州薩伯工業(yè)設(shè)計有限公司，江蘇 蘇州 215131；②北京汽車集團越野車有限公司，北京 101399；③南京薩伯工業(yè)設(shè)計研究院有限公司，江蘇 南京 211399)

經(jīng)濟型數(shù)控車床因其較低的成本，當前依然被大多數(shù)企業(yè)普遍使用，并在我國制造業(yè)中發(fā)揮著極其重要的作用[1]。而四工位自動回轉(zhuǎn)刀架結(jié)構(gòu)簡單、動作靈活、重復定位精度高[2]，一直被應(yīng)用于經(jīng)濟型數(shù)控車床上，但受到自身刀位數(shù)量影響嚴重限制了其加工能力[1]。四工位自動回轉(zhuǎn)刀架正常情況下只能安裝4把刀——粗車刀、精車刀、螺紋刀及槽刀或切斷刀用來對零部件的外部輪廓加工，缺乏對內(nèi)部輪廓的加工能力，如打中心定位孔、鉆孔、擴孔、鉸孔及車削內(nèi)部各種輪廓等[3]。在車床上打中心孔、鉆孔、擴孔和鉸孔需要保證刀具自身回轉(zhuǎn)中心與機床主軸回轉(zhuǎn)中心的同軸度，否則不僅會影響加工精度，兩者同軸精度誤差較大時，還會直接損壞刀具。

基于實際制造的需要，制造企業(yè)對經(jīng)濟型數(shù)控車床進行了刀位的改裝。直接在滑板上安裝有T型槽的刀架[2]，利用T型槽安裝刀架，再在刀架上安裝刀具，調(diào)刀時，在y軸高度方向通過更換墊片來調(diào)節(jié)[4]。這樣的改裝一般用來安裝車削刀具，x軸、z軸方向無需機械調(diào)刀。但用這樣的改裝來打中心定位孔、鉆孔、擴孔及鉸孔時，需要在x軸、y軸和z軸同時調(diào)刀，調(diào)刀難度極大，且每次加工新零件或中途更換刀具都需要重新調(diào)刀，工作量大、效率低、技術(shù)要求高，調(diào)刀誤差稍大就會直接折損刀具。基于此，通過對經(jīng)濟型數(shù)控車床加工特點的研究，設(shè)計加裝排刀架的結(jié)構(gòu)，并分析對應(yīng)的高精度加裝工藝，使改裝后的排刀架安裝刀具無需調(diào)刀，且刀具安裝位置精度由機床自身精度保證。

1 數(shù)控車孔加工特點分析

車床加工的主運動為工件的回轉(zhuǎn)運動，刀具只做平動而不轉(zhuǎn)動[5]。如圖1所示，工件安裝于車床卡盤上，隨主軸做回轉(zhuǎn)運動，定心鉆和麻花鉆的安裝調(diào)刀都會產(chǎn)生偏差，會出現(xiàn)類似定心鉆中心與回轉(zhuǎn)中心平行但不同軸的現(xiàn)象，或者類似麻花鉆中心與回轉(zhuǎn)中心空間交叉的現(xiàn)象，當調(diào)刀誤差較大時。定心鉆與回轉(zhuǎn)運動中的工件接觸的瞬間就會被切向力折斷，隨著麻花鉆的軸向進給，當副切削刃進入工件時，麻花鉆會被折彎甚至折斷，后道加工若車削則會產(chǎn)生較大的誤差復印[5]，若鉸孔則會失去原有的尺寸和形狀精度。

通過分析可知，采用車床鉆、擴、鉸加工內(nèi)孔與鉆床加工有較大區(qū)別，鉆床的主運動為刀具，即便刀具中心與工件中心產(chǎn)生空間交叉，麻花鉆或定心鉆依然能夠沿著自身中心完成孔加工，但車床不行，刀具會因偏心交叉而被折斷。采用車床增加刀位來鉆、擴、鉸加工內(nèi)孔，須保證刀具回轉(zhuǎn)中心與車床主軸的同軸度。

2 排刀架加裝結(jié)構(gòu)設(shè)計

排刀架的主體結(jié)構(gòu)設(shè)計主要考慮兩個方面的因素：一是便于快速換刀，避免復雜的調(diào)刀；二是充分依據(jù)機床自身精度，最大限度地獲得加工時刀具與主軸的相對位置精度。如圖2所示，排刀架整體呈長方形，置于車床的滑板上，延長度方向間隔設(shè)置有排刀孔，對應(yīng)排刀孔上方分別垂直設(shè)置有螺孔，位于排刀架底部沿長度方向間隔均布開設(shè)有槽，刀架主體對角豎直設(shè)置有緊固螺栓孔[6-7]。

