金屬構(gòu)件加工用車(chē)床刀架結(jié)構(gòu)的改進(jìn)研究

李惠亮，藍(lán)詩(shī)玉，黃佳銳

（廣東省南方技師學(xué)院，廣東 韶關(guān) 512200）

作為制造業(yè)全面實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化的基礎(chǔ)性裝備，數(shù)控車(chē)床在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中的應(yīng)用極為廣泛，而車(chē)削中心是數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用數(shù)量更是處于絕對(duì)領(lǐng)先的位置。目前，我國(guó)數(shù)控車(chē)床及車(chē)削中心在精度、速度、等方面均有了較為顯著的發(fā)展與提升，但可靠性水平較世界水平仍舊較低[1]。提高數(shù)控車(chē)床及車(chē)削中心的可靠性的前提，就是對(duì)其關(guān)鍵功能部件進(jìn)行可靠性研究[2]。通過(guò)對(duì)數(shù)控車(chē)床及車(chē)削中心研究可知，其關(guān)鍵功能部件為動(dòng)力刀架。在工作過(guò)程中，動(dòng)力刀架性能的提升直接關(guān)系到數(shù)控車(chē)床及車(chē)削中心的可靠性[3]。因此，對(duì)于數(shù)控機(jī)床刀架的結(jié)構(gòu)和性能研究就成為了提高生產(chǎn)效率和精度的重要節(jié)點(diǎn)。

基于此，本文進(jìn)行了金屬構(gòu)件加工用車(chē)床刀架結(jié)構(gòu)的改進(jìn)研究，針對(duì)其存在的問(wèn)題進(jìn)行有針對(duì)性的設(shè)計(jì)，提出一種具有鉆頭夾具的車(chē)床刀架設(shè)計(jì)方案，以滿(mǎn)足在金屬構(gòu)件加工過(guò)程中對(duì)車(chē)床刀架的應(yīng)用需求。

1 設(shè)計(jì)方案

在實(shí)際金屬構(gòu)件加工過(guò)程中，車(chē)床刀架一般都是在加工后對(duì)鉆頭進(jìn)行更換，但在此過(guò)程中存在一個(gè)實(shí)際問(wèn)題，那就是中心鉆和鉆頭的裝拆十分繁瑣，操作時(shí)間較長(zhǎng)，直接影響車(chē)床的工作效率；而且，對(duì)于大部分?jǐn)?shù)控機(jī)床而言，都存在一個(gè)共同的問(wèn)題，車(chē)床刀架對(duì)中心鉆和鉆頭固定不夠穩(wěn)定，這就直接導(dǎo)致在加工過(guò)程中，鉆頭產(chǎn)生抖動(dòng)，影響加工效果，針對(duì)該問(wèn)題，本文提出一種具有鉆頭夾具的車(chē)床刀架。

1.1 刀架主體設(shè)計(jì)

針對(duì)上述問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一種具有可拆卸鉆頭夾具刀架。本文通過(guò)對(duì)原刀進(jìn)行改裝設(shè)計(jì)，在結(jié)構(gòu)上做出新的調(diào)整，增加固定裝置和外力緩沖裝置來(lái)提高其對(duì)在鉆頭固定的可靠性，并增加鉆頭固定卡槽，實(shí)現(xiàn)雙鉆頭同時(shí)搭載，降低工作對(duì)鉆頭拆卸調(diào)換的次數(shù)，減少無(wú)功耗時(shí)。

設(shè)計(jì)的刀架主體主要包括刀架本體、套筒、加強(qiáng)塊三部分，通過(guò)螺絲固定孔和螺栓的設(shè)置，實(shí)現(xiàn)整個(gè)刀架的搭建。在刀架本體前端設(shè)置螺絲固定孔和可拆卸連接有固定夾具，夾具外側(cè)有固定連接的安裝條，安裝條內(nèi)部可拆卸，同樣連接有固定螺絲，夾具通過(guò)固定螺絲與螺絲固定孔實(shí)現(xiàn)與刀架本體的可拆卸連接。

夾具前端焊接連接一個(gè)套筒，在套筒外側(cè)焊接加強(qiáng)塊，內(nèi)部設(shè)置套孔，在套筒上下端和左右兩端分別設(shè)置橫向定位螺孔，在套孔內(nèi)部套合，用于連接鉆頭。

鉆頭內(nèi)部設(shè)置內(nèi)定向螺絲固定孔，對(duì)應(yīng)在縱向定位螺孔內(nèi)部，連接有可拆卸的縱向定位螺栓，并與內(nèi)定向螺孔相互卡合，在對(duì)應(yīng)的橫向定位螺孔內(nèi)部，同樣連接有可拆卸橫向定位螺栓，同樣可以與內(nèi)定向螺孔相互卡合，并設(shè)計(jì)橫向定位螺孔釘身前端與縱向定位螺栓外側(cè)相互貼合，這樣就形成了一個(gè)更加穩(wěn)定的鉆頭固定裝置，所設(shè)計(jì)刀架的拆分結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 設(shè)計(jì)刀架拆分結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 刀架細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)

