激光原理在車床上快速安裝刀具時的應用

陸曉東

（無錫機電高等職業學校，江蘇 無錫 214028）

激光原理在車床上快速安裝刀具時的應用

陸曉東

（無錫機電高等職業學校，江蘇 無錫 214028）

在車削加工實訓過程中，車刀的正確裝夾是一項不容忽視的基本功。車刀刀尖位置的高低將直接影響到加工的質量和效率，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，以助于在車床上快速正確地安裝刀具。

激光；車刀刀尖；主軸中心線；尾架頂尖

職業院校的學生在進行車工實訓時，均要首先掌握機床的基本結構、刀具的刃磨與安裝、切削參數的選擇等，其中刀具安裝的正確與否，將直接影響到零件加工的質量，特別是刀尖位置的正確性，是切削加工過程中減少產生不良現象的重要一環。因此，創新出一種在車床上有助于快速正確安裝刀具的方法，能夠提高技能實訓效率，在生產實際中也有廣泛的應用價值。

1 車刀刀尖高度對切削質量的影響

在車削加工實訓中，對車刀的正確裝夾雖然是基本要求，但在實際操作時往往被忽視，實習指導老師更注重講授諸如刃磨刀具、選擇切削參數、確定加工工藝等的正確方法，學生對裝夾刀具也是隨心所欲，敷衍了事。以致于在剛進入車削加工的初始階段就頻頻出現刀尖崩裂、扎刀、啃刀等現象而大大縮短刀具的使用壽命；同時零件的加工精度始終不穩定，因不知其所以然而找不出合理地解決辦法。下面從車削外圓、車外溝槽和切斷、車外圓錐面時的工件狀態分析車刀刀尖高度對切削質量帶來的影響。

1.1 刀尖裝夾高低對車削外圓的影響

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，與車刀前角共同形成鋒利刀刃，以便切入工件。當車刀刀尖裝夾高于工件中心線時[圖1（a）]，其實際前角變大，實際后角變小。造成后刀面與工件擠壓，摩擦增大，影響加工質量。車削力大時，會出現刀具崩裂，使加工不能繼續進行。當車刀刀尖裝夾低于工件中心線時[圖1（c）]，其實際前角變小，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。雖然此時實際后角變大，但因實際前角變小，切削阻力增大，相當于降低了刀頭強度，嚴重時同樣會發生崩刀（或崩刃）。刀尖不對中心，在車削外端面或盲孔底面至工件中心時還會留有凸臺[圖1（d）（e）]。

圖1

1.2 刀尖裝夾高低對車外溝槽和切斷的影響

通過計算和分析可以得出這樣的結論：車刀前、后角的變化還與工件半徑有著密切關系。若車刀安裝高度變高，工件半徑相對變大，車刀的前、后角也會發生相應變化。在車削外溝槽時，隨著工件半徑越來越小，車刀的后角也變得越小，甚至變為負值，此時，刀刃后面就會和已加工表面發生接觸，出現重疊切削現象，溝槽表面易出現折褶，通常還會伴有咯、咯聲的異響及強烈的振動，導致崩刃使切削無法繼續。若車刀安裝高度低于工件中心線，就會出現割不斷的情況。

1.3 刀尖裝夾高低對車削圓錐面的影響

在車削圓錐面時，若車刀安裝過高或過低，加工出來的圓錐母線不再是直線，而很容易出現“雙曲線”的現象。

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

2 幾種常用的車刀安裝及刀尖高度調整方法

圖3 用尾座頂尖

圖4 用鋼直尺

圖5 用定高尺

2.1 對尾座頂尖法

將車刀刀尖對準尾座頂尖后夾緊刀具（如圖3）。用此方法裝刀時，需移動車床大拖板使刀架接近尾座，小刀架處于可轉動狀態，以便于調整刀尖方向對準頂尖。常因用力不當，刀尖與頂尖碰撞而使雙尖受損。