排刀桿設(shè)置于排刀孔內(nèi)，兩者小間隙配合并通過設(shè)置于螺孔內(nèi)的螺釘緊固。與滑板上設(shè)置有限位塊，限位塊與排刀架長度方向一端側(cè)面接觸限位。排刀孔的回轉(zhuǎn)中心分別與排刀架的底平面及限位側(cè)平面平行?；逑拗苮軸的轉(zhuǎn)動、y軸的平動和z軸的轉(zhuǎn)動，限位塊限制x軸的平動和y軸的轉(zhuǎn)動，排刀架通過螺栓緊固于滑板上后z軸平動也被相對限制。排刀桿在排刀孔中只可在z軸方向平動和轉(zhuǎn)動，其余自由度均被限制，在排刀桿被螺釘緊固后限制了所有自由度[4,6]，定心鉆、麻花鉆、鉸刀和車刀等通過高精彈性夾頭安裝于排刀桿上。

3 排刀架加裝工藝分析

3.1 排刀架材料選型及預加工

排刀架需要較高的強度、硬度及耐磨、耐蝕特性，適宜采用軟氮化處理，且變形量小[8]。材料優(yōu)選合金結(jié)構(gòu)鋼，如42CrMo、31CrMoV9等。首先對原材料調(diào)質(zhì)處理，調(diào)質(zhì)硬度28～32 HRC，對調(diào)質(zhì)后的基體材料機加工形成各幾何要素，保留螺孔和排刀孔暫不予加工[9]，并保證長方體6個平面之間的相互位置精度，精度等級要求IT8。隨后對排刀架基體的6個平面磨削，磨削相互位置精度等級要求IT6。磨削后手工去除飛邊毛刺，并防蝕處理后備用。

3.2 車床預調(diào)整

在車床卡盤上安裝軟爪，并精車削軟爪夾持內(nèi)輪廓徑向尺寸至安裝刀桿的外圓尺寸，軟爪完成車削后夾持刀桿，并用千分表測量被夾持刀桿靠近軟爪處的徑向跳動[7]，調(diào)節(jié)該徑向跳動量至車床主軸自身定心軸徑的徑向跳動范圍內(nèi)，定心鉆、麻花鉆、鉸刀和車刀等通過高精彈性夾頭安裝于軟爪刀桿上做相應(yīng)加工[8,10]。拆卸滑板，加工緊固限位塊和排刀架的螺釘孔；復位滑板并檢測精度，使滑板的基準槽或基準側(cè)面橫向運動相對x軸的平行度符合車床自身的精度要求。安裝并調(diào)節(jié)限位塊，調(diào)整精度可參照床鞍在z軸方向運動相對主軸軸線的平行度精度要求[7]。

3.3 排刀架安裝加工

將預加工的排刀架限位緊固安裝于滑板上，定心鉆安裝于軟爪刀桿上，按照x軸向設(shè)計的排刀孔所在位置范圍，通過機床數(shù)控系統(tǒng)手動調(diào)節(jié)滑板沿x軸運動至相應(yīng)位置，并記錄下此時主軸中心相對原點O在x軸的坐標值。確定x軸坐標后，操縱機床沿z軸進給打定心孔，完成定心孔后沿z軸退刀，重復調(diào)整排刀架在x軸的位置至下一個排刀孔所在位置范圍，并記錄下此時主軸中心相對原點O在x軸的坐標值，重復上述打該定心孔。按上述方法打各個增加刀位的定心孔，并記錄相應(yīng)的x軸坐標值。完成定心孔加工后，更換刀具為麻花鉆，并再次用千分表檢測控制刀桿靠近軟爪處的徑向跳動[7]，按照前述記錄的定心孔x軸坐標值，逐次調(diào)節(jié)排刀架至相應(yīng)位置，在定心孔的基礎(chǔ)上逐一鉆通孔，重復操作直至加工完所有通孔。依次更換擴孔鉆、鉸刀或鏜刀，重復上述麻花鉆的操作，完成對各個通孔的精加工，對各通孔的最后精加工可以采用精鉸也可以采用精鏜。實際測量排刀桿的外圓直徑，并對其標定編號，以各排刀桿的實測值為參照，對應(yīng)通孔留有加工余量0.03～0.045 mm。

3.4 排刀架后續(xù)加工及調(diào)節(jié)

拆卸已完成通孔加工的排刀架，完成螺孔的加工，重點去除螺孔與通孔交接處的翻邊毛刺。珩磨各通孔，修整通孔圓柱度至2 μm以內(nèi)，通孔修整磨削量不得超過0.015 mm，修整完成后測量各通孔至安裝底平面的距離，并測量距離限位側(cè)平面最近的通孔與側(cè)平面的距離，編號各孔記錄測量數(shù)據(jù)。