在上述刀架主體設(shè)計(jì)方案的基礎(chǔ)上，對(duì)其內(nèi)部細(xì)節(jié)進(jìn)行搭建，其具體如下：

（1）夾具3設(shè)置為兩組，且與刀架本體1關(guān)于垂直中心線(xiàn)對(duì)稱(chēng)分布，在夾具3內(nèi)部，固定螺絲5與螺絲固定孔2對(duì)應(yīng)分布，根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中的需要，對(duì)兩組夾具3上鉆頭的安裝可以進(jìn)行自由搭配，安裝不同的鉆頭11和中心鉆，這樣就可以在一定程度上避免車(chē)床在加工結(jié)束后必須立刻換刀，才能再次進(jìn)行加工的情況，減少換刀所消耗的時(shí)間，提高設(shè)備有效工作時(shí)長(zhǎng)，從而促進(jìn)實(shí)現(xiàn)設(shè)備產(chǎn)能的最大化。

（2）為了提高連接的穩(wěn)定性，增加了套筒6，且加強(qiáng)塊7與套筒6均為圓柱體結(jié)構(gòu)，且二者圓心重疊，加強(qiáng)塊7對(duì)套筒6有固定作用，避免出現(xiàn)套筒6因受力過(guò)大而損壞的情況，這也在一定程度上降低了設(shè)備維護(hù)的頻率，減少維修帶來(lái)的時(shí)間損失和效益損失。

（3）橫向定位螺孔10與縱向定位螺孔9的大小相等，且二者等間距分布在套筒6外側(cè)，二者通過(guò)共同作用實(shí)現(xiàn)從四端固定鉆頭11的作用，同時(shí)為提高鉆頭11穩(wěn)定性，將其固定在套筒6內(nèi)部，以此實(shí)現(xiàn)更高強(qiáng)度的穩(wěn)定性保障。

（4）內(nèi)定向螺孔12為相互連通的十字型孔槽結(jié)構(gòu)，且其形狀和直徑與10與9的完全一致，并相互連通，可以通過(guò)縱向定位螺栓13和橫向定位螺栓14將三者進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)于不同直徑的鉆頭的固定，這也是對(duì)于刀架應(yīng)用效率的提升設(shè)計(jì)，通過(guò)減少拆卸、調(diào)換鉆頭的次數(shù)提高工作效率。

（5）縱向定位螺栓13釘身長(zhǎng)度大于套筒6直徑，且與橫向定位螺孔10與內(nèi)定向螺孔12、橫向定位螺孔10和縱向定位螺孔9均適配，可以實(shí)現(xiàn)與縱向定位螺孔9進(jìn)行固定，以此進(jìn)一步確保對(duì)鉆頭縱向固定的穩(wěn)定性。

（6）橫向定位螺栓14同樣有2組，并關(guān)于套筒6垂直中心線(xiàn)對(duì)稱(chēng)分布，且橫向定位螺栓14釘身長(zhǎng)度同樣大于套筒6的半徑，可以與縱向定位螺栓13相互貼合，從而保證了對(duì)鉆頭橫向固定的穩(wěn)定性。

通過(guò)上述設(shè)計(jì)，對(duì)刀架的固定強(qiáng)度和對(duì)外界沖擊緩沖能力進(jìn)行提升，降低鉆頭工作過(guò)程中的抖動(dòng)強(qiáng)度，提高加工精度，并降低由于鉆頭拆卸帶來(lái)的時(shí)間損耗，提高有效工作時(shí)間。

2 工作原理

將所設(shè)計(jì)刀架應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)中，其使用戶(hù)和工作原理都相對(duì)簡(jiǎn)單，對(duì)于操作人員友好，簡(jiǎn)單快捷，無(wú)需另外專(zhuān)門(mén)進(jìn)行學(xué)習(xí)，即可掌握。其基本工作原理為，首先通過(guò)固定螺絲5和螺絲固定孔2將夾具3安裝在刀架1前端，將所需鉆頭和中心鉆安裝在夾具3中，并通過(guò)套筒6，將鉆頭后端插入套孔8中，將鉆頭內(nèi)部的內(nèi)定向螺孔12對(duì)準(zhǔn)套筒6外側(cè)的橫向定位螺孔10和縱向定位螺孔9，接著將縱向定位螺栓13擰進(jìn)固定夾具3上端縱向定位螺孔9并與鉆頭11或中心鉆內(nèi)部的內(nèi)定向螺孔12進(jìn)行卡合，直到縱向定位螺栓13出現(xiàn)在固定夾具3下端的縱向定位螺孔9中，接著用兩組橫向定位螺栓14穿過(guò)橫向定位螺孔10并與內(nèi)定向螺孔12進(jìn)行卡合，接著根據(jù)實(shí)際需求使用相應(yīng)的鉆頭11或中心鉆，加工結(jié)束后，移動(dòng)刀架1，實(shí)現(xiàn)更換鉆頭的目的，減少多次的換刀操作，提高加工效率。

