轉(zhuǎn)輪式車刀高度調(diào)節(jié)裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

王景磊，趙成功，賈石瑀，王虎，曹先釗，楊琦

內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 內(nèi)蒙古呼和浩特 010051

1 序言

在車削加工中，車刀的刀尖要與被加工工件的中心軸線等高，這樣可以保證在車削過程中刀尖始終與工件外表面的最高點(diǎn)接觸。如果刀尖高于或低于工件中心軸線，既容易損壞車刀，也會(huì)造成較大的加工誤差，影響產(chǎn)品的加工質(zhì)量。因此，車刀高度調(diào)節(jié)裝置是保證車床加工精度系列裝置中的一個(gè)重要組成部分，也是工程技術(shù)人員要重點(diǎn)研發(fā)的一種車床附件。

2 相關(guān)產(chǎn)品的特點(diǎn)

為了調(diào)節(jié)車刀的高度，工程技術(shù)人員設(shè)計(jì)研發(fā)出各種類型的調(diào)高裝置并成功應(yīng)用于普通車床和數(shù)控車床上，部分產(chǎn)品獲得了較好的使用效果。按照此類產(chǎn)品研發(fā)和使用的時(shí)間順序，車刀調(diào)高裝置可以分為傳統(tǒng)型和改進(jìn)創(chuàng)新型兩大類，其特點(diǎn)分析如下。

傳統(tǒng)型車刀高度調(diào)節(jié)裝置為墊刀片，調(diào)高方法為墊刀片疊加法。使用墊刀片調(diào)節(jié)車刀高度的優(yōu)缺點(diǎn)均十分明顯，其優(yōu)點(diǎn)是墊刀片易制備，制造和使用成本低，墊刀片的適用性較強(qiáng)，一直被大量使用；其缺點(diǎn)是墊刀片無固定的規(guī)格，使用時(shí)互換性差，使用墊刀片調(diào)節(jié)車刀高度時(shí)需要消耗大量的準(zhǔn)備和調(diào)節(jié)時(shí)間，極大地影響工作效率；另外，如果墊刀片的疊加層數(shù)較多，就會(huì)直接影響車刀的穩(wěn)定性，在加工中易出現(xiàn)車刀的滑移和振動(dòng)，嚴(yán)重影響加工精度，甚至?xí)l(fā)安全事故。

改進(jìn)創(chuàng)新型車刀高度調(diào)節(jié)裝置主要是通過設(shè)計(jì)簡單巧妙的機(jī)械結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)調(diào)高的功能，目前較為成熟的結(jié)構(gòu)有螺釘式和推進(jìn)式兩大類。

螺釘式車刀高度調(diào)節(jié)裝置是對墊刀片調(diào)高的一種結(jié)構(gòu)改造，原理是在固定的單一墊刀片下方設(shè)計(jì)兩個(gè)對稱的并可安裝螺釘?shù)墓潭▔K，通過轉(zhuǎn)動(dòng)螺釘使墊刀片的高度發(fā)生上下變化，實(shí)現(xiàn)車刀調(diào)高的功能[1，2]。其優(yōu)點(diǎn)是調(diào)節(jié)精度遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的墊刀片疊加。調(diào)節(jié)高度的變量可以通過計(jì)算螺釘?shù)男D(zhuǎn)角度獲得，而無需使用多層墊刀片進(jìn)行疊加。其缺點(diǎn)是裝置穩(wěn)定性不高。因?yàn)檎{(diào)高時(shí)必須保證兩側(cè)的螺釘高度一致，為了確保兩側(cè)螺釘?shù)母叨日`差不超過規(guī)定范圍，需要對螺釘進(jìn)行校正，否則就會(huì)導(dǎo)致車刀的振動(dòng)和偏移。

推進(jìn)式車刀高度調(diào)節(jié)裝置采用兩個(gè)以斜面相配合的楔形滑塊來實(shí)現(xiàn)高度調(diào)節(jié)，上方滑塊承載車刀，下方滑塊可以在螺釘?shù)耐苿?dòng)下實(shí)現(xiàn)滑動(dòng)，上下兩滑塊的配合斜面接觸位置不同，對應(yīng)的車刀高度也不同[3-5]。其優(yōu)點(diǎn)是調(diào)節(jié)精度高，可以實(shí)現(xiàn)車刀高度的連續(xù)變化，穩(wěn)定性比螺釘式調(diào)高裝置更好，調(diào)高精度可以通過設(shè)計(jì)合理的斜面傾角來獲得。其缺點(diǎn)是滑塊行程不能很長，兩滑塊的斜面接觸面積越小，裝置的整體穩(wěn)定性就越差，因此裝置的外形尺寸會(huì)受到極大限制，適用性不高。