對完成以上加工的排刀架軟氮化處理，層深0.3～0.4 mm，硬度HR15N：90.3～92.5。根據(jù)上述編號測得的排刀桿外圓尺寸，精珩各通孔，最終獲得的排刀孔與對應(yīng)排刀桿的間隙配合值≤2 μm。受軟氮化處理的影響，最終獲得的排刀孔與底平面和側(cè)平面之間的距離均會有微小增大，底平面和側(cè)平面也會產(chǎn)生微小變形。重新測量各排刀孔與底平面之間的距離，并測量距離限位側(cè)平面最近的排刀孔與側(cè)平面的距離，與之前測得值進行對比，根據(jù)對比差異值分別對底平面和側(cè)平面進行研磨，修正距離尺寸的同時提高自身的平面度，且在研磨時距離尺寸選取上偏差值。

對于定心軸徑的徑向跳動為0.012 mm的車床，修整后的排刀架按前述的限位方式裝回車床滑板上即可使用，各式刀具通過刀桿安裝于排刀孔內(nèi)，定心鉆、麻花鉆、擴孔鉆、鉸刀等刀具在x軸的位置根據(jù)前述加工通孔時的記錄數(shù)值設(shè)定。對于定心軸徑的徑向跳動為5 μm的車床，可進一步提高排刀孔與車床主軸對中時的跳動量精度。首先用千分表打定心軸徑的徑向跳動，分別記錄在x軸和y軸方向的最大跳動量及跳動方向；將限位安裝好的排刀架在x軸方向調(diào)節(jié)至加工通孔時的x軸坐標位置，將杠桿千分表安裝于主軸上，旋轉(zhuǎn)主軸打排刀孔的跳動量，分別記錄在x軸和y軸方向的最大跳動量及跳動方向[7]；將表針置于排刀孔的最低位置，操作床鞍沿z軸移動，打排刀孔相對zx面的平行度，記錄長度100 mm的平行度差值及偏差方向；將表針置于排刀孔的最大側(cè)向位置，操作床鞍沿z軸移動，打排刀孔相對zy面的的平行度，記錄長度100 mm的平行度差值及偏差方向。根據(jù)上述測得值分析排刀孔相對主軸的偏差狀態(tài)并對應(yīng)調(diào)整，若與z軸兩個方向的平行度在車床自身精度范圍內(nèi)，此時根據(jù)主軸自身及排刀孔在x軸的跳動量及方向，計算修正對中時排刀孔的x軸坐標值，并根據(jù)主軸自身及排刀孔在y軸的跳動量和方向，計算得底平面的研磨量，通過對底平面的進一步研磨修正y軸跳動量；若與z軸兩個方向的平行度超差量較大，則先調(diào)節(jié)平行度至允許精度范圍內(nèi)，再檢測x軸和y軸的最大跳動量；松開緊固螺栓即可調(diào)節(jié)相對zy面的平行度，調(diào)節(jié)相對zx面的平行度，可通過研磨底平面來修正。

4 結(jié)語

通過對車床孔加工特點的分析，得增加鉆、擴、鉸刀位對同軸度的要求，根據(jù)車床自身精度及結(jié)構(gòu)特點，設(shè)計相應(yīng)的排刀架結(jié)構(gòu)及改裝工藝，解決了經(jīng)濟型數(shù)控車床刀位改裝的精度和快速換刀問題。

(1) 在滑板上加裝排刀架，利用機床自身精度加工排刀孔，保證排刀孔相對主軸的同軸度；軟氮化處理提高了表面硬度、增強耐磨性，軟氮化后的精珩和研磨消除了熱處理微變形帶來的位置公差變化；鉆、擴、鉸刀具通過排刀桿安裝于排刀孔內(nèi)，保證刀具自身軸線與主軸同軸度，同軸度由機床自身精度保證，且無需在x軸和y軸調(diào)刀，提高調(diào)機效率；對于精度等級較高的機床，可通過調(diào)節(jié)修正進一步提高同軸精度。

(2) 改裝后的刀位可直接在車床上對零件進行鉆、擴、鉸工藝加工，無需預制底孔；根據(jù)工藝改裝的刀位進行鉆、擴、粗鉸、精鉸工藝試制直徑8 mm的內(nèi)孔，樣件材料為調(diào)質(zhì)料，硬度25 HRC，孔深為60 mm，所加工孔實測值范圍為8.011 2 ～8.015 5 mm，且加工過程無異響，刀具無異常磨損；試制樣件尺寸落在鉸孔的公差范圍內(nèi)，符合精度要求。