2.2 測高法

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

2.3 試切削法

將車刀靠近工件端面，用目測估計車刀高度后夾緊刀具，試車削端面，再根據端面的中心調整刀尖高度。通常只有經驗豐富的熟練操作工才使用這種裝刀方法。

2.4 定高尺法

使用專門設計的定高尺，測量出刀尖高度與車床中心高的差值，即為刀具需墊高的高度（如圖5）。用此方法安裝車刀，需要配備專用定高尺，參見實用新型專利“車刀安裝中心高度測量定高尺”，專利號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年就由著名的美國物理學家愛因斯坦發現，至1960年被首次成功制造。它一經問世，不僅使古老的光學科學和光學技術獲得了新生，而且導致整個一門新興產業的出現。如今激光已被廣泛地應用在各行各業，如激光加工、激光通訊、激光測量、激光器、激光元部件、激光醫療等。激光之所以能成為20世紀以來，繼原子能、計算機、半導體之后人類的又一重大發明，是與之具有良好的綜合特性分不開的。

（1）定向性：與普通光源向四面八方發光相反，激光源只向一個方向發射光線，即光束的發散度極小，大約只有0.001弧度，接近平行。由于普通車床的最大長度一般不會超過3米，故在此短小距離內，激光幾乎平行發射，無發散現象。

（2）高亮度性：正因為是定向發光，大量光子集中在一個極小的空間范圍內射出，能量密度極高，激光的亮度一般是普通陽光亮度的百萬倍。激光光束雖然在白天不可見，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“波列”。激光具有高度的集中性，它要走很長的一段距離才會出現分散或者收斂的現象，因此可以方便地控制其在光屏上所形成的光斑點的直徑。

3.2 激光尾架頂尖的結構

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。頂尖座套另一端內腔安裝激光發生器。接通電源時，產生功率為3mW、直徑約為0.05mm的紅色或綠色激光線，可在成像屏上形成一極小的激光斑點。

圖6

3.3 激光尾架頂尖的工作原理

安裝車刀前，將激光尾架頂尖安裝在尾座上，按下按鈕接通電源，發出的激光光線與車床中心軸線重合。將車刀刀尖對準成像屏上的激光斑點，以刀尖剛好觸及亮斑中心為宜，此時，車刀刀尖與車床中心軸線等高。墊上合適的墊刀片，擰緊刀架螺釘即可。

3.4 優點

使用激光尾架頂尖發出的激光線，相當于把尾座頂尖虛擬移至車床縱向的任意位置，在安裝刀具時具有以下優點：

（1）刀架在車床縱向任意位置時就可安裝刀具，不必移動大拖板，快速、方便；

（2）對于初學車削操作的學生來說，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到要求，費時費料，許多同學甚至在試車削過程中就出現了崩刀現象。利用激光尾座頂尖，可一次調整刀尖高度到位，大大節約了輔助工時，提高了效率。

（3）安裝車槽刀另一要求是：主切削刃和工件回轉軸線嚴格平行，否則車成的溝槽槽底呈竹節形。將車槽刀主切削刃對準激光點并保持刀桿與主軸線垂直后夾緊，即完成了車槽刀的正確安裝。

（4）激光尾架頂尖結構簡單，制作方便。激光發生器只需用市場上廉價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，不會對人眼產生傷害。

（5）具有輔助找正功能。當用三爪自定心卡盤裝夾軸類工件時，有時需要找正，即使工件加工表面的回轉軸線與車床主軸軸線重合。通常先輕輕夾緊工件，用手扳動卡盤，檢查刀架與卡盤無碰撞，然后低速開車，觀察工件歪斜偏擺的方向，當工件旋轉至最高點時用木錘輕敲工件，反復多次直至工件無偏擺，停車，夾緊工件。常見初學者因夾緊力不足又用力不當而將工件敲落，具有一定危險性。利用激光尾架頂尖發出的激光線，先在工件端面用劃線找正法打上中心記號，然后裝上三爪卡盤輕輕夾緊，用手轉動卡盤，觀察并調整工件中心點位置，使其始終對準光點，最后夾緊工件。用此方法時，無需開動機床，簡便易學，工件調整快，無危險性。尤其是在四爪單動卡盤上裝夾外形復雜的工件時，找正是件非常困難的事。若預先能用劃線法找到被加工表面的回轉中心并做上記號，同上原理，調節四只卡爪伸出的位置使手動旋轉卡盤時工件中心始終對準激光點，然后夾緊即能實現快速找正。

4 注意事項

（1）安裝激光發生器時可通過調整螺栓調整激光線與莫氏錐體同軸線。

（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以內，以減小刀尖高度誤差。

（3）為保護眼睛，激光功率不宜過大，一般控制在3mW以內即可。