綜上所述，通過設(shè)計(jì)機(jī)械結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)車刀高度調(diào)節(jié)，此結(jié)構(gòu)具有靈活性強(qiáng)、調(diào)節(jié)精度和工作效率高等顯著特點(diǎn)，是此類裝置研發(fā)的主流方向。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)為一種轉(zhuǎn)輪式車刀高度調(diào)節(jié)裝置，由連桿、支架、主動(dòng)輪、凸輪臺(tái)、墊刀塊、刀架殼體和緊固螺釘?shù)冉M成，其結(jié)構(gòu)如圖1、圖2所示。刀架殼體上設(shè)計(jì)有內(nèi)螺紋孔，用于緊固車刀和墊刀塊；刀架殼體右側(cè)的壁板與凸輪臺(tái)緊密貼合，用于對凸輪臺(tái)實(shí)現(xiàn)定位和支撐。凸輪臺(tái)上設(shè)計(jì)有外凸型的圓弧輪廓，用于與墊刀塊上的內(nèi)凹型圓弧輪廓形成精密配合。墊刀塊用于承載車刀，其圓弧段設(shè)計(jì)有1個(gè)小圓孔，用于與連桿配合。主動(dòng)輪用于輸出轉(zhuǎn)矩，主動(dòng)輪依靠輪軸由支架支撐，主動(dòng)輪上同樣設(shè)計(jì)有1個(gè)小圓孔，用于與連桿配合。連桿將主動(dòng)輪和墊刀塊連接起來，用于傳遞轉(zhuǎn)矩。

圖1 整體裝配結(jié)構(gòu)

圖2 部件拆分結(jié)構(gòu)

4 工作原理

主動(dòng)輪、凸輪臺(tái)和墊刀塊上的圓弧被設(shè)計(jì)為同心圓結(jié)構(gòu)。主動(dòng)輪在支架上轉(zhuǎn)動(dòng)，其輸出的轉(zhuǎn)矩經(jīng)由連桿傳遞給墊刀塊，此時(shí)墊刀塊將環(huán)繞凸輪臺(tái)上的外圓弧轉(zhuǎn)動(dòng)，由于主動(dòng)輪、凸輪臺(tái)和墊刀塊三者為同心圓結(jié)構(gòu)，所以墊刀塊轉(zhuǎn)動(dòng)的角度與主動(dòng)輪相同。車刀安裝于墊刀塊上，隨著墊刀塊的轉(zhuǎn)動(dòng)，車刀刀尖的高度將發(fā)生變化。當(dāng)調(diào)節(jié)車刀刀尖與工件中心軸線等高后，將墊刀塊緊固螺釘擰緊以固定墊刀塊的角度和位置。兩個(gè)車刀緊固螺釘?shù)妮S線關(guān)于主動(dòng)輪的圓心對稱，在擰緊墊刀塊緊固螺釘后，再擰緊兩個(gè)車刀緊固螺釘，以固定車刀，并實(shí)現(xiàn)車刀的力矩平衡。

車刀刀尖的高度值與主動(dòng)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)角度值服從的數(shù)學(xué)關(guān)系為：

式中，y是車刀刀尖的高度值（mm）；r是主動(dòng)輪的半徑（mm）；θ是主動(dòng)輪轉(zhuǎn)過的角度；A是y與rsinθ間的關(guān)聯(lián)系數(shù)。

實(shí)際使用時(shí)只需要調(diào)節(jié)主動(dòng)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，就可以計(jì)算出車刀刀尖的準(zhǔn)確高度。

5 結(jié)束語

本裝置的結(jié)構(gòu)完全不同于之前的同類產(chǎn)品，可以實(shí)現(xiàn)對車刀高度的連續(xù)調(diào)節(jié)，具有使用簡單靈活，調(diào)節(jié)精度和效率高、適用性強(qiáng)以及維修保養(yǎng)成本低等優(yōu)點(diǎn)。使用本裝置需要設(shè)計(jì)與其相配套的刀架，另外考慮到使用穩(wěn)定性的要求，此裝置不適宜承受較大的切削力和沖擊。在未來的優(yōu)化中，如何實(shí)現(xiàn)此裝置的小型化和進(jìn)一步提高其穩(wěn)定性是值得重點(diǎn)研究的。