3 應(yīng)用價(jià)值分析

作為改造后的數(shù)控機(jī)床刀架，與現(xiàn)有技術(shù)相比，該具有鉆頭夾具的車(chē)床刀架，通過(guò)在車(chē)架前端增加兩組相同的夾具，使車(chē)架可以同時(shí)安裝不同種類(lèi)鉆頭的夾具，使用時(shí)更加方便，減少裝拆次數(shù)，降低換刀的時(shí)間，提高了車(chē)床的效率；其次鉆頭通過(guò)定位螺孔和定位螺栓進(jìn)行固定，實(shí)現(xiàn)對(duì)鉆頭的穩(wěn)定連接，防止加工時(shí)出現(xiàn)抖動(dòng)，影響對(duì)物件加工產(chǎn)生，提高工件的成型效果；同時(shí)，在刀架的鉆頭固定裝置內(nèi)加設(shè)套筒，在一定程度上緩解了外界沖擊對(duì)鉆頭穩(wěn)定性的影響，同時(shí)減少?zèng)_對(duì)沖擊的響應(yīng)強(qiáng)度，降低影響，提高鉆頭工作時(shí)的運(yùn)轉(zhuǎn)精度。

因此在時(shí)間成本和穩(wěn)定性控制上均有一定研究?jī)r(jià)值，且使加工效果上都具有一定價(jià)值，具有實(shí)用性。

4 試驗(yàn)測(cè)試

為對(duì)設(shè)計(jì)刀架的性能進(jìn)行測(cè)試，本文進(jìn)行了試驗(yàn)測(cè)試。試驗(yàn)所用設(shè)備包括電容位移傳感器、精密隔振平臺(tái)、驅(qū)動(dòng)電源、計(jì)算機(jī)；同時(shí)為了隔離外界振動(dòng)，降低環(huán)境噪聲對(duì)試驗(yàn)產(chǎn)生干擾，將所設(shè)計(jì)刀架和電容位移傳感器一同固定到精密隔振平臺(tái)上。在此基礎(chǔ)上，為了更加清晰地對(duì)所設(shè)計(jì)刀架的性能進(jìn)行驗(yàn)證，本文試驗(yàn)選擇原刀架和斜面刀架作為對(duì)比，同時(shí)進(jìn)行測(cè)試。

對(duì)所設(shè)計(jì)的帶有鉆頭夾具刀架的分辨率，沖擊響應(yīng)時(shí)間和進(jìn)給精度進(jìn)行了試驗(yàn)研究，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行記錄，將所設(shè)計(jì)刀架與原刀架和斜面式刀架進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果如表1所示。

表1 不同刀架性能測(cè)試對(duì)比表

從表1中可以看出，所提方法的分辨率僅為0.12μm，面對(duì)沖擊響應(yīng)，其所需衰減時(shí)間無(wú)論是在給進(jìn)方向上，還是切向，用時(shí)較對(duì)比方法有明顯優(yōu)勢(shì)，在固有頻率下，徑向與給進(jìn)方向差異最小，具有良好的性能表現(xiàn)。對(duì)其性能進(jìn)行總結(jié)，可以得到如下結(jié)論。

（1）所設(shè)計(jì)的具有鉆頭夾具刀架通過(guò)加強(qiáng)固定穩(wěn)定性，提高了原刀架的進(jìn)給分辨率。雖然受試驗(yàn)條件所限，目前可測(cè)得的具有鉆頭夾具刀架進(jìn)給分辨率僅為0.12μm，與另外兩種刀架相比，具有明顯優(yōu)勢(shì)。

（2）所設(shè)計(jì)刀架通過(guò)安裝套筒緩沖裝置和螺絲固定裝置，對(duì)于沖擊響應(yīng)的衰減比另外兩種耗時(shí)更短，表明其面對(duì)沖擊的應(yīng)對(duì)能力更強(qiáng)，而另外兩種更為明顯，在給進(jìn)方向上的沖擊衰減耗時(shí)均在40ms以上。

（3）所設(shè)計(jì)刀架基本保持了原刀架在徑向工件進(jìn)給方向上的固有頻率。而在微進(jìn)給方向上，設(shè)計(jì)刀架固有頻率相對(duì)于另外兩種方法，變化幅度更小，表明其固定裝置提高鉆頭穩(wěn)定性方面具有良好作用效果。

綜合以上幾方面因素，所設(shè)計(jì)刀架在不引入附加輔助設(shè)備的情況下，進(jìn)給分辨率提高到了0.12μm，滿(mǎn)足了目前加工工藝需要，具有一定實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

5 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)由于刀架性能引起的鉆頭抖動(dòng)，影響生產(chǎn)效率和質(zhì)量的問(wèn)題，進(jìn)行了金屬構(gòu)件加工用車(chē)床刀架結(jié)構(gòu)的改進(jìn)研究，設(shè)計(jì)的具有鉆頭夾具的車(chē)床刀架實(shí)現(xiàn)了對(duì)鉆頭的穩(wěn)定連接，并可以有效緩沖外界沖擊對(duì)鉆頭運(yùn)行精度帶來(lái)的影響，同時(shí)減少了車(chē)床加工時(shí)換刀的時(shí)間，提高了工作效率，對(duì)于實(shí)際生產(chǎn)具有一定的應(yīng)用價(jià)值。